CN105806697A - 一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置及其方法，所述的装置包括试验箱、隧道开挖模拟装置、管线和量测系统；试验箱为可视化钢化玻璃箱；隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；量测系统包括沉降杆、位移传感器、应变片、压力盒、数据采集仪和计算机。本发明能够对埋地管线的变形特性和力学行为进行全面的监测，解决了实际工程中监测工作难、量测项目不全面的问题。本发明通过改变内外管间隙体积模拟不同隧道施工产生的地层损失，且可进行不同土体性质和不同管隧空间位置多种不同材质管线变形特性和力学行为的研究，为建立不同工况下的隧道‑管线‑土体的力学模型，全面研究管土相互作用及管线变形机理提供更多的数据基础。

Description

一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置及其方法
技术领域
本发明涉及隧道工程和地铁工程技术领域，特别是一种模拟隧道开挖对周边埋地管线影响的试验装置及方法。
技术背景
在隧道开挖施工过程中，由于地层损失产生的地层位移使隧道周围的埋地管线产生一定的沉降变形，若控制不力则极易造成管线断裂等一系列灾害事故，给人民的生命和财产带来严重的损失。因此，控制好地层沉降位移，探究出土体与周围建筑物、管线和桩基的相互作用，避免隧道施工引起的灾害事故，是地铁隧道工程中迫切需要解决的问题。但目前关于埋地管线变形的预测手段及方法还很不成熟。一方面，隧道施工过程中管线变形的监测工作难度大且成本高，不能实现完全解决管线变形监测的问题；另一方面，关于周边埋地管线的变形机理尚不明确，不能在理论上给出可靠的计算结果。那么通过一种试验装置及试验方法，对埋地管线的变形特性和力学行为进行监测，为研究管线的变形机理提供充分的数据资料，对隧道施工中管线变形的预测给予科学的指导是具有重要意义的。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置及其方法，能够对不同地质条件和工况下埋地管线的变形特性和力学行为进行监测，为研究不同隧道-管线空间位置时管线变形机理提供充足的数据资料，实现对具体隧道施工中管线变形的预测。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，包括试验箱、隧道开挖模拟装置、管线和量测系统；
所述的试验箱为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽，用于安装玻璃挡板；所述的试验箱内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面；所述的土体中埋有管线，管线安装在设计深度处；
所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；所述的内管模拟隧道的砌衬，外管模拟盾构机的盾壳；所述的内管和外管嵌套在一起，水平安置在试验箱的孔洞中；所述的内管和外管之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管贯穿箱体，左端与试验箱上的玻璃挡板紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管的圆孔上；所述的外管外侧沿轴向有刻度标记；
所述的量测系统包括沉降杆、位移传感器、应变片、压力盒、数据采集仪和计算机；所述的沉降杆有多根，其上端与位移传感器连接，下端固定在管线上，所述的位移传感器布置在土体表层上；所述的应变片有多组，沿管线外侧轴向间隔布置，每组2个应变片，分别布置在管线的顶部和底部；所述的压力盒有多组，沿管线外侧轴向与应变片间隔布置，每组2个压力盒，分别布置在管线的顶部和底部；所述的压力盒还布设于管线所在深度的无管线影响区域，所述无影响区域为距管线轴线5倍管径水平距离处；所述的位移传感器、应变片和压力盒分别通过数据线与数据采集仪连接，所述的数据采集仪与计算机连接。
进一步地，所述的试验箱四壁玻璃上预制有刻度标记线。
进一步地，所述的沉降杆由螺纹金属杆、光滑套管和环形扣件组成，所述的螺纹金属杆外部套有光滑套管，螺纹金属杆下部通过环形扣件与管线扣紧。
进一步地，所述的外管为PVC管或钢管，所述的内管为PVC管或钢管，所述的光滑套管为PVC管或铜管。
进一步地，所述的应变片沿管线轴向间隔10cm布置一组，所述的沉降杆沿管线轴向间隔10cm布置一根；所述的应变片与沉降杆交错布置，相互间隔5cm；所述的压力盒沿管线轴向间隔20cm布置一组。
进一步地，所述的管线的轴线与外管轴线平行、垂直或倾斜布设。
一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验方法，包括以下步骤：
A、进行隧道-土体-管线的相似设计；
首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1:L，L为缩尺比例，然后根据几何相似比，对试验所需管线、内管和外管的直径、壁厚和埋深按原型尺寸的1/L进行设计；在材料物理力学参数的设计上，以满足管线弹性模量的相似设计为原则：即所选材料的弹性模量为原型的1/L；土体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，尽量实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按原型土体弹性模量的1/L进行设计。具体设计原则如下：
相似管线：
(1)几何相似比：CL＝L；
(2)弹性模量相似比：CE＝L。
相似土体：
(1)几何相似比：CL＝L，容重相似比：Cγ＝1；
(2)泊松比、摩擦角相似比：
(3)弹性模量相似比：CE＝L。
B、量测系统的布置；
量测内容包括管线的应变、管线的竖向位移、管线的顶部处土压力、管线的底部处土压力和管线所在深度处无管线影响区域处土压力；采用应变片测试管线轴向应变，沿管线轴线方向间隔10cm在管线外壁顶部和底部粘贴1组应变片，全长布设；管线与沉降杆通过环形扣件连接，沿管线轴线间隔10cm，与应变片交错垂直布设于管线上，同时与土体表层上已固定的位移传感器连接；管线顶部、管线底部和管线所在深度的无管线影响区域土压力采用压力盒量测，将压力盒分别布设于管线顶部、底部和管线所在深度的无管线影响区域；将各测量仪器的引线与数据采集仪和电脑连接，通过计算机自动采集试验相关数据。
C、模型填筑及管线铺设；
土体填筑方式为分层填筑，每5cm为一层，在土体填至试验箱孔洞位置处时，将嵌套好的外管和内管安置在试验箱内，模拟盾构机外壳及隧道衬砌，内管长度贯穿试验箱，外管根据试验要求设定内置长度和外伸长度，为保证外管和内管的空隙间无土体进入，在试验箱内的外管端口内粘贴泡沫，使之与内管密合，防止拉拔时土体进入缝隙；在填筑到管线设计高度时，将已布设应变片和沉降杆的管线按照试验要求的空间位置摆设，同时在管线顶部、管线底部和管线所在深度的无管线影响区域布置压力盒，将引线从两侧引出，继续填筑土体至试验预定高度。所述的空间位置包括管线的轴线与外管轴线平行、垂直或斜交。
D、隧道开挖扰动过程的模拟设计；
隧道施工引起地层扰动对周边埋地管线的影响，采用逐步释放土体位移产生地层损失的方法来实现。具体步骤为：利用拉拔仪器对外管施加外力拉拔，以5cm为一进尺，将外管缓慢、均匀拔出，模拟隧道开挖时地层损失不断发展的效果；
E、试验数据的采集；
在拉拔外管开始前，完成数据采集软件的调试工作，包括位移传感器相关参数的输入、数据采集频率和输出类型的选择；开始拉拔外管的同时开始采集数据，直至拉拔结束；当管线和地层位移基本稳定时，停止采集，保存数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明能够对埋地管线的变形特性和力学特征进行全面的监测，解决了实际工程中监测工作难，量测项目不全面的问题。
2、由于本发明可通过改变内管外管间隙体积模拟不同隧道施工产生的地层损失，且可进行不同土体性质下、不同管隧空间位置时各种管线变形特性和力学行为的研究，为建立不同工况下的隧道-管线-土体的力学模型，全面研究管土相互作用、管线变形机理提供了更多的数据基础。
3、由于本发明是基于相似原理进行试验设计，因此得到的试验结果对实际工程中管线变形及地层位移的预测具有一定的参考意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的量测系统的布设示意图。
图3为本发明的沉降杆与管线连接的示意图。
图4为本发明的量测系统电路连接示意图。
图中：1、试验箱，2、外管，3、内管，4、管线，5、位移传感器，6、土体表层，7、滑槽，8、玻璃挡板，9、应变片，10、沉降杆，11、压力盒，12、螺纹金属杆，13、光滑套管，14、环形扣件，15、数据采集仪，16、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的特点进一步说明。如图1-4所示，一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，包括试验箱1、隧道开挖模拟装置、管线4和量测系统；
所述的试验箱1为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽7，用于安装玻璃挡板8；所述的试验箱内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面；所述的土体中埋有管线4，管线4安装在设计深度处；
所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管3和外管2；所述的内管3模拟隧道的砌衬，外管2模拟盾构机的盾壳；所述的内管3和外管2嵌套在一起，水平安置在试验箱的孔洞中；所述的内管3和外管2之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管3贯穿箱体，左端与试验箱1上的玻璃挡板8紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管2左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管2右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管2的圆孔上；所述的外管2外侧沿轴向有刻度标记；
所述的量测系统包括沉降杆10、位移传感器5、应变片9、压力盒11、数据采集仪15和计算机16；所述的沉降杆10有多根，其上端与位移传感器5连接，下端固定在管线4上，所述的位移传感器5布置在土体表层6上；所述的应变片9有多组，沿管线4外侧轴向间隔布置，每组2个应变片9，分别布置在管线4的顶部和底部；所述的压力盒11有多组，沿管线4外侧轴向与应变片9间隔布置，每组2个压力盒11，分别布置在管线4的顶部和底部；所述的压力盒11还布设于管线4所在深度的无管线4影响区域，所述无影响区域为距管线4轴线5倍管径水平距离处；所述的位移传感器5、应变片9和压力盒11分别通过数据线与数据采集仪15连接，所述的数据采集仪15与计算机16连接。
进一步地，所述的试验箱1四壁玻璃上预制有刻度标记线。
进一步地，所述的沉降杆10由螺纹金属杆12、光滑套管13和环形扣件14组成，所述的螺纹金属杆12外部套有光滑套管13，螺纹金属杆12下部通过环形扣件14与管线4扣紧。
进一步地，所述的外管2为PVC管或钢管，所述的内管3为PVC管或钢管，所述的光滑套管13为PVC管或铜管。
进一步地，所述的应变片9沿管线4轴向间隔10cm布置一组，所述的沉降杆10沿管线4轴向间隔10cm布置一根；所述的应变片9与沉降杆10交错布置，相互间隔5cm；所述的压力盒11沿管线4轴向间隔20cm布置一组。
进一步地，所述的管线4的轴线与外管2轴线平行、垂直或倾斜布设。
一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验方法，包括以下步骤：
A、进行隧道-土体-管线4的相似设计；
首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1:L，L为缩尺比例，然后根据几何相似比，对试验所需管线4、内管3和外管2的直径、壁厚和埋深按原型尺寸的1/L进行设计；在材料物理力学参数的设计上，以满足管线4弹性模量的相似设计为原则：即所选材料的弹性模量为原型的1/L；土体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，尽量实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按原型土体弹性模量的1/L进行设计。具体设计原则如下：
相似管线4：
(1)几何相似比：CL＝L；
(2)弹性模量相似比：CE＝L。
相似土体：
(1)几何相似比：CL＝L，容重相似比：Cγ＝1；
(2)泊松比、摩擦角相似比：
(3)弹性模量相似比：CE＝L。
B、量测系统的布置；
量测内容包括管线4的应变、管线4的竖向位移、管线4的顶部处土压力、管线4的底部处土压力和管线4所在深度处无管线4影响区域处土压力；采用应变片9测试管线4轴向应变，沿管线4轴线方向间隔10cm在管线4外壁顶部和底部粘贴1组应变片9，全长布设；管线4与沉降杆10通过环形扣件14连接，沿管线4轴线间隔10cm，与应变片9交错垂直布设于管线4上，同时与土体表层6上已固定的位移传感器5连接；管线4顶部、管线4底部和管线4所在深度的无管线4影响区域土压力采用压力盒11量测，将压力盒11分别布设于管线4顶部、底部和管线4所在深度的无管线4影响区域；将各测量仪器的引线与数据采集仪15和电脑连接，通过计算机16自动采集试验相关数据。
C、模型填筑及管线4铺设；
土体填筑方式为分层填筑，每5cm为一层，在土体填至试验箱孔洞位置处时，将嵌套好的外管2和内管3安置在试验箱1内，模拟盾构机外壳及隧道衬砌，内管3长度贯穿试验箱，外管2根据试验要求设定内置长度和外伸长度，为保证外管2和内管3的空隙间无土体进入，在试验箱1内的外管2端口内粘贴泡沫，使之与内管3密合，防止拉拔时土体进入缝隙；在填筑到管线4设计高度时，将已布设应变片9和沉降杆10的管线4按照试验要求的空间位置摆设，同时在管线4顶部、管线4底部和管线4所在深度的无管线4影响区域布置压力盒11，将引线从两侧引出，继续填筑土体至试验预定高度。所述的空间位置包括管线4的轴线与外管2轴线平行、垂直或斜交。
D、隧道开挖扰动过程的模拟设计；
隧道施工引起地层扰动对周边埋地管线4的影响，采用逐步释放土体位移产生地层损失的方法来实现。具体步骤为：利用拉拔仪器对外管2施加外力拉拔，以5cm为一进尺，将外管2缓慢、均匀拔出，模拟隧道开挖时地层损失不断发展的效果；
E、试验数据的采集；
在拉拔外管2开始前，完成数据采集软件的调试工作，包括位移传感器5相关参数的输入、数据采集频率和输出类型的选择；开始拉拔外管2的同时开始采集数据，直至拉拔结束；当管线4和地层位移基本稳定时，停止采集，保存数据。

Claims (7)

1.一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：包括试验箱(1)、隧道开挖模拟装置、管线(4)量测系统；
所述的实验箱(1)为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽(7)，用于安置玻璃挡板(8)；所述的试验箱内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面；所述的土体中埋有管线(4)，管线(4)安置在设计深度处；
所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管(3)和外管(2)；所述的内管(3)模拟隧道的砌衬，外管(2)模拟盾构机的盾壳；所述的内管(3)和外管(2)嵌套在一起，水平安装在试验箱的孔洞中；所述的内管(3)和外管(2)之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管(3)贯穿箱体，左端与试验箱(1)上的玻璃挡板(8)紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管(2)左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管(2)右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管(2)的圆孔上；所述的外管(2)外侧沿轴向有刻度标记；
所述的量测系统包括沉降杆(10)、位移传感器(5)、应变片(9)、压力盒(11)、数据采集仪(15)和计算机(16)；所述的沉降杆(10)有多根，其上端与位移传感器(5)连接，下端固定在管线(4)上，所述的位移传感器(5)布置在土体表层(6)上；所述的应变片(9)有多组，沿管线(4)外侧轴向间隔布置，每组2个应变片(9)，分别布置在管线(4)的顶部和底部；所述的压力盒(11)有多组，沿管线(4)外侧轴向与应变片(9)间隔布置，每组2个压力盒(11)，分别布置在管线(4)的顶部和底部；所述的压力盒(11)还布设于管线(4)所在深度的无管线(4)影响区域，所述无影响区域为距管线(4)轴线5倍管径水平距离处；所述的位移传感器(5)、应变片(9)和压力盒(11)分别通过数据线与数据采集仪(15)连接，所述的数据采集仪(15)与计算机(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：所述的试验箱(1)四壁玻璃上预制有刻度标记线。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：所述的沉降杆(10)由螺纹金属杆(12)、光滑套管(13)和环形扣件(14)组成，所述的螺纹金属杆(12)外部套有光滑套管(13)，螺纹金属杆(12)下部通过环形扣件(14)与管线(4)扣紧。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：所述的外管(2)为PVC管或钢管，所述的内管(3)为PVC管或钢管，所述的光滑套管(13)为PVC管或铜管。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：所述的应变片(9)沿管线(4)轴向间隔10cm布置一组，所述的沉降杆(10)沿管线(4)轴向间隔10cm布置一根；所述的应变片(9)与沉降杆(10)交错布置，相互间隔5cm；所述的压力盒(11)沿管线(4)轴向间隔20cm布置一组。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，其特征在于：所述的管线(4)的轴线与外管(2)轴线平行、垂直或倾斜布设。
7.一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、进行隧道-土体-管线(4)的相似设计；
首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1:L，L为缩尺比例，然后根据几何相似比，对试验所需管线(4)、内管(3)和外管(2)的直径、壁厚和埋深按原型尺寸的1/L进行设计；在材料物理力学参数的设计上，以满足管线(4)弹性模量的相似设计为原则：即所选材料的弹性模量为原型的1/L；土体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，尽量实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按原型土体弹性模量的1/L进行设计。具体设计原则如下：
相似管线(4)：
(1)几何相似比：CL＝L；
(2)弹性模量相似比：CE＝L；
相似土体：
(1)几何相似比：CL＝L，容重相似比：Cγ＝1；
(2)泊松比、摩擦角相似比：
(3)弹性模量相似比：CE＝L；
B、量测系统的布置；
量测内容包括管线(4)的应变、管线(4)的竖向位移、管线(4)的顶部处土压力、管线(4)的底部处土压力和管线(4)所在深度处无管线(4)影响区域处土压力；采用应变片(9)测试管线(4)轴向应变，沿管线(4)轴线方向间隔10cm在管线(4)外壁顶部和底部粘贴1组应变片(9)，全长布设；管线(4)与沉降杆(10)通过环形扣件(14)连接，沿管线(4)轴线间隔10cm，与应变片(9)交错垂直布设于管线(4)上，同时与土体表层(6)上已固定的位移传感器(5)连接；管线(4)顶部、管线(4)底部和管线(4)所在深度的无管线(4)影响区域土压力采用压力盒(11)量测，将压力盒(11)分别布设于管线(4)顶部、底部和管线(4)所在深度的无管线(4)影响区域；将各测量仪器的引线与数据采集仪(15)和电脑连接，通过计算机(16)自动采集试验相关数据；
C、模型填筑及管线(4)铺设；
土体填筑方式为分层填筑，每5cm为一层，在土体填至试验箱孔洞位置处时，将嵌套好的外管(2)和内管(3)放置在试验箱(1)内，模拟盾构机外壳及隧道衬砌，内管(3)长度贯穿试验箱，外管(2)根据试验要求设定内置长度和外伸长度，为保证外管(2)和内管(3)的空隙间无土体进入，在试验箱(1)内的外管(2)端口内粘贴泡沫，使之与内管(3)密合，防止拉拔时土体进入缝隙；在填筑到管线(4)设计高度时，将已布设应变片(9)和沉降杆(10)的管线(4)按照试验要求的空间位置摆设，同时在管线(4)顶部、管线(4)底部和管线(4)所在深度的无管线(4)影响区域布置压力盒(11)，将引线从两侧引出，继续填筑土体至试验的预定高度；所述的空间位置包括管线(4)的轴线与外管(2)轴线平行、垂直或斜交；
D、隧道开挖扰动过程的模拟设计；
隧道施工引起地层扰动对邻近埋地管线(4)的影响，采用逐步释放土体位移产生地层损失的方法来实现；具体步骤为：利用拉拔仪器对外管(2)施加外力拉拔，以5cm为一进尺，将外管(2)缓慢、均匀拔出，模拟隧道开挖时地层损失不断发展的效果；
E、试验数据的采集；
在拉拔外管(2)开始前，完成数据采集软件的调试工作，包括位移传感器(5)相关参数的输入、数据采集频率和输出类型的选择；开始拉拔外管(2)的同时开始采集数据，直至拉拔结束；当管线(4)和地层位移基本稳定时，停止采集，保存数据。
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