[发明专利]一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置

说明书

本发明提供了一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，该装置主要包括模型箱、隧道结构系统、地下水控制系统、基坑结构系统和测量系统：布置基坑结构及隧道结构，利用砂性土模拟承压水层，其承压水头由地下水控制系统模拟，结合测量系统实时采集试验过程中的各种数据。通过该体系，可以模拟基坑开挖及减压降水的耦合效应对近接隧道的影响，研究基坑多梯次减压降水对区域渗流场的影响，进行隧道或基坑局部渗漏对结构安全影响的评价等。

技术领域

本发明属于土木建筑、隧道及地下空间工程、环境工程领域，具体涉及一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置。

背景技术

我国沿江沿海地区多为经济发达区域，城市交通系统飞速发展，而地上空间不能满足交通线路拓展的问题愈发凸显，开发地下空间已经成为该区域城市发展的必然趋势。近年来，沿江沿海地区基坑工程呈现“深、大、近、紧”的特点，基坑开挖对周边环境的影响越来越复杂。沿江沿海地区地下水位高，多为沉积河漫滩淤泥质土和粘性土，地层复杂多变，常含有一个浅水层和多个承压含水层。在此区域进行深基坑开挖，常常需要对承压含水层进行减压降水，基坑开挖及减压降水的耦合效应势必引起周围土层的变形，影响已有隧道的长期运营安全。因此，如何评价开挖及减压降水的耦合效应，对确保基坑工程施工安全与已有近接隧道的长期运营安全具有重要意义。

经过对技术文献检索发现，国内外对基坑降水或基坑开挖对近接隧道的影响已进行了大量研究，开发了多种水箱、土箱等模拟设备，对基坑开挖或者基坑减压降水引起的地面沉降环境问题、已有构筑物变形控制问题及污染物运移等问题开展了物理模拟试验，但这些模型设备多为未区分承压含水层和隔水层的地下水一维或二维流模拟，或多为仅有基坑或者隧道等单一地下结构物的模拟。例如，中国专利文献号CN110221042A记载了一种模拟基坑开挖应力场与地下渗流场耦合效应的装置，但该装置的侧向水源补给条件不能满足针对承压水层的水头控制，且该装置未考虑布设柔性隧道结构，故无法模拟基坑开挖及减压降水耦合效应对隧道的影响。鉴于上述原因，迫切需要研发一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，以对该类工程问题开展进一步探索。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，采用该装置和方法能够模拟基坑开挖及多梯次减压降水产生的应力场与渗流场耦合效应对近接隧道的影响，解决现有的试验装置不能很好地模拟基坑开挖及多梯次减压降水对已有隧道综合影响的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，包括模型箱、隧道结构系统、地下水控制系统、基坑结构系统和测量系统；

所述模型箱内间隔设置砂性土层与粘性土层，其中砂性土层模拟承压含水层，粘性土层模拟相对隔水层；

所述隧道结构系统和基坑结构系统根据相对位置、埋置深度（开挖深度）及围护形式等相应地布设在土层中；

所述地下水控制系统通过调整环状水管的位置及供水水头大小来控制不同含水层水头大小；还包括降水井和回灌井，所述降水井和回灌井按照模拟工况布置在相应区域；

所述测量系统包括测试元件和数据采集系统，所述测试元件设置于隧道结构系统、基坑结构系统、地下水控制系统及土层内部，实时监测各部分的动态变化并将数据传输给数据采集系统。

进一步的，在本发明中，模型箱四面布设侧壁孔，该孔洞与外部水管联通，以模拟不同的地下水补给条件，闲置孔洞可作为水压力监测点。同时，在模型箱前后两面划分一个由多块面积相同的有机玻璃拼接的隧道结构布置区域，此区域有机玻璃上的侧壁孔布置统一于模型箱其它区域，具有已凿出隧道断面的有机玻璃块可以在不同工况中重复利用。