双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，包括试验槽、既有隧道模型、新建隧道模型、加载系统和数据采集系统；既有隧道模型为埋设在试验槽内的模型隧道管，模型隧道管由多个模型隧道环串联而成，每个模型隧道环由多瓣模型隧道管片固接而成；新建隧道模型包括埋设在试验槽内的外筒和推筒，推筒滑动配合在外筒内；新建隧道模型和既有隧道模型平行相邻设置。本发明还原了实际情况下盾构机推进和后退时掌子面的运动和盾构机与土体相互作用关系，并通过相邻的模型隧道模拟该情况下既有隧道的受力情况，为分析掌子面加卸荷时周围土体应力变化大小、隧道受压力变化大小和既有隧道变形量大小提供试验依据。
【专利说明】
双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种模型试验技术领域，特别是涉及一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，用于模拟和测试盾构法开挖双线隧道时新建隧道掌子面加卸荷对周围土体及既有隧道的影响。
【背景技术】
[0002]近年来随着我国城市基础设施建设的飞速发展，地下轨道交通以其环保、高效、经济的特点，逐渐成为现在城市交通重要的组成部分。在具有复杂地下轨道交通系统的发达城市中，受客观条件的限制，经常面临双线隧道开挖建设问题，且相邻隧道间距小。在既有隧道邻近位置并行开挖的新建隧道，会破坏周围土体的平衡状态，造成周围土体应力场和位移场的变化，产生引发地表沉降、地表或地面结构破坏、隧道变形过大破坏的风险。在盾构法开挖新建隧道中，盾构机推进造成掌子面加荷，挤压周围土体，对既有隧道造成挤压；盾构机后退造成掌子面卸荷，掌子面上部土体可能出现坍塌趋势，形成水平拱，也可能会对既有隧道造成挤压。因此，研究盾构法开挖双线隧道时掌子面加卸荷对周围土体和既有隧道的影响是十分有意义且必要的。
【发明内容】
[0003]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，该系统还原了实际情况下盾构机推进和后退时掌子面的运动和盾构机与土体相互作用关系，并通过相邻的模型隧道模拟该情况下既有隧道的受力情况，为分析掌子面加卸荷时周围土体应力变化大小、隧道受压力变化大小和既有隧道变形量大小提供试验依据。
[0004]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，包括试验槽、既有隧道模型、新建隧道模型、加载系统和数据采集系统;所述既有隧道模型为埋设在所述试验槽内的模型隧道管，所述模型隧道管的横向刚度与纵向刚度与实际工程中的隧道通过相似比形成对应关系，所述模型隧道管的两端分别垂直固定在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上，所述模型隧道管由多个模型隧道环串联而成，每个所述模型隧道环由多瓣模型隧道管片固接而成;所述新建隧道模型包括埋设在所述试验槽内的外筒和推筒，所述推筒滑动配合在所述外筒内，所述外筒的一端垂直固定在所述试验槽的前侧壁上，所述外筒的另一端设置在所述试验槽内；所述新建隧道模型和所述既有隧道模型平行相邻设置;所述加载系统包括电动推杆和与其平行的至少两根滑轨，所述电动推杆的输出端与所述推筒垂直固接，所述滑轨与所述推筒垂直固接，所述滑轨装配在导向块内，所述导向块和所述电动推杆固装在所述试验槽的前侧壁上;所述数据采集系统包括计算机、数据采集仪、激光位移传感器、应变片、土压力盒1、土压力盒Π、摄像头I和摄像头Π;所述激光位移传感器安装在中轴管上，所述中轴管设置在所述既有隧道模型内，二者同轴设置，所述中轴管固定在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上，每个所述模型隧道环对应4个所述激光位移传感器，对应同一个所述模型隧道环的4个所述激光位移传感器均布在所述中轴管同一断面的周向上，所述激光位移传感器用于测量与其对应的所述模型隧道环的位移及变形;所述土压力盒I粘在所述模型隧道环的外表面上，在所述模型隧道环的内外表面上各设有一一对应的多个所述应变片，所述应变片用于测量所述模型隧道环的应力和弯矩，所述土压力盒I用于测量所述模型隧道环受到的土体压力;所述土压力盒Π镶嵌在所述推筒的外端面上，所述土压力盒Π用于测量所述推筒在加卸荷时与土体接触面受到的土体压力;所述摄像头I固定在所述试验槽上部，用于采集实验过程中土体上表面破坏图像;所述摄像头Π固定在所述外筒内部，用于采集所述外筒内部的图像;所述数据采集仪采集来自所述激光位移传感器、所述应变片、所述土压力盒I和所述土压力盒Π的数据;所述计算机读取来自所述数据采集仪、所述摄像头I和所述摄像头Π的数据并显示相应的图形?目息O
[0005]所述既有隧道模型靠近所述试验槽的左侧壁，二者之间的距离大于两倍所述既有隧道模型的外径，所述新建隧道模型靠近所述试验槽的右侧壁，二者之间的距离大于两倍所述新建隧道模型的外径，所述试验槽位于所述既有隧道模型和所述新建隧道模型之上的上部空间的高度大于四倍的所述既有隧道模型的外径。
[0006]在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上均开设有窗洞，在前窗洞上固接有铝板，在后窗洞上固接有有机玻璃板，所述模型隧道管和所述中轴管固定在所述铝板和所述有机玻璃板上，所述外筒、所述导向块和所述电动推杆固装在所述铝板上。
[0007]所述导向块和所述电动推杆固装在固定板上，所述固定板固装在所述铝板上;所述中轴管通过两个固定端板与所述铝板和所述有机玻璃板固接。
[0008]所述电动推杆采用数控盒控制。
[0009]在所述电动推杆上标有刻度，所述摄像头Π用于采集所述推筒移动的距离。
[0010]所述外筒和所述推筒是采用铝制成的。
[0011]本发明具有的优点和积极效果是:由多个模型隧道环串联而成的既有隧道模型，真实地还原了盾构法开挖建造的隧道结构形式和特点，通过在其中轴管上安装的激光位移传感器，可以实时记录试验过程中模型隧道环的变形情况，同时中轴管通过固定端头安装在位于试验槽前后两侧的铝板和有机玻璃板中间，保证了它的稳定性。新建隧道模型的结构可以保证试验进行过程中推筒和外筒始终同心，尽可能减少两者之间的摩擦力，同时避免推筒发生扭转和卡顿;在电动推杆上标有刻度，可以使推筒前进或后退准确的距离；电动推杆可以设定行进速度，增加了试验的可控性。通过加载系统、数据采集系统、新建隧道模型和既有隧道模型之间的相互配合，能够有效模拟掌子面加卸荷过程中，对周围土体和既有隧道造成的影响；摄像头可以记录土体上表面变形情况和掌子面推进情况，直观地反应试验效果;数据采集系统采集土体对掌子面和既有隧道的压力、既有隧道应力应变和变形，通过采集的数据，可以进一步分析土体的应力场、位移场以及掌子面周围土体的破坏形式。数据采集仪将从各个传感器采集来的数据传输给计算机，将每一时刻的数据变化情况及时而又直观地显示在试验操作人员面前，方便及时调整试验过程。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的主视图；
[0013]图2为图1的俯视图；
[0014]图3为本发明的新建隧道模型和既有隧道模型示意图；
[0015]图4为本发明的新建隧道模型及加载系统示意图；
[0016]图5为图4去掉外筒的示意图；
[0017]图6为本发明的既有隧道模型和设置在其内部的激光位移传感器示意图；
[0018]图7为本发明的模型隧道环示意图；
[0019]图8为本发明的模型隧道管片示意图。
[0020]图中:1、试验槽，2、既有隧道模型，2-1、模型隧道环，2-1-1、模型隧道管片，3、新建隧道模型，3-1、外筒，3-2、推筒，4-1、电动推杆，4-2、滑轨，4_3、导向块，4_4、固定板，4-5、数控盒，5-1、计算机，5-2、数据采集仪，5-3、激光位移传感器，5-4、应变片，5_5、土压力盒I，5-
6、土压力盒Π，5-7、摄像头I，5-8、摄像头Π，5-9、中轴管，5-10、固定端板，6、铝板，7、有机玻璃板。
【具体实施方式】
[0021]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0022]请参阅图1?图8，一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，包括试验槽1、既有隧道模型2、新建隧道模型3、加载系统和数据采集系统。
[0023]所述既有隧道模型2为埋设在所述试验槽I内的模型隧道管，所述模型隧道管的横向刚度与纵向刚度与实际工程中的隧道通过相似比形成对应关系，所述模型隧道管的两端分别垂直固定在所述试验槽I的前侧壁和后侧壁上，所述模型隧道管由多个模型隧道环2-1串联而成，每个所述模型隧道环2-1由多瓣模型隧道管片2-1-1固接而成。
[0024]所述新建隧道模型3包括埋设在所述试验槽I内的外筒3-1和推筒3-2，所述推筒3-2滑动配合在所述外筒3-1内，所述外筒3-1的一端垂直固定在所述试验槽I的前侧壁上，所述外筒3-1的另一端设置在所述试验槽I内。
[0025]所述新建隧道模型3和所述既有隧道模型2平行相邻设置。
[0026]所述加载系统包括电动推杆4-1和与其平行的至少两根滑轨4-2，所述电动推杆4-1的输出端与所述推筒3-2垂直固接，所述滑轨4-2与所述推筒3-2垂直固接，所述滑轨4-2装配在导向块4-3内，所述导向块4-3和所述电动推杆4-1固装在所述试验槽I的前侧壁上。
[0027]所述数据采集系统包括计算机5-1、数据采集仪5-2、激光位移传感器5-3、应变片5-4、土压力盒15-5、土压力盒Π 5-6、摄像头15_7和摄像头Π 5-8。
[0028]所述激光位移传感器5-3安装在中轴管5-9上，所述中轴管5-9设置在所述既有隧道模型2内，二者同轴设置，所述中轴管5-9固定在所述试验槽I的前侧壁和后侧壁上，每个所述模型隧道环2-1对应4个所述激光位移传感器5-3，对应同一个所述模型隧道环2-1的4个所述激光位移传感器5-3均布在所述中轴管5-9同一断面的周向上，所述激光位移传感器5-3用于测量与其对应的所述模型隧道环2-1的位移及变形。
[0029]所述土压力盒15-5粘在所述模型隧道环2-1的外表面上，在所述模型隧道环2-1的内外表面上各设有一一对应的多个所述应变片5-4，所述应变片5-4用于测量所述模型隧道环2-1的应力和弯矩，所述土压力盒15-5用于测量所述模型隧道环2-1受到的土体压力。
[0030]所述土压力盒Π5-6镶嵌在所述推筒3-2的外端面上，所述土压力盒Π 5-6用于测量所述推筒3-2在加卸荷时与土体接触面受到的土体压力。
[0031]所述摄像头15-7固定在所述试验槽I上部，用于采集实验过程中土体上表面破坏图像。
[0032]所述摄像头Π5-8固定在所述外筒3-1内部，用于采集所述外筒3_1内部的图像。
[0033]所述数据采集仪5-2采集来自所述激光位移传感器5-3、所述应变片5-4、所述土压力盒15-5和所述土压力盒Π 5-6的数据。
[0034]所述计算机5-1读取来自所述数据采集仪5-2、所述摄像头15-7和所述摄像头Π5-8的数据并显示相应的图形信息。
[0035]在本实施例中，使用相对较大尺寸的试验槽，以减少边界效应对试验结果的影响，使试验数据更为准确和可靠，具体方案为:所述既有隧道模型2靠近所述试验槽I的左侧壁，二者之间的距离大于两倍所述既有隧道模型2的外径，所述新建隧道模型3靠近所述试验槽I的右侧壁，二者之间的距离大于两倍所述新建隧道模型3的外径，所述试验槽I位于所述既有隧道模型2和所述新建隧道模型3之上的上部空间的高度大于四倍的所述既有隧道模型2的外径。
[0036]在本实施例中，为了方便装配，在所述试验槽I的前侧壁和后侧壁上均开设有窗洞，在前窗洞上固接有铝板6，在后窗洞上固接有有机玻璃板7，所述模型隧道管和所述中轴管5-9固定在所述铝板6和所述有机玻璃板7上，所述外筒3-1、所述导向块4-3和所述电动推杆4-1固装在所述铝板6上。铝板6不但重量轻，还具有足够的强度。有机玻璃板7能够方便试验人员观察试验槽I内的状况。为了便于安装，将所述导向块4-3和所述电动推杆4-1固装在固定板4-4上，所述固定板4-4固装在所述招板6上;所述中轴管5-9通过两个固定端板5-10与所述铝板6和所述有机玻璃板7固接。在本实施例中，所述电动推杆4-1采用数控盒4-5控制。在所述电动推杆4-1上标有刻度，所述摄像头Π 5-8用于采集所述推筒3-1移动的距离。所述外筒3-1和所述推筒3-2是采用铝制成的。
[0037]试验开始前，先将既有隧道模型和新建隧道模型安装固定，并调整至初始位置。测定填土的物理力学特性，当填土为无粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角。通过控制土体的密实度将其装入试验槽内；当填土为粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度，通过控制土体的含水率和容重将其装入试验槽内，安装及填土完成后，将加载系统、数据采集系统如图1进行连接。
[0038]试验开始后，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。首先对应变仪进行平衡、清零，而后打开数控盒设定试验加荷速率和推筒的运动距离，加荷速度可以在O?5mm/s之间变化，正向行程为75mm，反向行程为125mm。开始运动后，应变仪采集土体对掌子面和既有隧道的压力、既有隧道应力应变和变形，摄像机监测土体上表面变形情况和掌子面行进距离。试验结束后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，整理试验数据，
[0039]本发明在双线隧道开挖时掌子面加、卸荷情况下，测定既有隧道表面受到土压力大小，既有隧道各节管片变形大小，管片应力应变大小，掌子面受到土压力大小。从而获得在隧道不同埋深情况下，掌子面前进、后退距离与既有隧道表面受到土压力、既有隧道各节管片变形、管片应力应变，掌子面受到土压力之间的相互关系。从而进一步研究掌子面加、卸荷情况下对周围土体的影响范围和对既有隧道的作用规律。
[0040]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，包括试验槽、既有隧道模型、新建隧道模型、加载系统和数据采集系统； 所述既有隧道模型为埋设在所述试验槽内的模型隧道管，所述模型隧道管的横向刚度与纵向刚度与实际工程中的隧道通过相似比形成对应关系，所述模型隧道管的两端分别垂直固定在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上，所述模型隧道管由多个模型隧道环串联而成，每个所述模型隧道环由多瓣模型隧道管片固接而成； 所述新建隧道模型包括埋设在所述试验槽内的外筒和推筒，所述推筒滑动配合在所述外筒内，所述外筒的一端垂直固定在所述试验槽的前侧壁上，所述外筒的另一端设置在所述试验槽内； 所述新建隧道模型和所述既有隧道模型平行相邻设置； 所述加载系统包括电动推杆和与其平行的至少两根滑轨，所述电动推杆的输出端与所述推筒垂直固接，所述滑轨与所述推筒垂直固接，所述滑轨装配在导向块内，所述导向块和所述电动推杆固装在所述试验槽的前侧壁上； 所述数据采集系统包括计算机、数据采集仪、激光位移传感器、应变片、土压力盒1、土压力盒Π、摄像头I和摄像头Π ； 所述激光位移传感器安装在中轴管上，所述中轴管设置在所述既有隧道模型内，二者同轴设置，所述中轴管固定在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上，每个所述模型隧道环对应4个所述激光位移传感器，对应同一个所述模型隧道环的4个所述激光位移传感器均布在所述中轴管同一断面的周向上，所述激光位移传感器用于测量与其对应的所述模型隧道环的位移及变形； 所述土压力盒I粘在所述模型隧道环的外表面上，在所述模型隧道环的内外表面上各设有一一对应的多个所述应变片，所述应变片用于测量所述模型隧道环的应力和弯矩，所述土压力盒I用于测量所述模型隧道环受到的土体压力； 所述土压力盒Π镶嵌在所述推筒的外端面上，所述土压力盒Π用于测量所述推筒在加卸荷时与土体接触面受到的土体压力； 所述摄像头I固定在所述试验槽上部，用于采集实验过程中土体上表面破坏图像； 所述摄像头Π固定在所述外筒内部，用于采集所述外筒内部的图像； 所述数据采集仪采集来自所述激光位移传感器、所述应变片、所述土压力盒I和所述土压力盒Π的数据； 所述计算机读取来自所述数据采集仪、所述摄像头I和所述摄像头Π的数据并显示相应的图形信息。2.根据权利要求1所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，所述既有隧道模型靠近所述试验槽的左侧壁，二者之间的距离大于两倍所述既有隧道模型的外径，所述新建隧道模型靠近所述试验槽的右侧壁，二者之间的距离大于两倍所述新建隧道模型的外径，所述试验槽位于所述既有隧道模型和所述新建隧道模型之上的上部空间的高度大于四倍的所述既有隧道模型的外径。3.根据权利要求1所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，在所述试验槽的前侧壁和后侧壁上均开设有窗洞，在前窗洞上固接有铝板，在后窗洞上固接有有机玻璃板，所述模型隧道管和所述中轴管固定在所述铝板和所述有机玻璃板上，所述外筒、所述导向块和所述电动推杆固装在所述铝板上。4.根据权利要求3所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，所述导向块和所述电动推杆固装在固定板上，所述固定板固装在所述铝板上;所述中轴管通过两个固定端板与所述铝板和所述有机玻璃板固接。5.根据权利要求1所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，所述电动推杆采用数控盒控制。6.根据权利要求1所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，在所述电动推杆上标有刻度，所述摄像头Π用于采集所述推筒移动的距离。7.根据权利要求1所述的双线隧道开挖掌子面加卸荷模拟测试系统，其特征在于，所述外筒和所述推筒是采用铝制成的。
【文档编号】G01N3/08GK105865922SQ201610343889
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】郑刚, 范奇, 查万理, 张天奇
【申请人】天津大学