沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台

摘要

本发明提供了一种沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台，包括试验水池，其中所述试验水池通过隔墙(14)分成灌砂试验区(12)和模型制作区(15)，所述试验水池的周边为边坡(11)，即实验水池的开口面积大于实验水池的底面面积，且所述试验水池的底面还铺设有素砼垫层。本发明不仅能够研究单孔灌砂、灌砂施工次序及其关联性对灌砂效果的影响，而且还能够研究灌砂孔位置对灌砂效果的影响；具有试验工况多，监测灌砂效果直观、有效，模型可重复利用的优点。本发明是检验沉管隧道基础灌砂施工工艺、确定灌砂施工过程中的监测方法以及制订灌砂效果评价标准的重要工具。

说明书

技术领域

本发明涉及沉管隧道技术领域，具体地，涉及一种沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台。

背景技术

沉管隧道因其独特的工艺特点和较大的越江优越性，现已成为跨越江河(或跨海)隧道的重要选择型式。灌砂法也称砂流法或压砂法，是沉管隧道基础处理的主要施工方法之一。基础灌砂是沉管隧道施工中十分重要的环节，砂基础的质量直接关系到整个沉管隧道的工程质量与安全。

目前，国内外虽已成功修建了不少沉管隧道,但由于影响基础灌砂质量的因素很多，施工中极易出现各种问题，国内外均有过因管段基础问题而导致严重事故的先例。为确保施工安全可靠，在正式施工前通常进行灌砂模型试验研究，以检测灌砂施工工艺、模拟灌砂过程、拟定灌砂监测方法及灌砂效果评价标准。

1975年，荷兰在穿越韦斯特谢尔德河的弗拉克隧道(Vlake Tunnel)时，首次开展灌砂模型试验并将灌砂法应用于该工程。在国内，广州珠江沉管隧道、上海外环沉管隧道、广州仑头-生物岛-大学城隧道、广州洲头咀沉管隧道、佛山沉管隧道、南昌红谷隧道及港珠澳大桥沉管隧道中间部分管段基础等采用灌砂基础的沉管隧道均开展了灌砂模型试验研究。

由于灌砂模型试验缺乏统一的试验规则，在我国已开展的沉管隧道灌砂基础模型试验中普遍存在模型尺度过小、型式差异大、模型布设的灌砂孔数量及试验模拟工况偏少等问题，试验中未充分考虑工程中的施工参数及边界条件，研究成果缺乏普遍性。而大尺度等比例灌砂模型试验能有效地弥补上述不足，提高试验成果的实用性与可靠性，并能更好地指导沉管隧道灌砂基础设计与施工。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种沉管隧道基础灌砂等比例模型 试验平台。

根据本发明提供的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台，包括试验水池，其中所述试验水池通过隔墙分成灌砂试验区和模型制作区，所述试验水池的周边为边坡，即实验水池的开口面积大于实验水池的底面面积，且所述试验水池的底面还铺设有素砼垫层。

优选地，所述隔墙位于试验水池的中部位置，试验水池的深度根据模型浮运的吃水深度及灌砂厚度确定。

优选地，所述灌砂试验区的底面上设置有多个钢筋混凝土结构的支墩。

优选地，所述模型制作区包括：底板和底板周边的侧墙，所述底板、侧墙内均设置有配筋；且所述底板上还设置有多个灌砂孔。

优选地，所述模型制作区的侧墙所构成的边角位置设置有拉环，且所述模型制作区的四角外侧设置有挡墙和测量水位的量尺。

优选地，所述支墩在试验水池底面以上的高度即为实际沉管隧道基础灌砂中管段与基槽底部垫层的距离。

优选地，所述底板上设有4个灌砂孔，4个灌砂孔呈两排分布，每个灌砂孔间距与实际环境中灌砂孔的间距相同，其中第一排中的两个灌砂孔之间的距离表示实际沉管隧道基础灌砂中管段端部的距离、第二列的两个灌砂孔的距离表示实际沉管隧道基础灌砂中纵边的长度，第二排第一个灌砂孔的位置对应实际沉管隧道基础灌砂中处于中部位置的灌砂孔。

优选地，模型制作区的底板上沿每个灌砂孔径向45°呈放射状设有砂盘扩散监测线，监测线的底板底部埋设多个观察窗。

优选地，还包括监测系统，所述监测系统用于监测水压，包括第一压力盒、第二压力盒、相配套的数据采集设备以及对应的控制模块，所述第一压力盒安装在砂盘扩散监测线对应的底板下，且多个第一压力盒之间等间距分布；所述第二压力盒固定在模型制作区底板下端面的钢板上，第二压力盒的线缆从底板顶面穿出，所述线缆外包覆有相应的套管。

所述观察窗为长条形的有机玻璃结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台相比常规灌砂模型更大，模型上设置的灌砂孔数量更多，能够考察多种灌砂工况，设计中考虑了模型的起浮与沉放，与实际灌砂施工状况更为接近。

2、本发明提供的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台不仅能够研究单孔灌砂、灌砂施工次序及其关联性对灌砂效果的影响，而且还能够研究灌砂孔位置对灌砂效果的影响；具有试验工况多，监测灌砂效果直观、有效，模型可重复利用的优点。

3、本发明提供的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台为沉管隧道管段基础灌砂施工提供技术控制指标，是检验沉管隧道基础灌砂施工工艺、确定灌砂施工过程中的监测方法以及制订灌砂效果评价标准的重要工具。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中试验水池平面结构布置示意图；

图2为本发明试验模型的结构剖面图；

图3为本发明试验模型中灌砂孔、观察窗与压力盒的平面布置图；

图4为本发明试验模型中观察窗预埋钢结构横断面示意图；

图5为本发明试验模型中压力盒预埋结构横断面示意图。

图中：

11-边坡 12-灌砂试验区 13-支墩

14-隔墙 15-模型制作区 16-试验模型

21-侧墙 22-底板 23-配筋

24-拉环 25-挡墙 26-量尺

31-灌砂孔 32-观察窗 33-第一压力盒

41-横向加劲板 42-密封橡胶垫 43-高强有机玻璃

44-橡胶垫 45-钢压板 46-塞焊螺栓

51-第二压力盒 52-钢板 53-模型底板

54-套管 55-线缆

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

根据本发明提供的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台，包括试验水池、试验模型及布设的监测系统。所述试验水池采取放坡开挖；水池深度按模型浮运的吃水深度及灌砂厚度确定；水池中部设置隔墙；水池底面设有一层碎石垫层及一层素砼垫层；

所述试验模型为底部与四周封闭且上部开口的钢筋混凝土结构，包括底板、底板周边的侧墙及其边角上的拉环，模型四角外侧设置水位量尺，所述模型底板及其侧墙内设有配筋；

所述底板上设有4个灌砂孔，4个灌砂孔呈两排布设，间距与实际灌砂孔间距相同，并分别与管段端部、纵边及中部灌砂孔相对应；

所述底板上沿每个灌砂孔径向45°呈放射状设有砂盘扩散监测线，在监测线的底板底部埋设多个长条形高强有机玻璃观察窗，在底板底部观察窗附近与灌砂孔等间距间隔布设水压力测量装置；

所述试验水池的底面上并沿所述试验模型底板对称设置多个支墩。根据权利要求1所述的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验水池，其特征在于：所述水池由中部隔墙分为模型制作区与灌砂试验区两部分，模型制作区底部做起浮设计，试验区水池底面上设置数个支墩。

所述支墩为钢筋混凝土，支墩在水池底面上的高度为管段与基槽底部垫层的距离。

所述模型底板底面与试验水池底面之间的距离等同于管段与基槽底部垫层的距离。

所述砂积盘扩散观察窗由预埋钢结构与高强有机玻璃构成。

所述水压力测量装置由土压力盒及其配套的数据采集设备及相应控制软件组成。

所述模型边角上的拉环设置在模型边角的外墙上，其强度应大于使模型实施浮动的拖动力及制动力。

所述模型四角外侧设置的水位量尺，其量测范围应大于浮运的水位与灌砂试验的水位的差值，量测精度为毫米级。

所述试验水池采取放坡开挖，坡比为1∶2，喷射早强砼，并挂钢筋网；水池深度按模型浮运的吃水深度及灌砂厚度确定；水池中部设置隔墙，将水池划分为模型制作区及灌砂试验区，隔墙宽度为0.5m、高度大于灌砂厚度0.2m，以防止砂盘扩散至模型制作区；水池底面设有一层碎石垫层及一层素砼垫层，其中模型制作区观察窗对应位置的水池基础采用细砂垫层处理，以便模型起浮；水池试验区底面上对应于试验模型的底板对称设置多个钢筋混凝土结构支墩，支墩在水池底面上的高度为管段与基槽底部垫层的距 离。

所述试验模型为底部与四周封闭且上部开口的钢筋混凝土结构，包括底板、底板周边的侧墙及其边角上的拉环，其底板和侧墙内设有配筋；底板上设有4个灌砂孔，4个灌砂孔呈两排布设，间距与实际灌砂孔间距相同，并分别与管段端部、纵边及中部灌砂孔相对应；底板上沿每个灌砂孔径向45°呈放射状设有砂盘扩散监测线，在监测线上的底板底部埋设多个长条形高强有机玻璃观察窗，在底板底部观察窗附近与灌砂孔等间距间隔布设水压力测量装置，以监测灌砂过程中砂盘的扩散状况；模型四角外侧设置水位量尺，以监控模型浮运及灌砂试验时的水位。

本发明所设计的沉管隧道基础灌砂等比例模型试验平台及其监测系统，该灌砂模型试验平台相比常规灌砂模型更大，模型上设置的灌砂孔数量更多，能够考察多种灌砂工况，设计中考虑了模型的起浮与沉放，与实际灌砂施工状况更为接近。通过该基础灌砂等比例模型试验平台及其监测系统所开展的试验，不仅可研究单孔灌砂、灌砂施工次序及其关联性对灌砂效果的影响，而且还可研究灌砂孔位置对灌砂效果的影响；其具有试验工况多，监测灌砂效果直观、有效，模型可重复利用等特点。该试验平台及其监测系统可为沉管隧道管段基础灌砂施工提供技术控制指标，是检验沉管隧道基础灌砂施工工艺、确定灌砂施工过程中的监测方法以及制订灌砂效果评价标准的重要工具。

具体地，如图1所示，试验水池由边坡11、灌砂试验区12和模型制作区15组成，水池中部设置隔墙14，试验区底面上设置多个钢筋混凝土结构支墩13，试验模型16中设有四个灌砂孔。

如图2所示，试验模型为钢筋混凝土且四周封闭的结构，它包括底板22、底板四周的侧墙21及其边角上的拉环24，模型的底板和侧墙内设有配筋23；底板上的四个灌砂孔呈两排布设。

如图3所示，模型底板上沿每个灌砂孔31设立砂盘扩散监测线，在监测线的底板底部埋设长条形高强有机玻璃观察窗32，在观察窗附近底部与灌砂孔等间距间隔布设第一压力盒33。

如图4所示，观察窗边缘采用横向加劲板41，混凝土浇捣完成后，通过密封橡胶垫42、钢压板45、橡胶垫44及塞焊螺栓46对高强有机玻璃43进行安装，并作密封止水处理。

如图5所示，第二压力盒51固定在模型底板53上，其线缆55通过套管54保护并作防水处理。

试验流程与试验步骤：首先开挖水池作为模型试验平台，再在水池中制作试验模型；模型制作完成后，水池灌水使得模型上浮，并通过模型上的拉环控制模型浮动至灌砂试验区。通过模型上的水位量尺设定水池水位，使模型下沉并坐落在事先设置的钢筋混凝土支墩上，由模型四角的拉环及预置在水池外的铁锚通过绳索固定模型。随后，保持设定的水池水位(抗浮系数为1.05)，对不同的灌砂孔按预定的不同工况进行灌砂。在灌砂过程中，通过预埋的观察窗和压力盒分别对砂积盘扩散情况进行监测，同时也可通过无损检测技术对灌砂过程进行监测并对灌砂效果进行评价分析。灌砂完成后，减低水位使得模型完全坐落在砂基础，进行沉降等相关测量。最后，升高水位，使得模型上浮并拖动模型至制作区，水池排水后对砂积盘进行表观、几何特征及灌砂孔冲击坑等进行量测，按预定位置对砂积盘取样检测其相对密实度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。