旁侧基坑开挖对既有隧道洞周加固影响的离心试验装置的制作方法

1.本发明涉及隧道施工技术，具体涉及一种旁侧基坑开挖对既有隧道洞周加固影响的离心试验装置。


背景技术：

2.随着我国交通基础工程的快速发展，在工程建设过程中产生大量的基坑工程，基坑规模和深度不断增加，同时邻近既有隧道进行基坑开挖的工况也不断增加。基坑开挖卸荷影响邻近地铁隧道的内力与变形。某市地铁线路某区间隧道在邻近深大基坑开挖影响下，导致隧道管片出现开裂和渗漏等病害，严重威胁到地铁隧道的结构安全和服役性能。因此，研究旁侧基坑开挖卸载对邻近隧道结构变形响应规律，对于评估隧道安全并提出有效控制措施具有重要意义。
3.随着科学技术和试验手段的发展，物理模型试验逐渐成为岩土工程领域科学研究的重要手段之一，常见的有常重力缩尺试验、原位试验和超重力离心模型试验。其中，离心模型试验通过离心加速度提供超重力环境，在模型几何缩尺条件下还原土体原位应力场，目前已在岩土工程研究领域有着广泛的应用。然而，现有的离心机试验中无法手动模拟岩土工程的动态过程，设计相关机械装置耗资不菲。因此，需要一种能够经济实用的方法模拟基坑开挖动态过程。
4.工程实践中常见的旁侧基坑开挖条件下既有隧道保护措施包括洞周注浆加固、隔离桩和坑底地层加固等。但是，针对上述措施的有效性和作用机理研究主要集中在数值模拟，现场监测数据也十分有限。因此，研发一种旁侧基坑开挖条件下既有隧道保护措施离心试验装置及方法显得非常有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种实体模拟且能现场检测的旁侧基坑开挖对既有隧道洞周加固影响的离心试验装置。
6.本发明采用的技术方案为：一种旁侧基坑开挖对既有隧道洞周加固影响的离心试验装置，包括试验箱体、隧道洞周加固模拟系统、基坑开挖模拟系统和离心机数据采集系统，所述试验箱体内填有砂土地基，所述隧道洞周加固模拟系统和基坑开挖模拟系统均埋设于沙土地基内；所述隧道模型周围安装有检测仪器，检测仪器与离心机数据采集系统相连；当基坑开挖模拟系统启动后，隧道洞周加固模拟系统周围的检测仪器检测相关数据，并将数据发送至离心机数据采集系统，离心机数据采集系统获得各传感器信号，并传送至计算机，用于后续分析和计算。
7.按上述方案，所述隧道洞周加固模拟系统包括采用铝管制作的隧道主体和若干预制圆柱体，所述隧道主体水平预埋于试验箱体的砂土地基内，隧道主体的轴线与试验箱体的其中一侧边平行；在隧道主体的中部周向间隔布置若干预制圆柱体，预制圆柱体的间距根据工况调整。
8.按上述方案，所述预制圆柱体采用水泥砂浆预制，其内沿轴线方向预埋有固定螺栓，固定螺栓的端部伸出，插入隧道主体的预留孔与内侧的螺母配合连接；所述隧道主体的轴线与各预埋圆柱体的轴线垂直。
9.按上述方案，在隧道主体的外壁粘贴有若干应变片，部分应变片与预制圆柱体交替布置；在隧道主体上方的砂土地基内布置若干弯曲元，若干弯曲元沿垂直于隧道主体轴线的方向间隔布置；在隧道主体上方的砂土地基表面安装有若干差动位移传感器和若干激光位移传感器，其中，差动位移传感器位于隧道主体的正上方，且沿隧道主体轴线方向间隔布置；所述激光位移传感器沿垂直于隧道主体轴线的方向间隔布置；各应变片、弯曲元和各位移传感器均分别与离心机数据采集系统相连。
10.按上述方案，所述基坑开挖模拟系统包括围护墙模拟体、排液管和排液箱；所述围护墙模拟体固定安装在砂土地基内，其内底部标高与隧道主体的内底部标高一致；所述围护墙模拟体内设橡胶层，围合成重液腔，重液腔内灌注有与基坑内待开挖土体相同密度的重液，重液的高度与开挖深度一致；重液腔的底部安装有与离心机数据采集系统相连的孔压计；重液腔内通过排液管与排液箱相连，排液管上配置有阀门，具体配置有电磁阀和流速控制阀。
11.按上述方案，围合成重液腔的橡胶袋采用质量轻、刚度小、厚度薄的橡胶膜制作；橡胶袋底部通过防水接头与排液管相连，橡胶袋与围护墙模拟体之间通过夹具固定。
12.按上述方案，所述围护墙模拟体为矩形结构，其中一侧边与隧道主体的轴线平行。
13.按上述方案，所述排液箱由若干铝板围合焊接而成，排液箱上分别开进液口和出气口，进液口通过排液管连接重液腔；出气口通过连接的气管延伸至试验箱体外，平衡内外压差方便重液排液。
14.按上述方案，所述试验箱体为矩形箱体，采用刚性材料制作。
15.按上述方案，所述重液为氯化锌溶液。
16.本发明具有的有益效果是：本发明设计模拟实体，利用隧道模型主体和预制圆柱体组合成整体模拟隧道洞周注浆；利用重液腔、重液排液系统模拟开挖范围内的基坑开挖过程，并通过应变片、土压力计、弯曲元、lvdt、激光位移计等传感器现场检测，获取基坑开挖过程中地层及旁侧隧道的受力信息，计算并分析力学规律，为旁侧基坑开挖条件下既有隧道注浆变形控制技术提供有益参考；这种实体模拟试验与单纯的数值模拟相比，更能动态客观反应具体施工过程，准确性高。本发明结构简单，设计成本低，操作过程简便。
附图说明
17.图1为本发明一个具体实施例的布置示意图。
18.图2为本实施例的俯视图。
19.图3为本实施例中隧道洞周加固模拟系统的剖面图。
20.图中：1、试验箱体；2、隧道主体；3、预制圆柱体；4、围护墙模拟体；5、橡胶袋；6、电磁阀；7、流速控制阀；8、排液箱；9、砂土地基；10、排液管；11、防水接头；12、氯化锌重液；13、应变片；14、土压力计；15、弯曲元；16、激光位移传感器；17、差动位移传感器；18、孔压计；19、离心机数据采集系统。
具体实施方式
21.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。
22.如图1～2所示的一种旁侧基坑开挖对既有隧道洞周加固影响的离心试验装置，包括试验箱体1、隧道洞周加固模拟系统、基坑开挖模拟系统和离心机数据采集系统19，所述试验箱体1内填有砂土地基9，所述隧道洞周加固模拟系统和基坑开挖模拟系统均埋设于沙土地基内；所述隧道模型周围安装有检测仪器，检测仪器与离心机数据采集系统19相连；当基坑开挖模拟系统启动后，隧道洞周加固模拟系统周围的检测仪器检测相关数据，并将数据发送至离心机数据采集系统19，离心机数据采集系统19获得各传感器信号，并传送至计算机，用于后续分析和计算。
23.优选地，所述试验箱体1为矩形箱体，采用刚性材料制作。
24.优选地，如图3所示，所述隧道洞周加固模拟系统包括采用薄壁铝管制作的隧道主体2和若干预制圆柱体3，所述隧道主体2水平预埋于试验箱体1的砂土地基9内，隧道主体2的轴线与试验箱体1的其中一侧边平行；在隧道主体2上周向间隔布置若干预制圆柱体3，预制圆柱体3的间距可根据工况调整；所述预制圆柱体3采用水泥砂浆预制，其内沿轴线方向预埋有固定螺栓，固定螺栓的端部伸出，插入隧道主体2的预留孔与内侧的螺母配合连接。本实施例中，所述隧道主体2的轴线与预埋圆柱体的轴线垂直。
25.优选地，在隧道主体2的外壁粘贴有若干应变片13，部分应变片13与预制圆柱体3交替布置。在隧道主体2上方的砂土地基9内布置若干弯曲元15，若干弯曲元15沿垂直于隧道主体2轴线的方向间隔布置。在隧道主体2上方的砂土地基9表面安装有若干差动位移传感器(lvdt)17和若干激光位移传感器16，其中，差动位移传感器17位于隧道主体2的正上方，且沿隧道主体2轴线方向间隔布置；所述激光位移传感器16沿垂直于隧道主体2轴线的方向间隔布置；各应变片13、弯曲元15和各位移传感器均分别与离心机数据采集系统19相连。
26.优选地，所述基坑开挖模拟系统包括围护墙模拟体4、排液管10和排液箱8；所述围护墙模拟体4固定安装在砂土地基9内，其内底部标高与隧道主体2的内底部标高一致；所述围护墙模拟体4内设橡胶层，围合成重液腔，重液腔内灌注有与基坑内待开挖土体相同密度的重液，重液的高度与开挖深度一致(重液高度与基坑外地基土高度保持一致)；重液腔的底部安装有与离心机数据采集系统19相连的孔压计18；重液腔内通过排液管10与排液箱8相连，排液管10上配置有阀门，具体配置有电磁阀6和流速控制阀7；所述重液为氯化锌(zncl2)溶液。当排液管10上的电磁阀6通电开启之后，氯化锌重液12通过排液管10上的流经电磁阀6和流速控制阀7，最终进入排液箱8，待全部氯化锌重液12收集到排液箱8之后，基坑开挖过程模拟完成。本发明基于压力差排放重液，要求阀门口高度低于重液最低高度。
27.本实施例中，围合成重液腔的橡胶袋5采用质量轻、刚度小、厚度薄的橡胶膜制作，在保证防水的前提下尽可能减少其对地基土的影响；橡胶袋5底部通过防水接头11与排液管10相连，橡胶袋5与围护墙模拟体4之间通过夹具固定。所述围护墙模拟体4为矩形结构，其中一侧边与隧道主体2的轴线平行。所述重液为氯化锌(zncl2)溶液，氯化锌粉末常温下极易溶于水，并且随着溶质质量变化，溶液密度也有较大的变化，方便模拟不同地基土密度；氯化锌(zncl2)具有强腐蚀性，制备过程中注意通风和防护。所述电磁阀6为通电球阀，根据不同的接线方案可以实现开关阀门和反馈信息等功能。所示流速控制阀7用于控制管
道内液体流速，结合基坑模型尺寸和设计离心加速度，模拟现场基坑土体施工进度。所述排液箱8由若干铝板围合焊接而成，排液箱8上分别开进液口和出气口，进液口攻丝后连接单通，缠绕生料带，外侧油泥堵漏；进液口通过排液管10连接重液腔；出气口攻丝后连接单通，缠绕生料带，外侧油泥堵漏，出气口通过连接的气管延伸至试验箱体1外，平衡内外压差方便重液排液。
28.本实施例的具体施工过程为：利用水泥砂浆预制预制圆柱体3，并在预制圆柱体3的内部预埋固定螺杆；利用薄壁铝管设计隧道主体2，并在隧道主体2表面粘贴应变片13，钻取预留孔，通过内侧螺母将预制圆柱体3内的固定螺杆连接固定；标定相关试验所需的传感器如弯曲元15、孔压计18、土压力计14等预埋在相关位置并安装；排液箱8与排液管10连接后埋设于试验箱体1的底部；砂雨法制备砂土地基9模型，设置合理高度以控制砂土模型密度；砂土地基9铺设至相应高度，放置隧道主体2、围护墙模拟体4以及各传感器；继续砂雨法制备砂土地基9至预设地层高度(模型围护墙的上口高于砂土地基9的上表面)；围护墙模拟体4内固定橡胶袋5，底部开口通过防水接头11连接排液管10；配置氯化锌重液12，使重液密度与基坑内开挖土体的密度一致；向橡胶袋5内加注重液，重液高度与基坑外地基土高度保持一致。
29.本发明中，隧道洞周注浆加固系统与基坑开挖模拟系统的相关部件根据实际工程设计参数和模型缩放比尺进行试验设计。整个离心试验装置装配完成后，放入离心机内进行试验。离心机运转后，转速稳步提升，此时传感器会发生明显变化，这一变化是由离心机逐渐加速造成的。到达预定加速度后，传感器读数会逐渐稳定。通过控制电磁阀排液，模拟实际基坑开挖过程，在此过程中，结构和周围土体会随着产生变化，布置传感器的目的在于实时监测这些物理力学参数的动态变化，比如土压力计14监测土压力变化、孔压计18监测孔隙水压力变化、差动位移传感器17和激光位移传感器16监测结构变形和地表沉降、应变片监测结构模型变形。通过以上传感器的共同作用，分析基坑开挖工程对周围土体和结构的影响。预计最大沉降点，结构变形量，便于针对性的做出保护性措施，指导安全施工。
30.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。