一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置及试验方法

本发明涉及岩土及地下工程的隧道领域，具体是一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置及试验方法。

背景技术：

1、随着经济及城市化进程的飞速发展，城市和城市群规模越来越发展壮大，城市地铁作为一种新型的交通方式越来越为人们所接受。在地下轨道交通建设中，存在着大量新建地铁工程近接既有基坑、建筑物的工况，而在施工过程中如何得到地铁隧道施工与既有基坑、建筑物的相互影响关系，就显得尤其重要。如今研究手段主要有理论分析的解析解，解析解常常为了计算求解方便需要做一些假定导致结果存在误差。而在数值分析方面土体的力学物理参数往往也是近似的，因此在数值计算的结果也将会产生较大的出入。而模型试验则可以更加真实的反应实际土体及建筑物结构的受力变形分布情况，模型试验有着不可替代的手段。但是现有的试验装置不适用于分析盾构隧道开挖对近接基坑影响，也缺乏模拟在渗流和承压水作用下进行试验的装置。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置及试验方法，能够设计与实际工况十分相近的模型，隧道开挖时，在渗流和承压水作用下，可精确地获得基坑开挖面失稳所致地层变形以及近接基坑的受力变形分布情况。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置，包括模型箱、模型监测系统，还包括隧道开挖面控制系统、基坑模型、水压监测系统和水位控制系统；所述隧道开挖面控制系统位于模型箱正面内侧；基坑模型位于模型箱内部，且位于隧道开挖面控制系统的侧方；水位控制系统主要在模型箱下方；水压监测系统位于模型箱背面外侧；模型检测系统设置于模型箱外部，模型检测系统通过连接线连接到应力应变传感器,应力应变传感器贴于基坑模型表面；所述水位控制系统包括进水口、水压力表、流量泵、带透水孔钢板、饱和口和出水口；进水口位于模型箱底部侧壁，水压力表位于进水口的管上；流量泵通过软管与进水口连接；带透水孔钢板位于模型箱底部；饱和口设置在模型箱的可拆卸钢板上；出水口位于模型箱右侧底部。

4、所述隧道开挖面控制系统包括半圆弧形隧道管、开挖面板、拉压传感器、转动轴、自动化控制电机和电机架；半圆弧形隧道管位于模型箱的内部，且位于有机玻璃板内侧左边；开挖面板位于半圆弧形隧道管内部；电机安装在模型箱外电机架上，电机连接转动轴，转动轴深入到半圆弧形隧道管内；转动轴连接着拉压传感器，拉压传感器连接着开挖面板。

5、所述水压监测系统包括l型接头、滤网和带刻度测压管；l型接头连接在模型箱后侧底部；滤网位于l型接头在模型箱内部的一头；所述带刻度测压管连接l型接头在模型箱外的另一头。

6、所述模型箱包括可拆卸钢板、有机玻璃板、内六角螺丝和刻度标，可拆卸钢板位于模型箱右侧，利用内六角螺丝固定于模型箱框架边缘；有机玻璃板位于模型箱正面；刻度标尺位于有机玻璃板右侧。

7、所述模型箱还包括万向轮，万向轮位于模型箱底部。

8、所述基坑模型位于模型箱内部，主要由钢板拼接而成。

9、所述模型监测系统包括位移计、应力应变传感器、模型控制监测仪和数据传输线；位移计埋于土体内部；应力应变传感器均匀贴于基坑模型表面；模型控制监测仪通过数据传输线与位移计和应力应变传感器连接。

10、使用试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

11、(1)模型箱中分层装入试验所用土样，每层土体埋设相应数量土压力计；

12、(2)将基坑模型放入试验方案中的位置，并将传感器贴于基坑模型箱壁上，而后继续采用砂雨法装入试验所用土样，直至土样布设完成，在其表面放置位移计；

13、(3)打开流量泵，在土样下部加水，观察饱和口是否有水流出；

14、(4)饱和口有水流出时关闭饱和口，根据试验需要上部加水至1d至9d位置处，打开流量泵，观察水压力表以及带刻度测压管，调节到所需的水头高度；

15、(5)观察到水压力表以及带刻度测压管稳定时，启动隧道开挖面控制系统，电机带动转动轴转动，转动轴带动开挖面板后撤，电机可精确地控制开挖面板后撤速度及距离；

16、(6)透过有机玻璃板观察在渗流承压水条件下隧道开挖所致土体的位移规律，读取土体及基坑模型的监测数据。

17、所述装入试验所用土样采用的是雨砂法。

18、本发明的有益效果如下：

19、1、模型箱正面安装有有机玻璃，半圆弧形隧道管位于有机玻璃板内侧左边，可以很好地观察到试验过程以及土层的变化情况，利用可拆卸钢板便于装填及卸载试验土体；底部安装的万向轮，便于移动模型箱；位于有机玻璃板右侧的刻度标尺，能方便对装填土样层厚进行量测。

20、2、水位控制系统可以施加承压水，利用流量泵可以方便地控制所需要承压水的大小。

21、3、利用水压力表以及水压监测系统可以准确地监测到水压力的大小，减少误差。

22、4、利用电机可精确地控制开挖面板后撤速度及距离，拉压传感器可以准确地监测到开挖面作用力的大小。

23、5、通过开挖面板的前进与后撤，可以对实际工程中的超挖与欠挖进行模拟。

24、6、由钢板拼接而成的基坑模型，可以模拟多种尺寸的基坑。

25、7、通过土体位移计、应力应变传感器以及模型控制监测仪，可准确地监测到隧道开挖过程中基坑结构及土体的应力应变响应。

26、8、实验设备结构简单，易于制作，配件易于采购，自动化程度高且试验精度高，具有很好的市场应用前景。

技术特征：

1.一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置，包括模型箱、模型监测系统，其特征在于，还包括隧道开挖面控制系统、基坑模型、水压监测系统和水位控制系统；所述隧道开挖面控制系统位于模型箱正面内侧；基坑模型位于模型箱内部，且位于隧道开挖面控制系统的侧方；水位控制系统主要在模型箱下方；水压监测系统位于模型箱背面外侧；模型检测系统设置于模型箱外部，模型检测系统通过连接线连接到应力应变传感器,应力应变传感器贴于基坑模型表面；所述水位控制系统包括进水口、水压力表、流量泵、带透水孔钢板、饱和口和出水口；进水口位于模型箱底部侧壁，水压力表位于进水口的管上；流量泵通过软管与进水口连接；带透水孔钢板位于模型箱底部；饱和口设置在模型箱的可拆卸钢板上；出水口位于模型箱右侧底部。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述隧道开挖面控制系统包括半圆弧形隧道管、开挖面板、拉压传感器、转动轴、自动化控制电机和电机架；半圆弧形隧道管位于模型箱的内部，且位于有机玻璃板内侧左边；开挖面板位于半圆弧形隧道管内部；电机安装在模型箱外电机架上，电机连接转动轴，转动轴深入到半圆弧形隧道管内；转动轴连接着拉压传感器，拉压传感器连接着开挖面板。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述水压监测系统包括l型接头、滤网和带刻度测压管；l型接头连接在模型箱后侧底部；滤网位于l型接头在模型箱内部的一头；所述带刻度测压管连接l型接头在模型箱外的另一头。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模型箱包括可拆卸钢板、有机玻璃板、内六角螺丝和刻度标，可拆卸钢板位于模型箱右侧，利用内六角螺丝固定于模型箱框架边缘；有机玻璃板位于模型箱正面；刻度标尺位于有机玻璃板右侧。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模型箱还包括万向轮，万向轮位于模型箱底部。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述基坑模型位于模型箱内部，主要由钢板拼接而成。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模型监测系统包括位移计、应力应变传感器、模型控制监测仪和数据传输线；位移计埋于土体内部；应力应变传感器均匀贴于基坑模型表面；模型控制监测仪通过数据传输线与位移计和应力应变传感器连接。

8.使用权利要求1所述的试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于，所述装入试验所用土样采用的是雨砂法。

技术总结
本发明的一种盾构隧道开挖对近接基坑影响的试验装置及试验方法，试验装置包括模型箱、隧道开挖面控制系统、基坑模型、水位控制系统、水压监测系统和模型监测系统，隧道开挖面控制系统位于模型箱正面内侧，基坑模型位于模型箱内部，隧道开挖面控制系统的侧方，水位控制系统主要在模型箱下方；试验方法是通过控制水的压力及流量，透过有机玻璃板观察在渗流承压水条件下隧道开挖所致土体的位移规律，读取土体及基坑模型的监测数据。本发明可以观察到试验过程以及土层的变化，能够精确监测到隧道开挖过程中近接基坑结构及土体的应力应变变化，提供和控制承压水水头的高低，实现对近接基坑进行模型试验，且模型箱采用模块化安装，操作简单。

技术研发人员：马少坤,黄海均,田发派,张加兵,段智博,马敏,何本富,李金梅,黄勇敬,周长
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12