[发明专利]上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响的模型试验装置及方法

说明书

本发明公开了上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响的模型试验装置及方法，在模型架内由下至上依次铺设强风化砂岩的相似材料、粉质黏土的相似材料和填筑土的相似材料，分层填铺、压实直至到设计高度；在铺设相似材料和支护结构的同时铺设位移计、应变片和土压力盒，所有监测元件的引线经传感器出线孔引出并与数据采集器连接；填补了目前尚无考虑基坑开挖卸荷对双排隧道的影响机理研究的模型试验装置和方法的空白，利用该试验装置及方法能够对上覆地层开挖卸荷条件下既有隧道的位移、变形及土压力变化规律进行试验，探究上覆地层开挖卸荷条件下既有隧道的变形特性和演化规律，进一步揭示既有隧道在卸荷条件下的变形规律和机理具有重要意义。

技术领域：

本发明涉及地下工程领域，特别涉及一种上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响的模型试验装置及方法。

背景技术：

近年来，我国各大城市的规模不断扩大，兴建了大量的高层建筑，由此产生了大量的基坑工程，且规模和深度不断加大。在城市地区开挖基坑，交通线路纵横交错，各类建筑密集，要求基坑工程在设计施工时不仅要考虑自身的稳定，还要把对周边环境的影响控制在影响范围。高层大跨度结构愈发增多，土体资源变得越来越少，使得基坑在既有隧道附近开挖施工的情况越来越多。基坑开挖会改变原隧道的应力场及变形场，破坏其原有的应力平衡状态，进而导致隧道发生变形、开裂，甚至引发严重事故。

经研究分析表明，基坑开挖过程，必然引起基坑坑底一定范围内的地层发生回弹变形，土体地层的回弹对地下已建地铁隧道产生上浮的作用，使其产生竖向的上抬变形和水平向的收敛变形。因此，上方卸荷对下方已有地铁隧道的影响包括两个方面：一方面是卸荷引起的隧道的上抬位移；另一方面是隧道开挖过程自身的相对变形。上世纪90年代后期至今，国内外学者针对基坑开挖对既有隧道影响开展了研究，取得了一定成果，但有关地层分区分层、采用不同开挖方式的卸荷对既有隧道的影响联系方面研究较少。

在基坑开挖影响研究方面，现有研究常局限在单一的开挖方式对既有隧道的影响，未考虑多种开挖方式对隧道影响的综合影响分析。为揭示不同基坑开挖方式对既有隧道的影响机制，并进一步完善基坑开挖对既有隧道的影响机理研究，搭建基坑开挖对既有隧道的影响研究的模型试验装置并确定试验方法十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响规律模型试验装置及方法，利用该试验装置及方法能够对上覆地层开挖卸荷条件下既有隧道的位移、变形及土压力变化规律进行试验，探究上覆地层开挖卸荷条件下既有隧道的变形特性和演化规律，进一步揭示既有隧道在卸荷条件下的变形规律和机理。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响的模型试验装置，包括模型箱体、模型支护、模拟隧道结构、模拟地层和数据监测系统；

所述模型箱体为长方体框架，前、后挡板、底护板和左、右挡板与长方体框架连接组成上端开口的箱体；

所述模拟地层填充在模型框架内，所述模拟地层自下而上依次包括中风化泥质砂岩层、强风化泥质砂岩层、粉质黏土层和填筑土层，分层填筑、压实；

所述模拟隧道结构包括两个位于粉质黏土层平行设置的管，两个管横向设置，管两端连接在模型箱体的前、后挡板上；

所述模型支护包括支护桩，支护桩由横向护板和纵向护板组合形成网格状，横向护板底部深入粉质黏土层，且位于所述模拟隧道结构上方，所述纵向护板底部深入中风化泥质砂岩层内，且将两个管分隔；

数据监测系统包括竖向拉绳式位移计、横向的拉绳式位移计、土压力盒和应变片；

在左右两个管上环向安装土压力盒与应变片，所述土压力盒和应变片均与数据采集器通讯连接；