CN103033374B - 一种盾构隧道纵向结构模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，该试验装置包括反力架、端部约束件、加载件和数据采集设备，所述的端部约束件和加载件设在反力架上，盾构隧道模型固定在端部约束件上，加载件从盾构隧道模型上方施加荷载使盾构隧道模型产生形变，所述的数据采集设备连接盾构隧道模型，采集并处理形变数据。与现有技术相比，本发明为隧道结构受力模拟，改变了传统模型试验中将隧道埋置于岩土体中的思想，试验装置装拆方便快速，占地空间小，测量数据准确。

Description

一种盾构隧道纵向结构模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种地下建筑结构试验装置，尤其是涉及一种盾构隧道纵向结构模型试验装置。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，我国城市化进程的加快，盾构隧道工程发展迅速，尤其体现在大中型城市的轨道交通工程项目和跨海越江公路铁路工程项目，已投入运营的隧道已经表现出不同程度的病害发展。这是由于目前国内外盾构隧道管片结构以及接头普遍采用“典型横断面”法设计，难以考虑土体与隧道纵向结构长期相互作用，从而难以预测隧道纵向变形对隧道纵向力学性能的影响。虽然采取保守设计，但从运营情况来看，隧道纵向性能依然引起工程界相当的重视。针对盾构隧道纵向力学性能，结合室内模型试验研究给定边界条件下盾构隧道纵向力学性能具有重大工程意义。

国内外学者对盾构隧道纵向结构模型试验研究较少，同时已有的盾构隧道纵向结构模型试验普遍存在数据采集困难、试验可重复性差、经济成本大等诸多问题。已有的隧道纵向结构模型试验常常将隧道模型埋置于土箱内，考虑到岩土体的特殊性，已有的隧道纵向结构模型模型试验往往存在模型试验填土出土工作量大、模型试验周期长、模型试验可重复性差、模型试验经济成本高昂，模型试验装置系统难以有效模拟隧道边界条件变化对隧道纵向力学性能的影响，模型试验装置系统难以有效模拟隧道纵向端部不同约束刚度的影响。

传统的盾构纵向模型试验装置系统通常采用土箱形式，模型置于试验土体介质中，土体包围使得隧道模型不可见，其模型细观的管片环间接头张开现象难以观察，更加无法测量。对隧道纵向性能的研究无法进一步展开。

同时，传统的盾构纵向模型试验装置系统通常采用土箱形式，将隧道模型埋置于岩土体内部，使得对于模型隧道的纵向沉降以及横向收敛数据采集困难；考虑到埋置岩土体中含水量等因素的影响，使得模型隧道在试验过程中的应力应变数据也难以采集。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，该试验装置改变了传统模型试验中将隧道埋置于岩土体中的思想，试验装置装拆方便快速，占地空间小，测量数据准确。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，该试验装置包括反力架、端部约束件、加载件和数据采集设备，所述的端部约束件和加载件设在反力架上，盾构隧道模型固定在端部约束件上，加载件从盾构隧道模型上方施加荷载使盾构隧道模型产生形变，所述的数据采集设备连接盾构隧道模型，采集并处理形变数据。

所述的反力架包括两组桁架和两个钢梁，所述的桁架垂直设置，桁架上设有三角形固定支架，所述的钢梁平行架设在两组桁架之间。

所述的端部约束件有四个，分别设置在两个钢梁的两端，所述的加载件设在上方的钢梁上。

所述的加载件设有多个，该加载件包括加载螺杆、加载设备和接触端头，所述的加载螺杆、加载设备和接触端头依次连接，加载螺杆连接钢梁，加载设备提供荷载，接触端头接触盾构隧道模型，直接向盾构隧道模型施加荷载。

所述的加载件的数量以及接触端头的形式根据模型试验加载工况确定，接触端头包括窄型端头或宽型端头，所述的窄型端头可将施加的集中荷载作用转化为作用在隧道上的纵向均布荷载作用，所述的宽型端头可使端部约束件所提供的抗力均匀分布到盾构隧道模型衬砌环周围，模拟隧道端部不同连接对隧道结构的局部均布作用。

所述的接触端头包括钢板和弧形凹口木块，所述的弧形凹口木块通过螺钉连接钢板。

所述的端部约束件包括螺杆组件、模拟弹簧和约束端头，所述的螺杆组件包括螺杆芯筒、螺杆套筒和加载杆，所述的螺杆芯筒从螺杆套筒的一端伸入螺杆套筒内，螺杆芯筒与螺杆套筒上均设有弹簧垫片，所述的模拟弹簧套设于两弹簧垫片之间，所述的螺杆套筒的另一端通过加载杆连接约束端头。

所述的约束端头包括钢板和半圆凹口木块，半圆凹口木块通过螺钉连接钢板，其半圆凹口接触盾构隧道模型外壁，使盾构隧道模型受力均匀并约束转动方向。

所述的数据采集设备包括传感器和计算机，传感器采集数据并传送至计算机进行处理。

所述的传感器包括应变仪和轴力传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.改变了传统模型试验中将隧道埋置于岩土体中的思想，从而保证了纵向模型试验过程可以采集到更多、更准确的隧道模型纵向沉降数据、横向收敛数据、纵向应力应变数据、横向应力应变数据，由于没有岩土体介质的覆盖，试验中可以通过裂缝观测仪测量模型隧道变形中接头张开现象，直观的反应隧道的变形情况。

2.采用四个端头约束件组成纵向隧道模型端部约束系统共同作用模拟不同端部边界转动刚度，使得模型试验过程中可以轻易实现对不同端部边界的模拟，进而研究端部约束刚度对盾构隧道纵向结构力学性能的影响。

3.试验过程中由于不需反复的填土、出土工作，使得隧道纵向模型试验周期极大地缩短，试验环境大为改善，提高了试验效益，并可以在试验过程中及时调整部分试验参数以实现不同工况。

4.加载件的接触端头将装于加载反力架的螺杆机构所施加的集中荷载转化为作用在隧道模型上一定范围的均布荷载，能够较为理想的模拟实际隧道的受力情况。通过设置多个加载件实现多点加载，能够更精确的控制模型盾构隧道的形变。

5.本发明不仅可以完成考虑不同端部约束的多点加载盾构隧道纵向结构模型试验，对其中的两类接触端头进行适当修改即可用于其它类型的弹性地基梁模型试验，使模型试验装置具有广泛的应用领域。

6.采用螺栓连接试验装置系统各个构件，使得本发明模型装置系统相对以往庞大的土箱试验装置系统，装拆方便快速，试验占地空间小，并能适应不同几何尺寸的模型试验。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的左视结构示意图；

图3为本发明的端部约束件的结构示意图；

图4为本发明的加载件的结构示意图；

图5为图4中加载件的窄型端头A-A向视图；

图6为图4中加载件的宽型端头A-A向视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，该试验装置包括反力架1、端部约束件4、加载件3和数据采集设备。反力架1包括两组桁架11、两个钢梁12和设置在桁架11上的支架13，桁架11垂直设置，钢梁12上下平行架设在两组桁架12之间，支架13通过螺钉将整个试验装置固定在地面上。端部约束件4有四个，分别设在上下两个钢梁12的两端用于固定盾构隧道模型2，加载件3设在上方的钢梁12上，数据采集设备包括传感器和计算机，传感器连接盾构隧道模型2，加载件3设有三个，从盾构隧道模型2上方施加荷载使盾构隧道模型2产生形变，传感器采集该形变数据并传送至计算机进行数据处理。传感器一般采用应变仪和轴力传感器。

图3为端部约束件4的结构示意图，包括螺杆组件41、弹簧42和约束端头43，螺杆组件41包括螺杆芯筒411、螺杆套筒412和加载杆413，螺杆芯筒411从螺杆套筒412的后端伸入螺杆套筒412内，螺杆芯筒411与螺杆套筒412上均设有弹簧垫片414，弹簧42套设于两弹簧垫片414之间，螺杆套筒412的前端通过加载杆413连接约束端头43。该约束端头43包括钢板和半圆凹口木块，半圆凹口木块通过螺钉连接钢板，其半圆凹口接触盾构隧道模型2外壁，使盾构隧道模型2受力均匀并约束其转动方向。

图4显示了加载件3的具体结构，包括加载螺杆31、加载设备32和接触端头33。加载螺杆31、加载设备32和接触端头33依次连接，加载螺杆31通过螺钉固定在钢梁12上，加载设备32提供荷载，一般使用螺栓机械啮合顶进或油压千斤顶，接触端头33包括钢板和弧形凹口木块，弧形凹口木块通过螺钉连接钢板，其弧形凹口接触盾构隧道模型2，直接向盾构隧道模型2施加荷载。

接触端头33分为窄型端头和宽型端头两种，根据模型试验加载工况确定，如图5、6所示。窄型端头可将施加的集中荷载作用转化为作用在隧道上的纵向均布荷载作用，所述的宽型端头可使端部约束件所提供的抗力均匀分布到盾构隧道模型2衬砌环周围，模拟隧道端部不同连接对隧道结构的局部均布作用。

本发明的工作过程如下：

1.根据隧道纵向模型试验的几何相似关系以及力学相似关系，确定模型隧道材料尺寸、加载件3中加载设备32的种类、端部约束件4的弹簧42刚度参数等。

2.根据隧道纵向模型试验目的，将相应的端部约束件4布置在反力架1的钢梁12上。

3.将盾构隧道模型2固定在端部约束件4上，此过程应注意对盾构隧道模型2的高度进行调平，确保试验过程中加载件3能够达到预期的工作性能。

4.确定模型加载件3的布置方式，并安装加载设备32，按模型试验设计的加载方式将加载件3固定在相应的反力架1的钢梁12上。

5.连接数据采集设备。

6.调试检查各种试验设备是否正常工作，并记录各初始读数，准备试验。

7.按照设计的试验加载方式进行加载，在完成各级加载后，进行试验数据采集。

8.试验加载结束，处理试验数据，根据试验数据处理结果以及模型试验需要进行后续试验工作。

本发明改变了传统模型试验中将隧道埋置于岩土体中的思想，试验装置的各个构件之间通过螺栓或螺钉连接，装拆方便快速，占地空间小。通过设置多个加载件3实现多点加载，能够更精确的控制模型盾构隧道的形变，使测量数据更加准确。而且对其中窄型、宽型两种接触端头进行适当修改即可用于其它类型的弹性地基梁模型试验，使模型试验装置具有广泛的应用领域。

Claims (9)

1.一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，该试验装置包括反力架、端部约束件、加载件和数据采集设备，所述的端部约束件和加载件设在反力架上，盾构隧道模型固定在端部约束件上，加载件从盾构隧道模型上方施加荷载使盾构隧道模型产生形变，所述的数据采集设备连接盾构隧道模型，采集并处理形变数据；

所述的端部约束件包括螺杆组件、模拟弹簧和约束端头，所述的螺杆组件包括螺杆芯筒、螺杆套筒和加载杆，所述的螺杆芯筒从螺杆套筒的一端伸入螺杆套筒内，螺杆芯筒与螺杆套筒上均设有弹簧垫片，所述的模拟弹簧套设于两弹簧垫片之间，所述的螺杆套筒的另一端通过加载杆连接约束端头。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的反力架包括两组桁架和两个钢梁，所述的桁架垂直设置，桁架上设有三角形固定支架，所述的钢梁平行架设在两组桁架之间。

3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的端部约束件有四个，分别设置在两个钢梁的两端，所述的加载件设在上方的钢梁上。

4.根据权利要求1或3所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的加载件设有多个，该加载件包括加载螺杆、加载设备和接触端头，所述的加载螺杆、加载设备和接触端头依次连接，加载螺杆连接钢梁，加载设备提供荷载，接触端头接触盾构隧道模型，直接向盾构隧道模型施加荷载。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的加载件的数量以及接触端头的形式根据模型试验加载工况确定，接触端头包括窄型端头或宽型端头，所述的窄型端头可将施加的集中荷载作用转化为作用在隧道上的纵向均布荷载作用，所述的宽型端头可使端部约束件所提供的抗力均匀分布到盾构隧道模型衬砌环周围，模拟隧道端部不同连接对隧道结构的局部均布作用。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的接触端头包括钢板和弧形凹口木块，所述的弧形凹口木块通过螺钉连接钢板。

7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的约束端头包括钢板和半圆凹口木块，半圆凹口木块通过螺钉连接钢板，其半圆凹口接触盾构隧道模型外壁，使盾构隧道模型受力均匀并约束转动方向。

8.根据权利要求1所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的数据采集设备包括传感器和计算机，传感器采集数据并传送至计算机进行处理。

9.根据权利要求8所述的一种盾构隧道纵向结构模型试验装置，其特征在于，所述的传感器包括应变仪和轴力传感器。