CN103996348A - 上下交叠隧道施工对运营隧道影响的室内模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，模型箱内纵向对称平行放置既有隧道上、下行线衬砌模型，在既有隧道上、下行线衬砌模型上、下横向对称平行放置开挖隧道上、下行线衬砌模型，既有隧道上、下行线衬砌模型内壁贴有应变计，外壁处粘贴压力盒；开挖隧道上、下行线衬砌模型分成若干衬砌段，衬砌段间用薄橡胶板隔开；位移计支架固定在模型箱顶面；多个位移计分别通过对应的位移计支架固定在既有隧道上、下行线衬砌模型、开挖隧道上、下行线衬砌模型、地层土体表面；开挖施工模拟装置包含围在开挖隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及开挖隧道衬砌模型和乳胶膜之间形成的环形液腔，环形液腔一端安装注液导管，另一端安装排液导管。

Description

上下交叠隧道施工对运营隧道影响的室内模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种城市地下建筑工程中的隧道工程，具体涉及一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置。

背景技术

随着我国城市化进程不断加剧，城市发展与土地资源之间短缺的矛盾日益突出，城市地下空间资源的开发和利用成为社会可持续发展的重要方向之一。城市软土地区盾构法隧道由于其对周围环境影响较小、适应软弱地质条件以及施工速度较快等优点，在地下工程建设中得到广泛应用。然而，在实际施工中，由于地表建筑物、地下桩基、地埋管线以及运营地铁隧道等诸多因素制约，在隧道施工中将不可避免地出现上下交叠穿越的特殊施工工况，甚至会出现多线交叠穿越的极端工况。如：北京地铁四号线盾构隧道在动物园～白石桥区间以15°的小角度从上方交叠穿越九号线矿山法隧道,最小净间距仅为1.39m；天津市在广东路与乐园道交口处，地铁5号线、6号线和Z1线三线相交，而且6号线CK31+475～广东路站与Z1线上下交叠并行，叠线段隧道长度竟达392m。因此，在多线交叠隧道施工过程中，尤其是隧道开挖行为的进行，必然会对周围地层产生扰动，引起变形和位移，而地层的变形会对在其影响范围内的既有隧道产生影响。当盾构隧道开挖行为引起周围土体的位移和变形超过一定限度时，将会对临近穿越隧道内部结构及上部地表产生较大影响。众多工程实例表明，在上述交叠工况特点显著，交叠距离较长，甚至多线交叠的情况下进行隧道施工，存在极大的施工风险和安全隐患。因此，如何确保在既有隧道紧临位置修建隧道期间周围土工环境的安全，以及如何控制新建隧道在盾构推进过程中对既有隧道的影响，以确保既有隧道的正常结构形态和新建隧道盾构的顺利推进，对于地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的理论指导和现实意义。

目前针对交叠隧道的研究，国内外相关学者主要采用的是数值模拟方法、理论分析法以及现场监测法。数值模拟方法能够模拟盾构隧道管片、接头、周围岩土介质以及临近构筑物与土体的共同作用，但是需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑隧道与土体之间的复杂关系，并且计算量大；现场监测方法是获取交叠地铁施工引起既有运营隧道变形数据的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，实现对地铁交叠施工过程中不同施工工况下隧道开挖过程的模拟，准确监测盾构隧道开挖施工引起的周围土体沉降和土压力变化情况，测量临近既有隧道的应变值、纵向沉降值,并对既有隧道进行竖向和水平向力学反应分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，包括模型箱、位移计支架、多个位移计、开挖施工模拟装置，其特点是：模型箱内地层土体中纵向对称平行放置由铝合金空心管制成的既有隧道上、下行线衬砌模型，在既有隧道上、下行线衬砌模型上、下横向对称平行放置开挖隧道上、下行线衬砌模型，开挖隧道上、下行线衬砌模型与既有隧道衬砌模型成垂直交叠分布，既有隧道上、下行线衬砌模型内壁贴有多组应变计，外壁处粘贴多组压力盒；开挖隧道上、下行线衬砌模型由铝合金空心管制成，并分成若干衬砌段，衬砌段间采用环形薄橡胶板隔开；位移计支架固定在所述模型箱顶面；多个位移计分别通过对应的位移计支架固定在既有隧道上、下行线衬砌模型、开挖隧道上、下行线衬砌模型以及地层土体表面；开挖施工模拟装置包含围在开挖隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及开挖隧道衬砌模型和乳胶膜之间形成的环形液腔，在环形液腔一端安装设有注液电磁阀的注液导管，在沿环形液腔水平方向上的另一端安装设有排液电磁阀的排液导管。

模型箱为铝合金材料制成的长方形箱，分为上、下、左、右四个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有便于固定位移计支架的锚孔。

多组应变计以既有隧道衬砌模型纵向对称轴位置为中心，在衬砌模型内壁上呈环向对称分布。

多组压力盒分别纵向等距对应于各组应变计，在衬砌模型外壁上呈环向对称分布。

位移计支架沿轴线位置处开有多个用于安装位移计，并使位移计在开挖隧道衬砌模型、既有隧道衬砌模型外壁以及土体上表面水平方向固定，垂直方向可调节的小孔。

位移计是LVDT位移计，位移计末端用胶布粘贴于对应土体地表、开挖隧道衬砌模型和既有隧道衬砌模型外壁。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到城市盾构隧道交叠施工对既有运营隧道的变形影响研究中；2、本试验的盾构隧道开挖施工模拟装置可以较好模拟盾构隧道开挖过程中地层损失引起的地层沉降，并可以较为准确测出施工扰动对临近既有运营隧道的变形影响；3、本试验中通过控制盾构隧道开挖施工模拟装置中各衬砌段的排液体积，可以实现不同地层损失率的隧道开挖施工模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；4、本试验中通过开挖交叠隧道上下线施工顺序不同，可以模拟多种施工工况，并对比开挖顺序的不同对既有运营隧道的影响情况；5、本试验在实验前先验证既有隧道衬砌模型的纵向抗弯刚度，并对衬砌外壁应变计进行校正，通过纵向抗弯刚度的确定和对既有隧道衬砌模型纵向弯矩应变计的校正，可以反求出模型试验时既有隧道衬砌模型各处的纵向弯矩，较全面的反应既有隧道所受的影响。6、采用本套模拟测试装置进行隧道施工环境土工效应的试验研究，可为隧道工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于类似多线交叠工程施工具有重要的现实指导意义，对于制定多线交叠隧道施工安全穿越技术标准以及临近既有构筑物的安全保护措施也具有重要的理论参考价值。

附图说明

图1是本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置正视图；

图2是本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置侧视图；

图3是本发明在实施例中的地铁开挖施工模拟装置示意图；

图4是本发明在实施例中的既有隧道衬砌模型及测点布置图；

图4-1是图4中沿A-A剖视图；

图4-2是图4中沿B-B剖视图；

图5是本发明在实施例中的既有隧道衬砌模型纵向抗弯刚度验证示意图；

图6是本发明在实施例中的既有隧道衬砌模型纵向弯矩校正示意图；

图7是本发明在实施例中的位移计支架示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。

首先，制作一个模型箱、两个既有隧道衬砌模型、两个开挖隧道衬砌模型和两个开挖施工模拟装置。

如图1、2所示，模型箱1 外形呈长方体，内部空间尺寸为1200 mm×1200 mm×800 mm（长×宽×高），由5个厚度为30 mm的铝合金板拼接组成。既有隧道上、下行线衬砌模型2、3分别由空心铝合金管4组成，铝合金管外径为100mm，内径为84mm，壁厚8mm，纵向长度为800mm。开挖隧道上、下行线衬砌模型5、6为六段空心铝合金管7，外径为100mm，内径为84mm，壁厚为8mm，轴向分段长度为120mm。开挖衬砌模型段间用环形橡胶板10隔开，隔板厚10mm、外径130mm、内径84mm。

如图3所示，将衬砌模型段依次划分为1号衬砌、2号衬砌、3号衬砌、4号衬砌、5号衬砌和6号衬砌。以开挖隧道上行线衬砌模型5为例，每段开挖隧道上行线衬砌模型5外部围有厚度为3 mm的乳胶膜8，其轴向两端粘贴于环形橡胶板10外围，以在注满液体后可形成一个12 mm厚度的环状液腔9。在每段环形液腔一端安装注液导管11，并在注液导管的入液一侧设有注液电磁阀13，统一控制衬砌外围液腔内液体的注入。在环形液腔9水平方向上的另一端安装设有排液电磁阀的排液导管12，即控制1号衬砌外围液腔的为第一排液电磁阀14；控制2号衬砌外围液腔的为第二排液电磁阀15；控制3号衬砌外围液腔的为第三排液电磁阀16；控制4号衬砌外围液腔的为第四排液电磁阀17；控制5号衬砌外围液腔的为第五排液电磁阀18；控制6号衬砌外围液腔的为第六排液电磁阀19；注液导管通过注液管20注液，排液导管将液体排放到排液管21。其中注、排液电磁阀均为通用型号，注液导管和排液导管外径均为5mm，壁厚均为1 mm；注、排液管外径均为10mm，壁厚均为2mm。

以既有隧道衬砌上行线模型2为例，既有隧道衬砌下行线模型3与其测点布置情况和上行线相同。如图4、4-1、4-2所示，隧道衬砌铝合金空心管4内壁粘贴五组应变计，在既有隧道上行线衬砌模型2纵向对称轴位置贴有一组应变计，另外四组以模型纵向对称轴为中心，左右两侧各对称分布两组。每组应变计沿衬砌模型环向对称分布，即每组应变计中含有8条应变片22，沿纵向粘贴在衬砌环向0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°位置处，应变片22外用环氧树脂密封以达到防水效果。其中，以衬砌模型纵向对称轴为基准，左侧第一、二组应变计中心位置24和25与衬砌模型纵向对称轴距离分别为240 mm和120mm，右侧第四、五组应变计中心位置27和28与衬砌模型纵向对称轴距离分别为120 mm和240mm，第三组应变计中心位置26与衬砌模型纵向对称轴位置重合。隧道衬砌铝合金空心管4外壁处粘贴五组压力盒23，分别纵向等距对应于五组应变计，在衬砌模型外壁上呈环向对称分布，每组压力盒23距离对应各组应变计的距离为35mm，环向布置情况与应变计相同。其中，以衬砌模型纵向对称轴为基准，左侧第一、二组压力盒23中心位置29和30与衬砌模型纵向对称轴距离分别为205 mm和85mm，右侧第三、四、五组应变计中心位置31、32、33与衬砌模型纵向对称轴距离分别为35 mm、155mm和275mm。应变计22截面和压力盒23截面布置图见图4-1、4-2。在本实施例中，应变计22用于既有隧道上、下行衬砌模型2、3的应变测量，压力盒23用于既有隧道上、下衬砌模型2、3的土压力测量，其具体量测数值可由外接应变仪获得，外接线通过各组测量计左侧的引线孔34引出。

在隧道衬砌模型进行模型试验前，应验证既有隧道衬砌模型的纵向抗弯刚度和校正衬砌模型的纵向弯矩。首先进行纵向抗弯刚度的验证。如图5所示，可采用简支梁法验证既有隧道衬砌模型的纵向抗弯刚度，以既有隧道上行线衬砌模型2为例，既有隧道下行线衬砌模型3的验证方法与上行线相同。将上行线衬砌模型2架在两端固定支架上，5个LVDT位移计通过特制位移计支架61固定在既有隧道衬砌模型管顶表面，并使每个LVDT位移计保持竖直向上，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。5个位移计对称分布于衬砌模型纵向对称轴两侧，其中，对称轴左侧第一、二个位移计中心位置51和52与衬砌模型纵向对称轴距离分别为240 mm和120mm，右侧第四、五组位移计中心位置54和55与衬砌模型纵向对称轴距离分别为120 mm和240mm，第三组位移计中心位置53与衬砌模型纵向对称轴位置重合。选取衬砌模型纵向对称轴位置进行跨中集中加载，通过量测衬砌模型测试截面的竖向位移，根据力学知识，即可计算得到隧道的纵向抗弯刚度EI。

纵向弯矩校正设备如图6所示，既有隧道衬砌模型内壁纵向粘贴十组应变计，每组应变计呈环向对称分布，每组应变计中含有8条应变片，粘贴在衬砌环向0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°位置处，十组应变片以衬砌模型纵向对称轴为基准对称分布。其中，中心线左侧第一组应变计中心位置56与衬砌模型纵向中心线距离为35mm,第二组应变计中心位置57与衬砌模型纵向对称轴距离为110mm,第三组应变计中心位置58与衬砌模型纵向中心线距离为185mm,第四组应变计中心位置59与衬砌模型纵向对称轴距离为260mm,第五组应变计中心位置60与衬砌模型纵向对称轴距离为335mm。衬砌模型中间加砝码量测应变片电流变化，并计算相应应变片处的弯矩值，重复加载次数即可得到各应变片处电压与弯矩的回归曲线，以此反求模型试验时既有隧道衬砌模型各处的纵向弯矩值。

开始向模型箱内填入砂土，当土层厚度填至110 mm，即填完下行开挖隧道下卧层土，放入开挖隧道衬砌下行模型6以及下行线开挖施工模拟装置，开挖隧道衬砌模型两侧用铝合金板封闭，通过水准尺控制使开挖隧道衬砌模型6水平，并使其纵向对称轴与模型箱正视图中轴线重合，横向对称轴与模型箱测视图中轴线重合，开挖方向与正视图横向平行。打开注液电磁阀将下行线的六段衬砌外围液腔内注入CaCl₂溶液，待六段衬砌外围液腔内中液体压力与计算得到的填土完成后下行线开挖施工模拟装置乳胶膜表面的土压力相等后，关闭注液电磁阀。

继续填土直至厚度达275mm，即填完既有隧道下卧层土，将既有隧道衬砌模型上、下行2和3以模型箱正视图中轴线为中心，左右对称平行放入砂土表层，既有隧道衬砌模型两侧用铝合金板封闭。通过水准尺控制使既有隧道衬砌模型2和3水平，且纵向与开挖隧道衬砌模型垂直。考虑到隧道交叠近距离施工时，盾构隧道开挖施工对既有运营隧道影响较为明显，将上、下行既有隧道衬砌模型中心间距定为200mm，即两衬砌模型净距为100mm，既有隧道衬砌模型与开挖隧道下行模型间的垂直距离为35mm。

继续填土直至厚度达410mm，即填完上行开挖隧道下卧层土，在开挖隧道下行线衬砌模型6的正上方，放入开挖隧道上行线衬砌模型5以及上行线开挖施工模拟装置，开挖隧道衬砌模型两侧用铝合金板封闭，通过水准尺控制使开挖隧道上行线衬砌模型5水平，开挖隧道上行线衬砌模型5与既有隧道衬砌模型间的垂直距离为35mm。打开注液电磁阀将上行线的六段衬砌外围液腔内注入CaCl₂溶液，待六段衬砌外围液腔内中液体压力与计算得到的填土完成后上行线开挖施工模拟装置的乳胶膜表面的土压力相等后，关闭注液电磁阀。

继续填土直至厚度达600mm，即填土完成。此时下行开挖隧道埋深475mm，既有隧道埋深325mm，上行开挖隧道埋深175mm。将15个LVDT位移计通过位移计支架固50定在土体地表和开挖隧道与既有隧道管顶表面，并使每个LVDT位移计保持竖直向上，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

如图7所示，位移计支架50固定在模型箱1顶面，为1200mm×1200mm×20mm的正方形铝合金板除去四个400mm×200mm×20mm（长×宽×高）的角，其中位移计支架50横、纵向对称轴位置以及对应于两既有隧道纵向中轴线位置处开有15个外径为20 mm的预留小孔，便于LVDT位移计的固定。其中位移计支架横向对称轴位置处开有5个预留孔。小孔35和小孔36孔中心位置分别位于距位移计支架中心左侧300mm和100mm位置；小孔37孔中心位置与位移计支架中心位置重合；小孔38和小孔39孔中心位置分别位于距位移计支架中心右侧100mm和300mm位置。这里的5个小孔所固定的位移计末端分别用胶布粘结于上行开挖隧道衬砌模型管顶上表面。

对应于既有隧道纵向中轴线位置处开有8个预留孔。既有隧道上、下行线衬砌模型2、3纵向中轴线处各对应4个，对称分布于位移计支架50纵向对称轴两侧。其中小孔40、41孔中心位置分别位于距位移计支架50横向对称轴左测300mm和70mm位置；小孔42、43孔中心位置分别位于距位移计支架50横向对称轴右测70mm和300mm位置。这里的4个位移计末端分别用胶布粘结于上行既有隧道衬砌模型管顶上表面。与40、41、42和43小孔对称分布的44、45、46和47小孔所固定的位移计末端分别用胶布粘结于下行既有隧道衬砌模型管顶上表面。位移计支架50纵向对称轴位置处预留48、49两个小孔，对称分布于位移计支架50横向对称轴两侧，距离位移计中心200mm，其所固定的位移计末端分别用胶布粘结于土层表面。

在本实施例中，位移计用于开挖隧道衬砌模型、既有隧道衬砌模型管顶以上土体表面以及表面土体的纵向变形测量，其具体量测数值可由外接位移数据采集仪获得。

本实例采用“先下后上”的开挖施工顺序，此时首先打开下行开挖施工模拟装置中的排液电磁阀14释放1号衬砌外围液腔中液体，以0.5%/分速率排液10ml,即完成2 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀15释放2号衬砌外围液腔中液体，以0.6%/分速率排液12ml,即完成2.4 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀16释放3号衬砌外围液腔中液体，以0.8%/分速率排液16ml,即完成3.2 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀17释放4号衬砌外围液腔中液体，以1%/分速率排液20ml,即完成4 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀18释放5号衬砌外围液腔中液体，以1.2%/分速率排液24ml,即完成4.8 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；最后打开排液电磁阀18释放5号衬砌外围液腔中液体，以1.5%/分速率排液30ml,即完成6 %的地层损失模拟，记录各类测试仪器读数；此时下行隧道开挖施工完毕，继而进行上行隧道开挖施工，即重复上述下行隧道开挖施工步骤，记录各类测试仪器读数。从而可以对比观测不同地层损失率的开挖交叠施工引起的既有隧道应变值以及纵向沉降值。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

上述实施例通过上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，可以获得不同地层损失率条件下，开挖交叠施工对既有隧道以及土体表面的影响，从而达到准确测量盾构隧道开挖交叠施工引起的既有隧道基应变值、纵向沉降值和土体地表纵向沉降值的技术效果。

Claims (6)

1.一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，包括模型箱、位移计支架、多个位移计、开挖施工模拟装置，特征在于：所述模型箱（1）内地层土体中纵向对称平行放置既有隧道上、下行线衬砌模型（2、3），在既有隧道上、下行线衬砌模型（2、3）上、下横向对称平行放置开挖隧道上、下行线衬砌模型（5、6），开挖隧道上、下行线衬砌模型（5、6）与既有隧道衬砌模型成垂直交叠分布，既有隧道上、下行线衬砌模型（2、3）内壁贴有多组应变计（22），外壁处粘贴多组压力盒（23）；开挖隧道上、下行线衬砌模型（5、6）分成若干衬砌段，衬砌段间采用环形薄橡胶板（10）隔开；位移计支架（50）固定在所述模型箱（1）顶面；多个位移计分别穿过位移计支架（50）固定在既有隧道上、下行线衬砌模型（2、3）、开挖隧道上、下行线衬砌模型（5、6）以及地层土体表面；开挖施工模拟装置包含围在开挖隧道衬砌模型四周的乳胶膜（8）以及开挖隧道衬砌模型与乳胶膜（8）之间形成的环形液腔（9），在环形液腔（9）一端安装设有注液电磁阀的注液导管（11），在沿环形液腔（9）水平方向上的另一端安装设有排液电磁阀的排液导管（12）。

2.根据权利要求1所述的上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱（1）为铝合金材料制成的长方形箱，分为上、下、左、右四个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有便于固定位移计支架的锚孔。

3.根据权利要求1所述的上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述多组应变计（22）以既有隧道衬砌模型纵向对称轴位置为中心，在既有隧道衬砌模型内壁上呈环向对称分布。

4.根据权利要求1所述的上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述多组压力盒（23）分别纵向等距对应于各组应变计，在既有隧道衬砌模型外壁上呈环向对称分布。

5.根据权利要求1所述的上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述位移计支架（50）沿轴线位置处开有多个用于安装位移计，并使位移计在开挖隧道衬砌模型、既有隧道衬砌模型外壁以及土体上表面水平方向固定，垂直方向可调节的小孔。

6.根据权利要求1所述的上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述位移计是LVDT位移计，位移计末端用胶布粘贴于对应土体地表、开挖隧道衬砌模型和既有隧道衬砌模型外壁。