模型试验案例讲解.docx

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模型试验案例讲解

模型试验案例

盾构法与浅埋暗挖法结合

建造地铁车站模型试验

第一章地铁车站三维物理模型试验的意义和内容

1.1目的与意义

采用直径6m的区间盾构隧道拓展建造地铁车站的研究，是解决目前盾构区间施工和车站施工工期矛盾的重要手段。

采用相似材料进行大比尺三维物理模型试验能准确地模拟施工过程的影响，使得更容易从全局上把握车站结构的整体力学特征、变形趋势和稳定性特点。

1.2试验内容

（1）剩余管片的收敛变形规律

（2）剩余管片内力变化规律

（3）隧道内临时支撑内力变化规律

（4）洞周土压力变化规律

（5）洞周地层变形规律

（6）地表沉降规律

（7）观察地层变形隔离桩方案对保护盾构管片的效果。

图1.1塔柱式

第二章模型试验总体方案设计

2.1工程布置和洞室组成

两个盾构隧道的中心距离为23m，隧道内径为5.4m，开挖外径为6.0m，这样两洞开挖外边线间距为29m。

考虑到边界条件的影响，盾构隧道外侧距离模型边界应满足3倍洞径的要求，即每侧需要6.0m×3＝18.0m，模型在水平方向应该达到29m+18m×2=65m，因此模型宽度按1：

10要求取为6.5m。

在垂直方向上，隧道上部按8.0m埋深考虑（其中顶部2.5m为杂填土），下部地层考虑一倍车站高度，这样需要模拟的高度为：

8.0+10.364×2=28.728m，因此模型高度为2.88m。

所以模型在车站隧道横断面的尺寸可取为6.5m×2.88m。

结合试验台的实际情况，模型最终尺寸确定为6.5m×1.8m×2.88m（L×W×H），见图2.1。

图2.1试验模型示意图

2.2相似条件设计

根据与试验条件，确定模型的几何比尺为1/10。

之所以确定这一比尺，主要是考虑到开挖模拟的可操作性，以及相似物理量之间的换算关系的简化。

各种相关物理量的设计相似比尺如下：

（1）几何比尺：

KL＝Lp/Lm＝10

（2）容重比尺：

Kγ＝γp/γm＝1

（3）应力比尺：

Kσ＝σp/σm＝KL×Kγ＝10

（4）位移的量纲与几何尺度相同，相似比尺也相同。

即：

Ku＝up/um＝10

（5）无量纲的物理量如应变、泊松比、摩擦角的相似比尺均为1。

即：

Kε＝εp/εm＝1

Kν＝νp/νm＝1

Kφ＝φp/φm＝1

（6）与应力有相同量纲的物理量均有与应力相同的相似比尺，即材料弹性模量、剪切模量、抗压强度、抗拉强度、粘聚力，初始地应力和面力荷载的相似比尺均为10。

KE=KG=KRc=KRt=Kc=Kro=Kp=10

2.3地层材料和管片的模拟

2.3.1北京地铁隧道结构的环境地层

（1）人工堆积层：

以杂填土为主，一般埋深3m左右；

（2）第四纪全新世冲洪积层：

以粉质粘土、粉土及细中砂为主；

（3）第四纪全新世冲洪积层：

粉细砂，低压缩性，连续分布、透镜状分布，含少量砾石，

（4）第四纪晚更新世冲洪积层：

以卵石圆砾为主，最大粒径150mm，一般粒径20～50mm，细中砂充填。

2.3.2．模拟地层的相似材料

根据模型试验相似理论，如果使模型材料的容重与实际岩体材料的容重相同，即容重比尺等于1.0时，则弹性模量和应力比尺将与几何比尺相同。

这将大大简化和方便模型参数与实际工程物理参数之间的换算。

由于上述地层往往以互层形式出现，所以在模型试验中，选用天然土体粉细砂及粘土作为模型的主要材料。

容重的相似比尺为1，泊松比及内摩擦角的相似比尺也为1，而压缩模量与内聚力的相似比尺为10。

（1）杂填土位于在模型表层2.5m范围内，对试验结果影响较小，主要考虑它的容重相似，提供上部荷载，干容重为16.5kN/m3。

（2）粉质粘土、粉土、粉细砂互层这一地层是地铁隧洞通过的主要地层。

实际工程中，这几种地层相互交错，具有一定随机性；将这几种地层统一模拟成一种等效材料。

试验中该模拟地层的厚度确定为1.66m。

隧道整体位于这种地层中。

由于要降低压缩模量和内聚力，必须减少粘粒含量并降低模型材料的密实度，而这与保持容重与原状地层一致是矛盾的。

为解决这一问题，采取在材料中添加无黏性髙容重的四氧化三铁粉，作为增加容重和减少压缩模量及内聚力的手段。

（3）卵石圆砾：

采用砂砾土来模拟卵石圆砾。

模型试验中这一地层位于地铁隧洞的底部，厚度为0.97m。

2.5.3人工相似材料

试验中需要模拟的人工材料包括盾构管片混凝土、地层变形隔离桩材料、站厅拱部预支护材料、初期支护材料、二次衬砌材料、横通道衬砌材料、拆除管片时的加固材料等。

1）管片混凝土设计标号为C50，按照强度比尺10：

1的关系，模拟材料采用一级配小石混凝土，标号降为C5，是原型材料强度的十分之一。

2）地层变形隔离桩采用了预埋内径50mm，壁厚1mm，间距12cm的PVC管，然后其中灌注C2水泥砂浆模拟。

3）站厅拱部预支护材料，采用在土壤模拟材料中添加2％的450＃硅酸盐水泥的混合土模拟，预支护层厚度为5cm。

模型制作过程中同时完成预支护层的填筑。

2.5.4管片的模拟

用C5水泥砂浆预制管段来模拟管片。

外径为60cm，厚度为3cm，管段长度12cm。

砂浆中掺加细钢筋网以增加模型管段的整体性和抗弯抗拉强度，避免填筑模型材料时管段发生破坏。

管段外侧按照提供的管片排列设计图纸预先切割出一条深0.6cm、宽0.2cm的顺轴线方向的浅槽，相当管片刚度降低20％。

这样每个管段由6块管片构成。

此外为了保证开挖横通道的断面穿过管片时的洞型，预先于横通道对应的管片位置切割出0.3cm（宽）的窄缝，但不切断钢筋。

在模拟管片拆除时，采用小型圆盘电锯沿浅槽进行切割，分片拆除管段相应部分，形成扩挖工作面。

2.3.4模型的边界条件和初始条件

模型的边界处理，采用了在试验台箱型钢板上涂抹黄油，并粘贴聚四氟乙烯塑料薄膜的方法减少边界摩擦力。

每填一层土都先进行边界处理。

本次试验只考虑了自重应力场。

由于地层模型材料的容重比尺是1：

1，而且地层范围一直模拟到地面，所以初始应力场是自动按比例形成的。

2.4试验台架、加力设备设计及原始地应力模拟

2.4.1试验台架设计

本次试验拟采用的模型试验台架尺寸为6.5×5.2×1.8m3，（长×髙×宽），台架在80t垂直荷载以及80t水平荷载的作用下，变形仅为2～3mm，满足模型试验的要求。

试验台采用清华大学三维地质力学模型试验台改造而成，试验台为四周封闭的钢结构，用双层200工字钢组合钢架对模型槽钣前后进行约束。

（见图2.3）。

图2.3试验台架

2.4.2加力方式及设备

原试验台采用了液压千斤顶与高压气囊相结合的加载方式，对模型施加水平荷载。

垂直荷载由于模型材料容重比尺为1.0，可以自然形成。

本试验只模拟自重应力和垂直方向的地面超载，因而无需水平方向加载。

2.4.3地应力模拟

本试验只模拟自重应力场。

2.5车站开挖模拟

在两个盾构隧道中间，首先进行车站主体大断面开挖，采用CRD法分九部开挖，开挖分区如图2.4红线所示。

（a）分块及开挖步序

（b）钢板设计图

图2.4站厅隧道开挖分块方案

2.6隔离桩模拟

由于车站开挖断面比较大，开挖高度超过10m，地层内部将会产生较大的变形，可能会引起盾构管片向站厅隧道向移动，因此试验中为探讨隔离桩对控制地层侧向变形的效果，按照刚度相似的原则，在东线盾构外侧采用布置50@120的PVC管内浇注C2水泥砂浆的方式来模拟实际工程中的钢筋混凝土钻孔隔离桩。

西侧隧道外测没有设置隔离桩，其目的是探讨隔离桩对控制地层侧向变形和剩余管片侧向变形的效果。

图2.5隔离桩技术方案

图2.6模型中隔立桩布置

2.8车站支护模拟

在试验中模拟了实际工程中的各种支护，具体有：

临时支护、初次衬砌支护、二次衬砌支护等。

（1）站厅隧道支护站厅隧道支护有临时支护、初次衬砌、二次衬砌。

临时支护采用新设计的技术方案，将支护用活动钢杆一端支撑在固定套座上，套座固定于模型外围钢板上（如图3.6）,随着站厅隧道的开挖进程钢杆不断向掌子面延伸，利用其支撑上表面与开挖弧形相吻合的特制方木，从而达到及时支护的目的。

站厅隧道初次衬砌厚度为3.5cm,课题组预制了弧形且断面边长为3cm的等边三角形钢拱架，按照设计支护方案固定在开挖断面周边，然后喷涂C5水泥砂浆，达到设计要求。

站厅隧道二次衬砌支护厚度为6.5cm，课题组制做了弧形钢筋网片（图2.7），钢筋间距纵向为5cm，环向为10cm，按照设计支护方案固定在开挖断面周边，然后喷涂C5水泥砂浆，达到设计要求。

（2）横通道支护横通道支护有临时支护、初次衬砌支护（特制钢板支护结构如图2.8），临时支护采用课题组设计的钢板做的支架，随横通道的开挖逐渐向内推进，直至钢板架结构完全就位，并将其作为横通道的初衬。

二次衬砌采用钢筋架结构，图2.9侧面钢筋为封闭钢筋架的一部分。

图2.7站厅隧道临时支护装置

图2.8站厅顶拱二衬钢筋网

图2.9横通道一衬及底板二衬混凝土

（3）管片支撑破除管片后，有十三片管片变为大开口管片，在实际工程中这部分管片和地铁车站隧道是连接为一体的，因此在模型试验中为真实模拟这一工程细部，将管片破口处用4×4等边角钢进行支护，角钢长度为每一横通道破口处的六环管片的总长，即72cm。

并将角钢和横通道二衬混凝土浇注为一体，这样既增加了整个二衬混凝土的整体稳定性，又真实模拟了实际衬砌的情况。

2.9收敛变形、洞周位移分布及地面沉降的量测

（1）收敛测量

a.测点布置位置对于单数管片在管片的左右两内侧粘贴测量标记点，对于双数管片在管片的上下内侧粘贴测量标记点，共60个。

每个管片1对测点，或拱顶和拱底为1对，或两侧壁为1对（图2.10）。

在车站站厅隧道二衬完成后，在车站顶拱和二衬底板上增加5对（上下）测量标点，共计埋设测量标点70个收敛测点。

b.测点数量总计36对测点（30对管片收敛测点，6对车站隧道收敛测点）。

（2）多点位移计

a.测点布置位置布置3个测试断面，分别位于第4、5环之间、第8环中心和第11、12环之间（如图2.11、2.12）。

每个断面5条测线，其中两条水平测线分别布置３个测点，盾构拱顶和车站拱顶三条垂直测线各布置两个测点。

b.测点数量3个断面×[2×3个点/每条测线＋3×2个点/每条测线]=36个测点。

纵向奇数管片纵向偶数管片

图2.10管片内侧收敛测点布置

图2.11地层土体内部位移测量布置

图2.12地表沉降测量布置

（3）地面沉降：

a.测点布置位置布置3个测试断面，分别位于第4、5环之间、第8环中心和第11、12环之间。

每个断面布置7个测点。

地表沉降测点布置断面见图2.12。

b.测点数量3个断面×7个测点/每个断面=21个测点。

2.10管片应力及周围地层内部土压力量测

（1）应变片布置

a.测点布置位置：

单数管片在管片的上下两内侧粘贴应变片，先上后下；

双数管片在管片的左右内侧粘贴应变片，先东后西；

每个管片的支撑立柱上粘贴两片应变片，测量立柱压力变化；

管内侧预应力拉杆上每个粘贴一片应变片，每个隧道中的应变片编号次序为先管片，后立柱，再预应力拉杆。

b.测点数量每个隧道中为30＋24＋4=58片，两个隧道共116片。

（2）压力盒布置

a.测点布置位置布置3个测试断面，分别位于第4、5环之间、第8环中心和第11、12环之间，每个断面7个土压力盒。

3个断面×7个土压力盒/每个断面=21个土压力盒。

见图2.13。

图2.13土压力测量布置横断面图

图2.14土压力测量布置平面图

第