一种隧道和地下工程模拟测量系统及方法与流程

本发明涉及基坑和地下工程领域，尤其涉及一种隧道和地下工程模拟测量系统及方法。

背景技术：

近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程也越来越多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境影响非常复杂，地裂缝或地表沉降等自然灾害成为工程事故的常见原因；基坑工程和地下工程在开挖过程中可能会由于地裂缝活动会导致水体渗入地裂缝带，引起地基软化变形，甚至破坏洞室的安全，还可导致已建成的天然气管道、污水管、下水道等接头处受损，泄漏易燃易爆及有毒气体，这将对工程安全产生巨大影响；

自20世纪50年代以来，在西安已发现十四条地裂缝，分布范围达155平方公里；地下工程使用期间，地裂缝活动会导致水体渗入地裂缝带，引起地基软化变形，甚至破坏洞室的安全，还可导致已建成的天然气管道、污水管、下水道等接头处受损，泄漏易燃易爆及有毒气体。地裂缝给地下工程施工造成多种不利影响，如地裂缝变形带的土体裂隙多，施工时可能会造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，还可能出现沿裂缝带的集中渗水现象，基底出现不均匀沉降；

目前模型箱仅是对于实验中特定的条件进行单一的作业，若该试验结束模型箱也失去其价值，无法实现重复使用且多功能的目的；或是便于携带、移动的便携式展示箱，就不能达到经济实用的目的；为解决上述问题，减少地裂缝对人民财产的危害，迫切需要一种既可容装、移动，又可在不同条件下功能多样、多次重复使用且实用价值高的模型箱，以满足工程要求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种隧道和地下工程模拟测量系统及方法，包括控制单元和模拟测量单元，控制单元通过控制模拟测量单元中可移动式模型箱的上、下盘沉降或抬升的速率、时间及高度，用以模拟实际工程中的地质灾害对地下建筑的影响，实现在地裂缝或地表沉降等自然灾害作用下，对地铁，地下综合管廊的设计进行试验模拟，有效的控制地下建筑受力的大小，方向及范围，解决了原来只有一种垂直角度的模拟问题，具有既可容装、移动，又可在不同条件下功能多样、多次重复使用且实用价值高的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种隧道和地下工程模拟测量系统，包括控制单元、模拟测量单元和气压控制单元，控制单元分别与模拟测量单元、气压控制单元通过导线连接；

所述控制单元为电脑pc端，给气压控制单元发布命令，控制并显示气压，同时接受和显示来自于模拟测量单元的参数，对参数进行分析；

所述模拟测量单元包括模型箱、分隔板和模拟管廊，模拟管廊和分隔板均可拆卸安装在模型箱内，通过不同的分隔板在模型箱中不同的位置模拟不同的地裂缝，得到模拟管廊在不同地裂缝中参数变化和管廊本体的变形情况；

气压控制单元为液压控制装置，所述液压控制装置安装在模型箱地板下方，控制模型箱地板的高低位置以及模型箱地板的升降速率，模拟地壳升降对地下建筑的影响。

进一步的，所述的模型箱包括箱体、箱体支座，箱体支座安装在箱体的下方，箱体包括框架和安装在框架上的右箱面板、前箱面板、左箱面板、后箱面板和箱底板，且所述右箱面板可移动安装在框架的角钢上；所述前箱面板、后箱面板分别与前、后侧框架的角钢固定连接，且所述前箱面板和后箱面板均采用透明的板状材料，方便观察模型箱内部土体表面变化。

进一步的，所述的右箱面板通过滑动装置安装在箱体的右侧，所述滑动装置包括丝杠组件、设置在右箱面板上的移动滑块、设置在箱体右侧框架的角钢上的滑槽，所述移动滑块滑动安装在滑槽内，丝杠组件安装在右箱面板和右侧框架的角钢之间，用于对右箱面板进行限位，控制右箱面板左右移动的位移量。

进一步的，所述的丝杠组件包括压力传感器、设置在右侧框架角钢上的丝杠螺杆以及设置在箱面板上的五角爪，所述五角爪上设置有与丝杠螺杆配合使用丝杠螺母，五角爪的五个爪上均设置有螺孔，与箱板面上的螺孔配合使用螺栓连接，所述压力传感器设置在爪的上，测量右箱面板的侧向压力。

进一步的，所述的左箱面板包括与左侧框架上的角钢活动连接的上侧壁和与左侧框架上的角钢固定连接的下侧壁；所述上侧壁通过悬臂装置与下侧壁连接；且在下侧壁上设置有观察孔，可伸入摄像头及钻孔窥视仪对放置在此位置的隧道或综合管廊模型内部情况进行观察；所述悬臂装置包括伸缩臂、旋转臂，伸缩臂和旋转臂之间通过旋转关节连接，伸缩臂内设置有第一气缸，且伸缩臂的另一端通过连接板与上侧壁的箱面板紧固连接；旋转臂的下侧面上设置有第二气缸，且旋转臂的另一端固定板铰接，固定板固定安装在下侧壁的板面上。

进一步的，所述的箱底板活动安装在底部框架上的角钢上，且与右箱面板、前箱面板、左箱面板、后箱面板的底侧边紧密贴合，所述箱底板由a、b、c、d四个模块组成，其中a模块所在版块为上盘，b模块所在版块为下盘，各个模块的连接处预留有分隔缝，并在分隔缝两边预留有螺纹孔，利用螺栓和连接板配合将两两相邻的第二螺纹孔连接起来；所述的在箱体顶部设置有与a-d、a-c、b-d、b-c连接处分隔缝位置相对应的角钢，角钢上固定设置有合页板，合页板的左右两侧合页上对应开设有第一螺纹孔。

进一步的，所述的模拟管廊包括管廊本体、设置在管廊内外侧的感应片和设置在管廊本体内侧的摄像头，用于实时监测管廊本体内外侧的土压力和管廊本体的变形情况。

进一步的，所述的分隔板包括正交分隔板和斜交分隔板，在正交分隔板和斜交分隔板下部均设置有与管廊本体截面积相同的弧形开口，用于将管廊本体从弧形开口中穿过；且在正交分隔板和斜交分隔板的上端均设置有与第一螺纹孔配合使用的第三螺纹孔。

进一步的，所述的液压控制装置包括千斤顶、液压泵，液压泵的液压输出端通过液压管与千斤顶的液压输入端相连，千斤顶的头部顶在箱底板的下端，通过千斤顶头部的伸缩控制箱底板各个模块的上下位移。

进一步的，一种隧道和地下工程模拟系统的测量方法，所述测量方法的具体测量步骤包括：

步骤一：根据实验要求调整右箱面板的左右位置，并利用丝杠组件将右箱面板固定，调整好后将管廊本体顺箱体长边放置在箱底板上，且管廊本体一端的端口与观察孔对齐，另一端封闭或者与移动右箱面板的内侧面紧密贴合；

步骤二：根据需要，在管廊本体内外表面上贴上适量的感应片，同时通过观察孔放入摄像头，并将导线全部从观察孔顺出，并与电脑端pc端相连；

步骤三：打开第一气缸和第二气缸，利用悬臂装置的将上侧壁的面板打开，然后根据实验目的，将a区和d区、b区和c区连接，形成正交，并放入正交分隔板（10）；或者将a区和c区、b区和d区连接，形成斜交，并放入斜交分隔板；

步骤四：然后在取下上侧壁后的窗口在箱体内加入适量的实验土，然后再利用第一气缸和第二气缸合上上侧壁，根据需要，对实验土进行捣实和压实；

步骤五：根据实验目的，将千斤顶布置在箱底板的下方，并根据需要分成ad区和bc区或者ac区和bd区，由电脑端控制液压泵根据需要对相应片区的千斤顶加压，千斤顶对ad区和bc区或者ac区和bd区模块中的任一个或者两个同时顶起或放下，同时记录液压表、感应片和摄像头、以及ad区和bc区或者ac区和bd区的升降距离以及升降速度数据，进行计算分析。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种隧道和地下工程模拟测量系统及方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

1.本发明将控制单元、模拟测量单元和气压控制单元相结合，由控制单元控制模拟测量单元和气压控制单元对廊道和地下建筑在地裂缝作用下的变形以及沉降情况进行模拟在地裂缝或地表沉降等自然灾害作用下，对地铁，地下综合管廊的设计进行试验模拟，有效的控制地下建筑受力的大小，方向及范围，具有模拟精确度高，模拟过程简单，使用方便的特点；

2.本发明所设计的模型箱的大小可分别由右侧滑板控制长度和上下板的可拆卸性来控制高度，并通过液压泵与千斤顶的结合使用，再使这两者与电脑相连，可通过电脑控制其抬升或沉降的速率，高度及所用时间，具有可容装、移动，又可实现在不同条件下功能多样、多次重复使用且实用价值高的特点；

3.本发明系统通过电脑来控制，操作轻松方便、简单易懂，节约了劳动力、节省了时间，可达到单人操作的效果，无需专门设备，只需在模拟时，预先进行土体的填埋，可达到真实的模拟效果；

4.运用本发明所设计的模型箱，可以实现不同角度地裂缝对地下综合管廊的影响，解决了原来只有一种垂直角度的模拟问题，而且可以通过本发明所述方法分析地裂缝环境下地层与地下综合管廊或地铁隧道相互作用的内在关系，建立城市地下结构与土体相互作用计算模型。

附图说明

图1为本发明模拟测量系统控制流程图。

图2为本发明模型箱结构示意图。

图3-1为本发明模型箱左视图。

图3-2为本发明悬臂装置结构示意图。

图3-3为本发明伸缩臂结构示意图。

图3-4为本发明旋转臂结构示意图。

图4为本发明模型箱右视图。

图5-1为本发明模型箱右侧边框剖视图。

图5-2为本发明模型箱右箱面板结构示意图。

图6为本发明模型箱主视图。

图7为本发明模型箱俯视图。

图8为本发明模型箱箱底板俯视图。

图9为本发明模型箱正交分隔板结构示意图。

图10为本发明模型箱斜交分隔板结构示意图。

图11为本发明模型箱模拟管廊结构示意图。

图12为本发明液压控制装置结构示意图。

其中：1.箱体支座，2.框架，21.滑槽，22.丝杠螺杆，23.合页板，231.第一螺纹孔，3.右箱面板，31.移动滑块，32.五角爪，321.丝杠螺母，322.爪，33.压力传感器，4.前箱面板，5.千斤顶，51.液压泵，6.左箱面板，61.上侧壁，62.下侧壁，621.观察孔，63.伸缩臂，631.第一气缸，64.旋转臂，641.第二气缸，65.旋转关节，66.连接板，67.固定板，7.后箱面板，8.箱底板，81.分隔缝，82.第二螺纹孔，9.管廊本体，10.正交分隔板，11.斜交分隔板，101.弧形开口，102.第三螺纹孔。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1、图2、图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图4、图5-1、图5-2、图6—图12所示的一种隧道和地下工程模拟测量系统及方法，所述隧道和地下工程模拟测量系统包括控制单元、模拟测量单元和气压控制单元，控制单元分别与模拟测量单元、气压控制单元通过导线连接；

所述控制单元为电脑pc端，给气压控制单元发布命令，控制并显示气压，同时接受和显示来自于模拟测量单元的参数，进行分析；

所述模拟测量单元包括模型箱、分隔板和模拟管廊，模拟管廊和分隔板均可拆卸的安装在模型箱内，试验时，通过将分隔板放置在模型箱中不同的位置来模拟不同的地裂缝，而通过管廊本体与分隔板不同的夹角来模拟地下隧道或者建筑物在地裂缝作用下的变形以及沉降情况，得到模拟管廊在不同地裂缝中参数变化和管廊本体的变形参数；

气压控制单元为液压控制装置，所述液压控制装置安装在模型箱地板下方，通过接收控制单元的命令，控制液压泵对千斤顶加压的压力的大小，通过千斤顶控制模型箱地板的高低位置以及模型箱地板的升降速率，模拟地壳升降对地下建筑的影响。

所述的模型箱包括箱体和箱体支座1，箱体支座1安装在箱体的下方；所述箱体包括框架2和安装在框架2上的右箱面板3、前箱面板4、左箱面板6、后箱面板7和箱底板8，且所述右箱面板3可移动安装在框架2的角钢上；

进一步的，所述右箱面板3通过滑动装置安装在箱体的右侧，所述滑动装置包括丝杠组件、设置在右箱面板3上的移动滑块31、设置在箱体右侧框架2角钢上的滑槽21，所述移动滑块31滑动安装在滑槽21内，丝杠组件安装在右箱面板和右侧框架2的角钢之间，使用丝杠组件对右箱面板3进行限位，同时根据实验需要控制右箱面板3左右移动的位移量；所述的丝杠组件包括压力传感器33、设置在右侧框架角钢上的丝杠螺杆22、以及设置在箱面板上的五角爪32，所述五角爪32上设置有与丝杠螺杆配合使用的丝杠螺母321，同时，使用时，将丝杠螺母321与丝杠螺杆22螺纹连接；五角爪32的五个爪322上均设置有螺孔，所述螺孔与箱板面上的螺孔配合使用，将五角爪与箱板面螺栓连接，所述压力传感器33设置在爪322的上，在实验时，利用传感器33测量右箱面板3的侧向图压力；

进一步的，所述前箱面板4与前侧框架的角钢固定连接，后箱面板7与后侧框架的角钢固定连接，且所述前箱面板4和后箱面板7均采用透明的板状材料，方便观察模型箱内部土体表面变化，本申请优先采用钢化玻璃，根据实验需要，也可采用其他材质的透明材料；

进一步的，所述的左箱面板6包括与左侧框架上的角钢活动连接的上侧壁61和与左侧框架上的角钢固定连接的下侧壁62；所述上侧壁61通过悬臂装置与下侧壁62连接；且在下侧壁62上设置有观察孔621，使用时，可欧诺个国观察孔621伸入摄像头及钻孔窥视仪，对放置在此位置的隧道或综合管廊模型内部情况进行观察；所述悬臂装置包括伸缩臂63、旋转臂64，伸缩臂63和旋转臂64之间通过旋转关节65连接，伸缩臂63内设置有第一气缸631，且伸缩臂63的另一端通过连接板66与上侧壁的箱面板紧固连接；旋转臂64的下侧面上设置有第二气缸641，且旋转臂6）的另一端固定板67铰接，固定板67固定安装在下侧壁62的板面上，使用时，通过第一气缸631的伸缩，控制伸缩臂的伸缩，进而控制上侧壁61的开合，通过第二气缸641的伸缩，控制旋转臂64的旋转，进而将下侧壁62移到其他位置，减少下侧壁62面板对加实验土时的影响；

所述的箱底板8活动安装在底部框架上的角钢上，且与右箱面板3、前箱面板4、左箱面板6、后箱面板7的底侧边紧密贴合，防止在实验时漏土；所述箱底板8由a、b、c、d四个模块组成，其中a模块所在版块为上盘，b模块所在版块为下盘，各个模块之间通过螺栓连接，且在各个模块的连接处，预留有分隔缝81，并在分隔缝81两边的模板上预留有第二螺纹孔82，使用时，利用螺栓和连接板配合将两两相邻的第二螺纹孔82连接起来，即实现将各个模块连接起来；当通过螺栓和连接板将a与d和b与c组合，即当正交分隔板10卡合在箱体正中间时，可模拟地铁隧道、综合管廊与地裂缝的正交情况；当a与c和b与d组合时，可模拟地铁隧道、综合管廊与地裂缝的斜交60°的情况；

进一步的，在所述箱体顶部设置有与a-d、a-c、b-d、b-c分隔缝位置相对应的角钢，所述角钢上均固定设置有合页板23，所述合页板23的左右两侧合页上对应开设有第一螺纹孔231。

模拟管廊包括管廊本体9、设置在管廊本体内外侧的感应片91和设置在管廊本体内侧的摄像头92，用于实时监测管廊本体内外侧的土压力和管廊本体的变形情况，所述感应片91和摄像头92可根据需要设置其个数和与管廊本体9的贴合方式。

分隔板包括正交分隔板10和斜交分隔板11，且在正交分隔板10和斜交分隔板11下部中间均设置有与管廊本体9截面积相同的弧形开口101，用于在实验时，将管廊本体9从弧形开口101中穿过；而且进一步的，在正交分隔板10和斜交分隔板11的上端设置有与第一螺纹孔231配合使用的第三螺纹孔102，使用时，通过螺栓将第一螺纹孔231与第三螺纹孔102进行连接，对正交分隔板10和斜交分隔板11在箱体中的位置进行固定。

所述的液压控制装置包括千斤顶5、液压泵51，液压泵51的液压输出端通过液压管与千斤顶5的压力输入端相连，千斤顶5的头部顶在箱底板8的下端，使用时，通过千斤顶5头部的伸缩控制箱底板8各个模块的上下位移及抬升或沉降的速率。

一种隧道和地下工程模拟系统的测量方法，所述测量方法的具体测量步骤包括：

步骤一：根据实验要求调整右箱面板3的左右位置，并利用丝杠组件将右箱面板3固定，调整好后将管廊本体9顺箱体长边放置在箱底板8上，且管廊本体9一端的端口与观察孔621对齐，另一端封闭或者与移动右箱面板3的内侧面紧密贴合，防止在实验时，实验土进入管廊内部，影响实验结果；

步骤二：根据需要，在管廊本体9内外表面上贴上适量的感应片91，同时通过观察孔621放入摄像头92，并将导线全部从观察孔621顺出，并与电脑端pc端相连，使得导线统一收集和处理；

步骤三：打开第一气缸631和第二气缸641，利用悬臂装置的将上侧壁61的面板打开，然后根据实验目的，将a区和d区、b区和c区连接，形成正交，并放入正交分隔板10，模拟隧道与管廊的正交；或者将a区和c区、b区和d区连接，形成斜交，并放入斜交分隔板11，模拟隧道与管廊的斜交；

步骤四：然后在取下上侧壁61后的窗口在箱体内加入适量的实验土，然后再利用第一气缸631和第二气缸641合上上侧壁61，根据需要，对实验土进行捣实和压实；

步骤五：根据实验目的，将千斤顶5布置在箱底板8的下方，并根据需要分成ad区和bc区或者ac区和bd区，由电脑端控制液压泵51根据需要对相应片区的千斤顶5加压，千斤顶5对ad区和bc区或者ac区和bd区模块中的任一个或者两个同时顶起或放下，同时记录液压表、感应片和摄像头、以及ad区和bc区或者ac区和bd区的升降距离以及升降速度数据，进行计算分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。