本發(fā)明涉及地鐵車站開挖，具體的說是一種模擬既有隧道影響下開挖地鐵車站的試驗裝置及開挖方法。

背景技術(shù)：

1、地鐵車站采用暗挖法施工時，通常具有隧道斷面開挖大、隧道埋深淺、上部地表荷載較大、圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、對隧道沉降要求較高、開挖作業(yè)難度較大等特點。而在開挖過程中，難免會受到既有建(構(gòu))筑物的影響，應(yīng)對上述暗挖特點，地鐵車站暗挖法施工仍具有較多難題。

2、通過設(shè)計模型試驗及方法，可以有效模擬和研究復(fù)雜環(huán)境下既有隧道對暗挖拱蓋法施工開挖地鐵車站過程的影響，通過對試驗數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，能夠得到復(fù)雜環(huán)境下既有隧道影響地鐵車站開挖的相關(guān)物理規(guī)律，進一步對暗挖拱蓋法開挖進行研究，就目前行業(yè)水平而言，缺少對既有隧道影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站進行模型試驗及方法的研究。

3、因此針對穿越既有建(構(gòu))筑物拱蓋法開挖地鐵車站的地下工程，設(shè)計一種模擬在既有隧道的影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站的試驗裝置及開挖方法，并研究其開挖過程的相關(guān)物理規(guī)律變化，幫助分析地鐵車站施工現(xiàn)場和既有隧道的應(yīng)力應(yīng)變及位移規(guī)律，進一步為既有隧道影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站設(shè)計與施工方案的優(yōu)化提供借鑒。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明目的是提供一種模擬既有隧道影響下開挖地鐵車站的試驗裝置及開挖方法，分析研究復(fù)雜環(huán)境中既有隧道影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站中地鐵車站和既有隧道的應(yīng)力應(yīng)變及位移規(guī)律，進一步為復(fù)雜環(huán)境下穿越既有建(構(gòu))筑物拱蓋法暗挖拱蓋法開挖地鐵車站設(shè)計與施工方案的優(yōu)化提供借鑒。

2、本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：模擬既有隧道影響下開挖地鐵車站的試驗裝置，包括模型箱以及設(shè)置于模型箱中的車站模擬結(jié)構(gòu)、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備。

3、所述既有隧道模擬結(jié)構(gòu)布置于車站模擬結(jié)構(gòu)的上方，所述模型箱中以及車站模擬結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間中填充有試驗土體。

4、所述數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備裝配于車站模擬結(jié)構(gòu)、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)以及試驗土體的表層位置處。

5、在其中一些實施中，為保證模型箱自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證車站模擬結(jié)構(gòu)、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)檢測采集設(shè)備能夠在模型箱中穩(wěn)定安裝，并進行模擬既有隧道影響下采用暗挖拱蓋法開挖地鐵后車站的試驗，對此提供有如下技術(shù)方案。

6、所述模型箱包括底部支座、支撐框架、支擋結(jié)構(gòu)，所述支撐框架固定連接至底部支座上，所述支撐框架由豎向鋼梁、橫向鋼梁、頂部鋼梁拼接固定而成，所述支擋結(jié)構(gòu)布置于所述支撐框架的外圍。

7、在其中一些實施中，為保證模型箱中的支擋結(jié)構(gòu)能夠在支撐框架上穩(wěn)定安裝，保證支擋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其設(shè)計功能，對此提供有如下技術(shù)方案。

8、所述支擋結(jié)構(gòu)包括正面擋板、背面擋板、側(cè)面擋板，所述正面擋板、背面擋板分別固定連接至所述支撐框架的正面和背面，所述側(cè)面擋板固定連接至所述支撐框架的兩側(cè)面。

9、所述正面擋板、背面擋板采用有機玻璃板，所述正面擋板上開設(shè)有操作開口，所述操作開口外側(cè)裝配有支撐擋板。

10、在其中一些實施中，為使對地鐵車站的模擬開挖工作盡可能逼近現(xiàn)場真是施工，保證車站模擬結(jié)構(gòu)能夠充分模擬地鐵車站的結(jié)構(gòu)，對此提供有如下技術(shù)方案。

11、所述車站模擬結(jié)構(gòu)包括拱頂結(jié)構(gòu)、豎樁結(jié)構(gòu)、襯砌結(jié)構(gòu)，所述拱頂結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)裝配有兩組并排布置的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)將拱頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間劃分為中導(dǎo)洞以及中導(dǎo)洞兩側(cè)的左側(cè)邊導(dǎo)洞、右側(cè)邊導(dǎo)洞；所述襯砌結(jié)構(gòu)包括底面襯砌以及連接至底面襯砌兩側(cè)并沿豎直方向布置的側(cè)面襯砌，所述側(cè)面襯砌頂端與所述拱頂結(jié)構(gòu)底部相連；所述豎樁結(jié)構(gòu)支撐于所述底面襯砌上并與所述支撐結(jié)構(gòu)保持抵接。

12、在其中一些實施中，為保證既有隧道模擬結(jié)構(gòu)的自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并保證其能夠精準模擬現(xiàn)場既有隧道對地鐵車站開挖操作的影響，對此提供有如下技術(shù)方案。

13、所述既有隧道模擬結(jié)構(gòu)包括管道結(jié)構(gòu)、端口擋片、連接墊片，所述管道結(jié)構(gòu)包括首尾對接的多段，相連兩段管道結(jié)構(gòu)通過連接墊片以及貫穿連接墊片并旋接至管道結(jié)構(gòu)的螺栓固定連接，處于最外側(cè)的管道結(jié)構(gòu)端口位置封堵有端口擋片。

14、在其中一些實施中，在開挖地鐵車站時為實現(xiàn)模擬既有隧道通行、運行過程中產(chǎn)生的震動對地鐵車站開挖影響的模擬，對此提供有如下技術(shù)方案。

15、所述既有隧道模擬結(jié)構(gòu)中可裝配震動模擬裝置，所述震動模擬裝置包括裝配柱、伸縮套筒、震動組件、收放組件、調(diào)節(jié)組件，所述裝配柱裝配于所述管道結(jié)構(gòu)中，所述伸縮套筒滑動插接于所述裝配柱的兩端，所述震動組件轉(zhuǎn)動安裝于所述伸縮套筒中，所述收放組件裝配于裝配柱中并與兩組伸縮套筒保持聯(lián)動，所述調(diào)節(jié)組件與振動組件保持聯(lián)動。

16、在其中一些實施中，為保證收放組件能夠在裝配柱上穩(wěn)定安裝，并實現(xiàn)對兩組伸縮套筒的收放姿態(tài)進行同步調(diào)節(jié)，對此提供有如下技術(shù)方案。

17、所述收放組件包括驅(qū)動軸、調(diào)節(jié)絲杠，所述驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動安裝于裝配柱中并沿徑向方向布置，所述驅(qū)動軸的端部固接有操作旋鈕，所述操作旋鈕布置于裝配柱外側(cè)，所述調(diào)節(jié)絲杠轉(zhuǎn)動安裝于裝配柱中并沿軸向方向布置，所述伸縮套筒的內(nèi)側(cè)端與調(diào)節(jié)絲杠保持旋接，所述驅(qū)動軸上固接有驅(qū)動錐齒輪，所述調(diào)節(jié)絲杠的內(nèi)側(cè)端固接有與驅(qū)動錐齒輪保持嚙合的傳動錐齒輪。

18、在其中一些實施中，為保證震動組件能夠在伸縮套筒中穩(wěn)定安裝，保證振動組件能夠產(chǎn)生特定大小和方向的振動力，對此提供有如下技術(shù)方案。

19、所述震動組件包括裝配盤、配重滑座、轉(zhuǎn)動座、連接桿，所述裝配盤轉(zhuǎn)動安裝于所述伸縮套筒中，所述裝配盤上開設(shè)有徑向布置的導(dǎo)向槽，所述配重滑座滑動安裝于所述導(dǎo)向槽中，所述配重滑座上開設(shè)有讓位通孔，所述轉(zhuǎn)動座轉(zhuǎn)動安裝于裝配盤軸心處并布置于所述讓位通孔中，所述連接桿的兩端分別與轉(zhuǎn)動座的外緣、配重滑座保持鉸接，所述調(diào)節(jié)組件與裝配盤、轉(zhuǎn)動座保持聯(lián)動。

20、在其中一些實施中，為保證調(diào)節(jié)組件有效裝配于裝配柱、伸縮套筒中，保證調(diào)節(jié)組件能夠?qū)ρb配盤、轉(zhuǎn)動座的運轉(zhuǎn)姿態(tài)進行調(diào)節(jié)，對此提供有如下技術(shù)方案。

21、所述調(diào)節(jié)組件包括驅(qū)動電機、花鍵軸、花鍵套、棘輪機構(gòu)，所述驅(qū)動電機固定安裝于所述裝配柱中并與花鍵軸保持動力連接，所述花鍵軸設(shè)置有沿裝配軸軸線方向布置的兩組，所述花鍵套滑動插接至花鍵軸上，所述花鍵套上動力連接有兩組方向布置的棘輪機構(gòu)，所述裝配盤、轉(zhuǎn)動座分別與兩組棘輪機構(gòu)保持動力連接。

22、在其中一些實施中，為保證數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備能夠隨車站模擬結(jié)構(gòu)、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)以及所填充的試驗土體進行安裝，并有效監(jiān)測開挖試驗過程中的位移、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，對此提供有如下技術(shù)方案。

23、所述數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備包括伸縮式位移計、百分表、應(yīng)變片、土壓力盒，所述伸縮式位移計布置于所述拱頂結(jié)構(gòu)的上方、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)的上方，所述伸縮式位移計與所述拱頂結(jié)構(gòu)或既有隧道模擬結(jié)構(gòu)保持接觸，所述百分表布置于實驗土體的表面，所述應(yīng)變片粘貼值所述拱頂結(jié)構(gòu)的頂部、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)的底部，所述土壓力盒布置于所述拱頂結(jié)構(gòu)的上方中心處、拱頂結(jié)構(gòu)的拱腳位置、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)的下方，所述土壓力盒與所述拱頂結(jié)構(gòu)或既有隧道模擬結(jié)構(gòu)保持接觸。

24、根據(jù)上述涉及的模擬既有隧道影響下開挖地鐵車站的試驗裝置，提供一種開挖方法，具有如下步驟：

25、s1，模擬地層配置：

26、根據(jù)模型箱的尺寸條件確定模型尺寸與現(xiàn)場原型尺寸的幾何相似比為1:l，對模型尺寸按原型尺寸的1/l進行設(shè)計，并對在模型箱中所填充的試驗土體根據(jù)幾何相似比進行設(shè)計，試驗土體的參數(shù)遵循以下要求：

27、幾何相似比：cl＝1；

28、重度、內(nèi)摩擦角和泊松比相似比：cy＝cφ＝cμ＝1；

29、彈性模量和黏聚力相似比：ce＝cc＝1/l；

30、滲透系數(shù)相似比：ck＝1/√l；

31、s2：模型結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備的布置和模型箱的填充：

32、按照車站模擬結(jié)構(gòu)、既有隧道模擬結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備在模型箱中的位置關(guān)系進行由下至上布置，并在空隙處填充試驗土體；

33、s3，開挖過程模擬：

34、在模型箱上的操作開口進行操作，對車站模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)的試驗土體進行模擬開挖；

35、s3-1，第一工作循環(huán)：

36、對中導(dǎo)洞左側(cè)進行開挖掘進，共分四個水平方向的掘進階段，每個階段完成后，利用混凝土對中導(dǎo)洞左側(cè)拱蓋部分進行二次襯砌，待混凝土襯砌強度滿足要求后進行下一階段的掘進；

37、s3-2，第二工作循環(huán)：

38、對中導(dǎo)洞右側(cè)進行開挖掘進，共分四個水平方向的掘進階段，每個階段完成后，利用混凝土對中導(dǎo)洞右側(cè)拱蓋部分進行二次襯砌，待混凝土襯砌強度滿足要求后進行下一階段的掘進；

39、s3-3，第三工作循環(huán)：

40、對左側(cè)邊導(dǎo)洞進行開挖掘進，共分四個水平方向的掘進階段，每個階段完成后，利用混凝土對左側(cè)邊導(dǎo)洞拱蓋部分進行二次襯砌，待混凝土襯砌強度滿足要求后進行下一階段的掘進；

41、s3-4，第四工作循環(huán)：

42、對右側(cè)邊導(dǎo)洞進行開挖掘進，共分四個水平方向的掘進階段，每個階段完成后，利用混凝土對右側(cè)邊導(dǎo)洞拱蓋部分進行二次襯砌，待混凝土襯砌強度滿足要求后進行下一階段的掘進；

43、s3-5，支撐結(jié)構(gòu)的拆除：

44、待中導(dǎo)洞、左側(cè)邊導(dǎo)洞、右側(cè)邊導(dǎo)洞完全貫穿后，對支撐結(jié)構(gòu)進行拆除，并利用混凝土將豎樁結(jié)構(gòu)的樁頂與拱頂部分進行承接，借以代替支撐結(jié)構(gòu)的作用，作為承受拱頂結(jié)構(gòu)和上部荷載的豎向支撐柱；

45、s3-6，車站空間模擬開挖：

46、待拱頂結(jié)構(gòu)開挖襯砌完成且待整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，按照地鐵開挖法中的臺階法對車站空間進行模擬開挖，分為左右兩個開挖循環(huán)，每個開挖循環(huán)分為水平方向的四個開挖掘進階段，每次開挖完成后對襯砌結(jié)構(gòu)采用混凝土對其進行二次襯砌；

47、s3-7，數(shù)據(jù)分析、處理：

48、步驟s3-1～s3-6的各個階段中，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時處理并繪制對應(yīng)開挖階段的位移-開挖階段曲線對比、土壓力-開挖階段曲線對比和應(yīng)變-開挖工序階段曲線；

49、通過分析數(shù)據(jù)曲線，得出在既有隧道影響下暗挖地鐵車站的拱頂結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律、圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和上部荷載變化規(guī)律，并為工程實際中在既有隧道的影響下開挖地鐵車站的設(shè)計和施工方案提供指導(dǎo)意見。。

50、本發(fā)明的有益效果：

51、1.本發(fā)明設(shè)計制作了一種模擬在既有隧道的影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站的試驗裝置及開挖方法，并在模型設(shè)計制作完成后進行開挖工作，分析研究復(fù)雜環(huán)境中既有隧道影響下暗挖拱蓋法開挖地鐵車站中地鐵車站和既有隧道的應(yīng)力應(yīng)變及位移規(guī)律。

52、2.本發(fā)明通過模型箱外部束縛，包括豎向和橫向鋼梁以及四周的支擋結(jié)構(gòu)和底部支座及內(nèi)部填充的試驗土體來模擬復(fù)雜環(huán)境下地鐵開挖時周圍環(huán)境和既有地層所產(chǎn)生的圍壓應(yīng)力，充分的模擬了現(xiàn)場實際開挖環(huán)境，更利于具體過程的研究分析。

53、3.本發(fā)明采用多段連接的pvcc管來模擬開挖地鐵車站上方的既有隧道，模擬復(fù)雜環(huán)境下地鐵開挖時上部既有建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的上部應(yīng)力，充分的還原了現(xiàn)場實際既有構(gòu)建筑物的存在，更利于實際施工具體過程的物理規(guī)律分析。

54、4.本發(fā)明基于復(fù)雜環(huán)境下既有建(構(gòu))筑物影響暗挖拱蓋法開挖地鐵車站難以設(shè)計模擬試驗問題，創(chuàng)新性地將車站模擬結(jié)構(gòu)和既有隧道模擬結(jié)構(gòu)在填充模擬地層時預(yù)先埋置，大大提高了試驗的可操作性，減少了模擬支護施工襯砌的時間。

55、5.本發(fā)明中數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備在填充模擬地層時預(yù)先布置在車站模擬結(jié)構(gòu)和既有隧道模擬結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分，有效地模擬現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境，同時減少了模型試驗的操作時間和后期分析處理的工作量。

56、6.通過設(shè)計震動模擬裝置，能夠?qū)扔兴淼乐杏型ㄐ熊囕v時的狀態(tài)和產(chǎn)生的震動進行模擬，保證采集數(shù)據(jù)的多樣性和精準度，更好模擬地鐵施工的現(xiàn)場環(huán)境。