CN112903459A - 模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法，该装置包括：模型试验箱，分成上下两层空间，上层空间由三个独立的气压室组成，下层空间通过设置直接承受三个气压室独立气压的透明土材料以模拟地质环境；隧道模型，埋设在透明土材料中，用于模拟既有地铁隧道；气压加载***，分别与三个独立的气压室连通，能够单独调控各气压室内的气压，可用于模拟隧道模型正上方超载和侧向超载两种工况；可视化数据监测***，与隧道模型连接，用于获取地表超载作用下隧道模型隧周的土压力分布、隧道模型变形和土***移数据。本发明能够比较真实的同时研究地表超载影响隧道横向受力变形和不均匀沉降两个问题。
Description
技术领域
本发明涉及市政工程技术领域，具体涉及一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法。
背景技术
近年来，我国城市市政工程快速发展，已建的盾构隧道周边往往出现后续土地开发，引起大量建筑工程活动，易存在基坑开挖、土方堆积等工程行为，造成隧道横向变形超限、角部掉块、环间错台及渗漏水等病害，影响隧道正常使用，甚至威胁隧道结构安全。大量学者研究了关于周边建筑活动影响盾构隧道结构的问题，其中相似模型试验成本低、周期短且可行度高，使得相似模型试验成为研究地表超载影响盾构隧道的一个重要手段。
地表超载是市政隧道沿线周边建筑工程活动主要形式之一，国内多个城市出现过上方地表超载导致隧道横断面变形过大而引发隧道结构安全问题的案例。地表超载不仅会导致隧道横断面变形超限等问题，同时会引发过大的隧道不均匀沉降，从而影响隧道运营安全。目前，已有大量学者研究了地表超载影响既有盾构隧道的问题，但均存在将地表超载引发的隧道变形和不均匀沉降问题分割开来单独研究的不足。地表超载影响盾构隧道变形和不均匀沉降问题是两个互相牵制的问题，隧道横向变形量与不均匀沉降量跟隧道穿越土层和下卧土层性质有关。例如，若隧道下卧土层性质较差，而穿越土层性质较好，则地表超载对隧道的影响则会以不均匀沉降为主；若隧道下卧土层性质较好，而穿越土层性质较差，则地表超载对隧道影响则以横向变形为主。可见已有研究将地表超载导致的隧道横向变形与不均匀沉降问题独立研究存在缺陷。
为解决上述不足，本发明所述的一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法，为同时研究地表超载影响隧道横向变形和不均匀沉降两大问题提供了一种有效的手段。本发明采用气压模拟上方超载，采用相机并后处理得到土***移场，分析超载导致隧道不均匀沉降问题；采用薄膜传感器、应变及位移传感器获取隧道受力变形数据，以期研究地表超载影响既有盾构隧道的机理。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的就是为了克服上述现有研究存在的缺陷而提供一种可同时研究隧道横向变形和不均匀沉降两大问题的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法，用于研究地表超载影响盾构隧道机理。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
本发明的一方面，提供了一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，该装置包括：
模型试验箱，分成上下两层空间，上层空间由三个独立的气压室组成，下层空间通过设置直接承受三个气压室独立气压的透明土材料以模拟地质环境；
隧道模型，埋设在透明土材料中，用于模拟既有地铁隧道；
气压加载***，分别与三个独立的气压室连通，能够单独调控各气压室内的气压，可用于模拟隧道模型正上方超载和侧向超载两种工况；
可视化数据监测***，与隧道模型连接，用于获取地表超载作用下隧道模型隧周的土压力分布、隧道模型变形和土***移数据。
优选的是，所述的模型试验箱为一矩形箱体，箱体的上层空间通过竖向架设在水平横梁上的隔板分割成三个独立的气压室。
优选的是，所述的气压加载***包括一气泵和分别向三个独立的气压室输气的三组输气单元，每组输气单元由气压调节阀门、气压表和输气管组成。
优选的是，所述的隧道模型几何尺寸及弹性模量按照相似比设计。
优选的是，所述的可视化数据监测***包括相机、可调节光源、薄膜传感器、位移传感器和应变传感器；其中，相机和可调节光源相配合以监测土***移，薄膜传感器、位移传感器和应变传感器相配合以监测隧道模型受力变形，且该三种传感器通过采集仪与工作站连接。
进一步优选的是，所述的薄膜传感器铺设在隧道模型外周，所述的位移传感器设置在隧道模型内部，所述的应变传感器粘贴在隧道模型内表面。
进一步优选的是，所述可调节光源含激光光源和一般点光源，所述的一般点光源包括白炽灯源和荧光灯源。
优选的是，所述的模型试验箱一侧设置可视化窗口，该侧壁为有机玻璃板。
进一步优选的是，所述的可视化窗口侧壁设置尺寸标尺，以便于图像处理过程中图像尺寸与真实尺寸之间的转换。
优选的是，所述的透明土材料由无定形硅石粉末、白矿油和正十二烷按一定比例混合制成。
本发明的另一方面，提供了一种可视化地表超载影响既有盾构隧道的试验方法，该方法包括以下步骤：
S1、组装并调试可视化地表超载影响既有盾构隧道的模型试验箱；
S2、确定试验相似比，并根据实际模拟地层的物理力学参数，配制透明土材料模拟地质环境；
S3、根据试验要求制作隧道模型，并埋置于透明土材料中；
S4、利用气压加载***向气压室提供压力，模拟地表超载，调节气压阀门可模拟地表超载量，不同气压阀可模拟不同超载位置；
S5、利用可视化数据监测***对地表超载影响既有盾构隧道过程进行监测，监测整个过程中的土***移变化、隧道外周压力、隧道应变以及收敛变形数据。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过设计一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，采用透明土材料模拟地质环境，通过控制气压加载***模拟地表超载，利用相机和可调节光源拍摄试验照片，通过采集仪和工作站处理得到土***移场；利用设置在隧道模型上的传感器监测地表超载引发的隧道受力及变形。本发明在气压加载***的控制下，模拟地表超载引发的隧道横向受力变形和不均匀沉降问题，在耗费较少的人力、物力、财力的情况下，通过简单的操作，还原地表超载对既有盾构隧道的影响。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的模型试验箱上部气压室的结构示意图；
图3是本发明的薄膜传感器与隧道模型的关系图；
图4是本发明的各传感器与隧道模型的关系图。
附图标记：1—气泵；2—气压调节阀门；3—气压表；4—气压室；5—模型试验箱；6—隔板；7—薄膜传感器；8—隧道模型；9—采集仪；10—工作站；11—相机；12—透明土材料；13—可调节光源；14—应变传感器；15—位移传感器；16—输气管。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面结合附图1-4和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明实施例提供了一种可视化地表超载影响既有盾构隧道的试验装置和方法，能够比较真实的同时研究地表超载影响隧道横向受力变形和不均匀沉降两个问题。
如图1所示，本装置包括四部分：模型试验箱5、隧道模型8、气压加载***和可视化数据监测***。其中，模型试验箱5分成上下两层空间；隧道模型8埋设在透明土材料12中；气压加载装置与模型试验箱上部的气压室4连接；可视化数据监测***监测土***移、隧道受力及变形等数据。
如图2所示，模型试验箱5：上层空间由隔板6分割成三个独立的气压室4组成，可用于模拟正上方超载和侧向超载两种工况，本实施例优选隔板为钢板；下层空间装有透明土材料12模拟地质环境，透明土材料12是根据所模拟的土层物理力学参数，由无定形硅石粉末、白矿油和正十二烷按一定比例混合制成。
隧道模型8：隧道模型8的大小根据试验几何相似比确定，隧道模型8的材料按照弹性模量相似筛选，并考虑到盾构隧道接缝会使整体刚度下降，因此对隧道模型8中间隧道整体刚度进行折减。
如图1所示，气压加载***：气压加载***包括一气泵1和分别向三个独立的气压室4输气的三组输气单元，每组输气单元由气压调节阀门2、气压表3和输气管16组成。其中气泵1能为气压室4提供气压，以模拟隧道的地表超载作用；气压调节阀门2共三个，分别控制三个气压室4的气压大小，通过气压调节阀门2能控制气压室4中的气压大小，即所模拟的地表超载量；气压表用于显示气压室4内具体的气压值。所述各气压室4之间相互独立不连通，气压荷载直接作用在透明土材料表面上，用于模拟地表超载作用。
如图1、3和4所示，可视化数据监测***：可视化数据监测***包括相机11、可调节光源13、薄膜传感器7、位移传感器15和应变传感器14；其中，相机11优选为CCD相机，相机和可调节光源相配合以监测土***移，地表超载会使得隧道周边土体产生位移，试验后对相机11拍摄的图片进行处理，可以得到隧道周边的土***移场；薄膜传感器7、位移传感器15和应变传感器14相配合以监测隧道模型受力变形，且该三种传感器通过采集仪9与工作站10连接，可以得到地表超载导致隧道受力和变形相关数据。
进一步地，如图3和4所示，薄膜传感器7铺设在隧道模型8外周，位移传感器15设置在隧道模型8内部，应变传感器14粘贴在隧道模型8内表面。其中，位移传感器15和应变传感器14分别沿隧道圆周方向等间距布设。
进一步地，可调节光源13含激光光源和一般点光源，一般点光源包括白炽灯源和荧光灯源。
进一步地，模型试验箱5一侧设置可视化窗口，该侧壁为3cm的有机玻璃板。可视化窗口侧壁设置尺寸标尺，以便于图像处理过程中图像尺寸与真实尺寸之间的转换。其中，图像处理是利用相机拍摄试验照片处理得到透明土位移场，以便分析地表超载作用引起隧道周边土***移情况。
基于上述结构，本发明实施例提供的一种可视化的地表超载影响既有盾构隧道试验方法，包括如下步骤：
S01：组装并调试可视化的地表超载影响既有盾构隧道的模型试验箱；
对可视化的地表超载影响既有盾构隧道试验装置进行组装和调试，对模型试验箱、隧道模型8、气压加载***和可视化数据监测***进行组装和连接。
S02：设计隧道模型8，并配置透明土材料12；
根据相似理论设计隧道模型8，并根据实际模拟地层的物理力学参数，采用无定形硅石粉末、白矿油和正十二烷按一定比例混合制成透明土材料12，将设计好的隧道模型8埋设在透明土材料12中。
S03：通过控制气压加载***对气压室4进行控制提供预设值的气压；
以模拟正上方地表超载为例，关闭两侧气压室4的阀门，打开中间气压室4阀门，通过气压加载***向中间气压室4提供气压，直到气压室4的气压达到预设值。
S04：对地表超载对既有盾构隧道的影响过程进行实时监测，监测整个过程的土***移、隧周压力分布、隧道应变和收敛变形情况。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：该装置包括：
模型试验箱，分成上下两层空间，上层空间由三个独立的气压室组成，下层空间通过设置直接承受三个气压室独立气压的透明土材料以模拟地质环境；
隧道模型，埋设在透明土材料中，用于模拟既有地铁隧道；
气压加载***，分别与三个独立的气压室连通，能够单独调控各气压室内的气压，可用于模拟隧道模型正上方超载和侧向超载两种工况；
可视化数据监测***，与隧道模型连接，用于获取地表超载作用下隧道模型隧周的土压力分布、隧道模型变形和土***移数据。
2.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的模型试验箱为一矩形箱体，箱体的上层空间通过竖向架设在水平横梁上的隔板分割成三个独立的气压室。
3.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的气压加载***包括一气泵和分别向三个独立的气压室输气的三组输气单元，每组输气单元由气压调节阀门、气压表和输气管组成。
4.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的隧道模型几何尺寸及弹性模量按照相似比设计。
5.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的可视化数据监测***包括相机、可调节光源、薄膜传感器、位移传感器和应变传感器；其中，相机和可调节光源相配合以监测土***移，薄膜传感器、位移传感器和应变传感器相配合以监测隧道模型受力变形，且该三种传感器通过采集仪与工作站连接。
6.根据权利要求5所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的薄膜传感器铺设在隧道模型外周，所述的位移传感器设置在隧道模型内部，所述的应变传感器粘贴在隧道模型内表面。
7.根据权利要求5所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述可调节光源含激光光源和一般点光源，所述的一般点光源包括白炽灯源和荧光灯源。
8.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的模型试验箱一侧设置可视化窗口，该侧壁为有机玻璃板。
9.根据权利要求8所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的可视化窗口侧壁设置尺寸标尺，以便于图像处理过程中图像尺寸与真实尺寸之间的转换。
10.根据权利要求1所述的模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置，其特征在于：所述的透明土材料由无定形硅石粉末、白矿油和正十二烷按一定比例混合制成。
11.一种可视化地表超载影响既有盾构隧道的试验方法，使用如权利要求1～10任一项所述的试验装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、组装并调试可视化地表超载影响既有盾构隧道的模型试验箱；
S2、确定试验相似比，并根据实际模拟地层的物理力学参数，配制透明土材料模拟地质环境；
S3、根据试验要求制作隧道模型，并埋置于透明土材料中；
S4、利用气压加载***向气压室提供压力，模拟地表超载，调节气压阀门可模拟地表超载量，不同气压阀可模拟不同超载位置；
S5、利用可视化数据监测***对地表超载影响既有盾构隧道过程进行监测，监测整个过程中的土***移变化、隧道外周压力、隧道应变以及收敛变形数据。
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| CN202110144099.2A Pending CN112903459A (zh) | 2021-02-02 | 2021-02-02 | 模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN112903459A (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-02-02 CN CN202110144099.2A patent/CN112903459A/zh active Pending
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