本實用新型涉及沉管隧道技術領域，具體地，涉及一種沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺。

背景技術：

沉管隧道因其獨特的工藝特點和較大的越江優越性，現已成為跨越江河(或跨海)隧道的重要選擇型式。灌砂法也稱砂流法或壓砂法，是沉管隧道基礎處理的主要施工方法之一?；A灌砂是沉管隧道施工中十分重要的環節，砂基礎的質量直接關系到整個沉管隧道的工程質量與安全。

目前，國內外雖已成功修建了不少沉管隧道，但由于影響基礎灌砂質量的因素很多，施工中極易出現各種問題，國內外均有過因管段基礎問題而導致嚴重事故的先例。為確保施工安全可靠，在正式施工前通常進行灌砂模型試驗研究，以檢測灌砂施工工藝、模擬灌砂過程、擬定灌砂監測方法及灌砂效果評價標準。

1975年，荷蘭在穿越韋斯特謝爾德河的弗拉克隧道(Vlake Tunnel)時，首次開展灌砂模型試驗并將灌砂法應用于該工程。在國內，廣州珠江沉管隧道、上海外環沉管隧道、廣州侖頭-生物島-大學城隧道、廣州洲頭咀沉管隧道、佛山沉管隧道、南昌紅谷隧道及港珠澳大橋沉管隧道中間部分管段基礎等采用灌砂基礎的沉管隧道均開展了灌砂模型試驗研究。

由于灌砂模型試驗缺乏統一的試驗規則，在我國已開展的沉管隧道灌砂基礎模型試驗中普遍存在模型尺度過小、型式差異大、模型布設的灌砂孔數量及試驗模擬工況偏少等問題，試驗中未充分考慮工程中的施工參數及邊界條件，研究成果缺乏普遍性。而大尺度等比例灌砂模型試驗能有效地彌補上述不足，提高試驗成果的實用性與可靠性，并能更好地指導沉管隧道灌砂基礎設計與施工。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種沉管隧道基礎灌砂等比例 模型試驗平臺。

根據本實用新型提供的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺，包括試驗水池，其中所述試驗水池通過隔墻分成灌砂試驗區和模型制作區，所述試驗水池的周邊為邊坡，即實驗水池的開口面積大于實驗水池的底面面積，且所述試驗水池的底面還鋪設有素砼墊層。

優選地，所述隔墻位于試驗水池的中部位置，試驗水池的深度根據模型浮運的吃水深度及灌砂厚度確定。

優選地，所述灌砂試驗區的底面上設置有多個鋼筋混凝土結構的支墩。

優選地，所述模型制作區包括：底板和底板周邊的側墻，所述底板、側墻內均設置有配筋；且所述底板上還設置有多個灌砂孔。

優選地，所述模型制作區的側墻所構成的邊角位置設置有拉環，且所述模型制作區的四角外側設置有擋墻和測量水位的量尺。

優選地，所述支墩在試驗水池底面以上的高度即為實際沉管隧道基礎灌砂中管段與基槽底部墊層的距離。

優選地，所述底板上設有4個灌砂孔，4個灌砂孔呈兩排分布，每個灌砂孔間距與實際環境中灌砂孔的間距相同，其中第一排中的兩個灌砂孔之間的距離表示實際沉管隧道基礎灌砂中管段端部的距離、第二列的兩個灌砂孔的距離表示實際沉管隧道基礎灌砂中縱邊的長度，第二排第一個灌砂孔的位置對應實際沉管隧道基礎灌砂中處于中部位置的灌砂孔。

優選地，模型制作區的底板上沿每個灌砂孔徑向45°呈放射狀設有砂盤擴散監測線，監測線的底板底部埋設多個觀察窗。

優選地，還包括監測系統，所述監測系統用于監測水壓，包括第一壓力盒、第二壓力盒、相配套的數據采集設備以及對應的控制模塊，所述第一壓力盒安裝在砂盤擴散監測線對應的底板下，且多個第一壓力盒之間等間距分布；所述第二壓力盒固定在模型制作區底板下端面的鋼板上，第二壓力盒的線纜從底板頂面穿出，所述線纜外包覆有相應的套管。

所述觀察窗為長條形的有機玻璃結構。

與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果：

1、本實用新型提供的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺相比常規灌砂模型更大，模型上設置的灌砂孔數量更多，能夠考察多種灌砂工況，設計中考慮了模型的起浮 與沉放，與實際灌砂施工狀況更為接近。

2、本實用新型提供的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺不僅能夠研究單孔灌砂、灌砂施工次序及其關聯性對灌砂效果的影響，而且還能夠研究灌砂孔位置對灌砂效果的影響；具有試驗工況多，監測灌砂效果直觀、有效，模型可重復利用的優點。

3、本實用新型提供的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺為沉管隧道管段基礎灌砂施工提供技術控制指標，是檢驗沉管隧道基礎灌砂施工工藝、確定灌砂施工過程中的監測方法以及制訂灌砂效果評價標準的重要工具。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本實用新型中試驗水池平面結構布置示意圖；

圖2為本實用新型試驗模型的結構剖面圖；

圖3為本實用新型試驗模型中灌砂孔、觀察窗與壓力盒的平面布置圖；

圖4為本實用新型試驗模型中觀察窗預埋鋼結構橫斷面示意圖；

圖5為本實用新型試驗模型中壓力盒預埋結構橫斷面示意圖。

圖中：

11-邊坡 12-灌砂試驗區 13-支墩

14-隔墻 15-模型制作區 16-試驗模型

21-側墻 22-底板 23-配筋

24-拉環 25-擋墻 26-量尺

31-灌砂孔 32-觀察窗 33-第一壓力盒

41-橫向加勁板 42-密封橡膠墊 43-高強有機玻璃

44-橡膠墊 45-鋼壓板 46-塞焊螺栓

51-第二壓力盒 52-鋼板 53-模型底板

54-套管 55-線纜

具體實施方式

下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本 領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本實用新型的保護范圍。

根據本實用新型提供的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺，包括試驗水池、試驗模型及布設的監測系統。所述試驗水池采取放坡開挖；水池深度按模型浮運的吃水深度及灌砂厚度確定；水池中部設置隔墻；水池底面設有一層碎石墊層及一層素砼墊層；

所述試驗模型為底部與四周封閉且上部開口的鋼筋混凝土結構，包括底板、底板周邊的側墻及其邊角上的拉環，模型四角外側設置水位量尺，所述模型底板及其側墻內設有配筋；

所述底板上設有4個灌砂孔，4個灌砂孔呈兩排布設，間距與實際灌砂孔間距相同，并分別與管段端部、縱邊及中部灌砂孔相對應；

所述底板上沿每個灌砂孔徑向45°呈放射狀設有砂盤擴散監測線，在監測線的底板底部埋設多個長條形高強有機玻璃觀察窗，在底板底部觀察窗附近與灌砂孔等間距間隔布設水壓力測量裝置；

所述試驗水池的底面上并沿所述試驗模型底板對稱設置多個支墩。

根據權利要求1所述的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗水池，其特征在于：所述水池由中部隔墻分為模型制作區與灌砂試驗區兩部分，模型制作區底部做起浮設計，試驗區水池底面上設置數個支墩。

所述支墩為鋼筋混凝土，支墩在水池底面上的高度為管段與基槽底部墊層的距離。

所述模型底板底面與試驗水池底面之間的距離等同于管段與基槽底部墊層的距離。

所述砂積盤擴散觀察窗由預埋鋼結構與高強有機玻璃構成。

所述水壓力測量裝置由土壓力盒及其配套的數據采集設備及相應控制軟件組成。

所述模型邊角上的拉環設置在模型邊角的外墻上，其強度應大于使模型實施浮動的拖動力及制動力。

所述模型四角外側設置的水位量尺，其量測范圍應大于浮運的水位與灌砂試驗的水位的差值，量測精度為毫米級。

所述試驗水池采取放坡開挖，坡比為1∶2，噴射早強砼，并掛鋼筋網；水池深度按模型浮運的吃水深度及灌砂厚度確定；水池中部設置隔墻，將水池劃分為模型制作區及灌砂試驗區，隔墻寬度為0.5m、高度大于灌砂厚度0.2m，以防止砂盤擴散至模型制作區；水池底面設有一層碎石墊層及一層素砼墊層，其中模型制作區觀察窗對應位置的水池基礎采用細砂墊層處理，以便模型起浮；水池試驗區底面上對應于試驗模型的底板對 稱設置多個鋼筋混凝土結構支墩，支墩在水池底面上的高度為管段與基槽底部墊層的距離。

所述試驗模型為底部與四周封閉且上部開口的鋼筋混凝土結構，包括底板、底板周邊的側墻及其邊角上的拉環，其底板和側墻內設有配筋；底板上設有4個灌砂孔，4個灌砂孔呈兩排布設，間距與實際灌砂孔間距相同，并分別與管段端部、縱邊及中部灌砂孔相對應；底板上沿每個灌砂孔徑向45°呈放射狀設有砂盤擴散監測線，在監測線上的底板底部埋設多個長條形高強有機玻璃觀察窗，在底板底部觀察窗附近與灌砂孔等間距間隔布設水壓力測量裝置，以監測灌砂過程中砂盤的擴散狀況；模型四角外側設置水位量尺，以監控模型浮運及灌砂試驗時的水位。

本實用新型所設計的沉管隧道基礎灌砂等比例模型試驗平臺及其監測系統，該灌砂模型試驗平臺相比常規灌砂模型更大，模型上設置的灌砂孔數量更多，能夠考察多種灌砂工況，設計中考慮了模型的起浮與沉放，與實際灌砂施工狀況更為接近。通過該基礎灌砂等比例模型試驗平臺及其監測系統所開展的試驗，不僅可研究單孔灌砂、灌砂施工次序及其關聯性對灌砂效果的影響，而且還可研究灌砂孔位置對灌砂效果的影響；其具有試驗工況多，監測灌砂效果直觀、有效，模型可重復利用等特點。該試驗平臺及其監測系統可為沉管隧道管段基礎灌砂施工提供技術控制指標，是檢驗沉管隧道基礎灌砂施工工藝、確定灌砂施工過程中的監測方法以及制訂灌砂效果評價標準的重要工具。

具體地，如圖1所示，試驗水池由邊坡11、灌砂試驗區12和模型制作區15組成，水池中部設置隔墻14，試驗區底面上設置多個鋼筋混凝土結構支墩13，試驗模型16中設有四個灌砂孔。

如圖2所示，試驗模型為鋼筋混凝土且四周封閉的結構，它包括底板22、底板四周的側墻21及其邊角上的拉環24，模型的底板和側墻內設有配筋23；底板上的四個灌砂孔呈兩排布設。

如圖3所示，模型底板上沿每個灌砂孔31設立砂盤擴散監測線，在監測線的底板底部埋設長條形高強有機玻璃觀察窗32，在觀察窗附近底部與灌砂孔等間距間隔布設第一壓力盒33。

如圖4所示，觀察窗邊緣采用橫向加勁板41，混凝土澆搗完成后，通過密封橡膠墊42、鋼壓板45、橡膠墊44及塞焊螺栓46對高強有機玻璃43進行安裝，并作密封止水處理。

如圖5所示，第二壓力盒51固定在模型底板53上，其線纜55通過套管54保護并 作防水處理。

試驗流程與試驗步驟：首先開挖水池作為模型試驗平臺，再在水池中制作試驗模型；模型制作完成后，水池灌水使得模型上浮，并通過模型上的拉環控制模型浮動至灌砂試驗區。通過模型上的水位量尺設定水池水位，使模型下沉并坐落在事先設置的鋼筋混凝土支墩上，由模型四角的拉環及預置在水池外的鐵錨通過繩索固定模型。隨后，保持設定的水池水位(抗浮系數為1.05)，對不同的灌砂孔按預定的不同工況進行灌砂。在灌砂過程中，通過預埋的觀察窗和壓力盒分別對砂積盤擴散情況進行監測，同時也可通過無損檢測技術對灌砂過程進行監測并對灌砂效果進行評價分析。灌砂完成后，減低水位使得模型完全坐落在砂基礎，進行沉降等相關測量。最后，升高水位，使得模型上浮并拖動模型至制作區，水池排水后對砂積盤進行表觀、幾何特征及灌砂孔沖擊坑等進行量測，按預定位置對砂積盤取樣檢測其相對密實度。

以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本實用新型的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。