CN107764156B - 一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置，该装置由高强套管系统、引线系统和位移量测系统组成。高强套管系统包括实心管和成L型相通连接的水平套管和竖直套管；实心管一端连接至隧道模型外侧腰线的观测点，另一端可伸缩的配合于水平套管之内；引线系统包括无弹性引线、定滑轮和配重块，无弹性引线一端连接实心管，另一端通过定滑轮穿过套管组件且悬挂配重块；位移量测系统通过刻度尺对配重块的垂直位移量测实现隧道模型观测点的水平位移量测。本发明还公开基于上述装置的隧道模型水平位移量测方法，该量测方法可应用于土工离心机试验、地质力学模型试验等具有密闭高压环境的模型试验。

Description

一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置及方法

技术领域

本发明涉及生命线工程防灾减灾技术领域，具体来讲，涉及一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置及方法，同样适用于长线型地下管线的模型试验中地下管线的水平位移量测。

背景技术

随着城市地下空间如火如荼地开发，深埋于土体中的长线型地下工程日益网络化，例如地铁隧道、地下管线等。不可避免地要穿越一些不稳定的地层或者抗震不利的地带，在走滑断层错动、地震等地质作用下，这些生命线工程极其容易发生形变破坏，进而可能会引发严重的次生灾害，并且修复困难，影响正常生产生活。因此探析研究隧道在不良地质或者灾害情况下的形变变得十分关键。在模拟走滑断层错动、地震等地质作用下的模型试验中，隧道模型的应变和相对收敛的量测等可以在隧道的内部展开。然而在隧道模型狭小空间内部布置水平位移量测传感器非常困难，一旦隧道模型结构发生变形破坏，放置于隧道模型内部的传感器也可能遭受破坏。对于隧道模型水平方向上的位移，可能存在轴向方向和径向方向同时发生的情况，如何有效获取隧道模型沿腰线的整体变形一直是难以解决的技术难题；如果在试验后挖去上覆土体去量测隧道模型的整体变形，将只能获得最终的变形数据，无法获得破坏过程中隧道模型的变形发展过程。因此，针对土工离心机试验、地质力学模型试验具有密闭高压的特殊环境，如何有效量测隧道模型的水平位移成为缩尺模型模拟的技术重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有量测技术的不足，提供一种刚度足够，可承受高压密闭环境，活塞式套管系统可自由无摩擦地收缩，可连续、准确、无间断地采集各观测点水平位移数据，原理清晰、操作易于实现的密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置，包括高强套管系统、引线系统和位移量测系统；所述高强套管系统包括实心管和套管组件，套管组件包括成L型相通连接的水平套管和竖直套管；实心管一端连接至隧道模型外侧腰线的观测点，另一端可伸缩的配合于水平套管之内；所述引线系统包括无弹性引线、定滑轮和配重块，定滑轮设于所述水平套管和竖直套管的相接拐弯处以及竖直套管的末端；无弹性引线穿设于所述套管组件之内，一端连接所述实心管的伸缩端，另一端通过所述定滑轮引出所述竖直套管之外并悬挂所述配重块；所述位移量测系统包括垂直悬挂于密闭高压环境之外并配合于所述配重块一侧的刻度尺，通过刻度尺对配重块的垂直位移量测实现隧道模型观测点的水平位移量测。

优选的，所述实心管的伸缩端外壁具有一圆周槽，所述圆周槽内环箍一个密封圈，所述密封圈与所述水平套管内径适配以实现所述实心管与所述水平套管的滑动配合。

优选的，所述密封圈是特氟龙密封圈。

优选的，所述套管组件还包括一L型接头管，通过所述L型接头管实现所述水平套管和竖直套管的L型相通连接，所述一定滑轮设于所述L型接头管之内。

优选的，所述无弹性引线沿所述套管组件的中心线布置，并通过竖直套管末端的定滑轮实现180°转向以垂直向下延伸并悬挂所述配重块。

优选的，所述隧道模型外侧的腰线上沿轴向设有若干观测点，各观测点分别布置所述水平位移量测装置。

一种基于上述密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：在隧道模型腰线上每隔一定距离定出一观测点，将实心管一端连接至隧道模型腰线观测点上，另一端连接无弹性引线；无弹性引线穿过套管组件并通过定滑轮引出密闭高压环境之外，另一端悬挂配重块以垂直向下延伸至刻度尺一侧；

步骤2：通过模型试验模拟地质作用下隧道模型在垂直于轴线方向上发生不均等水平位移，由隧道模型的水平位移带动配重块竖向移动，通过刻度尺量测配重块的垂直位移从而得到对应观测点的水平位移。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的装置与量测方法应用于密闭高压环境下，装置刚度足够、组件连接牢固。实心管和标准套管通过特氟龙密封圈相互紧密接触，防止漏土，并且自润滑性可使组件收缩始终无摩擦进行。粘贴在实心管上的无弹性引线，从高强套管系统及拐弯处设置的定滑轮引出密闭高压环境外，最后通过量测引线一端悬吊砝码的竖向位移，直接反映隧道模型在相应观测点的水平位移。在走滑断层错动相关的模型试验中，可无间断准确采集隧道模型上一系列观测点的水平位移数据，获得隧道模型沿轴线方向的水平位移变化曲线，为隧道的设计施工提供可靠的依据。本发明可应用于各种长线型地下工程的离心机模型试验，具有广泛适用性，其为长线型地下工程模型水平位移的连续量测提供一种新的解决办法和新思路。

附图说明

图1是本发明装置一角度的结构示意图；

图2是本发明装置另一角度的结构示意图；

图3是本发明装置的横截面图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置，如图1至图3所示，包括高强套管系统、引线系统和位移量测系统。

所述高强套管系统包括实心管3和套管组件，套管组件包括成L型相通连接的水平套管41和竖直套管42；实心管3水平放置且垂直于隧道模型1长度方向，一端连接至隧道模型1外侧腰线的观测点，另一端可伸缩的配合于水平套管41之内。实心管3与水平套管41搭接部分的中点位置上，在实心管3外壁挖一个圆周槽，该槽内环箍一个特氟龙密封圈6，实心管3、特氟龙密封圈6、水平套管41共同构成一可自由收缩的接头。该特氟龙密封圈6，一方面可防止隧道模型1周围的土体从接头部位的间隙进入套管内；另一方面可利用特氟龙材料良好的自润滑性，确保实心管3一端在水平套管41内进行无摩擦地滑动。所述套管组件还包括一“L型”接头管5，“L型”接头管5一端固定连接水平套管41，另一端连接竖直套管42。具体，“L型”接头管5固定在模型箱侧壁上，竖直套管42贴着试验模型箱侧壁并固定，水平套管41和竖直套管42与“L型”接头管5共同构成一可供引线自由移动的活塞式管道空间。实心管3和套管组件刚度足够，能在高压环境下发生较小变形以确保引线活动。

所述引线系统包括无弹性引线2、定滑轮9和配重块(例如砝码7)，定滑轮9设于所述水平套管41和竖直套管42的相接拐弯处以及竖直套管42的末端；无弹性引线2穿设于所述套管组件之内，一端连接实心管3的自由端的圆心位置处，另一端通过拐弯处的定滑轮9实现90°转向，再通过竖直套管42末端的定滑轮9实现180°转向从而从套管组件引出密闭高压环境之外，伸出的引线2末端悬挂砝码7以呈现绷紧的自然下垂状态。通过两定滑轮9进行转向并确保引线2沿套管组件的中心线布置，可自由移动且不接触管壁。

位移量测系统包括垂直悬挂于密闭高压环境之外并配合于砝码7一侧的刻度尺8，刻度尺8与引线2末端平行设置，通过刻度尺8对砝码7的垂直位移量测，进而实现隧道模型1观测点的水平位移量测。

隧道模型1外侧的腰线上，以一定间距确定若干个观测点，当需精确探测隧道模型1某小段的水平位移时，观测点可加密布置，各个观测点均布置上述装置，且各观测点引线均悬挂相同质量的砝码以便于比较。

本发明可应用于隧道模型相关的土工离心机试验中，可以克服以往试验中隧道模型水平位移难以量测的难题，建立原理清晰、操作易于实现的试验装置。

基于所述的密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置，本发明还提供一种在密闭高压环境下隧道模型水平位移的量测方法，包括以下步骤：

步骤1：在隧道模型1腰线上每隔一定距离定出一观测点，需精确探测隧道模型1某小段的水平变形时，对该小段上的观测点进行加密。实心管3一端连接在隧道模型1腰线上观测点上，实心管3的自由端的圆心位置处连接无弹性引线2，并将引线2通过套管组件以及拐弯处和末端设置的定滑轮9，引出密闭高压环境。实心管3和引线2数量根据观测点数量确定，引线2另一端均挂上相同质量的砝码7，确保引线2处于绷紧状态；

步骤2：模型试验模拟在走滑断层错动作用下，隧道模型1在垂直于轴线方向上发生的不均等水平位移，引线一端悬挂的砝码7在竖直方向的位移反映隧道模型1对应观测点的水平位移，砝码7的竖向位移通过与引线2平行设置的刻度尺8进行量测，依次读取沿隧道腰线布置的一系列观测点数据，获得隧道模型1沿腰线的整体变形曲线。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置及方法，但本发明并不局限于实施例，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、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种密闭高压环境下隧道模型水平位移量测方法，其特征在于：采用密闭高压环境下隧道模型水平位移量测装置，包括高强套管系统、引线系统和位移量测系统；

所述高强套管系统包括实心管和套管组件，套管组件包括水平套管、竖直套管和L型接头管，L型接头管实现所述水平套管和竖直套管的L型相通连接；实心管一端连接至隧道模型外侧腰线的观测点，另一端可伸缩的配合于水平套管之内；所述实心管的伸缩端外壁具有一圆周槽，所述圆周槽内环箍一个密封圈，所述密封圈与所述水平套管内径适配以实现所述实心管与所述水平套管的滑动配合；所述套管组件还包括一L型接头管，通过所述L型接头管实现所述水平套管和竖直套管的L型相通连接；

所述引线系统包括无弹性引线、两定滑轮和配重块，一定滑轮设于所述水平套管和竖直套管相接拐弯处的L型接头管之内，另一定滑轮设于竖直套管的末端；无弹性引线穿设于所述套管组件之内，沿所述套管组件的中心线布置，一端连接所述实心管的伸缩端，另一端通过竖直套管末端的定滑轮引出所述竖直套管之外，实现180°转向以垂直向下延伸并悬挂所述配重块；

所述位移量测系统包括垂直悬挂于密闭高压环境之外并配合于所述配重块一侧的刻度尺，通过刻度尺对配重块的垂直位移量测实现隧道模型观测点的水平位移量测；

所述量测方法包括以下步骤：

步骤1：在隧道模型腰线上每隔一定距离定出一观测点，各观测点分别布置所述水平位移量测装置，将实心管一端连接至隧道模型腰线观测点上，另一端连接无弹性引线；无弹性引线穿过套管组件并通过定滑轮引出密闭高压环境之外，另一端悬挂配重块以垂直向下延伸至刻度尺一侧；

步骤2：通过模型试验模拟地质作用下隧道模型在垂直于轴线方向上发生不均等水平位移，由隧道模型的水平位移带动配重块竖向移动，通过刻度尺量测配重块的垂直位移从而得到对应观测点的水平位移。

2.根据权利要求1所述的密闭高压环境下隧道模型水平位移量测方法，其特征在于：所述密封圈是特氟龙密封圈。