一种模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置及方法与流程

本发明属于盾构隧道模型试验技术领域及基坑模型试验技术领域，特别涉及一种模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置及方法，适用于既有盾构隧道底部布置有抗浮锚杆工况的模拟，尤其在盾构隧道因上方基坑开挖卸载而出现隆起的工况下，对研究抗浮锚杆的抗浮效果尤其适用。

背景技术：

近年来，随着城市建设加快，越来越多的基坑工程出现在已有的盾构隧道附近，基坑开挖的卸荷效应会造成既有隧道的上浮隆起，危及盾构隧道的安全。目前，控制隧道上浮变形一般采用设置隔离桩、在隧道洞内进行堆载反压和设置抗浮锚杆等措施。其中抗浮锚杆作为一种常见的地下结构抗浮措施，目前直接在盾构隧道管片上布置应用的案例还较少，其对盾构隧道的抗浮作用还不明确。

目前，国内学者对带有抗浮锚杆的盾构隧道上浮变形方面进行了相关研究。其中，对基坑开挖下带有抗浮锚杆盾构隧道的变形研究主要方法为有限元数值模拟，其结果与建模对真实工况的还原度有较大关系，不能保证结果精确度，同时又缺乏工程实测数据对其进行验证。室内模型试验法作为一种有效的研究方法，既具有方便性和灵活性，同时也具有一定的准确性和直观性，在室内即可实现对工程实际问题的模拟，节省人力物力。而针对基坑开挖工况下，对既有盾构隧道设置抗浮锚杆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模拟准确度较难控制、模拟结果无实测数据进行验证等问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置及方法，以解决现有的研究方法普遍存在着模拟准确度较难控制、模拟结果无实测数据进行验证的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置，包括模型箱，所述模型箱内部设置有基坑开挖模拟装置和既有盾构隧道模型，所述基坑开挖模拟装置布置在既有盾构隧道模型上方，所述既有盾构隧道模型包括由管片环组成的管体、安装在管体两端的端口盖和安装在管体下部的抗浮锚杆，管体内部设有基准梁，基准梁贯穿管体的两端端口盖后与模型箱相连并固定，所述既有盾构隧道模型设置监测断面，监测断面处安装检测装置。

进一步地，所述基坑开挖模拟装置主要由基坑箱体和固定在所述基坑箱体内的上部位置的固定梁组成。

进一步地，所述基坑箱体在模型箱内装入足量土体时可由土体自行固定，此时基坑箱体固定梁可拆除。

进一步地，所述基坑箱体主要由模拟地下连续墙的外框体和支护结构组成，所述支护结构包括冠梁、腰梁、内支撑和锚杆，多根冠梁首尾依次相连后固定在所述外框体上，多根腰梁首尾依次相连后固定在所述外框体上，冠梁位于腰梁上方，相连的两根冠梁之间、相连的两根腰梁之间均安装有内支撑，所述腰梁和冠梁的外侧均固定连接所述锚杆，所述锚杆与水平面呈预定夹角。

进一步地，所述外框体用以模拟地下连续墙结构，由左右前后两两相对的钢板焊接组成，所述外框体内部标有垂直刻度线，方便模拟开挖时量化开挖深度。

进一步地，所述模型箱正面钢板安装有标有刻度的钢化玻璃，其他面采用钢板焊接。

进一步地，所述基准梁的长度可调节，两端通过管体端口盖后固定在模型箱侧壁上，通过调节基准梁固定点调整管体位置。

进一步地，在模型箱下部设有快速泄沙口，并装有带锁活动门。

进一步地，所述检测装置包括位移计、土压力盒、应变片和锚杆测力计，位移计设置在管体内部两侧拱腰和拱顶、基准梁、基坑箱体；土压力盒设置在管体外部的两侧拱腰、拱顶和拱底位置；应变片设置在拱底位置，锚杆测力计设置在抗浮锚杆处。

第二方面，本发明实施例提供一种上述的模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)按缩尺寸制作模型构件；

(2)在既有隧道模型以下范围的模型箱中装入细沙，充分压实，按照试验方案安装管体至指定位置，且在管片环对应位置安装抗浮锚杆，并安装位移计、土压力盒、应变片和锚杆测力计；

(3)安装基坑开挖模拟装置至指定位置，安装位移计和土压力盒；

(4)将外部的细沙均匀填入模型箱中，直至细沙填至指定高度，充分压实，拆除基坑箱体固定梁，将位移计、土压力盒、应变片和锚杆测力计连接对应仪器；

(5)依照方案开挖基坑至指定深度，位移计、土压力盒和应变片实时监测既有隧道模型的位移、环向土压力及弯矩变化数据，锚杆测力计实时监测锚杆的受力情况；

(6)处理试验数据，绘制相关曲线。

根据以上技术方案，本发明的有益效果是：

1)便于不同基坑的模拟

基坑开挖模拟装置设置在模型箱上部中心位置，基坑的开挖深度、大小、内支撑结构和锚杆布置数量等可根据试验需求进行适当调整更换，其内部设有刻度条，可以方便控制分步开挖工况。在模型箱装土前先行固定装置，可以模拟地下连续墙开挖浇筑的施工步骤。

2)便于模拟基坑与既有盾构隧道相对位置不同的工况

既有隧道模型设置在基坑开挖模拟装置下方，可通过改变基准梁的固定点位调节具体设置深度及角度，可以灵活模拟盾构隧道和基坑中心水平距离或竖直距离不同、隧道轴线与基坑中心线夹角不同等多种施工工况。

3)便于模拟不同的抗浮锚杆布置方案

带有抗浮锚杆的盾构隧道模拟装置由多个管片环组成，可以方便选择需要安装抗浮锚杆的管片环以及抗浮锚杆的种类、数量，用以对比不同布置方案的抗浮锚杆的抗浮效果，方便找出抗浮锚杆的抗浮效果受其不同角度、长度、直径、间距和数量等因素影响的相关规律。

4)针对布置测量仪器，精确反映试验结果

在既有隧道模型的不同位置处设置lvdt位移计、土压力盒和应变片，能多方面测量隧道整体的位移变化、弯矩变化和土压力分布情况，在基坑开挖模拟装置上设置lvdt位移计，同时了解基坑周围土体位移和土压力分布。多组数据综合汇总，反映试验中整个装置的情况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明试验装置整体结构示意图；

图2是本发明装置的整体结构布置立面图；

图3是基坑开挖模拟装置布置平面图；

图4是既有盾构隧道模型布置平面图；

图5是既有盾构隧道模型装置纵断面示意图；

附图标记说明：模型箱1；基坑开挖模拟装置2；既有隧道模型3；端口盖4；基准梁5；抗浮锚杆6；固定梁7；外框体8；锚杆9；内支撑10；立柱11；冠梁12；腰梁13；位移计14；土压力盒15；应变片16；锚杆测力计17；快速泄沙口18

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明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，本发明提供一种模拟带抗浮锚杆6的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置，包括模型箱1，模型箱1以20:1的比例缩小，长宽高分别为6m×6m×2.5m，内部包括基坑开挖模拟装置2和既有隧道模型3，所述基坑开挖模拟装置2布置在既有盾构隧道模型3上方；所述既有盾构隧道模型3包括由管片环组成的管体、安装在管体两端的端口盖4和安装在管体下部的抗浮锚杆6，管体内部设有基准梁，基准梁5贯穿管体的两端端口盖4后与模型箱1相连并固定，所述既有盾构隧道模型3设置监测断面，监测断面处安装检测装置。快速泄沙口18设置于模型箱1前立面，位于既有隧道模型3右侧偏下的位置，快速泄沙口18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。

如图2所示，基坑开挖模拟装置2固定在模型箱1指定位置，所述基坑开挖模拟装置主要由基坑箱体和固定在所述基坑箱体内的上部位置的固定梁组成。所述基坑箱体在模型箱内装入足量土体时可由土体自行固定，此时基坑箱体固定梁可拆除。所述基坑箱体主要由模拟地下连续墙的外框体8和支护结构组成，所述支护结构包括锚杆9、内支撑10、冠梁12和腰梁13，多根冠梁12首尾依次相连后固定在所述外框体8上，多根腰梁13首尾依次相连后固定在所述外框体8上，冠梁12位于腰梁13上方，相连的两根冠梁12之间、相连的两根腰梁13之间均安装有内支撑10，所述腰梁13和冠梁12的外侧均固定连接所述锚杆9，所述锚杆9与水平面呈预定夹角。

如图3所示，在基坑开挖模拟装置2上的冠梁12和腰梁13处设有内支撑10，上下两道内支撑10结构相同，与梁内侧连接点相连；内支撑10在支撑梁节点处设有立柱11；在基坑开挖模拟装置2的外框体8内侧不同方位设有lvdt位移计14，外侧设有土压力盒15，用于测量基坑位移和周围土体变化。

如图4所示，模型箱1中在基坑开挖模拟装置2下部空间中选取多个固定点，使既有隧道模型3可以改变基准梁5的连接位置，即改变盾构隧道埋置深度和盾构隧道轴线与基坑轴线夹角，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5的长度进行调节；

如图5所示，既有隧道模型3管体下部可安装不同尺寸、角度、材料和布置环数的抗浮锚杆6，用以模拟研究不同工况下抗浮锚杆6的抗浮效果；在既有隧道模型3内部拱腰两侧和拱顶设置三个方向的lvdt位移计14，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15，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16，用于测量外部产生的弯矩变化；在抗浮锚杆6上设置锚杆测力计17，用以测量抗浮锚杆6的轴力变化。

另外，结合具体案例进行详细说明。

本发明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。本发明选取20:1的比例，其中各部件均按照实际情况等比缩小制作或选用合适替代材料。

利用上述的模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验，包括以下步骤：

1)制作模型：按照20:1的比例制作模型，模型箱1正面采用钢化玻璃，其余面用钢板焊接；基坑开挖模拟装置2的外框体8利用钢板制作；既有隧道模型3采用铝合金空心管材制成管片环后拼接而成；用铝合金制作拼接固定梁7，其余部件按照试验方案进行制作。

2)安装仪器：在既有隧道模型3两端临时固定基准梁5，在规定位置安装lvdt位移计14、土压力盒15、应变片16及锚杆测力计17，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：在既有隧道模型3两端安装端口盖4，安装过程中，使基准梁5两端通过小孔，在管片环下部安装抗浮锚杆6，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，将基准梁5固定于设置点位，将各测量仪器测线引出模型箱1外，连接对应仪器；

4)安装基坑开挖模拟装置2：在基坑开挖模拟装置2的外框体8上安装预制好的冠梁12和腰梁13，并在相应位置安装锚杆9、内支撑10和立柱11，将外框体8与固定梁7用螺栓固定，在基坑开挖模拟装置2以下范围的模型箱1中装入细沙，充分压实，用悬吊装置将基坑开挖模拟装置2放入指定位置，将固定梁7和模型箱1用螺栓固定，防止基坑开挖模拟装置2在试验开始前发生偏移或沉降；在规定位置安装lvdt位移计14及土压力盒15，将各测量仪器测线引出模型箱1外并整理编号，连接对应仪器。

5)填充细沙：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。

6)进行单组试验：按照试验方案进行基坑开挖施工，在基坑开挖模拟装置2分布开挖至相应刻度处，记录数据。

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18，快速排出既有隧道模型3上部的沙层，拆下两端固定的基准梁5，打开端口盖4，此时可重新安装下一组方案的抗浮锚杆6，之后重新组装并可根据试验方案重新调整既有隧道模型3的埋设深度或其轴线与基坑模拟装置2中心线的夹角，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：处理带有抗浮锚杆6的既有隧道模型3所受土压力，弯矩及位移量的试验数据，绘制相关曲线，研究共同受基坑开挖和抗浮锚杆6影响的既有隧道模型3的位移和变形规律。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。