模型試驗案例

1、模型試驗案例盾構(gòu)法與淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站模型試驗 第一章 地鐵車站三維物理模型試驗的意義和內(nèi)容1.1 目的與意義采用直徑6m的區(qū)間盾構(gòu)隧道拓展建造地鐵車站的研究，是解決目前盾構(gòu)區(qū)間施工和車站施工工期矛盾的重要手段。采用相似材料進行大比尺三維物理模型試驗?zāi)軠?zhǔn)確地模擬施工過程的影響，使得更容易從全局上把握車站結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特征、變形趨勢和穩(wěn)定性特點。1.2 試驗內(nèi)容(1) 剩余管片的收斂變形規(guī)律(2) 剩余管片內(nèi)力變化規(guī)律(3) 隧道內(nèi)臨時支撐內(nèi)力變化規(guī)律(4) 洞周土壓力變化規(guī)律(5) 洞周地層變形規(guī)律(6) 地表沉降規(guī)律(7) 觀察地層變形隔離樁方案對保護盾構(gòu)管片的效果。圖1.1 塔柱式

2、第二章 模型試驗總體方案設(shè)計2.1工程布置和洞室組成兩個盾構(gòu)隧道的中心距離為23m，隧道內(nèi)徑為5.4m，開挖外徑為6.0m，這樣兩洞開挖外邊線間距為29m。考慮到邊界條件的影響，盾構(gòu)隧道外側(cè)距離模型邊界應(yīng)滿足3倍洞徑的要求，即每側(cè)需要6.0m×318.0m，模型在水平方向應(yīng)該達到29m+18m×2=65m，因此模型寬度按1：10要求取為6.5m。在垂直方向上，隧道上部按8.0m埋深考慮（其中頂部2.5m為雜填土），下部地層考慮一倍車站高度，這樣需要模擬的高度為：8.0+10.364×2=28.728m，因此模型高度為2.88m。所以模型在車站隧道橫斷面的尺寸可取為

3、6.5m×2.88m。結(jié)合試驗臺的實際情況，模型最終尺寸確定為6.5m × 1.8m × 2.88m (L×W×H)，見圖2.1。圖 2.1 試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D2.2相似條件設(shè)計根據(jù)與試驗條件，確定模型的幾何比尺為1 /10。之所以確定這一比尺，主要是考慮到開挖模擬的可操作性，以及相似物理量之間的換算關(guān)系的簡化。各種相關(guān)物理量的設(shè)計相似比尺如下：(1)幾何比尺：KLLp / Lm 10(2)容重比尺：K p/m 1(3)應(yīng)力比尺：Kp/m KL × K 10(4)位移的量綱與幾何尺度相同，相似比尺也相同。即：Kuup / um 10(5)

4、無量綱的物理量如應(yīng)變、泊松比、摩擦角的相似比尺均為 1。即：Kp /m 1Kp /m 1Kp /m 1(6)與應(yīng)力有相同量綱的物理量均有與應(yīng)力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強度、抗拉強度、粘聚力，初始地應(yīng)力和面力荷載的相似比尺均為 10。KE = KG = KRc = KRt = Kc = Kro = Kp = 102.3 地層材料和管片的模擬2.3.1 北京地鐵隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)境地層(1) 人工堆積層：以雜填土為主，一般埋深3m左右；(2) 第四紀(jì)全新世沖洪積層：以粉質(zhì)粘土、粉土及細中砂為主；(3) 第四紀(jì)全新世沖洪積層：粉細砂，低壓縮性，連續(xù)分布、透鏡狀分布，含少量礫石，(4)

5、 第四紀(jì)晚更新世沖洪積層：以卵石圓礫為主，最大粒徑150mm，一般粒徑2050mm，細中砂充填。2.3.2模擬地層的相似材料根據(jù)模型試驗相似理論，如果使模型材料的容重與實際巖體材料的容重相同，即容重比尺等于1.0時，則彈性模量和應(yīng)力比尺將與幾何比尺相同。這將大大簡化和方便模型參數(shù)與實際工程物理參數(shù)之間的換算。由于上述地層往往以互層形式出現(xiàn)，所以在模型試驗中，選用天然土體粉細砂及粘土作為模型的主要材料。容重的相似比尺為1，泊松比及內(nèi)摩擦角的相似比尺也為1，而壓縮模量與內(nèi)聚力的相似比尺為10。(1)雜填土 位于在模型表層2.5m范圍內(nèi)，對試驗結(jié)果影響較小，主要考慮它的容重相似，提供上部荷載，干容重

6、為16.5kN/m3。(2)粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂互層 這一地層是地鐵隧洞通過的主要地層。實際工程中，這幾種地層相互交錯，具有一定隨機性；將這幾種地層統(tǒng)一模擬成一種等效材料。試驗中該模擬地層的厚度確定為1.66m。隧道整體位于這種地層中。由于要降低壓縮模量和內(nèi)聚力，必須減少粘粒含量并降低模型材料的密實度，而這與保持容重與原狀地層一致是矛盾的。為解決這一問題，采取在材料中添加無黏性髙容重的四氧化三鐵粉，作為增加容重和減少壓縮模量及內(nèi)聚力的手段。 (3)卵石圓礫 ：采用砂礫土來模擬卵石圓礫。模型試驗中這一地層位于地鐵隧洞的底部，厚度為0.97m。2.5.3 人工相似材料試驗中需要模擬的人工材料包括

7、盾構(gòu)管片混凝土、地層變形隔離樁材料、站廳拱部預(yù)支護材料、初期支護材料、二次襯砌材料、橫通道襯砌材料、拆除管片時的加固材料等。1）管片混凝土設(shè)計標(biāo)號為C50，按照強度比尺10：1的關(guān)系，模擬材料采用一級配小石混凝土，標(biāo)號降為C5，是原型材料強度的十分之一。2）地層變形隔離樁采用了預(yù)埋內(nèi)徑50mm，壁厚1mm，間距12cm的PVC管，然后其中灌注C2水泥砂漿模擬。3）站廳拱部預(yù)支護材料，采用在土壤模擬材料中添加2的450硅酸鹽水泥的混合土模擬，預(yù)支護層厚度為5cm。模型制作過程中同時完成預(yù)支護層的填筑。2.5.4 管片的模擬用C5水泥砂漿預(yù)制管段來模擬管片。外徑為60cm，厚度為3cm，管段長度1

8、2cm。砂漿中摻加細鋼筋網(wǎng)以增加模型管段的整體性和抗彎抗拉強度，避免填筑模型材料時管段發(fā)生破壞。管段外側(cè)按照提供的管片排列設(shè)計圖紙預(yù)先切割出一條深0.6cm、寬0.2cm的順軸線方向的淺槽，相當(dāng)管片剛度降低20。這樣每個管段由6塊管片構(gòu)成。此外為了保證開挖橫通道的斷面穿過管片時的洞型，預(yù)先于橫通道對應(yīng)的管片位置切割出0.3cm(寬)的窄縫，但不切斷鋼筋。在模擬管片拆除時，采用小型圓盤電鋸沿淺槽進行切割，分片拆除管段相應(yīng)部分，形成擴挖工作面。2.3.4 模型的邊界條件和初始條件模型的邊界處理，采用了在試驗臺箱型鋼板上涂抹黃油，并粘貼聚四氟乙烯塑料薄膜的方法減少邊界摩擦力。每填一層土都先進行邊界處

9、理。本次試驗只考慮了自重應(yīng)力場。由于地層模型材料的容重比尺是1：1，而且地層范圍一直模擬到地面，所以初始應(yīng)力場是自動按比例形成的。2.4試驗臺架、加力設(shè)備設(shè)計及原始地應(yīng)力模擬2.4.1試驗臺架設(shè)計本次試驗擬采用的模型試驗臺架尺寸為6.5×5.2×1.8m3，（長×髙×寬），臺架在80 t垂直荷載以及80t水平荷載的作用下，變形僅為23mm，滿足模型試驗的要求。試驗臺采用清華大學(xué)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺改造而成，試驗臺為四周封閉的鋼結(jié)構(gòu)，用雙層200工字鋼組合鋼架對模型槽鈑前后進行約束。（見圖2.3）。圖2.3 試驗臺架2.4.2 加力方式及設(shè)備原試驗臺采用

10、了液壓千斤頂與高壓氣囊相結(jié)合的加載方式，對模型施加水平荷載。垂直荷載由于模型材料容重比尺為1.0，可以自然形成。本試驗只模擬自重應(yīng)力和垂直方向的地面超載，因而無需水平方向加載。2.4.3 地應(yīng)力模擬本試驗只模擬自重應(yīng)力場。2.5車站開挖模擬在兩個盾構(gòu)隧道中間，首先進行車站主體大斷面開挖，采用CRD法分九部開挖，開挖分區(qū)如圖2.4紅線所示。(a) 分塊及開挖步序 (b) 鋼板設(shè)計圖 圖2.4 站廳隧道開挖分塊方案2.6 隔離樁模擬由于車站開挖斷面比較大，開挖高度超過10m，地層內(nèi)部將會產(chǎn)生較大的變形，可能會引起盾構(gòu)管片向站廳隧道向移動，因此試驗中為探討隔離樁對控制地層側(cè)向變形的效果，按照剛度相似

11、的原則，在東線盾構(gòu)外側(cè)采用布置50120的 PVC管內(nèi)澆注C2水泥砂漿的方式來模擬實際工程中的鋼筋混凝土鉆孔隔離樁。西側(cè)隧道外測沒有設(shè)置隔離樁，其目的是探討隔離樁對控制地層側(cè)向變形和剩余管片側(cè)向變形的效果。 圖2.5 隔離樁技術(shù)方案圖2.6 模型中隔立樁布置2.8 車站支護模擬在試驗中模擬了實際工程中的各種支護，具體有：臨時支護、初次襯砌支護、二次襯砌支護等。(1)站廳隧道支護 站廳隧道支護有臨時支護、初次襯砌、二次襯砌。臨時支護采用新設(shè)計的技術(shù)方案，將支護用活動鋼桿一端支撐在固定套座上，套座固定于模型外圍鋼板上（如圖3.6）,隨著站廳隧道的開挖進程鋼桿不斷向掌子面延伸，利用其支撐上表面與開挖

12、弧形相吻合的特制方木，從而達到及時支護的目的。站廳隧道初次襯砌厚度為3.5cm,課題組預(yù)制了弧形且斷面邊長為3cm的等邊三角形鋼拱架，按照設(shè)計支護方案固定在開挖斷面周邊，然后噴涂C5水泥砂漿，達到設(shè)計要求。站廳隧道二次襯砌支護厚度為6.5cm，課題組制做了弧形鋼筋網(wǎng)片（圖2.7），鋼筋間距縱向為5cm，環(huán)向為10cm，按照設(shè)計支護方案固定在開挖斷面周邊，然后噴涂C5水泥砂漿，達到設(shè)計要求。(2)橫通道支護 橫通道支護有臨時支護、初次襯砌支護（特制鋼板支護結(jié)構(gòu)如圖2.8），臨時支護采用課題組設(shè)計的鋼板做的支架，隨橫通道的開挖逐漸向內(nèi)推進，直至鋼板架結(jié)構(gòu)完全就位，并將其作為橫通道的初襯。二次襯砌采

13、用鋼筋架結(jié)構(gòu)，圖2.9側(cè)面鋼筋為封閉鋼筋架的一部分。圖2.7站廳隧道臨時支護裝置圖2.8站廳頂拱二襯鋼筋網(wǎng) 圖2.9 橫通道一襯及底板二襯混凝土(3)管片支撐 破除管片后，有十三片管片變?yōu)榇箝_口管片，在實際工程中這部分管片和地鐵車站隧道是連接為一體的，因此在模型試驗中為真實模擬這一工程細部，將管片破口處用4×4等邊角鋼進行支護，角鋼長度為每一橫通道破口處的六環(huán)管片的總長，即72cm。并將角鋼和橫通道二襯混凝土澆注為一體，這樣既增加了整個二襯混凝土的整體穩(wěn)定性，又真實模擬了實際襯砌的情況。2.9收斂變形、洞周位移分布及地面沉降的量測(1) 收斂測量a. 測點布置位置 對于單數(shù)管片在管片

14、的左右兩內(nèi)側(cè)粘貼測量標(biāo)記點，對于雙數(shù)管片在管片的上下內(nèi)側(cè)粘貼測量標(biāo)記點，共60個。每個管片1對測點，或拱頂和拱底為1對，或兩側(cè)壁為1對（圖2.10）。在車站站廳隧道二襯完成后，在車站頂拱和二襯底板上增加5對（上下）測量標(biāo)點，共計埋設(shè)測量標(biāo)點70個收斂測點。b. 測點數(shù)量 總計36對測點(30對管片收斂測點，6對車站隧道收斂測點)。(2) 多點位移計a. 測點布置位置 布置3個測試斷面，分別位于第4、5環(huán)之間、第8環(huán)中心和第11、12環(huán)之間（如圖2.11、2.12）。每個斷面5條測線，其中兩條水平測線分別布置個測點，盾構(gòu)拱頂和車站拱頂三條垂直測線各布置兩個測點。b. 測點數(shù)量 3個斷面×

15、;2×3個點/每條測線3×2個點/每條測線=36個測點?？v向奇數(shù)管片 縱向偶數(shù)管片圖2.10 管片內(nèi)側(cè)收斂測點布置圖 2.11 地層土體內(nèi)部位移測量布置圖2.12 地表沉降測量布置(3) 地面沉降：a. 測點布置位置 布置3個測試斷面，分別位于第4、5環(huán)之間、第8環(huán)中心和第11、12環(huán)之間。每個斷面布置7個測點。地表沉降測點布置斷面見圖2.12。 b. 測點數(shù)量 3個斷面×7個測點/每個斷面=21個測點。2.10管片應(yīng)力及周圍地層內(nèi)部土壓力量測(1) 應(yīng)變片布置a. 測點布置位置：單數(shù)管片在管片的上下兩內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變片，先上后下；雙數(shù)管片在管片的左右內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變片，

16、先東后西；每個管片的支撐立柱上粘貼兩片應(yīng)變片，測量立柱壓力變化；管內(nèi)側(cè)預(yù)應(yīng)力拉桿上每個粘貼一片應(yīng)變片，每個隧道中的應(yīng)變片編號次序為先管片，后立柱，再預(yù)應(yīng)力拉桿。b. 測點數(shù)量 每個隧道中為30244 = 58片，兩個隧道共116片。(2)壓力盒布置a. 測點布置位置 布置3個測試斷面，分別位于第4、5環(huán)之間、第8環(huán)中心和第11、12環(huán)之間，每個斷面7個土壓力盒。3個斷面×7個土壓力盒/每個斷面=21個土壓力盒。見圖2.13。圖2.13 土壓力測量布置橫斷面圖圖2.14 土壓力測量布置平面圖第三章 模型材料配比試驗及模型制作3.1 主體材料的選擇及配比試驗粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂互層是車

17、站通過的主要地層，對整個試驗影響最大，需要重點模擬。在試驗中準(zhǔn)確模擬互層是沒有意義的，而將這幾種地層統(tǒng)一模擬成一種等效材料是一種合理的選擇。試驗中該模擬地層的厚度確定為1.66m。車站隧道整體將位于這種地層中。由于要降低壓縮模量和內(nèi)聚力，必須減少粘粒含量并降低模型材料的密實度，而這與保持容重與原狀地層一致是矛盾的。為解決這一問題，擬采取在材料中添加無黏性髙容重的四氧化三鐵粉，作為增加容重和減少壓縮模量及內(nèi)聚力的手段。采用了地鐵工地挖出的粘土作為膠凝材料，過2mm篩的天然河沙、磁鐵礦精礦粉和水構(gòu)成了制作模型的主要材料。3.1.1 基本材料用來制作地鐵隧道穿過的主要地層粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂互層的

18、等效模擬材料的主要成分包括如下三種材料：即鐵礦粉、細砂、粘土，各自的基本參數(shù)如下表。表3.1 三種基本材料參數(shù)基本材料鐵粉（）細砂(Sand)粘土(Clay)比重Gs(*)4.622.652.70天然含水量(*)4.30%3.20%3.78%3.1.2 各試驗?zāi)Ｐ筒牧吓浔雀鶕?jù)各基本材料的參數(shù)和容重比尺近似為1.0的條件，確定了如下7種配比方案，如表3.2：表3.2 七種基本材料配比方案配比類型基本材料配比P(*)比重Gs(*)鐵粉P（）細砂P(Sand)粘土P(Clay)A23%65%12%2.95B12%65%23%2.80C43%35%22%3.27D22%35%43%2.95E10%55

19、%35%2.79F10%75%15%2.78G11%70%19%2.79附：模型材料比重計算公式 Gs (*) = ; (3-1)3.1.3 試驗?zāi)Ｐ筒牧虾亢繉Σ牧闲再|(zhì)有較大影響，根據(jù)各基本材料的參數(shù)，在確定了以上7種基本材料配比方案的基礎(chǔ)上，每種配比又選擇了如下4種含水量，如表3.3所示：表3.3 四種含水量方案含水量編號含水量w (*)4%8%10%12%說明：基本材料配比P(*)和含水量w(*)是影響模型材料物理力學(xué)性質(zhì)的兩個主要因素，為方便記錄比較，編號為“C”的材料即表示該模型材料的基本材料配比為C型，含水量為型（10%）。3.1.4 配料計算 如配制“C”型模型材料M克，所

20、需各基本材料質(zhì)量m(*)計算如下： 鐵粉 m() = ; (3-2)細砂 m(Sand) = ; (3-3)粘土 m(Clay) = ; (3-4) 水 m(Water) = . (3-5)3.1.5 模型材料初始孔隙率； (3-6)3.1.6 原狀土、試驗土相關(guān)參數(shù)比較表 3.12 原狀土、試驗土相關(guān)參數(shù)比較容重含水量壓縮模量（MPa）基本承載力(單軸強度)（kPa）粘聚力(kPa)內(nèi)摩擦角原狀土系列1.82.0319%27%514.514026025561530中值1.929.820034.822.5平均值1.9310.12004021.9試驗土B1.9312%1.28±0.20

21、23.3±5.75.8±2.229.3±1.2G1.9312%1.30±0.1815.0±6.65.9±2.529.3±0.7F1.9312%1.32±0.4112.1±1.25.4±3.728.5±1.3分析：在保持試驗土料容重在1.93條件下，其它有量綱的各項物理力學(xué)參數(shù)如壓縮模量和單軸抗壓強度基本上滿足模型比尺（1/10）要求；但在一定范圍內(nèi)變化，有較大離散性，粘聚力則略偏大。無量綱的內(nèi)摩擦角大多接近原狀土的最大值。應(yīng)該說模型材料總體的物理力學(xué)指標(biāo)要高于原狀地層。在分析結(jié)果中采用

22、1/8較為合適。3.1.7 模型材料配比建議根據(jù)模型材料要求，依據(jù)現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)，對模型材料配制給出如下建議：表3.13 基本材料配比基本材料鐵粉（）細砂(Sand)粘土(Clay)建議配比10%15%65%75%19%23%分析：(1)加入適量的鐵粉不僅可顯著提高材料的容重，同時還能減小粘聚力和內(nèi)摩擦角；但鐵粉含量過高會增大材料的比重，導(dǎo)致初始孔隙率增大，從而降低材料的壓縮模量；(2)較高的細砂含量有利于保持材料的壓縮模量，同時也可減小粘聚力和內(nèi)摩擦角；但含沙量過高時會使材料的單軸強度大為降低；(3)粘土起著粘結(jié)鐵粉和細砂的作用：粘土含量過少，材料整體性較差，易碎散，單軸強度過低；含量太多，則

23、將顯著增大材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角。含水量：較高含水量不但可增大材料的初始孔隙率，進而降低材料的壓縮模量，而且可顯著減小材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角，試驗中采用了12%的最高含水量（已考慮基本材料天然含水量）。但從試驗結(jié)果來看，試驗土的各項物理力學(xué)參數(shù)仍有降低的余地，因此，在具體配制時建議可采用更高一些的含水量，如12.5%或13%。但是含水量過高就難以擊實，達不到需要的容重。通過大量材料試驗，推薦材料配比（干容重：1.93g/cm3，擊實能164191kN/m3）為表3.14所示：表3.14 粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂互層模擬材料配比配比類型基本材料配比P(*)含水量w(*)鐵粉P（）細砂P(Sand)

24、粘土P(Clay)12.4067.3020.3012.53.2管片材料試驗 管片模擬材料為水泥砂漿，通過試驗，確定每個模型管片所需要的材料為：河沙，過2mm篩，11.8kg，水泥，普通硅酸鹽水泥425，1.8kg，水1.8kg，水灰比，1：1。3.3模型管片的制作根據(jù)所提供的管片裝配成環(huán)形后的體形和尺寸，模型管片設(shè)計為內(nèi)徑54cm、外徑60cm、壁厚3cm、軸向?qū)挾?2cm的連續(xù)圓環(huán)，如圖3.5所示。模具結(jié)構(gòu)圖和實物照片見圖3.6。為了模擬管片的拼裝特點，我們在模型管片外側(cè)，每隔60度角，沿軸向切割了一條寬2mm、深6mm的窄縫，相當(dāng)于管片切向剛度削弱了20。見圖3.5的左上角詳圖。60

25、76;120540 600302x6圖3.5 模型管片體形及開槽尺寸圖3.6 制作模型管片的鋼模板3.4 模型制作方法由于模型巨大，模型材料超過60t，而且土體均勻，沒有垂直構(gòu)造面，因而采用了容重控制填筑法進行模型制作。由于模型制作過程中需要埋設(shè)管片、預(yù)制管片周圍的防水灌漿層和開挖斷面之外的預(yù)支護層，還需要埋設(shè)水平和垂直方向多點位移計，埋設(shè)土壓力盒等等，模型制作過程復(fù)雜，環(huán)節(jié)很多，需要細致的工藝保證。以下介紹模型制作的過程和方法：3.4.1 模型制作主要工藝(1)模型自下而上分為三層。第一層為卵石圓礫，采用砂礫土來模擬。模型試驗中這一地層位于地鐵車站的底部，厚度為0.97m。這一層內(nèi)沒有任何埋

26、件，施工相對簡單。（2）第二層為模型主體材料層，系經(jīng)過配比試驗得出的等效混合材料層，層厚166cm。包括管片在內(nèi)的各種埋件以及預(yù)加固帶均集中在這一層，填筑過程、分塊分區(qū)復(fù)雜，控制要求高，是模型制作的關(guān)鍵層。（3）第三層是地表雜填土層，用中細砂料填筑，層厚約30cm，一次填筑約40cm，壓實后至30cm，主要控制容重，力學(xué)參數(shù)不作嚴(yán)格要求。后又在表面增加35cm的砂礫石層，以保持模型材料中的含水量。(4)按照配料單將材料加入攪拌機（0.1m3），攪拌均勻（經(jīng)試驗一般2分鐘），出機裝箱，用提升機運至艙位缷料。(5)按照每次填筑高度平艙，分三次夯實。第一次采用面積為20 × 20cm的平夯

27、，第二次采用15 × 15cm的平夯，第三次采用人工手錘下墊10 × 10cm的墊板夯實，達到所需要的密度。(6)完成卵石圓礫層的填筑后，開始埋設(shè)盾構(gòu)管片東側(cè)的隔離樁。采用內(nèi)徑50mm的PVC管15根，按照12cm的間距埋設(shè)，插入砂礫石層10cm。PVC管中灌注C2的水泥砂漿。(7)主體材料第一次填筑的頂面與盾構(gòu)隧道中心線同髙。然后按照隧道位置和管片外徑尺寸開挖出半圓形槽溝，做好放置模型管段的各種準(zhǔn)備。在半圓形槽溝均勻刷涂一層等效材料泥漿，立即準(zhǔn)確放入模型管段，使管段與半圓槽緊密結(jié)合并適當(dāng)加壓。然后繼續(xù)分層填筑粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂互層等效材料并壓實。(8)繼續(xù)填筑第二層到

28、地鐵車站拱頂高度，再在填好的土層上沿事先放好的線開挖出大拱的形狀。配制預(yù)加固層材料（在同層模型材料中加入2水泥），按照5cm厚度鋪墊在挖出的大拱的表面，拍實，并削成所需要的形狀和尺寸。再繼續(xù)填筑該層土體材料直到166cm的厚度。然后再填筑第三層。圖4.9圖4.17給出了模型制作過程的主要工序的照片。(9)填筑頂部雜填土層25cm，并壓實達到設(shè)計容重。模型填筑總高度達2.88m。(10)模型完成后，補充水分至土層含水量12.5，固結(jié)23周，并用千分表測量模型地面沉降值。連續(xù)三天沒有讀數(shù)變化時，認為達到穩(wěn)定。(11)對管片施加預(yù)應(yīng)力，安裝支撐立柱。立柱上粘貼電阻應(yīng)變片，引線至應(yīng)變儀。模型制作自20

29、06年6月8日開始，至2006年7月31日結(jié)束，歷時54天。模型總制作方量為29.27m3，模型總重約60噸。3.4.2 車站外圍的防護層模擬為使站廳拱部隧道在開挖過程中不至于產(chǎn)生過大的變形，在站廳拱部設(shè)預(yù)加固層（超前加固），將開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)的土層參數(shù)改變。具體方法是采取在車站開挖輪廓線外0.5m（模型中為5cm）范圍內(nèi)的地層模型材料中添加510的水泥（425硅酸鹽水泥），分層制作夯實如圖3.14。3.4.4 填筑后模型的變形穩(wěn)定為了保證車站開挖前的模型狀態(tài)的穩(wěn)定，模型制作結(jié)束后到開始試驗，靜置了60天。為了防止模型材料的干燥變硬，按照12的含水量在模型表面噴水，并在表面鋪設(shè)了35cm

30、的碎石層以減少蒸發(fā)。 圖 3.7 地層第一層填筑砂礫圖 3.8 沿隧道中心線開挖半園槽以備安裝管片圖 3.9 第一環(huán)管片安裝就位圖 3.10 兩條隧道的管片全部安裝就位圖 3.11 隧道管片安裝預(yù)應(yīng)力鋼筋圖3.12 模型東線隧道外測灌注樁模擬設(shè)置圖 3.13安裝埋設(shè)土壓力盒及多點位移計圖 3.14 車站頂預(yù)支護加固層制作 圖 3.15 隧道管片及預(yù)應(yīng)力鋼筋 圖 3.16 安裝垂直方向多點位移計 圖3.17 模型多點位移計及出露于地表的樁 第四章 模型試驗的量測系統(tǒng)試驗中共進行了五種測量：（1）站廳隧道和橫通道開挖過程中的地層變形測量（2）地表沉降測量（3）隧道管片內(nèi)部的收斂量測（4）盾構(gòu)隧道管

31、片環(huán)向應(yīng)變量測以及管片拆除（5）車站隧道擴挖過程中的土壓力變化測量。4.1微型高精度多點位移計量測系統(tǒng)一般說來，位移是各種物理量中最容易量測準(zhǔn)確的，因此在工程和模型試驗中都把位移作為最主要的量測對象。也是各種數(shù)值計算驗證和反饋分析的最重要的依據(jù)。在本試驗中，我們采用了微型高精度多點位移計量測系統(tǒng)，用來測量洞周圍巖及深部地層的位移，位移測量精度可達千分之一毫米，較好地滿足了試驗的要求。模型隧道周圍地層內(nèi)部的變形和地面沉降變形，都是通過這一系統(tǒng)進行測量的。儀器的用途及特點DWG-K2000微型多點位移計是用于工程模型試驗內(nèi)部變位測量的專用儀器。它是在DWG-40原型觀測用的多點位移計的基礎(chǔ)上研制開

32、發(fā)而成的。多點位移計測桿采用“多點支撐結(jié)構(gòu)”，具有較高的位移傳遞精度，而其外形尺寸大大減?。ㄗo管外徑僅為6mm），以盡量減少對模型試驗的影響。采用的金屬護管有較高的強度及剛度，對模型制作過程中的夯實、振動有一定承受能力。它可以配用多種形式的位移傳感器，實現(xiàn)遙測及自動巡檢，亦可人工測量。儀器零部件均采用耐腐蝕材料制成，使用過程中穩(wěn)定持久，并可回收再用。 圖 4.1 模型試驗量測系統(tǒng)平面布置圖圖4.2 地表沉降測量布置圖4.3 土體內(nèi)部壓力測量平面布置圖4.4 地層土體內(nèi)部位移測量布置圖4.5 土體內(nèi)部壓力測量剖面布置單環(huán)管片 雙環(huán)管片圖4.6 管片內(nèi)側(cè)應(yīng)變應(yīng)力量測點布置4.1.2 儀器的工作原理

33、及結(jié)構(gòu)儀器的工作原理見圖4.7(A)。錨頭（4）與模型被測部位相連，當(dāng)模型被測部位發(fā)生位移時，其位移量就通過與錨頭聯(lián)在一起的測桿（6）傳遞到固定于支架（位移參照物）測頭內(nèi)的傳感器（1）上，通過二次儀表（5）或自動檢測系統(tǒng)得到測量結(jié)果。由于測桿是在護管形成的固定通道中運動，二者之間被嵌于護管接頭的自潤滑減摩環(huán)所隔離而不接觸，因此測桿在運動中阻力極小，這就能保證測桿以很高的精度傳遞被測點的位移。(1) 傳感器(2) 保護殼(3) 護管(4) 錨頭(5) 測讀儀器(6) 測桿 圖4.7(A) 微型多點位移計工作原理儀器由下列主要部件組成（圖5.7(B)）：(1)測頭(2)：由筒體及聯(lián)接管等件組成，用

34、于固定傳感器并連接測桿，是儀器測量的基準(zhǔn)。(2)測桿：由調(diào)直磨光的不銹鋼圓桿(6)及套在其外的不銹鋼護管(3)組成，其間采用“多點支持結(jié)構(gòu)”，是傳遞位移的組合件。(3)錨頭(4)：一端埋設(shè)于被測點測量中，一端與測桿(6)相連，其位移被測桿所傳遞。1. 連接板2. 外殼3. 連接罩4. 基準(zhǔn)板5. 傳感器6. 套管7. 測桿8. 連接管9. 螺絲(3)10. 支撐板11. 緊固環(huán)12. 測點錨固鉤圖4.7(B) DWK-K200微型多點位移計測頭結(jié)構(gòu)(4)傳感器(1)：可采用多種形式，其作用共同點是將測桿位移量轉(zhuǎn)化為電信號。(5)測讀儀器(5)：測量傳感器電信號，并顯示為位移量。4.1.3 KT

35、GC 數(shù)據(jù)采集巡回檢測儀本系統(tǒng)采用北京華勘科技有限責(zé)任公司制作的KTG -C數(shù)據(jù)采集器（圖4.8（A）對各個測點的位移進行自動巡回檢測。 KTG-C數(shù)據(jù)采集巡回檢測儀主要技術(shù)參數(shù)為：(1)通道數(shù)：基本配置為24個，即有三個選擇器；最多可以擴展為64個通道，即有8個選擇器。本試驗使用了8個選擇器中的60個通道，4個備用。(2)分辨率：位移為0.001mm。(3)誤差：位移量測誤差絕對值為小于等于0.001mm。（A） KTGC采集器與控制微機 （B） 傳感器、電纜和接頭 （C） 通道選擇器圖4.8 用于位移和地面沉降量測的KTGC系統(tǒng)4.2 應(yīng)變量測系統(tǒng)模型管片應(yīng)變測量采用的傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片方法

36、。由于管片主要是環(huán)向受力，而且只有內(nèi)表面是臨空，因此試驗中只在管片內(nèi)表面的環(huán)向布置了兩支對稱的應(yīng)變片，垂直與水平間隔布置，即單數(shù)管片垂直布置，雙數(shù)管片水平布置。在模型試驗中，我們采用的XL3403G型靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)主要由箔式電阻應(yīng)變片、XL2101電阻應(yīng)變儀和微機三個硬件部分和支持軟件組成，見圖4.9。該方法在本試驗中用于測量地鐵隧道各個管片的內(nèi)壁在開挖前、開挖過程中以及開挖后的應(yīng)變，并且通過計算分析，得出管壁附近的應(yīng)力分布狀況。圖 4.9 XL2101電阻應(yīng)變儀及其微機界面4.2.1 應(yīng)變片的選用管片由水泥砂漿澆注而成，需要消除材料不均勻帶來的影響。由于砂料的最大粒徑約為0.8mm，需要選

37、擇柵長為5mm以上的應(yīng)變片，5mm>4×0.8mm，才能夠滿足消除材料不均勻性對試驗結(jié)果影響的要求。考慮到應(yīng)變片埋設(shè)時的潮濕環(huán)境和測量時間比較長久，需要使用具有防潮和一定耐久性的應(yīng)變片，最好選用以酚醛樹脂為基底和覆蓋層的應(yīng)變片。綜合以上考慮，我們在本試驗中選用用于測量管片變形的電阻應(yīng)變片的型號為：BX1205AA（柵長為5mm，柵寬為3mm，電阻為120±0.2）。其生產(chǎn)廠家為浙江黃巖測試儀器廠，靈敏系數(shù)為2.08±14.2.2 應(yīng)變片的粘貼和連接具體操作過程是：(1)為了避免在管內(nèi)焊接的不安全，首先在外邊將具有足夠長度（超過應(yīng)變片粘貼位置到模型隧道外邊緣的

38、長度）的導(dǎo)線與連接片焊接；(2)將應(yīng)變片引線剪短到適當(dāng)長度，如1cm，再與連接片上的焊點連接；(3)人要躺著或趴著進入模型隧道內(nèi)部，找到事先設(shè)好的定位標(biāo)點，用酒精棉球?qū)⒐芷瑯?biāo)點處表面擦拭干凈，并預(yù)涂一層底膠；(4)按照先連接片、后應(yīng)變片的順序，用502膠水將它們粘牢在測點上的表面上，壓平壓實不能有氣泡。(5)每個焊點上涂上凡士林，主要是起絕緣的作用，引出線也有塑料套管保護和絕緣；再將連接導(dǎo)線固定在管片上引出洞外。最后在每條導(dǎo)線上做好標(biāo)記，以方便將來量測時的識別。這種應(yīng)變片粘貼方法，操作人員很辛苦，但保證了應(yīng)變片的安全和接近零應(yīng)變狀態(tài)。4.2.3 XL3403G型靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)XL3403G型

39、靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)主要由箔式電阻應(yīng)變片、XL2101電阻應(yīng)變儀和微機三個硬件部分和支持軟件組成。XL2101G型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀是采用先進的嵌入式微處理技術(shù)設(shè)計的全程控自動測量的靜態(tài)應(yīng)變儀，見圖5.10。主機自帶60點掃描箱，并能通過計算機連接最多20臺同型號的應(yīng)變儀，組成1200點靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。 4.3 收斂量測模型隧道的收斂量測系統(tǒng)是與清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)培訓(xùn)中心合作研制的。包括：(1)BWG410型位移傳感器，具備表測與電測兩種功能，圖4.12。(2)可伸縮式“T”型操作測桿，見圖4.14。(3)萬向支撐小型臺車，見圖4.13。(4)可移動式軌道。(5)KTGC數(shù)據(jù)采集器，見圖4.8

40、（A）。 圖 4.12 BWG410型位移傳感器 圖 4.13 萬向支撐小型臺車BWG410型位移傳感器安裝在測桿的一端，測桿另一端裝有固定測針，測針尖端到位移傳感器側(cè)頭之間的距離即為管片的直徑。同一管片同一位置直徑的兩次測量數(shù)據(jù)的差，即為管片的收斂值。與測桿垂直的操作桿架設(shè)在小型臺車上，臺車可以沿軌道滑動，通過調(diào)整臺車的高低和角度，可以使測桿的兩個尖端對準(zhǔn)固定在管片上的金屬測點。圖 4.14 收斂測量系統(tǒng)（測讀儀器未連接）4.4 管片周圍土壓力量測系統(tǒng)試驗中采用了TYJ2020型振弦式土壓力計,和GTY型應(yīng)變式土壓力盒，以及與之配套的YD-DSY-406-A系列多功能讀數(shù)儀。在模型每個測量斷

41、面的盾構(gòu)管片外測，管頂及45°方向,以及站廳隧道頂拱中心線位置上各埋設(shè)了一個土壓力盒；每個斷面有7個壓力測點,三個斷面有21個測點。 。 圖4.15 振弦式土壓力盒及測讀儀第五章 地鐵車站開挖支護模擬試驗歷程5.1 開挖支護方案簡介5.1.1初期支護鋼拱架水泥砂漿采用專門設(shè)計的三角形斷面的鋼拱架作為車站開挖后初期支護的主體骨架如圖5.1(a)，再在拱架之間填筑C5號水泥砂漿，壓實抹平，形成完整初期支護。由于車站斷面形狀彎曲度較大，模型開挖尺寸較小，再加上固定于鋼板上的鋼管支撐的影響，一襯用鋼拱架需分成兩段才能準(zhǔn)確放入設(shè)計位置，在兩段鋼拱架安放就位后，再焊接為一體，如圖5.1(b)。5

42、.1.2 盾構(gòu)法隧道的管片支護前面已經(jīng)介紹。(a)(b)圖 5.1鋼拱架預(yù)制和安放就位的鋼拱架5.2 車站隧洞開挖支護模擬過程5.2.1車站隧洞開挖支護程序開挖方案具體分區(qū)順序見圖5.1(c)。采用雙側(cè)導(dǎo)洞先行、上中下三級臺階式開挖順序，按照開挖位置拆除堵頭鋼板，以先左后右順序用手工工具開挖導(dǎo)洞上臺階至設(shè)計斷面，進尺為一個管片軸向長度（12cm），作臨時支護；然后開挖左右導(dǎo)洞中臺階至一個管片長度、上臺階至兩個管片長度，作臨時支護；再開挖左右導(dǎo)洞下臺階至一個管片長度、中臺階至兩個管片長度，上臺階至三個管片長度，作臨時支護；此時在一個管片長度進尺內(nèi)的左右兩個導(dǎo)洞全斷面已經(jīng)完成。然后開挖中導(dǎo)洞的上臺

43、階，使得在一個管片長度進尺內(nèi)的車站全斷面頂拱連通，可以進行頂拱鋼拱架的架立和焊接成整體形狀。進行第一個管片進尺內(nèi)的車站斷面頂拱的初期混凝土襯砌。開挖中導(dǎo)洞的中、下臺階，完成第一個管片進尺內(nèi)的車站全斷面開挖。然后架立底板的鋼拱架，與頂拱邊墻鋼拱架底部焊接；再進行底板混凝土襯砌。至此第一個管片進尺內(nèi)的車站斷面開挖、初期支護全部完成。再從左右導(dǎo)洞上臺階向前開挖推進一個管片長度（第四個管片長度）開始，進行第二個循環(huán)操作，至第二個管片進尺內(nèi)的車站斷面開挖、初期支護全部完成。依次類推，直到十五個管片長度全部車站斷面的開挖、襯砌完成。圖 5.1（c） 車站隧道開挖步序圖5.2 左右導(dǎo)洞6、4、2環(huán)臺階土體挖

44、畢，第1環(huán)初襯鋼拱架安裝圖5.3 左右導(dǎo)洞6、4、2環(huán)臺階土體挖畢，第一環(huán)初襯澆筑完畢圖5.4 左右導(dǎo)洞9、7、5環(huán)臺階土體挖畢，第3環(huán)初襯澆筑完畢圖5.5 左右導(dǎo)洞11、9、7環(huán)臺階土體挖畢，第5環(huán)初襯澆筑完畢圖5.6 左右導(dǎo)洞13、11、9環(huán)臺階土體挖畢，第7環(huán)初襯澆筑完畢圖5.7 左右導(dǎo)洞15、13、11環(huán)臺階土體挖畢，第9環(huán)初襯澆筑完畢圖5.8 站廳頂拱完全挖通，第12環(huán)初襯澆筑完畢圖5.9 車站隧道全部挖畢圖5.10 車站隧道全部挖畢13、14、15環(huán)初襯鋼拱架安裝圖5.11車站站廳橫通道兩側(cè)6個立柱澆筑完畢5.3 橫通道開挖支護模擬過程5.3.1 橫通道開挖支護方案橫通道開挖分為三個部分，根據(jù)橫通道的位置將其分為東北側(cè)橫通道、西北側(cè)橫通道、東南側(cè)橫通道、西南側(cè)橫通道。橫通道的開挖支護順序為：東北側(cè)、西北側(cè)、東南側(cè)、西南側(cè)橫通道；具體到一個橫通道的開挖順序為：先開挖兩側(cè)各24cm(兩個管片長度)的土體，再開挖中間24cm的土體。橫通道的支護分為臨時支護、一襯支護、二襯支護。臨時支護裝置為課題組設(shè)計的鋼板框架