[发明专利]上下交叠隧道施工对运营隧道影响的室内模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市地下建筑工程中的隧道工程，具体涉及一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置。

背景技术

随着我国城市化进程不断加剧，城市发展与土地资源之间短缺的矛盾日益突出，城市地下空间资源的开发和利用成为社会可持续发展的重要方向之一。城市软土地区盾构法隧道由于其对周围环境影响较小、适应软弱地质条件以及施工速度较快等优点，在地下工程建设中得到广泛应用。然而，在实际施工中，由于地表建筑物、地下桩基、地埋管线以及运营地铁隧道等诸多因素制约，在隧道施工中将不可避免地出现上下交叠穿越的特殊施工工况，甚至会出现多线交叠穿越的极端工况。如：北京地铁四号线盾构隧道在动物园～白石桥区间以15°的小角度从上方交叠穿越九号线矿山法隧道,最小净间距仅为1.39m；天津市在广东路与乐园道交口处，地铁5号线、6号线和Z1线三线相交，而且6号线CK31+475～广东路站与Z1线上下交叠并行，叠线段隧道长度竟达392m。因此，在多线交叠隧道施工过程中，尤其是隧道开挖行为的进行，必然会对周围地层产生扰动，引起变形和位移，而地层的变形会对在其影响范围内的既有隧道产生影响。当盾构隧道开挖行为引起周围土体的位移和变形超过一定限度时，将会对临近穿越隧道内部结构及上部地表产生较大影响。众多工程实例表明，在上述交叠工况特点显著，交叠距离较长，甚至多线交叠的情况下进行隧道施工，存在极大的施工风险和安全隐患。因此，如何确保在既有隧道紧临位置修建隧道期间周围土工环境的安全，以及如何控制新建隧道在盾构推进过程中对既有隧道的影响，以确保既有隧道的正常结构形态和新建隧道盾构的顺利推进，对于地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的理论指导和现实意义。

目前针对交叠隧道的研究，国内外相关学者主要采用的是数值模拟方法、理论分析法以及现场监测法。数值模拟方法能够模拟盾构隧道管片、接头、周围岩土介质以及临近构筑物与土体的共同作用，但是需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑隧道与土体之间的复杂关系，并且计算量大；现场监测方法是获取交叠地铁施工引起既有运营隧道变形数据的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，实现对地铁交叠施工过程中不同施工工况下隧道开挖过程的模拟，准确监测盾构隧道开挖施工引起的周围土体沉降和土压力变化情况，测量临近既有隧道的应变值、纵向沉降值,并对既有隧道进行竖向和水平向力学反应分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，包括模型箱、位移计支架、多个位移计、开挖施工模拟装置，其特点是：模型箱内地层土体中纵向对称平行放置由铝合金空心管制成的既有隧道上、下行线衬砌模型，在既有隧道上、下行线衬砌模型上、下横向对称平行放置开挖隧道上、下行线衬砌模型，开挖隧道上、下行线衬砌模型与既有隧道衬砌模型成垂直交叠分布，既有隧道上、下行线衬砌模型内壁贴有多组应变计，外壁处粘贴多组压力盒；开挖隧道上、下行线衬砌模型由铝合金空心管制成，并分成若干衬砌段，衬砌段间采用环形薄橡胶板隔开；位移计支架固定在所述模型箱顶面；多个位移计分别通过对应的位移计支架固定在既有隧道上、下行线衬砌模型、开挖隧道上、下行线衬砌模型以及地层土体表面；开挖施工模拟装置包含围在开挖隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及开挖隧道衬砌模型和乳胶膜之间形成的环形液腔，在环形液腔一端安装设有注液电磁阀的注液导管，在沿环形液腔水平方向上的另一端安装设有排液电磁阀的排液导管。

模型箱为铝合金材料制成的长方形箱，分为上、下、左、右四个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有便于固定位移计支架的锚孔。

多组应变计以既有隧道衬砌模型纵向对称轴位置为中心，在衬砌模型内壁上呈环向对称分布。

多组压力盒分别纵向等距对应于各组应变计，在衬砌模型外壁上呈环向对称分布。