CN108709977A - 一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，包括加载装置、主体框架结构、抽屉式箱盒结构和隧道模型；主体框架结构包括钢板、矩形连接钢管和水平滑道，主体框架结构的侧面和底部由钢板围成，左右两侧的钢板之间前后面各架设矩形连接钢管，上下的矩形连接钢管之间形成空心的隔间，隔间的两侧底边处设置水平滑道；加载装置包括移动式反力梁、移动式千斤顶和顶力架，移动式反力梁平行架设在钢板顶部，移动式千斤顶设置在移动式反力梁底部；顶力架安装在土体表面。本发明的有益效果是：加载装置结构简单，操作方便；抽屉式的设计结构实现快速更换隧道模型；同一模型箱可模拟多种工况；试验操作快捷，加快试验进度。

Description

一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置及试验 方法

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，特别涉及一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置及试验方法。

背景技术

随着城市基础设施建设的发展和城市地下空间的进一步开发，轨道交通已经成为了很多大城市公交系统的重要组成部分，而地铁盾构隧道又是城市轨道交通的主要结构形式，不可避免地变得越来越密集。但在实际的地铁隧道开挖和运营过程中，却常常出现各类的安全事故，造成大量损失，因此工程界也对隧道结构安全等方面展开了大量的研究。其中，利用相似理论为基础的物理模型试验是目前研究和分析隧道安全问题的一种重要手段。

对于高楼林立的城市范围内，地面上大面积的堆载现象时常出现，而作为对结构安全性要求较高的地铁管线毫无疑问会受到临近地表堆载的影响，造成隧道出现结构变形或管线沉降等问题。现在，大量的学者也利用室内的缩尺寸模型在实验室内模拟地面堆载对既有盾构隧道结构的影响。但普遍存在模拟情况单一的问题，即模型箱内仅仅只能模拟单一埋深、单一管径、单一位置关系情况下的隧道加载影响情况。而现实中，不同隧道管线分布于不同埋深、不同的土层中，管线与管线之间又存在着平行、垂直、斜交等位置关系，这些客观存在的不同工况使得隧道的施工和运营安全本身就存在很大的差异性。但现在的室内缩尺寸模型试验根本无法在短时间内完成多种条件的模拟。隧道模型在制作完成之后预先埋入模型箱内，需要花费大量的人力和时间去安装测量设备及装卸试验土体。这也使得单个室内模型试验的耗时时间长，导致整个试验周期延长，限制了模型试验的推广及应用。

综上所述，现有的用于模拟地面堆载对盾构隧道管片影响的缩尺寸模型箱本身功能还存在着很多的不足。即模拟工况单一，隧道一经埋入即确定了埋深、管径、管线相互位置关系，甚至连堆载的作用点位也已确定，试验过程中无法在短时间内做出临时的调整和变化。其次，巨大的模型箱为一体化设计，测量设备的安装和土料的装卸都需要耗费大量的人力和时间，拖慢试验进度。针对上述问题，亟需通过改进技术来进行解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置及试验方法。

这种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，包括加载装置、主体框架结构、抽屉式箱盒结构和隧道模型；

主体框架结构包括钢板、矩形连接钢管和水平滑道，主体框架结构的侧面和底部由钢板围成，左右两侧的钢板之间前后面各架设矩形连接钢管，上下的矩形连接钢管之间形成空心的隔间，隔间的两侧底边处设置水平滑道；

加载装置包括移动式反力梁、移动式千斤顶和顶力架，移动式反力梁平行架设在钢板顶部，移动式千斤顶设置在移动式反力梁底部；顶力架安装在土体表面，一端紧贴试验土体，另一端与移动式千斤顶连接；

矩形连接钢管间的隔间内安装有抽屉式箱盒结构，抽屉式箱盒结构架设在水平滑道上；抽屉式箱盒结构侧面由钢板围成，底部四角位置设置斜向固定钢板，左右侧面的钢板底部均安装水平滑道，形成上下空心的抽屉式结构；前后侧面的钢板底部靠近斜向固定钢板的位置均设置槽口，槽口内安装隔层钢板；

隧道模型埋设在第二或第三层抽屉式箱盒结构的土体中；隧道模型为中空结构，隧道模型的管片外壁设置土压力盒，管片内壁设置位移传感器，管片外壁底部轴线上设置应变片，土压力盒、位移传感器和应变片在隧道模型上均按照中间密两边疏的对称结构进行布置；土体表面和第一层抽屉式箱盒结构的土体中沿着隧道模型方向和与隧道模型垂直的方向布置十字型的土体测量点位。

作为优选：所述移动式反力梁和移动式千斤顶连接端均设置滑移装置，移动式反力梁沿着两侧的钢板水平滑动，移动式千斤顶在移动式反力梁上滑动；所述顶力架由上加载板、下加载板以及传力柱构成，传力柱上下端分别与加载板连接并位于四个角的位置。

作为优选：所述水平滑道固定在左右侧面的钢板上，水平滑道由水平凹槽和滚珠组成，表面涂抹有机油。

作为优选：所述隔层钢板的插入端和拔出端两侧，即隔层钢板的四个角上均平行设置预留小孔，预留小孔内绑扎钢绞线；隔层钢板插入端设计为刀口状，且表面涂抹有机油。

作为优选：所述槽口宽度与隔层钢板宽度相同，槽口厚度略大于隔层钢板厚度，槽口环向设置橡胶套圈。

作为优选：所述抽屉式箱盒结构前侧的钢板上设有引线孔作为预埋管线的通道，引线孔四周设置橡胶套圈；抽屉式箱盒结构前后侧面的钢板中心位置均设置拉钩。

作为优选：所述隧道模型由位于同一圆心的双层薄壁空心管组成，两薄壁空心管之间空隙由环氧树脂填筑；单环隧道模型切割成管片，管片之间由铝线连接，管片环与环之间由铝线贯穿连接。

作为优选：所述隧道模型的管片内壁环向对称设置位移传感器，位移传感器分别位于管片的拱顶、拱底和两侧拱腰处；隧道模型的管片外壁环向对称设置土压力盒，土压力盒分别位于管片的拱顶、拱底和两侧拱腰处。

作为优选：沿着隧道模型方向和与隧道模型垂直的方向进行布置土体测量点位；土体表面安装位移传感器，其底部设置螺帽、垫片和硬质薄片，硬质薄片抵在土体表面；土体表面以下分层布置土压力盒、沉降板和沉降杆。

这种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)模型箱的组装：试验开始前首先将各层抽屉式箱盒结构安装在模型箱内部，同时在端口采用固定措施防止抽屉式箱盒结构发生滑移；模型箱内部的空心隔间，在填入土料前，首先在每条水平滑道上方预埋钢绞线作为备用，钢绞线整体预埋在模型箱每层的水平滑道上，两端透过槽口各留有露出段；之后在钢板内表面、水平滑道等位置上均匀涂抹机油进行润滑备用；

2)土料的分层填筑及顶部测量设备的埋设安装：将经过筛选的土料通过喷洒装置均匀倒入模型箱，每铺一层进行一次夯实，重复填土至第一层抽屉式箱盒结构底部，之后沿着隧道模型方向和与隧道模型垂直的方向分层安装沉降板和土压力盒，沉降板通过沉降杆进行连接；经过设备预埋、填土压实后土料达到预定标高，最后在土体表面安装位移传感器，土体表面的位移传感器底部用胶水依次黏贴螺帽、垫片和硬质薄片，将硬质薄片抵在土体表面进行量测；

3)隧道模型的制作：隧道模型缩尺寸制作，选择PP管和环氧树脂作为隧道模型的材料；管片制作前，首先在工作平面上固定两个薄壁PP空心管，两薄壁空心管固定时截面圆心位于一点上，按照管片所对应的圆周角进行垂直切割，之后在切割的空隙处塞入一张透明塑料薄片，透明塑料薄片中间卡有铝线，塞入完全后，铝线垂直卡在相邻两块管片之间；待所有切缝处均卡入透明塑料薄片和铝线后，在该层两薄壁空心管之间的圆环内注入环氧树脂，凝结硬化后形成一环彼此环向通过铝线连接的管片模型；待下层环氧树脂凝结稳定后，在表面覆盖一层塑料纸，不断重复上述步骤，即可形成一层层的环向管片；每一层的切缝位置进行偏转，使管片环与环之间的错缝拼装；

4)隧道模型的埋入及测量设备的安装：隧道模型制作完成后，埋入还未装入模型箱的单层抽屉式箱盒结构中；隧道模型整体前后水平纵向埋设，在管片内部安装位移传感器，位移传感器布置在整个隧道模型的正中间，分别测量隧道模型拱顶位移、两侧拱腰位移以及拱底位移；通过位移传感器的测量获得一个管片隧道断面上下左右四个位移数据，通过观察与计算得出隧道结构的绝对位移和水平、竖直向的相对位移；土压力盒布置在隧道模型外壁上，应变片黏贴在隧道模型外壁底部中轴线上；

5)隔层钢板的插入：当某层土体需要更换土芯时，首先将预埋的钢绞线绑在隔层钢板插入端的预留小孔上，然后将表面已经涂抹机油的隔层钢板水平放置；钢绞线的另外一端连接卷扬机，利用卷扬机在模型箱的另外一侧提供充足的拉力，将隔层钢板插入土体；在插入过程中将前后端的槽口都打开，使隔层钢板顶出该土层的土体；

6)抽屉式箱盒结构的置换：当隔层钢板插入到位后，将原来的抽屉式箱盒结构的拔出端的拉钩通过钢绞线连接卷扬机，另一端的拉钩与需要替换进入模型箱的抽屉式箱盒结构的拉钩连接；拉钩各自连接完毕之后，利用卷扬机提供充足的拉力，原来的抽屉式箱盒结构通过水平滑道滑出，需要替换的抽屉式箱盒结构也同步装入模型箱内部；当模型箱土芯置换完毕之后，将连接的拉钩解绑；

7)隔层钢板的拔出：当需要拔出隔层钢板继续进行试验时，则首先在隔层钢板的拔出端的预留小孔上绑扎钢绞线，之后利用卷扬机和钢绞线将隔层钢板拔出，另一端捆绑的钢绞线也随着隔层钢板埋入土体，待隔层钢板取出后，继续进行张拉，直到重新埋入的钢绞线露出槽口，重新埋入的钢绞线再次作为下次隔层钢板插入时使用；

8)隧道模型的置换：当进行完某种工况下的堆载试验后，可重复步骤4)到7)实现模型箱土芯的快速更换，进行下一个工况下的试验。

本发明的有益效果是：

1)加载装置结构简单，操作方便

相比较通过在顶部堆砂袋进行模拟堆载的传统方式，由移动式反力梁、移动式千斤顶和顶力架组成的加载架构更简单，安装和操作省时、省力。可根据加载力的大小设置1-2个千斤顶进行灵活地调整，而在土体和千斤顶之间设置顶力架则能很好地将千斤顶提供的向下的压力均匀分散到土体表面，更好地模拟真实的堆载效果。同时，顶力架的下加载板大小可根据模拟的堆载范围进行灵活调整，更换方便。另外，移动式的设计使得千斤顶能够移动到模型箱上方任意位置，能够对任意位置的土体进行加载。

2)抽屉式的设计结构实现快速更换隧道模型

抽屉式箱盒结构固定在水平滑道上，借助卷扬机和钢绞线的拉力可以进行快速的安装和拆卸。当抽屉式箱盒结构固定在模型箱内部时，去掉隔层钢板，模型箱上下几层均打通，可进行正常的加载试验，当需要更换隧道模型的埋深、管径及隧道相互位置时，对应更换该层的土芯即可，即首先利用卷扬机和钢绞线的拉力插入该层的隔层钢板和上层抽屉式箱盒结构的隔层钢板，当隔层钢板顺利贯穿土层后，可通过抽拉的方式利用水平滑道将原土芯抽出，同时将更换的土芯从另一边同步推入，避免长时间土压对隔层钢板造成破坏。

3)同一模型箱可模拟多种工况

隧道模型可根据实际需要模拟的工况进行相应的设计，提前将隧道结构埋置于单层抽屉式箱盒结构之中，安装相应的位移传感器、应变片、土压力盒等测量设备，之后只需要将预埋了隧道模型的抽屉式箱盒结构塞入模型箱，替换掉原本的土芯即可。该模型箱可模拟不同管径、不同埋深、不同分布位置的盾构隧道结构，功能丰富多样，更符合实际试验需要。

4)试验操作快捷，加快试验进度

传统室内模拟堆载对盾构管片隧道结构影响的模型箱试验往往存在着更换土料困难，需要耗费大量的人力和时间的问题。本模型箱结构采用了抽屉式的设计，实现了土料的分层置换，施工操作便捷快速，实用性强。

5)实现隧道模型错缝拼装，使模拟更真实

隧道模型应用相似理论，实现了隧道环与环之间、管片与管片之间的错缝拼装，同时利用铝线替代螺栓连接，在大大简化模型制作工艺的同时，最大限度还原了真实隧道的管片结构，使得隧道模型更好地反映相关规律，让试验所得数据更加准确、可靠。

6)针对性布置测量设备，精确反映试验结果

在隧道模型内部对称安装上下左右四个方向的位移传感器能够测量隧道整体的绝对位移和结构收敛变形。而对应固定在管片外表面的土压力盒则能够测量隧道各个部位的土压力分布情况。在隧道外壁底部轴线上安装的应变片则用于监测反映隧道模型在堆载影响下产生的弯矩变化情况。三者根据实际加载情况，按照中间密两边疏的方式对称布置在隧道上，使得测量的结构更加准确有效，更能反映顶部堆载对既有隧道的影响。除了测量隧道本身结构的沉降和变形之外，在土体表面及土体内不同深度，同样安装位移传感器用于测量地表沉降和深层沉降，安装土压力盒用于测量各土层深度的土压力变化，使得测量结果更加全面。

附图说明

图1为模型箱主体框架结构示意图；

图2为模型试验装置整体结构示意图；

图3为顶力架细部结构示意图；

图4为抽屉式箱盒细部结构示意图；

图5为隔层钢板结构示意图；

图6为位移传感器布置断面示意图；

图7为土压力盒布置断面示意图；

图8为隧道模型测量装置分布图；

图9为土压力和位移测量点位布置图；

图10为地表沉降监测装置图；

图11为土体深层沉降监测装置图。

附图标记说明：移动式反力梁1；移动式千斤顶2；顶力架3；上加载板4；下加载板5；传力柱6；钢板7；斜向固定钢板8；水平滑道9；槽口10；引线孔11；抽屉式箱盒结构12；隔层钢板13；预留小孔14；钢绞线15；拉钩16；隧道模型17；管片18；位移传感器19；土压力盒20；应变片21；矩形连接钢管22；土体测量点位23；螺帽24；垫片25；硬质薄片26；沉降板27；沉降杆28。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，模型箱侧面和底部由钢板7围成，顶部设置移动式反力梁1和移动式千斤顶2；模型箱两侧钢板7之间前后各架设5根矩形连接钢管22，两侧钢板7为实心面，两侧钢板7之间前后面各架设5根矩形连接钢管22分隔形成四个空心的隔间，同时在隔间的两侧底边处设置水平滑道9，便于后续装卸抽屉式箱盒结构12。所述移动式反力梁1和移动式千斤顶2连接端均设置滑移装置，移动式反力梁1可沿着两侧的钢板7水平滑动，移动式千斤顶2可在移动式反力梁1上滑动，以此实现了移动式千斤顶2对模型箱土体内任意位置的加载。

如图2、4所示，整个模型箱装有土体的部分分为上下四层抽屉式箱盒结构12，抽屉式箱盒结构12前后立面可以无缝嵌入到四个空心隔间中，使整体形成前后左右全封闭的结构；每一层抽屉式箱盒结构12架设在模型箱侧面的水平滑道9上，利用滑轮结构实现前后水平滑动；在靠近水平滑道9的前后立面上均设置一条与模型箱同宽的槽口10，槽口10环向设置橡胶套圈，在不使用时起到封闭槽口10的作用，各层的槽口10均用于隔层钢板13的插入与拔出；每一层抽屉式箱盒结构12前立面处均留有一个引线孔11用于将该层预埋的隧道模型17的测量管线引出；移动式反力梁1底部设置移动式千斤顶2，移动式千斤顶2与顶力架3相连，以便将提供的力均匀地施加在土体表面。

如图3所示，移动式顶立架3由上加载板4、下加载板5以及4根传力柱6构成，上加载板4尺寸为50×50cm，顶部与移动式千斤顶2相互连接；下加载板5尺寸根据模拟的加载范围大小进行灵活调节。

如图4所示，单层抽屉式箱盒结构12四个侧面均由立面钢板7围成，上下为空心结构，下侧四个角的位置焊接斜向固定钢板8，用于稳定整个抽屉式箱盒结构12，并对上方隔层钢板13起到一定的支撑作用；左右侧面钢板7底部各安装一条水平滑道9，前后立面靠近水平滑道9上部设置槽口10，用于隔层钢板13的插入和拔出；试验过程中整个模型箱内不插入隔层钢板13，内部为空心结构，不影响堆载试验本身的进行；当需要更换某一层土芯时，只需将对应该层的隔层钢板13和上层的隔层钢板13插入，单独取出该层抽屉式箱盒结构12进行替换即可；在前立面开设直径为8cm的引线孔11作为隧道模型17测量管线的集中通道；每一层抽屉式箱盒结构12前后立面中央位置设置一个拉钩16，便于置换土芯时起到连接作用。

如图5所示，隔层钢板13插入端和拔出端两侧，即隔层钢板13的四个角上各平行设置两个预留小孔14，用于绑扎钢绞线15。

如图6所示，四个位移传感器19沿管片18内壁环向对称分布，分别用于测量隧道模型17内部拱顶位移、两侧拱腰位移以及拱底位移。

如图7所示，四组土压力盒20沿管片18外壁环向对称分布，分别位于管片18外壁的拱顶、拱底和两侧拱腰处。

如图8所示，位移传感器19分别布置在管片18拱顶、拱底和两侧拱腰位置处，且都分布在管片18内表面；土压力盒20对应布置在管片18拱顶、拱底和两侧拱腰位置处，且都分布在管片18外表面；隧道模型17的外壁底部轴线上黏贴应变片21，测量隧道模型17纵向弯矩变化值。

如图9所示为呈十字型分布的表层和深层土体测量点位23的分布情况，每一层的点位数目为9个，其中5个沿着隧道模型17方向进行布置，另外四个沿着与隧道模型17垂直的方向进行布置。

如图10所示为用于地表沉降监测的试验装置，该试验装置由位移传感器19、螺帽24、垫片25和硬质薄片26组成，彼此之间通过502胶水进行连接固定，硬质薄片26抵在土体表面用于测量地表沉降。

如图11所示为土体深层沉降监测装置，该试验装置由沉降板27和沉降杆28组成，沉降板27采用5cm×5cm的薄钢片，沉降杆28采用质量较轻的有机玻璃材质。

所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)模型箱的组装：试验开始前首先将各层抽屉式箱盒结构12安装在模型箱内部，同时在端口采用固定措施防止抽屉式箱盒结构12发生滑移。模型箱内部形成空心结构，在填入土料前，首先在每一条水平滑道9上方预埋两根钢绞线15作为备用，钢绞线15整体预埋在模型箱每一层的水平滑道9上，两端透过槽口10各留有30cm露出段。之后在钢板7内表面、水平滑道9等位置上均匀涂抹机油进行润滑备用。

2)土料的分层填筑及顶部测量设备的埋设安装：试验用的土料首先进行筛选，经过筛选用颗粒均匀的土料进行试验。将土料通过传送装置传送到模型箱上部的喷洒装置，通过喷洒装置将土料均匀倒入模型箱，每铺5cm后进行一次夯实，重复填土至第一层抽屉式箱盒结构12底部，之后沿着隧道模型17方向和与之垂直的方向每隔10cm分层安装9个沉降板27和9个土压力盒20，沉降板27通过沉降杆28结构进行连接，之后每铺5cm后进行一次夯实，确保试验装置定位稳定；经过多次设备预埋、填土压实后土料达到预定标高，最后在土体表面安装位移传感器19，土体表面的位移传感器19在顶部用胶水黏贴螺帽24、垫片25和硬质薄片26，将硬质薄片26抵在土体表面进行量测。

3)隧道模型17的制作：隧道模型17缩尺寸比定为20:1，选择PP管和环氧树脂作为隧道模型17的材料。管片18制作前，首先在工作平面上固定两个薄壁PP空心管，内外两个PP空心管直径分别为310mm和275mm，纵向宽度均为60mm，两薄壁空心管固定时截面圆心位于一点上，两管环向间距为17.5mm。固定牢固之后，按照原本设计的管片18所对应的圆周角进行垂直切割，将原本整环的双层薄壁PP空心管切割成若干部分。之后在切割的空隙处塞入一张透明塑料薄片，透明塑料薄片中间卡有一小段直径2mm铝线，塞入完全后，铝线正好垂直卡在相邻两块之间。待所有切缝处均卡入透明塑料薄片和一小段铝线后，在该层两薄壁空心管之间的圆环内注入环氧树脂，凝结硬化后形成一环彼此环向通过铝线连接的管片18模型。待下层环氧树脂凝结稳定后，在表面覆盖一层塑料纸，不断重复上述步骤，即可形成一层层的环向管片18。不过应当注意每一层的切缝位置应做一定的偏转，实现管片18环与环之间的错缝拼装。由于预先在工作平台上垂直拉设多根铝线，在一层层环向管片18的制作过程中，该纵向铝线已经随着每一层环氧树脂的凝结而贯穿其中，以此作为盾构模型环与环之间的连接装置。

4)隧道模型17的埋入及测量设备的安装：隧道模型17制作完成后，选择埋入还未装入模型箱的单层抽屉式箱盒结构12中。隧道模型17整体前后水平纵向埋设，在管片18内部安装位移传感器19，位移传感器19布置在整个隧道模型17的正中间，每一个测量面设置四个位移传感器19，分别测量隧道模型17拱顶位移、两侧拱腰位移以及拱底位移。通过位移传感器19的测量可以获得一个管片18隧道断面上下左右四个位移数据，可以通过观察与计算得出隧道结构的绝对位移和水平、竖直向的相对位移。而土压力盒20对应于位移传感器19布置在隧道模型17外壁上，应变片21黏贴在隧道模型17外壁底部中轴线上。

5)隔层钢板13的插入：当某层土体需要更换土芯时，首先将预埋的钢绞线15绑在隔层钢板13插入端的四个预留小孔14上，然后将表面已经涂抹机油的隔层钢板13水平放置。钢绞线15的另外一端连接卷扬机，利用卷扬机在模型箱的另外一侧提供充足的拉力，将隔层钢板13顺利地插入土体。为了使得隔层钢板13的插入更加顺畅，同时避免插入造成周围土层的过大扰动，在插入过程中将另一端的槽口10打开，允许隔层钢板13顶出该土层的土体。

6)抽屉式箱盒结构12的置换：当隔层钢板13插入到位后，将原抽屉式箱盒结构12的拔出端一侧拉钩16通过钢绞线15连接卷扬机，另一端的拉钩16与需要替换进入模型箱的抽屉式箱盒结构12的拉钩16连接。拉钩16各自连接完毕之后，利用卷扬机提供充足的拉力，原抽屉式箱盒结构12通过水平滑道9滑出，需要替换的抽屉式箱盒结构12也同步装入模型箱内部。当模型箱土芯置换完毕之后，将连接的拉钩16解绑。

7)隔层钢板13的拔出：当需要拔出隔层钢板13继续进行试验时，则首先在隔层钢板13的另外一端也以同样的方式绑扎四根钢绞线15，之后利用卷扬机和钢绞线15将隔层钢板13拔出，另一端捆绑的钢绞线15也随着隔层钢板13渐渐埋入土体，待隔层钢板13取出后，继续进行张拉，直到重新埋入的钢绞线15露出段达到30cm时方可结束。重新埋入的钢绞线15可再次作为下次隔层钢板13插入时使用。

8)隧道模型17的置换：当进行完某种工况下的堆载试验后，可重复4)到7)的步骤实现模型箱土芯的快速更换，及时进行下一个工况下的试验。

Claims (10)

1.一种地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，包括加载装置、主体框架结构、抽屉式箱盒结构(12)和隧道模型(17)；

主体框架结构包括钢板(7)、矩形连接钢管(22)和水平滑道(9)，主体框架结构的侧面和底部由钢板(7)围成，左右两侧的钢板(7)之间前后面各架设矩形连接钢管(22)，上下的矩形连接钢管(22)之间形成空心的隔间，隔间的两侧底边处设置水平滑道(9)；

加载装置包括移动式反力梁(1)、移动式千斤顶(2)和顶力架(3)，移动式反力梁(1)平行架设在钢板(7)顶部，移动式千斤顶(2)设置在移动式反力梁(1)底部；顶力架(3)安装在土体表面，一端紧贴试验土体，另一端与移动式千斤顶(2)连接；

矩形连接钢管(22)间的隔间内安装有抽屉式箱盒结构(12)，抽屉式箱盒结构(12)架设在水平滑道(9)上；抽屉式箱盒结构(12)侧面由钢板(7)围成，底部四角位置设置斜向固定钢板(8)，左右侧面的钢板(7)底部均安装水平滑道(9)，形成上下空心的抽屉式结构；前后侧面的钢板(7)底部靠近斜向固定钢板(8)的位置均设置槽口(10)，槽口(10)内安装隔层钢板(13)；

隧道模型(17)埋设在第二或第三层抽屉式箱盒结构(12)的土体中；隧道模型(17)为中空结构，隧道模型(17)的管片(18)外壁设置土压力盒(20)，管片(18)内壁设置位移传感器(19)，管片(18)外壁底部轴线上设置应变片(21)，土压力盒(20)、位移传感器(19)和应变片(21)在隧道模型(17)上均按照中间密两边疏的对称结构进行布置；土体表面和第一层抽屉式箱盒结构(12)的土体中沿着隧道模型(17)方向和与隧道模型(17)垂直的方向布置十字型的土体测量点位(23)。

2.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述移动式反力梁(1)和移动式千斤顶(2)连接端均设置滑移装置，移动式反力梁(1)沿着两侧的钢板(7)水平滑动，移动式千斤顶(2)在移动式反力梁(1)上滑动；所述顶力架(3)由上加载板(4)、下加载板(5)以及传力柱(6)构成，传力柱(6)上下端分别与加载板连接并位于四个角的位置。

3.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述水平滑道(9)固定在左右侧面的钢板(7)上，水平滑道(9)由水平凹槽和滚珠组成，表面涂抹有机油。

4.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述隔层钢板(13)的插入端和拔出端两侧，即隔层钢板(13)的四个角上均平行设置预留小孔(14)，预留小孔(14)内绑扎钢绞线(15)；隔层钢板(13)插入端设计为刀口状，且表面涂抹有机油。

5.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述槽口(10)宽度与隔层钢板(13)宽度相同，槽口(10)厚度略大于隔层钢板(13)厚度，槽口(10)环向设置橡胶套圈。

6.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述抽屉式箱盒结构(12)前侧的钢板(7)上设有引线孔(11)作为预埋管线的通道，引线孔(11)四周设置橡胶套圈；抽屉式箱盒结构(12)前后侧面的钢板(7)中心位置均设置拉钩(16)。

7.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型(17)由位于同一圆心的双层薄壁空心管组成，两薄壁空心管之间空隙由环氧树脂填筑；单环隧道模型(17)切割成管片(18)，管片(18)之间由铝线连接，管片(18)环与环之间由铝线贯穿连接。

8.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型(17)的管片(18)内壁环向对称设置位移传感器(19)，位移传感器(19)分别位于管片(18)的拱顶、拱底和两侧拱腰处；隧道模型(17)的管片(18)外壁环向对称设置土压力盒(20)，土压力盒(20)分别位于管片(18)的拱顶、拱底和两侧拱腰处。

9.根据权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置，其特征在于，沿着隧道模型(17)方向和与隧道模型(17)垂直的方向进行布置土体测量点位(23)；土体表面安装位移传感器(19)，其底部设置螺帽(24)、垫片(25)和硬质薄片(26)，硬质薄片(26)抵在土体表面；土体表面以下分层布置土压力盒(20)、沉降板(27)和沉降杆(28)。

10.一种如权利要求1所述的地面堆载影响既有地铁隧道的室内模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模型箱的组装：试验开始前首先将各层抽屉式箱盒结构(12)安装在模型箱内部，同时在端口采用固定措施防止抽屉式箱盒结构(12)发生滑移；模型箱内部的空心隔间，在填入土料前，首先在每条水平滑道(9)上方预埋钢绞线(15)作为备用，钢绞线(15)整体预埋在模型箱每层的水平滑道(9)上，两端透过槽口(10)各留有露出段；之后在钢板(7)内表面、水平滑道(9)等位置上均匀涂抹机油进行润滑备用；

2)土料的分层填筑及顶部测量设备的埋设安装：将经过筛选的土料通过喷洒装置均匀倒入模型箱，每铺一层进行一次夯实，重复填土至第一层抽屉式箱盒结构(12)底部，之后沿着隧道模型(17)方向和与隧道模型(17)垂直的方向分层安装沉降板(27)和土压力盒(20)，沉降板(27)通过沉降杆(28)进行连接；经过设备预埋、填土压实后土料达到预定标高，最后在土体表面安装位移传感器(19)，土体表面的位移传感器(19)底部用胶水依次黏贴螺帽(24)、垫片(25)和硬质薄片(26)，将硬质薄片(26)抵在土体表面进行量测；

3)隧道模型(17)的制作：隧道模型(17)缩尺寸制作，选择PP管和环氧树脂作为隧道模型(17)的材料；管片(18)制作前，首先在工作平面上固定两个薄壁PP空心管，两薄壁空心管固定时截面圆心位于一点上，按照管片(18)所对应的圆周角进行垂直切割，之后在切割的空隙处塞入一张透明塑料薄片，透明塑料薄片中间卡有铝线，塞入完全后，铝线垂直卡在相邻两块管片(18)之间；待所有切缝处均卡入透明塑料薄片和铝线后，在该层两薄壁空心管之间的圆环内注入环氧树脂，凝结硬化后形成一环彼此环向通过铝线连接的管片(18)模型；待下层环氧树脂凝结稳定后，在表面覆盖一层塑料纸，不断重复上述步骤，即可形成一层层的环向管片(18)；每一层的切缝位置进行偏转，使管片(18)环与环之间的错缝拼装；

4)隧道模型(17)的埋入及测量设备的安装：隧道模型(17)制作完成后，埋入还未装入模型箱的单层抽屉式箱盒结构(12)中；隧道模型(17)整体前后水平纵向埋设，在管片(18)内部安装位移传感器(19)，位移传感器(19)布置在整个隧道模型(17)的正中间，分别测量隧道模型(17)拱顶位移、两侧拱腰位移以及拱底位移；通过位移传感器(19)的测量获得一个管片(18)隧道断面上下左右四个位移数据，通过观察与计算得出隧道结构的绝对位移和水平、竖直向的相对位移；土压力盒(20)布置在隧道模型(17)外壁上，应变片(21)黏贴在隧道模型(17)外壁底部中轴线上；

5)隔层钢板(13)的插入：当某层土体需要更换土芯时，首先将预埋的钢绞线(15)绑在隔层钢板(13)插入端的预留小孔(14)上，然后将表面已经涂抹机油的隔层钢板(13)水平放置；钢绞线(15)的另外一端连接卷扬机，利用卷扬机在模型箱的另外一侧提供充足的拉力，将隔层钢板(13)插入土体；在插入过程中将前后端的槽口(10)都打开，使隔层钢板(13)顶出该土层的土体；

6)抽屉式箱盒结构(12)的置换：当隔层钢板(13)插入到位后，将原来的抽屉式箱盒结构(12)的拔出端的拉钩(16)通过钢绞线(15)连接卷扬机，另一端的拉钩(16)与需要替换进入模型箱的抽屉式箱盒结构(12)的拉钩(16)连接；拉钩(16)各自连接完毕之后，利用卷扬机提供充足的拉力，原来的抽屉式箱盒结构(12)通过水平滑道(9)滑出，需要替换的抽屉式箱盒结构(12)也同步装入模型箱内部；当模型箱土芯置换完毕之后，将连接的拉钩(16)解绑；

7)隔层钢板(13)的拔出：当需要拔出隔层钢板(13)继续进行试验时，则首先在隔层钢板(13)的拔出端的预留小孔(14)上绑扎钢绞线(15)，之后利用卷扬机和钢绞线(15)将隔层钢板(13)拔出，另一端捆绑的钢绞线(15)也随着隔层钢板(13)埋入土体，待隔层钢板(13)取出后，继续进行张拉，直到重新埋入的钢绞线(15)露出槽口(10)，重新埋入的钢绞线(15)再次作为下次隔层钢板(13)插入时使用；

8)隧道模型(17)的置换：当进行完某种工况下的堆载试验后，可重复步骤4)到7)实现模型箱土芯的快速更换，进行下一个工况下的试验。