一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置的制作方法

本实用新型属于盾构隧道模型试验技术领域，特别涉及一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，适用于既有隧道内集中堆载工况的模拟，尤其在盾构近距离上穿或上方基坑开挖造成既有隧道隆起工况下，对研究压重产生的抗浮效果尤其适用。

背景技术：

邻近既有隧道的盾构上穿会造成下部既有隧道的隆起变形，造成既有隧道管片环之间出现裂缝、渗漏水或螺栓断裂等危害，严重影响已运营隧道的使用功能和安全性。为了控制既有隧道的上浮变形，常常在隧道内采用集中堆载的方式进行反压。

针对隧道内堆载来控制隧道的上浮变形在很多的工程中均有应用，国内外也有不少学者对隧道内堆载的影响规律进行研究，主要的研究方法包括数值模拟法、现场实测数据分析法和室内模型试验法。其中，数值模拟法很大程度上取决于模拟条件的选取，精度较难控制，往往误差较大；现场实测数据分析法采用实际工程测量，测量结果较为直观，准确，但也存在着现场地层形状复杂、施工条件复杂、测试原件埋设困难等缺点。室内模型试验法作为一种有效的研究方法，在保证了一定的准确性、直观性的基础上，在室内即可实现对工程实际问题的模拟，节省了大量的人力和物力。而针对盾构近距离上穿工况下，对既有隧道内压重进行的室内模型试验研究还未见到，有待进一步开展。

综上所述，现有的研究方法普遍存在着精度较难控制、测量结果不够直观、研究条件复杂、成本高、费时费力等问题，亟需通过改进技术来进行解决。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置。

为实现上述技术目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，包括模型箱，模型箱内部设置有上下布置的地层损失模拟装置和既有隧道模型；所述既有隧道模型包括管体和安装在管体两端的端口盖，管体内部设置道床板、基准梁、封闭集水槽，基准梁的两端穿过管体的两端的端口盖后固定在模型箱上；封闭集水槽布置在道床板上，每个封闭集水槽单独连接一根输水管，输水管引出模型箱后由供水装置对封闭集水槽进行注水；所述既有隧道模型上设置监测断面，监测断面处设置检测装置。

进一步的，所述新建隧道模型由外管和嵌套在外管内的内管组成，内管的内端固定在模型箱侧壁，外管的外端穿过模型箱一侧的接收孔后连接牵引装置。

进一步的，所述检测装置包括位移计、土压力盒和应变片，既有隧道模型内部两侧拱腰和拱顶位置均设置位移计，位移计固定在基准梁上，外部的两侧拱腰、拱顶和拱底位置均设置土压力盒，拱底位置设置应变片。

进一步的，所述供水装置包括依次设置水泵、阀门、流量计和输水管连接器。

进一步的，所述模型箱正面采用钢化玻璃并标有刻度，其他面采用钢板焊接。

进一步的，所述地层损失模拟装置和既有隧道模型采用铝合金空心管材制作而成，地层损失模拟装置的外管和内管之间的空隙设置钢珠。

进一步的，所述管体的两端由端口盖密封，一端的端口盖上设置引线孔和塑料软管，两端的端口盖均设置一个供基准梁穿过的小孔，小孔内部沿环向设置橡胶套圈。

进一步的，所述集水槽对称布置在道床板中心两侧，每一个集水槽为封闭的盒状结构，顶部设置可拆卸盖板，每一个集水槽一一对应一根输水管，进行单独的编号。

进一步的，所述基准梁的长度可调节，两端通过可拆卸的方式固定在模型箱侧壁上。

进一步的，所述快速泄沙口位于模型箱后立面，利用后立面钢板开设矩形开孔，并安装活动门。

本实用新型的有益效果是：

1)便于模拟不同上穿角度和埋深的穿越工况

地层损失模拟装置设置在模型箱上部固定位置，下部空间选择合适高度布置3-4个既有隧道模型埋设层，在试验过程中，下部的既有隧道模型可固定在不同埋深的土层中，并可与地层损失模拟装置形成30°、45°、60°90°多个角度，用于模拟不同埋深和不同穿越角度工况下的隧道近接施工。

2)便于模拟不同堆载方案对隧道上浮的控制效果

既有隧道模型内部在上下隧道穿越中心点两侧对称布置独立的集水槽，每个集水槽一一对应一根输水管通向模型箱外部，每一根输水管分别编号，模拟堆载过程中仅需要向对应的输水管和集水槽内注水即可，随着注入集水槽位置的不同和注入量的控制，可以模拟不同堆载长度、堆载重量对隧道上浮变形的控制。另外，在新建隧道穿越前、穿越时、穿越后分别进行注水，还可以对比不同穿越阶段下进行堆载的效果。

3)机械化程度高，试验操作简单

地层损失模拟装置的穿越过程通过卷扬机和钢绞线实现，模型箱内的细沙通过机械洒沙的方式分层装填和压实，而泄沙可通过模型箱上预留的快速泄沙口进行快速完成，试验过程机械化程度较高，节省了人力，便于试验的操作与完成。

4)针对布置测量仪器，精确反映试验结果

在既有隧道模型内部两侧拱腰和拱顶设置三个方向的lvdt位移计，能测量隧道整体的绝对位移和结构收敛变形；在隧道外部四个方向设置的土压力盒能够测量隧道各个部位的土压力分布情况；在隧道外壁底部轴线上安装的应变片则用于监测反映隧道模型在上穿影响下产生的弯矩变化情况。三者共同对既有隧道模型的变形情况进行监控量测，充分反映试验过程中既有隧道模型的位移及变形情况。

附图说明

图1是本实用新型试验装置整体结构示意图；

图2是既有隧道模型布置平面图；

图3是地层损失模拟装置布置平面图；

图4是既有隧道模型内部结构横断面示意图；

图5是既有隧道模型内部结构纵断面示意图；

图6是既有隧道模型内部结构局部详图；

附图标记说明：模型箱1；地层损失模拟装置2；既有隧道模型3；集水槽4；输水管5；可拆卸盖板6；端口盖7；基准梁8；塑料软管9；水泵10；阀门11；流量计12；输水管连接器13；引线孔14；钢支架15；拉环16；钢绞线17；卷扬机18；位移计19；土压力盒20；应变片21；快速泄沙口22；接收孔23；道床板24；外管25；内管26。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1所示，本实用新型提供一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，包括模型箱1，模型箱1以15:1的比例缩小，长宽高分别为4m×4m×3m，内部包括地层损失模拟装置2和既有隧道模型3，地层损失模拟装置2在上部空间，模型箱1右侧设置一个钢支架15，钢支架15顶面与接收孔23最低点等高，便于牵引装置及外管25抽出后的放置；地层损失模拟装置2左端固定在模型箱1左侧侧壁，右端穿过右侧接收孔23；地层损失模拟装置2右端设置拉环16，拉环16通过钢绞线17连接在牵引装置(由于卷扬机18具有机械设备简单易操作，应用范围广等优点，故本实施例采用卷扬机18)上，可以通过卷扬机18的工作向右拉动外管2，进行盾构掘进的模拟；模型箱1后立面在位于既有隧道模型3左侧偏下的位置设置快速泄沙口22，快速泄沙口22在试验过程中紧闭，在需要清除上部沙层时通过人为打开，快速排出上部的沙层，减少人力卸土的消耗；既有隧道模型3内部的输水管5通过引线孔14和塑料软管9从模型箱1内部引出，之后依次连接输水管连接器13、流量计12、阀门11和水泵10，其中输水管连接器13作为输水管5的连接装置，可以随时拆下或接上对应编号的输水管5，用于向不同位置的集水槽4中注水，流量计12则用于显示和控制注入的水量多少。

如图2所示，模型箱1中在地层损失模拟装置2下部空间中选取3-4个既有隧道模型3的埋设深度，在同一个埋深深度下，既有隧道模型3可以按照90°、60°、45°或30°的夹角进行固定，通过既有隧道模型3埋设深度和布置角度的调整可以模拟不同的盾构穿越工况，增加试验装置的可研究内容；既有隧道模型3的长度不变，但随着夹角度数的变化，既有隧道模型3两端距模型箱1侧壁的距离会有所变化，需要对基准梁8的长度进行调节；既有隧道模型3两端设置端口盖7，前段的端口盖7上留有引线孔14，内部的输水管5和测线可以通过引线孔14和塑料软管9引出模型箱1。

如图3所示，地层损失模拟装置2在模型箱1中沿左右横向布置，地层损失模拟装置2由外管25和内管26组成，外管25套在内管26外部，两者空隙填充钢珠，以便于后续抽出外管25更加便捷；内管26左端固定在模型箱1左侧侧壁上，外管25不与左侧侧壁固定，外管25和内管26右端均搭设在接收孔23上；外管25右端焊接一个拉环16，试验过程中利用卷扬机18通过钢绞线17拉动拉环16，将外管25缓缓抽出，由于外管25和内管26之间存在直径差，存在的空隙即用以模拟盾构穿越过程造成的土体损失影响。

如图4所示，既有隧道模型3内部道床板24上布置封闭集水槽4，每个集水槽4顶部设置可拆卸盖板6，对应连接一根输水管5；在既有隧道模型3内部两侧拱腰和拱顶设置三个方向的lvdt位移计19，lvdt位移计19均安装在基准梁8上，用于测量既有隧道模型3的位移变化；在既有隧道模型3外部四个方向黏贴土压力盒20，用于测量既有隧道模型3环向土压力变化。

如图5所示，既有隧道模型3在内部和外部每隔一段距离设置监测断面，内部两侧拱腰和拱顶位置均设置lvdt位移计19，用于测量既有隧道模型3的位移变化；外部的两侧拱腰、拱顶和拱底位置均设置土压力盒20，用于测量既有隧道模型3环向土压力变化，拱底位置设置应变片21，用于测量外部产生的弯矩变化；道床板24上沿着中心对称设置6个集水槽4，每个集水槽4与道床板24等宽，长度为0.5m，高度为15cm，每一个集水槽4一一对应一根输水管5，进行单独的编号；既有隧道模型3两端安装端口盖7，左侧的端口盖7设置引线孔14和塑料软管9，用于将内部的输水管5和测线引出模型箱1；基准梁8用于安装lvdt位移计19，位于既有隧道模型3的中心，由于两端的端口盖7上预留了环向设置橡胶套圈的小孔，基准梁8便于穿过小孔固定在模型箱1侧壁上，且由于橡胶套圈沿着径向存在一定的弹性，在阻隔沙子进入既有隧道模型3内部的同时，允许既有隧道模型3发生一定范围的隆沉位移。

如图6所示，端口盖7可以打开，道床板24可沿着既有隧道模型3内壁预设的滑槽抽出，便于内部装置和仪器的安装与更换，同时集水槽4顶部的可拆卸盖板6可以掀开，便于清除内部注入的积水。

另外，结合具体案例进行详细说明。

本实用新型涉及的模型尺寸根据所选缩尺寸比例和模拟的工程实际情况可进行灵活调整。本实用新型选取15:1的比例，既有隧道模型3的外径为41.3cm(选取实际直径为6.2m)，一个集水槽4长度为0.5m，宽度为0.3m，高度为15cm，道床板24上共设6个集水槽4，故集水槽4覆盖的总长度为3m。由于隧道内堆载往往沿着堆载中心对称进行，若向最中间的两个集水槽4注水，则可以模拟的实际堆载长度为15m；若向中间的四个集水槽4注水，则可以模拟的实际堆载长度为30m；若同时向六个集水槽4注水，则可以模拟的实际堆载长度为45m。单个集水槽4的最大注水量为22.5l，若按水的密度为1kg/l，则单个集水槽4的最大注水质量为22.5kg，六个集水槽4的最大注水质量为135kg，模拟的实际工程中最大堆载量为675kg/m。由于注水的量可以进行灵活控制，综上所述，本实用新型试验装置可以模拟的实际工程堆载范围为15m、30m、45m三级，可以模拟的隧道内集中堆载量为0-675kg/m。

需要说明的是，本实用新型涉及的地层损失模拟装置3结构参照实用新型专利“一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置”(申请号：201720664274x)进行制作，详细的结构及功能介绍请见原文。

利用上述的模拟既有隧道内集中堆载模型试验装置进行集中堆载模型试验，包括以下步骤：

1)制作模型：利用铝合金空心管材按照15:1的比例制作地层损失模拟装置2和既有隧道模型3，在外管25一端焊接一个金属拉环16，既有隧道模型3内在道床板24安装位置设置两条滑槽，沿道床板24中点两侧对称安装集水槽4，连接输水管5，分别进行编号；

2)安装仪器：在既有隧道模型3两端临时固定基准梁8，基准梁8上安装lvdt位移计19，既有隧道模型3外部黏贴土压力盒20及应变片21，将所有的测线进行编号，并整理成束，避免试验过程中出现测线杂乱、无法识别的问题；

3)安装既有隧道模型3：将道床板24沿着滑槽装入既有隧道模型3内，在既有隧道模型3两端安装端口盖7，安装过程中，使lvdt位移计19的测线和输水管5通过引线孔14和塑料软管9，使基准梁8两端通过小孔，安装完毕后放置一旁备用，之后在既有隧道模型3以下范围的模型箱1中装入细沙，充分压实，按照试验的角度将既有隧道模型3置于模型箱1内，利用可拆卸的方式将基准梁8固定在模型箱1侧壁上，塑料软管9连接固定在模型箱1预留的小孔上，将输水管5和lvdt位移计19测线引出模型箱1外；

4)安装地层损失模拟装置2：将内管26的一端固定在模型箱1侧壁上，另一端架设在接收孔23上，在内管26表面涂抹润滑剂并包裹pe膜，之后利用接收孔23将外管25从外部套入，在内管26和外管25之间空隙添加钢珠，在外管25表面涂抹润滑剂并套上光滑的pe膜；

5)填充细沙及仪器安装：利用洒砂系统将外部的细沙均匀填入模型箱1中，每填100mm进行一次夯实，重复操作直至细沙填至指定高度，将土压力盒20和应变片21的测线沿着模型箱1内壁引出沙层，连接对应仪器，将既有隧道模型3内部引出的输水管5依次连接输水管连接器13、流量计12、阀门11和水泵10，将lvdt位移计19测线连接对应仪器；

6)进行单组试验：将外管25一端的拉环16通过钢绞线17连接到卷扬机18上，开启卷扬机18，利用钢绞线17拉动外管25向右移动，在掘进过程中根据试验方案决定注水的时间、注水的位置及注入的水量，相关测量元件实时监测既有隧道模型3的沉降及变形数据；

7)后续更多组试验：完成单组穿越试验后，打开模型箱1上的快速泄沙口22，完成既有隧道模型3上部沙层的快速排除，拆下两端固定的基准梁8，打开端口盖7，将道床板24抽出，掀开集水槽4上的可拆卸盖板，清除内部积水，之后重新组装并根据试验方案重新调整既有隧道模型3的埋设角度或深度，清理内管26表面，重新涂抹润滑剂，并将外管25再次从接受孔23套入，涂抹润滑剂，操作完成后重复上述填沙过程，进行下一组试验；

8)后期处理：处理既有隧道模型3所受土压力，弯矩及位移量的试验数据，绘制相关曲线，对穿越和堆载共同作用下的既有隧道模型3的位移和变形规律进行研究。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。