地铁车站底部冻结施工对车站结构影响的模拟系统及方法与流程

本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种地铁车站底部冻结施工对车站结构影响的模拟系统及方法。

背景技术：

众所周知，我国的很多城市都开始修建了地铁，因为城市的不同，其所处的地区地质条件也有差别。当需要建设的地铁位于高承压富水砂层中(例如武汉地铁12号线园林路站)基坑开挖深度大、地质条件及周边环境复杂、地下承压水头高，为一级超深基坑，开挖过程中环境效应明显。为满足在此区域的其他地铁线路盾构下穿，需在此区域临近运营的地铁车站模型结构下进行冻结施工，破除原围护地连墙，冻结粉细砂地层的效果、冻结土体的力学性能和冻结帷幕的稳定性将对洞门破除和盾构穿越施工产生潜在风险；并且，如果冻结施工与结构底板的距离不足，过度冻结或欠冻结均将引起既有园林路站主体结构变形，导致安全风险，给工程施工过程控制和决策带来巨大挑战。因此，亟需针对冻结法施工对既有地铁车站的影响展开系统研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种地铁车站底部冻结施工对车站结构影响的模拟系统及方法。

本发明采用的技术方案为：一种地铁车站底部冻结施工对车站结构影响的模拟系统，包括模拟实验箱、车站模型、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪和计算机，所述模拟实验箱包括缓冲分水腔和填满模拟土体的土体腔，土体腔处的模拟实验箱上开设泄压孔；缓冲分水腔一侧通过分水腔进水管与外设的渗流盐水箱连通，缓冲分水腔的另一侧与相连，缓冲分水腔内的水分可渗入模型土体内；所述车站模型预埋于模型土体内；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连，为模型土体提供冷源；所述检测组件、数据采集仪和计算机依次相连。

按上述方案，所述盐水循环系统包括制冷机组、盐水箱和多组冻结管，所述制冷机组的热源管道与盐水箱的入口连通，盐水箱的出口分别通过管道与冻结管连通，冻结管穿过模拟实验箱的底板伸入，并水平间隔埋设模型土体内。

按上述方案，所述模型土体包括自下而上的黏土层a、粉细砂层、粉质黏土层和黏土层b，其中，车站模型的地连墙插入下部的黏土层a，车站模型的底板位于粉细砂层内，车站模型的顶板为于上部的黏土层b；所述检测组件包括若干压力传感器，压力传感器沿车站模型的地连墙高度方向依次间隔布置，压力传感器通过数据采集仪与计算机相连。

按上述方案，所述检测组件还包括若干位移传感器，位移传感器间隔安装于车站模型的地连墙及底板上，位移传感器通过数据采集仪与计算机相连；所述压力传感器和位移传感器均设于安装于粉细砂层的车站主体车站模型上。

按上述方案，所述蓄水腔通过出水管与外部蓄水池连通，蓄水腔与缓冲分水腔分别设于模拟实验箱的两侧。所述缓冲分水腔与土体腔之间，土体腔与蓄水腔之间，均分别通过开有窗口的隔板分隔，所述窗口上平铺滤网，滤网上包覆土工纱布。

按上述方案，所述盐水箱通过管道与水泵a的入口连通，水泵a与配液圈的入口连通，配液圈的出口分别通过冻结进水管与各冻结管的入口连通，各冻结管的出口经冻结回流管与集液圈的入口相连，集液圈的出口与盐水箱连通；所述盐水循环系统还包括恒温水箱，集液圈的出口通过管道与恒温水箱连通，恒温水箱与通过管道与配液圈连通，恒温水箱经水泵b与分水腔进水管连通。

按上述方案，所述冻结管包括均采用铜管制成的内管和外管，内管的外壁与外管的内壁形成回流通道；所述内管的一端设有冻结进水口，内管的另一端与回流通道连通；所述外管开设有冻结回流口；所述冻结进水管与冻结进水口相连，冻结回流管与冻结回流口相连。

按上述方案，所述检测组件还包括多个温度传感器和多个压力计，所述温度传感器和压力计均分别分散埋设于粉细砂层内。

本发明还提供了一种地铁车站底部冻结施工对车站结构影响的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述模拟系统各组件并安装，在模型土体填筑及冻结管、各传感器安装前打压试漏；

步骤二、测定粉细砂层的渗透系数：取实验用粉细砂进行室内渗流实验，采用常水头渗透系数试验测试砂层的渗透系数，用于计算不同渗流速度对应的流量；

步骤三、填筑模型土体，并安装车站模型、冻结管和传感器；

步骤四、开启渗流模拟系统，获得实验所需的渗流速度；

步骤五、调节制冷机组，使盐水箱内盐水达到设计温度，打开各水泵及冻结管路的盐水控制阀门，采集各传感器的数据，直至冻结管外的粉细砂冻结且冻结范围扩展至指定位置，关闭盐水冻结阀门，停止冻结，记录时间；开启各清水控制阀门，在冻结管内形成清水循环，恢复粉细砂层温度；

步骤六、打开泄压孔，重复上述顺序做泄压孔影响实验：停止冻结管内清水循环，将原本位于车站模型上关闭的泄压孔打开，重复步骤四和步骤五，进行泄压时冻结施工对地铁车站模型影响的实验，并采集各传感器的数据；

步骤七、关闭泄压孔，将实验装置调至初始状态，重复步骤三～步骤五，依次进行在相同的冻结管间距的条件下，不同渗流速度时冻结施工对地铁结构的影响实验，并采集各传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；

步骤八、关闭泄压孔，停止实验各个系统，挖出模型箱填土，改变冻结管间距安装冻结管，冻结管间距的不同也就意味着冻结管数量的不同；重复步骤四～步骤五，依次进行在同一渗流速度条件下，不同冻结管间距时冻结施工对地铁结构的影响实验，并采集各传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；

步骤九、对采集的数据进行处理，绘制所采集到参数如温度、压力计位移随时间变化曲线；通过数据的筛选，得到不同情况下各参数随时间变化趋势，根据各参数随时间变化趋势判断实际施工过程中粉细砂冻结效果。

本发明的有益效果为：本发明所述装置和方法能够方便有效的对地铁车站底部近距离冻结施工过程进行模拟，定性模拟分析不同条件下的冻结过程对车站模型结构的影响过程，得到冻结过程泄压与否、冻结管的数量以及冻结过程时间长短对车站模型结构的影响差异，为探明近距离冻结施工对地铁车站模型结构变形影响规律提供有效的理论指导，也为在地铁周围的冻结施工标准提供一定的建设性意见，具有很重要的指导意义，同时本实验装置零件比较常见，组装简单，并且方法操作简单，适应性强。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本发明中模拟实验箱的结构示意图。

其中：1、模拟实验箱；1.1、缓冲分水腔；1.2、分水腔进水管；1.3、黏土层a；1.4、粉细砂层；1.5、黏土层b；1.6、蓄水腔出水管；1.7、蓄水腔；1.8、滤网；1.9、粉质黏土层；2、数据采集仪；3、计算机；4、蓄水池；5、制冷机组；6、盐水箱；7、冻结管；8、水泵a；9、配液圈；10、冻结进水管；11、冻结回流管；12、集液圈；13、水泵b；14、渗流盐水箱；15、恒温水箱；16、温度传感器；17、水泵c；18、泄压孔；19、压力传感器；20、位移传感器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的一种地铁车站底部冻结施工模拟系统，包括模拟实验箱1、车站模型21、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪2和计算机3，所述模拟实验箱1包括缓冲分水腔1.1和填满模拟土体的土体腔，土体腔处的模拟实验箱1上开设泄压孔18；缓冲分水腔1.1一侧通过分水腔进水管1.2与外设的渗流盐水箱14连通，缓冲分水腔1.1的另一侧与相连，缓冲分水腔1.1内的水分可渗入模型土体内；所述车站模型21预埋于模型土体内；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连，为模型土体提供冷源；所述检测组件、数据采集仪2和计算机3依次相连，检测组件检测模型土体内各测点的参数，并将参数信号发送至数据采集仪2；数据采集仪2采集检测组件发送的参数信号并传输至计算机3。

优选地，所述盐水循环系统包括制冷机组5、盐水箱6和多组冻结管7，所述制冷机组5的热源管道与盐水箱6的入口连通，盐水箱6的出口分别通过管道与冻结管7连通，冻结管7穿过模拟实验箱1的底板伸入，并水平间隔埋设模型土体内。

优选地，所述模型土体包括自下而上的黏土层1.3a、粉细砂层1.4、粉质黏土层1.3和黏土层b1.5，其中，车站模型21的地连墙插入下部的黏土层1.3a，车站模型21的底板位于粉细砂层1.4内，车站模型21的顶板为于上部的黏土层b1.5；所述检测组件包括若干压力传感器19，压力传感器19沿车站模型21的地连墙高度方向依次间隔布置(该压力传感器19可为薄膜压力传感器)，压力传感器19通过数据采集仪2与计算机3相连；所述检测组件还包括若干位移传感器20(可为lvdt位移传感器)，位移传感器20间隔安装于车站模型21的地连墙及底板上，位移传感器20通过数据采集仪2与计算机3相连；所述压力传感器19和位移传感器20均设于安装于粉细砂层1.4的车站主体车站模型21上。

优选地，所述蓄水腔1.7通过出水管与外部蓄水池4连通(蓄水腔1.7通过蓄水腔出水管1.6与蓄水池4连通)，蓄水腔1.7与缓冲分水腔1.1分别设于模拟实验箱1的两侧。所述缓冲分水腔1.1与土体腔之间，土体腔与蓄水腔1.7之间，均分别通过开有窗口的隔板分隔，所述窗口上平铺滤网(可为金属网)，滤网上包覆土工纱布，以阻挡砂层流动并起到过滤作用。

优选地，所述盐水箱6通过管道与水泵a8的入口连通(该管道上配置盐水控制阀门)，水泵a8与配液圈9的入口连通，配液圈9的出口分别通过冻结进水管10与各冻结管7的入口连通，各冻结管7的出口经冻结回流管11与集液圈12的入口相连，集液圈12的出口与盐水箱6连通(该管道上配置盐水控制阀门)。优选地，所述盐水循环系统还包括恒温水箱15，集液圈12的出口通过管道与恒温水箱15连通(该管道上配设清水控制阀门)，恒温水箱15与通过管道与配液圈9连通(该管道上配设清水控制阀门)，恒温水箱15经水泵b13与分水腔进水管1.2连通。

优选地，所述冻结管77包括均采用铜管制成的内管和外管，内管的外壁与外管的内壁形成回流通道；所述内管的一端设有冻结进水口，内管的另一端与回流通道连通；所述外管开设有冻结回流口；所述冻结进水管10与冻结进水口相连，冻结回流管11与冻结回流口相连。

优选地，所述检测组件还包括多个温度传感器16和多个压力计，所述温度传感器16和压力计均分别分散埋设于粉细砂层1.4的各测温点处；冻结管7周围也设有测温点。

优选地，所述缓冲分水腔1.1内装满石子，防止分水腔进水管1.2的水流冲刷粉细砂层1.4而出现流砂现象，同时获得均匀的水流以及抵抗砂层侧压力。

根据工程相似比，制作地铁车站模型21，车站地连墙嵌入黏土中，并且模型土体按照实际地层情况进行配置和安放；在车站模型21的地连墙与底板底部粘贴压力传感器19，以实时监测冻胀过程中作用于车站模型21的冻胀应力。在车站模型21的底板上部安置位移传感器20，以便实时监测冻结过程底板的位移情况。在模型土体内同时安装若干温度传感器16，以便实时监测冻结的进程和冻结效果。为减小冻胀力对地铁车站模型21的影响，实际工程中往往预留泄压孔18，以减少冻胀对结构的挤压作用。因此，在本试验模型上设计一排泄压孔18，以对比泄压孔18设置与否对车站模型21结构的影响。在实验过程中，实时对各个传感器进行监测，以得到在冻结过程中，冻胀力对车站模型21的影响，主要从以下三个方面考虑：1、考虑泄压孔18设置与否时，冻结施工对车站模型21的影响；2、通过调整冻结管7的间距，分析不用冻结管7数量对车站模型21的影响；3、考虑不同冻结时间对车站模型21的影响，本发明中冻结时间对应渗流流速。

本实施例中，模拟实验箱1的整体尺寸为1.5m×1m×2.5m(l×w×h)，其中缓冲分水腔1.1、土体腔和蓄水腔1.7的宽度分别为0.1m、1.3m和0.1m。模拟实验箱1的侧板采用5mm厚及10mm厚的钢板制成；其中10mm厚的钢板开孔安装冻结管7，每个孔配置螺栓和止水垫等密封装置；布置冻结管7时，可以间隔5cm布置，可以间隔2×5cm布置，也可以间隔3×5cm布置，以达到通过布置冻结管7时冻结管7间距的不同使冻结管7的数量不同。开孔的钢板外侧以20cm的距离等间隔布置多组肋板，以保证模拟实验箱1的刚度)。模拟实验箱1内的模型土体包括0.4m厚的黏土层1.3a、1.2m厚的粉细砂层1.4、0.4m的粉质黏土层1.3和0.4m厚的黏土层b1.5，黏土层1.3a和黏土层b1.5用来隔热和隔水，下层黏土还用来提供地铁车站模型21承载力。缓冲分水腔1.1内装满粒径约为10mm的石子，防止分水腔进水管1.2的水流冲刷粉细砂层1.4而出现流砂现象，同时获得均匀的水流以及抵抗砂层侧压力。窗口尺寸为1000mm×600mm。冻结管77的长度为300mm，其内管进液，外管回液，分别选用φ6mm和φ15mm铜管。冻结回水管和冻结进水管10均分别采用规格为耐压耐低温的胶皮管。所述温度传感器16为铜-康铜热电偶传感器。所述分水腔进水管1.2与蓄水腔出水管1.6均采用钢管，并配有控制阀门、流量表、压力表，通过控制阀门、流量表、水压表，进而控制砂层渗流速度。

冻结管7与测温点的相对位置如图2所示；在模型实验箱距离15cm的垂直面内，以s/2的间距(其中s是指冻结管7的间距)在冻结区域的主面、界面、轴面上布置测温点；在冻结壁(冻结管7的外表面)四个角各布置14个测温点，上、下游中间部分各布设2个测温点，监测实验过程中上、下游冻结管7及冻结壁发展情况，在冻结壁中间区域布设4个测温点用于监测冻结壁内部发展，冻结区域共计64个测温点；除冻结区域轴面、界面、主面设置测点外，盐水进出液管道也进行温度监测。

一种地铁车站底部近距离冻结施工模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤一、提供上述实验装置的各组件并安装，在模型土体填筑及冻结管7、各传感器安装前打压试漏，保证密封性、安全性，促使实验顺利稳定进行；

步骤二、测定粉细砂层1.4的渗透系数：取实验用粉细砂进行室内渗流实验，采用常水头渗透系数试验测试砂层的渗透系数，用于计算不同渗流速度对应的流量；

步骤三、填筑模型土体，并安装车站模型21、冻结管7和传感器：在土体腔的底部铺厚度为20cm的黏土层1.3a；填筑粉细砂层1.4，边填充边夯实；设计冻结管7的位置和各测温点位置(如图2所示)，将安装有压力传感器19和位移传感器20的车站模型21预埋固定，同时将冻结管7和温度传感器16埋入固定，在装填过程中注意各区域装填均匀，避免车站模型21和冻结管7发生倾斜；粉细砂层1.4填筑完成以后，上表面铺平压实填筑粉质黏土层1.3和黏土层b1.5，最后将各传感器的电线进行汇总，引出模拟实验箱1；

步骤四、开启渗流模拟系统:启动盐水循环系统，使恒温清水均匀、连续、缓慢流入粉细砂层1.4，待分水腔进水管1.2的出口流量稳定后，通过观察流量表，不断调节分水腔进水管1.2上阀门开度，直至获得实验所需的渗流速度；在其他参数条件一致的情况下可得，所述装置的渗流速度不同，冻结时间也不同；

步骤五、调节制冷机组5，使盐水箱6内盐水达到设计温度(本次实验设计温度为-25℃)，打开各水泵及冻结管7路的盐水控制阀门，采集各传感器的数据，直至冻结管7外的粉细砂冻结且冻结范围扩展至指定位置(本发明用于研究各参数对冻结效果的影响规律，故本发明中指定位置可设定，本实施例中指定位置为冻结管7的径向表面向外1cm)，关闭盐水冻结阀门，停止冻结，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间(本实施例中，该时间是指从冻结开始到冻结的粉细砂层扩展至冻结管7的径向表面向外1cm的时间)；开启各清水控制阀门，在冻结管7内形成清水循环，恢复粉细砂层1.4温度；

步骤六、打开泄压孔18，重复上述顺序做泄压孔18影响实验：停止冻结管7内清水循环，将原本位于车站模型21上关闭的泄压孔18打开，重复步骤四和步骤五，进行泄压时冻结施工对地铁车站模型21影响的实验，并采集各传感器的数据；

步骤七、关闭泄压孔18，将实验装置调至初始状态，重复步骤四和步骤五，依次进行在相同的冻结管7间距的条件下，不同渗流速度时冻结施工对地铁结构的影响实验(本实施例中分别进行渗流速度为0m/d、10m/d、20m/d、40m/d和60m/d的冻结实验)，并采集各传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；

步骤八、关闭泄压孔18，停止实验各个系统，挖出模型箱填土，改变冻结管7间距安装冻结管7，冻结管7间距的不同也就意味着冻结管7数量的不同；重复步骤四～步骤五，依次进行在同一渗流速度条件下，不同冻结管7间距时冻结施工对地铁结构的影响实验，并采集各传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；本实施例分别进行冻结管7间距为10cm、15cm的实验；

步骤九、对采集的数据进行处理，绘制所采集到参数如温度、压力计位移随时间变化曲线；通过数据的筛选，得到不同情况下各参数随时间变化趋势，根据各参数随时间变化趋势判断实际施工过程中粉细砂冻结效果：冻结应力、底板的位移、冻胀力越大，则表明冻结施工对地铁车站的影响越大。本发明中，泄压用于减少土体冻涨力；冻结管7的间距s越小，冻结越快，施工效果越好；渗流速度越大，冻结越快，施工效果越好。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。