CN109269900A - 一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，包括自平衡持荷模块和地层模拟及抗力加载模块，其中，自平衡持荷模块包括环箍梁、圆形挡板、中心环和立柱，环箍梁、圆形挡板和中心环同心设置构成外、中、里三层持荷构架，立柱设有多个，均匀固定于环箍梁上，立柱、圆形挡板和中心环通过拉杆固定连接；地层模拟及抗力加载模块设有多个，与立柱匹配设置，每一地层模拟及抗力加载模块包括千斤顶、刚性推力器和荷载分配单元，千斤顶一端与立柱连接，另一端依次连接圆形挡板、刚性推力器和荷载分配单元。与现有技术相比，本发明具有可将千斤顶推力转换为均布荷载、可模拟多种结构盾构隧道受力性能与加固效果试验等优点。

Description

一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置

技术领域

本发明涉及一种地层模拟及加载试验装置，尤其是涉及一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置。

背景技术

室内模型试验一直以来是隧道工程研究领域的重要研究手段，在满足一定相似原理的前提下，模型试验相对应现场测试及数值计算可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出隧道结构的力学特性，对探究地下工程机理，以及工程实践起到指导作用。

随着地铁交通建设规模的不断扩大，越来越多的城市在开展地铁建设，盾构隧道在地铁路线中所占的比例越来越大。地铁盾构隧道处于一定的工程地质环境中，在其施工及运营过程中，隧道结构受到周围地层的压力及与周围地层的相互作用，因此需要研究隧道结构模型在不同水土压力，施工工况及各种拼装条件下的结构力学行为特征；检测结构的内力、变形与承载能力，为配筋、接头形态及内衬等关键结构参数的优化提供依据；最后通过观察隧道结构模型的破坏特征，验证隧道结构的可靠性，对其长期安全性进行评估，为盾构隧道施工及运营的安全、顺利进行提供保障。

目前，国内学者针对隧道结构力学行为特征的模型试验装置展开了研究，并取得了一定的研究成果。

中国专利CN 105651614 A公开了一种用于盾构管片和直梁试验加载装置，由台架底座、四角四根立柱构成试验台架；采用水平千斤顶、滑动支座、竖向千斤顶、竖向加载板、横向反力梁及“H”形竖向反力梁构成加载系统。该装置将管片或梁放置于水平方向的两个滑动支座上，再将竖向加载板置于其上，利用水平向四只千斤顶和竖向两个千斤顶进行加载。在该专利中，只针对了分块的管片进行力学特性的研究，而不能针对整环管片展开研究；另外，通过水平推力使管片产生弯矩和轴力也并非实际隧道结构的受力模式，这将对分析管片这种特殊结构在实际工程中的力学行为的准确性造成一定的偏差。

中国专利CN 101403645 A公开了一种水压、土压独立加载的盾构隧道结构原型试验装置。在该装置中，土压加载装置在水平的隧道结构外表面布置4条对拉梁，相对的两拉梁通过对拉锚索及串接的千斤顶连接；水压加载装置在水平放置的隧道结构外表面布置环箍梁。该装置利用环箍梁对管片环施加环箍力而产生轴力，依次模拟水压，而对拉梁用于对管片结构施加径向压力而产生弯矩，利用反力梁体分别模拟管片实际过程中所受的地层作用力和水压力，以此进行土压力和水压力的自由组合来模拟实际地层对管片的最不利荷载情况，从而获得管片结构的内力特征和变形特征。在这一专利中，首先，其加载形式为对称加载，而实际隧道结构所受荷载为非对称形式，加之对拉梁数量较少，无法施加出较为真实的轴力及弯矩；其次，环箍梁对隧道结构模型位移有约束作用，且无法模拟出隧道结构与地层土体之间的相互作用关系；最后，该装置是足尺试验装置，试验成本昂贵，工序繁琐，操作难度大；

中国专利CN 10591083 A公开了一种隧道衬砌整环结构试验加载装置，该装置包括中心反力装置、沿中心反力装置径向布置了多组加载点，每组加载点包括荷载分配梁、液压装置、持荷梁以及至少一根拉杆。该装置利用自平衡的拉杆-反力梁加载体系，所有加载点荷载汇于中心反力装置上，构成自平衡加载系统。在这一专利中，加载点对隧道结构压力较为集中，无法模拟出实际隧道结构所受的均布荷载；其次，该装置同样没有考虑结构与地层的相互作用关系，无法对隧道结构的受力行为进行较为真实地模拟；最后，该装置同样为整环足尺试验装置，试验成本昂贵，工序繁琐，操作难度大，并且该试验为隧道结构极限承载力试验，甚至有一定的安全隐患。

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用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，可将千斤顶推力转换为均布荷载施加于隧道结构模型，可模拟多种相似比、断面尺寸及拼装方式的盾构隧道受力性能与加固效果试验，并且考虑了岩土体与隧道结构的相互作用及地层抗力的非线性特性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，包括自平衡持荷模块和地层模拟及抗力加载模块，其中，

所述自平衡持荷模块包括环箍梁、圆形挡板、中心环和立柱，所述环箍梁、圆形挡板和中心环同心设置构成外、中、里三层持荷构架，所述立柱设有多个，均匀固定于所述环箍梁上，所述立柱、圆形挡板和中心环通过拉杆固定连接；

所述地层模拟及抗力加载模块设有多个，与所述立柱匹配设置，每一所述地层模拟及抗力加载模块包括千斤顶、刚性推力器和荷载分配单元，所述千斤顶一端与立柱连接，另一端依次连接圆形挡板、刚性推力器和荷载分配单元。

进一步地，所述环箍梁设有多层，均匀固定于所述立柱上。

进一步地，所述圆形挡板设有用于连接所述拉杆的连接柱，该连接柱的个数与立柱相同。

进一步地，所述千斤顶包括千斤顶本体以及分别通过螺栓连接于所述千斤顶本体两端的前法兰和后法兰。

进一步地，所述千斤顶连接有伺服液压系统。

进一步地，所述伺服液压系统连接有智能计算机。

进一步地，所述刚性推力器包括一法兰盘和四块梯形斜撑。

进一步地，所述荷载分配单元包括两个荷载分配板和夹设于两个荷载分配板间的氮气弹簧。

进一步地，所述荷载分配单元上还连接有柔性橡胶垫，所述柔性橡胶垫的表面与隧道结构模型外表面曲率一致。

进一步地，所述中心环、立柱和拉杆均为钢结构元件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、将多环隧道结构模型置于自平衡持荷模块内，即可完成不同相似比、不同断面尺寸及拼装形式的隧道结构模型的模拟试验，其应用范围广。

二、地层模拟及抗力加载装置连接有一套可精确控制压力、位移和速率的伺服液压系统，即可完成不同施工工况隧道结构模型的模拟试验，且试验数据精确可靠，其应用范围广。

三、地层模拟及抗力加载装置设置有刚性推力构造和荷载分配板，该板中部布设有模拟地层抗力的氮气弹簧，可模拟出结构与周围土体的相互作用，以及土体抗力的非线性特性，更能充分模拟衬砌结构在实际土体中的受力状态，其应用范围广。

四、地层模拟及抗力加载装置设置有刚性推力构造及柔性橡胶垫，前者能有效将千斤顶集中力分散给氮气弹簧，使氮气弹簧受力变形保持稳定、一致的状态，后者能将氮气弹簧压缩后所产生的反力均匀等效地施加于隧道结构，在整个荷载施加的过程中，合理、有效地将集中力转化为均布力，其应用范围广。

总之，本发明的加载系统可以模拟隧道结构在不同地层条件、施工工况及各种拼装条件下隧道结构与地层土体间的相互作用，以及土体抗力的非线性特性，更为真实地模拟隧道结构在实际工程地质环境中的受力状态；此外，在荷载施加方面，设计出了一种有效将千斤顶推力转化为均布荷载的加载装置，使隧道结构模型受力更为接近于实际；并装置有伺服液压系统，测试数据精确可靠，且其操作方便，为盾构隧道设计及运营的安全顺利进行提供具有重要参考价值的数据。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例的地层模拟及抗力加载装置侧视图；

图中：1-隧道结构模型，2-圆形挡板，3-立柱，4-环箍梁，5-拉杆，6-中心环，7-千斤顶，8-刚性推力器，9-荷载分配板，10-氮气弹簧，11-柔性橡胶垫，12-连接柱。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，该装置可以模拟盾构隧道模型结构在不同地层、施工工况及各种拼装条件下隧道结构模型与地层土体间的相互作用，以及土体抗力的非线性特性，更为真实地模拟隧道结构在实际工程地质环境中的受力状态；同时可将油缸推力转换为均布荷载施加于隧道结构模型，并可连接有伺服液压系统，测试数据精确可靠，且其操作方便，为盾构隧道施工及运营的安全顺利进行提供更加可靠的保障。

如图1所示，本实施例以应用于三环盾构隧道结构为例，实现一种用于三环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，包括自平衡持荷模块和地层模拟及抗力加载模块。

自平衡持荷模块包括环箍梁4、圆形挡板2、中心环6和立柱3，环箍梁4、圆形挡板2和中心环6同心设置构成外、中、里三层持荷构架，环箍梁4设有三层，每层环箍梁4分别焊接于立柱3四等分点处，立柱3设有多个，均匀设置于环箍梁4十二等分点处，圆形挡板2的外侧上下端各等距布设有十二根连接柱12，连接柱12与圆形挡板2焊接，立柱3、连接柱12与钢环6均开孔并通过拉杆5连接。中心环6、立柱3和拉杆5均为钢结构元件。

地层模拟及抗力加载模块的个数与立柱3的个数匹配，也设置有12个。每一地层模拟及抗力加载模块包括千斤顶7、刚性推力器8和荷载分配单元，千斤顶7一端与立柱3连接，另一端依次连接圆形挡板2、刚性推力器8和荷载分配单元。荷载分配单元包括两个荷载分配板9和夹设于两个荷载分配板9间的氮气弹簧10。

千斤顶7连接有伺服液压系统，提供动力。在本实施例中，伺服液压系统连接还有智能计算机，可在计算机上设定对应参数来模拟不同的荷载工况，并能对管片衬砌压力及位移进行精确控制，确保测试数据精确可靠。

千斤顶7包括千斤顶本体以及分别通过螺栓连接于千斤顶本体两端的前法兰和后法兰，可以通过调节前法兰盘与内侧挡板位置实现千斤顶位置变化，在不改变千斤顶量程的情况下，可实现增加或减小各方向千斤顶作用距离，可适用于各种相似比及断面尺寸的隧道模型。

刚性推力器8包括一法兰盘和四块梯形斜撑将千斤顶推力分散到荷载分配板上，从而使得氮气弹簧受力均匀且变形保持一致，氮气弹簧压缩后，通过荷载分配板及柔性橡胶达到对隧道结构施加均布荷载的效果。

荷载分配单元上还可连接有柔性橡胶垫11，柔性橡胶垫11的表面与隧道结构模型1外表面曲率一致，最终通过柔性橡胶垫11以均布荷载的形式施加于隧道结构模型1表面。在本实施例中，柔性橡胶垫11包括柔性传力橡胶和超柔性调整橡胶，柔性橡胶具有硬度低、易变性、能承受高压、本身体积不可压缩等特性，能将氮气弹簧压缩所产生的反力均匀地传递到隧道结构模型的表面，并能随模型表面变形而变形。

在进行试验时，可在隧道结构模型1上设置混凝土、受力钢筋及螺栓应变监测系统，如设置于隧道周边的应变片、位移计、测缝计等测量元件以及设置于隧道结构上方设置有全景高清相机等，量测元件均与智能计算机相连。

上述试验装置具体实施时，先将连接柱12、立柱3及中心环6通过拉杆5并由螺栓固定，然后将隧道结构模型1垂直于地面放置于圆形挡板2中心，待安装好应变片、位移计、测缝计等测量元件并连接到智能计算机后，再将另一侧的连接柱12、立柱3及中心环6通过拉杆5并由螺栓固定，将千斤顶7前法兰固定于圆形挡板2，后法兰固定于立柱3，进行下一步荷载施加工作。

通过智能计算机输入压力、位移和速率等参数后，启动伺服液压系统带动千斤顶7动作，利用千斤顶7从水平径向方向将荷载先作用于刚性推力器8上，再通过氮气弹簧10压缩产生的反力传递于柔性橡胶垫11上，最后通过柔性橡胶垫11向隧道结构模型1施加均布荷载，以模拟土体将荷载传递给隧道结构，对隧道结构模型1施加均布力作用。通过调控计算机参数，改变千斤顶7的作用力及行程，可模拟不同土压、水压及施工条件对隧道结构的作用；调节氮气压力，可实现地层条件的变换，并且可模拟出地层抗力的非线性特性，从而模拟出不同的地层条件下与隧道结构的相互作用；更换管片的拼装方式，可模拟出不同拼装条件下隧道结构的模型试验；改变隧道结构模型的相似比及断面尺寸，调节千斤顶位置并核算量程，可模拟出各类尺寸的隧道结构模型试验；再通过安装的应变片、位移计、压力传感器、测缝计等各种测试元件，记录隧道结构模型力学行为特征。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，包括自平衡持荷模块和地层模拟及抗力加载模块，其中，

所述自平衡持荷模块包括环箍梁(4)、圆形挡板(2)、中心环(6)和立柱(3)，所述环箍梁(4)、圆形挡板(2)和中心环(6)同心设置构成外、中、里三层持荷构架，所述立柱(3)设有多个，均匀固定于所述环箍梁(4)上，所述立柱(3)、圆形挡板(2)和中心环(6)通过拉杆(5)固定连接；

所述地层模拟及抗力加载模块设有多个，与所述立柱(3)匹配设置，每一所述地层模拟及抗力加载模块包括千斤顶(7)、刚性推力器(8)和荷载分配单元，所述千斤顶(7)一端与立柱(3)连接，另一端依次连接圆形挡板(2)、刚性推力器(8)和荷载分配单元。

2.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述环箍梁(4)设有多层，均匀固定于所述立柱(3)上。

3.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述圆形挡板(2)设有用于连接所述拉杆(5)的连接柱(12)，该连接柱(12)的个数与立柱(3)相同。

4.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述千斤顶(7)包括千斤顶本体以及分别通过螺栓连接于所述千斤顶本体两端的前法兰和后法兰。

5.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述千斤顶(7)连接有伺服液压系统。

6.根据权利要求5所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述伺服液压系统连接有智能计算机。

7.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述刚性推力器(8)包括一法兰盘和四块梯形斜撑。

8.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述荷载分配单元包括两个荷载分配板(9)和夹设于两个荷载分配板(9)间的氮气弹簧(10)。

9.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述荷载分配单元上还连接有柔性橡胶垫(11)，所述柔性橡胶垫(11)的表面与隧道结构模型外表面曲率一致。

10.根据权利要求1所述的用于多环盾构隧道结构的地层模拟及加载试验装置，其特征在于，所述中心环(6)、立柱(3)和拉杆(5)均为钢结构元件。