模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置的制作方法

1.本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置。


背景技术：

2.对于浅埋暗挖隧道施工已形成一套比较完善的施工方法，形成了一系列适用于不同条件的施工工法，包括全断面法、台阶法、crd法等。然而对邻近既有车站的隧道开挖面失稳破坏特征和演化规律以及开挖面失稳对既有车站结构影响研究成果不多，更多的集中在无地下既有结构影响下隧道开挖面稳定性和隧道正常开挖施工对周围环境或既有结构的影响研究。因此，如何预估隧道失稳和邻近既有结构的相互影响作用并进行隧道失稳风险判断是近接施工中的一个核心问题。
3.采用小尺寸模型试验研究隧道施工失稳对既有结构力学及周围地层影响具有重要的理论和现实意义，现有的模型试验模拟隧道开挖失稳的装置主要分为三类，一是通过内置囊体，通过控制囊体内的气体或者液体释放，模拟开挖面应力释放，该方法虽然能够较好控制开挖面的应力释放程度，但是通用性不高，浪费成本；二是通过人工开挖，该方法开挖效率低，开挖效果误差较大；三是采用开挖面后退的方式模拟，该方法结构简单，成本较低，操作性强。另外，隧道开挖失稳断面大多采用全断面法，往往与实际施工不符。
4.综上，目前采用开挖面后退开挖模拟方式的模型试验主要存在有以下几个问题：1、无法模拟隧道开挖面和支护间距对隧道开挖面失稳的影响；2、无法实现不同开挖断面开挖失稳；3、很少实现同一个模型箱能够分别进行整圆隧道试验和半圆隧道试验的功能。而通过控制开挖套筒四个部分的组合，实现各部分的纵向长度的差异来模拟各分部开挖，进而模拟不同开挖方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够实现隧道的不同埋深、不同开挖方法以及不同支护条件的施工行为模拟，准确测量隧道开挖失稳对周围地层沉降值以及邻近既有结构内力并进行分析的模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
7.本发明提供一种模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置，包括：模型箱，模型箱一侧安装整圆模型，连接孔内外侧分别安装连接法兰和整圆安装座；在模型箱上整圆模型的一侧安装半圆模型，在外筒和套筒能够贴合的该侧有机玻璃处开两个小孔，用于固定半圆安装座，伸出螺旋杆；模型箱内部放置既有结构模型。
8.优选的，整圆模型中，通过安装座安插隧道开挖装置，隧道开挖装置包括支护外筒、第一开挖套筒、第二开挖套筒、第三开挖套筒、第四开挖套筒、螺杆、同步轮、同步带和螺杆手轮。
9.优选的，整圆安装座有四个螺纹孔，固定四个螺杆，保证螺杆只能在一个方向上运动。
10.优选的，四个开挖套筒组合成一个圆形结构，贴合支护外筒；每个套筒是开口的四分之一圆，在套筒的顶部均安装螺杆，套筒和螺杆之间通过轴承连接。
11.优选的，螺杆尾端通过同步轮、同步带连接，通过同步轮和同步带的组合实现全断面、上台阶和单一导洞的开挖；在螺杆末端嵌入螺杆手轮，实现单一或者组合的螺杆同步旋转，以控制开挖面的后退，模拟实现开挖面应力释放。
12.优选的，半圆模型中，通过安装座安装半圆隧道开挖装置，半圆隧道开挖装置也包括内外套筒，内套筒是由两个开挖套筒组成，在外筒和模型箱开孔的有机玻璃间进行封闭处理，防止试验中的土体进入内筒之中。
13.优选的，所述模型箱为五块有机玻璃胶结形成的顶部开口的箱体，且模型箱铝型材外框架设有与有机玻璃板配合的卡槽，玻璃板可以拆卸。
14.优选的，所述开挖套筒为金属制空心四分之一圆柱体。
15.优选的，在隧道开挖装置存在相对滑动位置处均涂抹润滑剂。
16.优选的，在既有结构上贴应变片，测量既有结构的纵向应变。
17.本发明有益效果：
18.本模型试验测试装置可以手工制作，在相关科研中通用性良好，模型试验测试方案具有较强扩展性，可以进行不同埋深、不同开挖方式及不同超前支护影响研究中；本模型试验的隧道开挖失稳模拟装置可以较好模拟隧道失稳引起的周围地层及邻近既有结构的变形和应力情况，并可以较为准确测出隧道失稳塌方对周围环境的影响；本模型试验可手动控制开挖面后退距离，通过半圆观察开挖面失稳破坏形态，通过整圆模型进一步探究隧道失稳对周围环境和结构的影响；采用本套模型试验装置进行邻近结构隧道开挖失稳影响的模型试验研究，可为隧道工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定浅埋暗挖隧道施工技术标准以及周围地层和邻近既有结构的安全保护措施提供一定的理论参考。
19.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例所述的模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置模型箱结构示意图。
22.图2为本发明实施例所述的整圆隧道开挖模型示意图。
23.图3为本发明实施例所述的半圆隧道开挖模型示意图。
24.图4为本发明实施例所述的开挖套管结构示意图。
25.图5为本发明实施例所述的不同埋深条件下开挖面前土压力随开挖面后退位移的关系示意图。
26.其中：1-模型箱铝型材外框架；2-有机玻璃板；3-整圆隧道开挖装置；4-半圆隧道开挖装置；5-既有结构；6-支护外筒；7-开挖套筒；8-连接法兰；9-螺杆；10-同步轮；11-同步带；12-螺纹手柄；13-管塞盖子；14-螺母；15-轴承；16-圆形安装座；17-半圆安装座。
具体实施方式
27.下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
28.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
29.还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
30.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
31.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
32.在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
36.本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
37.实施例
38.如图1至图4所示，本实施例中，提供的一种隧道开挖失稳对邻近既有结构模型试验装置，包括模型箱，所述模型箱包括模型箱铝型材外框架和安装于模型箱既有结构的透明有机玻璃板。模型箱的四周面和底面用有机玻璃板封闭，不加盖。在模型箱一侧有机玻璃板中间位置处上开连接孔，此处安装整圆模型，连接孔内外侧分别安装连接法兰和整圆安装座，通过螺栓螺母扣紧三个试件。在模型箱开孔有机玻璃邻侧有机玻璃侧远离开孔侧开两个小孔，此处安装半圆模型，在套筒能够贴合的该侧有机玻璃处开两个小孔，用于固定半圆安装座，伸出螺旋杆。模型箱内部放置一个截面为矩形的既有结构模型，该既有结构模型四周具有透明有机玻璃板，两端不加玻璃板。整圆模型中，通过安装座安插隧道开挖装置，隧道开挖装置包括支护外筒、第一开挖套筒、第二开挖套筒、第三开挖套筒、第四开挖套筒、螺杆、同步轮、同步带和螺杆手轮。整圆安装座有四个螺纹孔，固定四个螺杆，保证螺杆只能在一个方向上运动。四个开挖套筒可以组合成一个圆形结构，几乎贴合支护外筒。每个套筒是开口的四分之一圆，在套筒的顶部均安装螺杆，套筒和螺杆之间通过轴承连接。螺杆尾端通过同步轮、同步带连接，通过同步轮和同步带的组合实现全断面、上台阶和单一导洞的开挖。在螺杆末端嵌入螺杆手轮，实现单一或者组合的螺杆同步旋转，以控制开挖面的后退，模拟实现开挖面应力释放。半圆模型中，通过安装座安装半圆隧道开挖装置，半圆隧道开挖装置也包括内外套筒，内套筒是由两个开挖套筒组成，在外筒和模型箱开孔的有机玻璃间进行封闭处理，防止试验中的土体进入内筒之中。
39.所述模型箱为五块有机玻璃胶结形成的顶部开口的箱体，且模型箱铝型材外框架设有与有机玻璃板配合的卡槽，玻璃板可以拆卸。
40.所述开挖套筒为金属制空心四分之一圆柱体。
41.在隧道开挖装置存在相对滑动位置处均涂抹润滑剂。
42.既有结构为透明亚克力板，通过在既有结构上贴应变片，测量既有结构的纵向应变。设置四个断面，测量既有结构顶和底的纵向应变值，共8个测点；选择一个典型截面，布置截面测点，另增加7个测点，总计15个测点。
43.地表沉降值测量采用接触式方法，对实验完成后进行地表最大沉降位置的测量，同样地表纵横塌落宽度值测量得到。
44.本实施例中，首先，制作一个模型箱，一个矩形框架长筒(既有结构)，一个整圆隧道开挖模拟装置、一个半圆隧道开挖模拟装置，一个微型压力盒，一个测深电子卡尺，多个应变片。
45.图1为模型试验总图，包括模型箱外框架1、有机玻璃板2和隧道开挖装置3和4、既有结构5。其中模型箱外框架由铝型材4040制成的正方体箱，为整个结构的骨架。模型箱外框架1的前后左右底部密封有机玻璃板2，顶部设为开口；铝型材4040自带卡槽能够卡住有机玻璃板，通过三维直角连接件和u型橡胶包边条连接外框架1和有机玻璃板2。
46.模型箱外框架1尺寸为600mm
×
600mm
×
600mm(长
×
宽
×
高)，五块有机玻璃板2尺寸为526mm
×
526mm
×
4mm(长
×
宽
×
厚)。既有结构5由四块亚克力板粘贴而成，沿长度方向两端不封闭；既有结构5截面尺寸为230mm
×
140mm
×
5mm(长
×
宽
×
厚)，结构5的位置位于隧道开挖装置旁侧不同高度位置处。在结构5的不同位置截面上的中间位置粘贴应变片，包括顶面内外部、近侧内外部、近面内外侧及远面内外侧，测量截面弯矩和轴力变化。
47.图2为整圆模型开挖装置，包括外筒6、开挖外筒7、连接法兰8、整圆安装座16、螺杆
9；同步轮10、同步带11、螺纹手柄12及轴承15等元件组成。图3为半圆模型开挖装置，包括外筒6、开挖套筒7、半圆安装座17、螺杆9；同步轮10、同步带11、螺纹手柄12及轴承15等组成。整圆开挖外筒7由金属铁制成，仅有侧壁，内径67.8mm，壁厚3.6mm；半圆开挖外筒7内径67.8mm，壁厚3.6mm。图4是开挖套管结构图，包括螺杆9和内筒7连接结构，该结构包括轴承15、螺母14及盖子13。在开挖套筒7前端开孔，并嵌入固定轴承15外圈。螺杆9前端穿过轴承15内圈，进行嵌入固定。轴承15连接开挖套筒7和螺杆9，实现通过螺杆9转动控制开挖套筒7前后移动。螺母14固定在螺杆9前端，防止螺杆9与轴承15脱离。盖子13固定在套筒7前端开孔处，防止试验中土体进入轴承15，避免无法实现套筒7前后移动。四个开挖套管上的螺杆9固定在安装座17上的开孔中，再将安装座和连接法兰上的螺孔通过螺栓螺母固定在有机玻璃板上，从而固定了隧道开挖装置。螺杆9上刻划螺纹，设计螺距p为。每根螺杆尾端固定一个同步轮，将上部两个mm全部四个通过相应长度的同步带连接，组合后的套管可以实现同步后退作用。在螺杆的末端安装手轮12，可以手动控制组合后套筒整体的后退。
48.首先组装模型箱，在开挖内筒前安装微型土压力传感器，在既有结构贴上应变片，连接采集仪。在模型箱相应位置处固定相机，对土体变化进行图像拍照采集。
49.在模型箱上涂凡士林，减小砂土与壁的摩擦；采用落砂法分层填筑砂土，抬高至距填筑完成砂层0.35m处，均匀洒落，重复进行落砂，直至设计高度；针对土层不平的地方进行补充洒砂，采取抹平处理。
50.通过手动旋转螺杆、同步带，控制活塞的后退。螺杆旋转一圈内筒后退1.5mm，螺杆每旋转一圈，采集记录相应监测数据。
51.首先通过预实验对试验过程出现的现象进行把握。当活塞后退位移与地表位移关系出现突变变化时，认为开挖面前方土体失稳。为了方便试验，选择活塞后退60mm终止试验。
52.先进行半圆模型的试验，研究邻近既有结构隧道开挖面失稳破坏模式。然后进行整圆模型试验，研究开挖面失稳对邻近既有车站结构的影响规律。
53.每组试验结束保存数据，清除箱内砂土，活塞复位，进行下一组试验。
54.通过布置的开挖套筒前的土压力测点可以测量开挖面后退过程中开挖面前土压力的变化，通过既有结构的膨应变片可以测量限定结构截面上的内力。实测数据可以探究开挖面失稳过程中应力释放程度随开挖面水平挤出位移的变化规律及不同影响因素下开挖面失稳破坏过程对既有结构应力变化规律。
55.以下为利用本实施例的的试验设备进行一组试验，一组试验研究不同埋深条件下开挖面前土压力随开挖面后退位移的关系，如图5所示。
56.本模型试验中，有无邻近既有结构的隧道开挖面前土压力减小随开挖面后退的规律并没有明显差异，在开挖面开始后退时，表现出急剧减小，当后退距离超过1mm后，开挖面土压力变化速率减缓，当后退距离超过6mm，开挖面处土压力基本保持稳定。分析可得开挖面前失稳破坏发展模式存在三个阶段：初始期、发展期和稳定期。
57.不同埋深洞径比下受邻近隧道失稳破坏影响的既有结构的整体弯矩变化不尽相同，由隧道开挖失稳，导致隧道和既有结构中间土柱的卸荷作用，使既有结构靠近失稳一侧受到强烈卸荷作用，进而产生附加弯矩。当埋深较小时，既有结构在隧道失稳破化区域表现出“上凸下凹”的附加弯矩类型，即上拉下压。当埋深较大，达到2倍的隧道直径时，既有结构
在隧道失稳破化区域表现出“上凹下凸”的附加弯矩类型，即上压下拉。产生这种现象的原因主要是失稳破坏区和既有结构的空间位置导致的，邻近侧方失稳区域和既有结构空间位置决定的，随着埋深的增加，既有结构整体弯矩类型发生变化，由“上凸下凹”转变为“上凹下凸”。
58.综上所述，本发明实施例所述的模拟邻近结构受开挖面失稳影响的模型试验装置，采用开挖面分区组合开挖的方式实现了不同开挖方式的模拟，更贴近实际，可以实现不同开挖方式的模拟，探究在探究邻近既有结构条件下，暗挖隧道开挖面失稳破坏模式的特征以及失稳过程对邻近既有结构的影响规律；采用手动控制连接开挖面的螺杆后退方式，以实现开挖面的后退进而改变开挖面前方土体应力程度，探究开挖面失稳破坏特征随开挖面应力释放程度的变化情况。
59.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。