CN109387151A - 一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置及方法，包括隧道模型试验装置、竖向激光位移传感器、水平激光位移传感器、计算机、滑块、异型直线滑轴、支撑杆、底座和皮尺；滑块穿插在异型直线滑轴上；隧道模型两端分别设置有支撑杆以架设起异型直线滑轴；皮尺与滑块相连接以牵引滑块从隧道模型一端滑动到另一端；两个竖向激光位移传感器分别设置在所述滑块的上下面；两个水平激光位移传感器分别设置在滑块的左右面；计算机与竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器分别相连以控制其发射激光束，并记录各传感器的激光测距数据。基于模型变形前后的激光测距数据，获得变形后隧道整体的竖向位移、水平位移和相对收敛。

Description

一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程防灾减灾技术领域，具体来讲，涉及一种室内试验中隧道模型位移和收敛的量测装置及方法。

背景技术

现代日益发达的交通体系便利了我们的生活，极大的缩短了我们出行所需的时间。其中隧道工程扮演了重要的角色，例如地铁隧道、公路隧道与高铁隧道等。由于它们的长线型特点，往往难以避免需要穿越断层带，或者存在运营中隧道周边开发的情况，在活断层错动、地震等地质作用下或者基坑开挖等周边开发影响下，这些生命线工程极易发生形变，甚至部分破坏，极大影响正常出行。所以深入研究隧道在活断层错动、地震灾害与周边开发等情况下的形变显得尤为重要。室内隧道模型试验是一种十分常见的研究手段，室内试验中隧道模型的应变可以直接通过张贴应变片连续采集，然而，隧道模型狭小的内部空间、位移相关传感器与隧道直接接触等不利因素，直接使得隧道模型的竖向位移、水平位移和相对收敛难以有效地一一量测，而且一旦隧道模型结构发生变形破坏，隧道模型内部相接触的位移相关传感器也可能遭受变位，输出数据将不可信。因此，如何独立于隧道模型非接触式，一次同时获取竖向位移、水平位移和相对收敛这三个主要变形数据一直是难以解决的技术难题。倘若在试验结束后，挖除上覆土体来量测隧道模型的变形，将只能获得最终的变形数据，无法知晓试验关键节点后隧道模型的变形发展过程。因此，针对有关隧道模型的室内试验，如何高效可靠获取隧道模型的竖向位移、水平位移和相对收敛成为亟待解决的技术难点。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置及方法，该量测装置为独立于隧道模型的非接触式量测，不受其变形干扰，且能够一次性获取其竖向位移、水平位移和相对收敛这三个主要变形数据，在每个设定试验截面都能连续量测，且高效、可靠、准确地采集隧道截面变形数据，进而获取到隧道全长的竖向位移、水平位移和相对收敛的变形曲线，原理清晰、操作易于实现。

本发明采用如下技术方案：

一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，包括用于开展隧道模型试验的隧道模型试验装置，所述隧道模型的两端与外界相通；所述量测装置还包括：竖向激光位移传感器、水平激光位移传感器、计算机、滑块、异型直线滑轴、支撑杆、底座和皮尺；所述滑块穿插在所述异型直线滑轴上；所述隧道模型两端分别设置有支撑杆以架设起所述异型直线滑轴；所述皮尺与所述滑块相连接以牵引滑块从隧道模型一端滑动到另一端；所述竖向激光位移传感器包括两个，分别设置在所述滑块的上下面以分别量测隧道模型拱顶、拱底与所述竖向激光位移传感器的距离；所述水平激光位移传感器包括两个，分别设置在所述滑块的左右面以分别量测隧道模型左拱腰、右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离；所述计算机与所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器分别相连以控制其发射激光束，并记录所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器的激光测距数据。

优选的，所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器的精度均为微米级。

优选的，所述滑块和异型直线滑轴通过滚珠接触。

优选的，所述异型直线滑轴为异形截面以使所述滑块只做一维平动。

优选的，所述支撑杆电塔式架设起所述异形直线滑轴；所述异形直线滑轴两端固定在支撑杆上。

优选的，所述异形直线滑轴中心线与隧道模型轴线相重合。

优选的，所述量测装置还包括两个底座；每个所述支撑杆设置在一个底座上方。

优选的，隧道模型试验中，隧道模型的变形远小于隧道模型的半径。

一种室内试验中隧道模型位移和收敛的量测方法，包括以下步骤：

步骤1，将实际隧道简化为有限长度，所述隧道模型的两端与外界相通；将两个竖向激光位移传感器分别设置在一滑块的上下面；将两个水平激光位移传感器分别设置在所述滑块的左右面；将所述滑块穿插在一异型直线滑轴上；在隧道模型两端分别设置一支撑杆以架设起所述异型直线滑轴；每一所述支撑杆设置在一底座上方；调节所述异型直线滑轴高度与底座位置，使得所述异型直线滑轴的中心线重合于隧道模型轴线；预先在隧道模型全长范围确定试验关注的若干截面；

步骤2，隧道模型试验开始前，通过一皮尺牵引所述滑块从隧道一端滑动到另一端，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集变形前隧道模型每个截面的初始数据；隧道模型试验时，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集得到每次试验关注的若干截面下，变形后隧道模型全长范围截面的试验数据；基于每个截面的初始数据和试验节点数据，获得变形后隧道模型整体的竖向位移、水平位移和相对收敛；以隧道长度为横坐标，坐标系中获得隧道模型沿轴线方向的竖向位移、水平位移和相对收敛的变化曲线；所述初始数据和试验数据均包括隧道模型拱顶与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型拱底与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型左拱腰与所述水平激光位移传感器的距离、隧道模型右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置及方法，应用于有关隧道模型的室内试验，所述量测装置为独立于隧道模型的非接触式量测，不受其变形干扰，激光位移传感器(激光位移传感器和水平激光位移传感器)在隧道全长扫描一次性同时获取截面三项变形数据，且在每个设定截面都能高效、可靠、连续采集，基于初始数据和试验数据，做相应减法运算，简单推算得到隧道全长的竖向位移、水平位移和相对收敛的变形曲线。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1为本发明量测装置的示意图一；

图2为本发明量测装置的示意图二；

图3是本发明量测装置的横剖图；

图中：1、滑块，21、竖向激光位移传感器，22、水平激光位移传感器，3、激光束，4、计算机，5、皮尺，6、异形直线滑轴，71、变形前隧道，72、变形后隧道，8、支撑杆，9、底座，10、隧道模型试验装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。

参见图1至3所示，本发明一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，包括滑块1、竖向激光位移传感器21、水平激光位移传感器22、激光束3、计算机4、皮尺5、异形直线滑轴6、变形前隧道71、变形后隧道72、支撑杆8、底座9及隧道模型试验装置10。

所述竖向激光位移传感器21和水平激光位移传感器22各包括两个，计算机4与所述竖向激光位移传感器21和水平激光位移传感器22分别相连以控制激光位移传感器的激光束3发射，并记录显示所有传感器(两个激光位移传感器21和两个水平激光位移传感器22)的激光测距数据。所述激光位移传感器21和水平激光位移传感器22均是微米级高精度，并且，相对于隧道模型而言，所述激光位移传感器21和水平激光位移传感器22是小型的。

所述滑块1穿插在所述异形直线滑轴6上，且所述滑块1和滑轴6通过滚珠接触，以及滑轴6采用异形截面构造与精钢锻造。因此，滚珠接触、异形截面构造和精钢锻造确保了滑块1自由且一维地平动。

两个所述竖向激光位移传感器21相对设置在所述滑块1的上面和下面以分别量测隧道模型拱顶、拱底与所述竖向激光位移传感器21的距离，即设置在所述滑块1上面的竖向激光位移传感器21用于量测隧道模型拱顶与所述竖向激光位移传感器21的距离，设置在所述滑块1下面的竖向激光位移传感器21用于量测隧道模型拱底与所述竖向激光位移传感器21的距离。两个所述水平激光位移传感器22包括相对设置在所述滑块1的左面和右面以分别量测隧道模型左拱腰、右拱腰与所述水平激光位移传感器22的距离，即设置在所述滑块1左面的水平激光位移传感器22用于量测隧道模型左拱腰与所述水平激光位移传感器22的距离，设置在所述滑块1右面的水平激光位移传感器22用于量测隧道模型右拱腰与所述水平激光位移传感器22的距离。所述计算机4与所述竖向激光位移传感器21和水平激光位移传感器22分别相连以控制其发射激光束，并记录所述竖向激光位移传感器21和水平激光位移传感器22的激光测距数据。基于上述方法，在隧道模型变形前采集每个确定要量测的截面的初始数据，同理，在隧道模型变形后采集每个确定要量测的截面的试验数据。所述初始数据和试验数据均包括隧道模型拱顶与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型拱底与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型左拱腰与所述水平激光位移传感器的距离、隧道模型右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离。现举例说明获取第1个试验节点后隧道某截面的竖向位移、水平位移和相对收敛的数值的处理过程。记竖向激光位移传感器21中指向拱顶的那个的初始数据记为v0，其在第1个试验节点后的数据记为v1；同理，指向拱底的那个的初始数据记为i0，其在第1个试验节点后的数据记为i1。水平激光位移传感器22中指向前拱腰的那个初始数据记为u0，其在第1个试验节点后的数据记为u1；同理，指向后拱腰的那个初始数据记为w0，其在第1个试验节点后的数据记为w1。做相应运算，变形后隧道72某截面的拱顶竖向位移值＝v1-v0，同理拱底竖向位移值＝i1-i0；变形后隧道72某截面的前拱腰水平位移值＝u1-u0，同理拱底竖向位移值＝w1-w0；变形后隧道72某截面的竖向收敛值＝v1+i1-d(其中d表示隧道内径)，同理水平收敛值＝u1+w1-d。第1个试验节点后隧道所有截面的数据均参照上述处理过程，最终获得第1个试验节点下变形后隧道72所有预定截面，即以隧道长度为横坐标，获得整体的竖向位移、水平位移和相对收敛关于全长的变化曲线。按照上述处理过程，处理所有关键试验节点的数据，获得试验各个阶段下变形后隧道72，其整体的竖向位移、水平位移和相对收敛关于全长的变化曲线。

所述支撑杆8包括两根，所述底座9包括两个，所述支撑杆8和所述底座9在隧道模型两端布置，电塔式架设起所述异形直线滑轴6，所述异形直线滑轴6两端固定在所述支撑杆8上。通过调节所述异形直线滑轴6高度与底座9位置，使得所述异形直线滑轴6中心线重合于隧道模型轴线。

所述皮尺5与所述滑块1相连接，由于皮尺5的柔性，其不仅牵引滑块1平动还测量出滑块1的实时位置。预先在隧道模型全长范围确定试验关注的若干截面(理论可以无限个)，在隧道模型试验的每个关键节点(即关注的若干截面)，皮尺5牵引滑块1从隧道一端到另一端，在确定下的每个截面处逗留，计算机4控制每个所述竖向激光位移传感器21和水平激光位移传感器22发射激光束3测距，采集每个截面四个数据。

所述隧道模型试验装置10是开展有关隧道模型试验的装置。室内隧道模型试验中，一般都将实际隧道简化为有限长度考虑，并且隧道模型的变形远小于半径，这确保变形后隧道72不会影响独立、非接触式的异形直线滑轴6。所述隧道模型的两端与外界相通。具体的,所述隧道模型试验装置10可采用现有的试验装置，比如专利CN106370819B中的断层模拟装置。

本发明可广泛应用于有关隧道模型的室内试验。可以克服以往试验中隧道模型竖向位移、水平位移和相对收敛难以量测的难题，建立非接触式、一次同时获取、原理清晰、操作易于实现的试验装置。

基于所述的室内试验中隧道模型位移和收敛的量测装置，本发明还提供一种室内试验中隧道模型位移和收敛的量测方法，包括以下步骤：

步骤1，将实际隧道简化为有限长度，隧道模型的两端与外界相通；将两个竖向激光位移传感器分别设置在一滑块的上下面；将两个水平激光位移传感器分别设置在所述滑块的左右面；将所述滑块穿插在一异型直线滑轴上；在隧道模型两端分别设置一支撑杆以架设起所述异型直线滑轴；每一所述支撑杆设置在一底座上方；调节所述异型直线滑轴高度与底座位置，使得所述异型直线滑轴的中心线重合于隧道模型轴线；预先在隧道模型全长范围确定试验关注的若干截面；

步骤2，隧道模型试验开始前，通过一皮尺牵引所述滑块从隧道一端滑动到另一端，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集变形前隧道模型每个截面的初始数据；隧道模型试验时，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集得到每次试验关注的若干截面下，变形后隧道模型全长范围截面的试验数据(具体的处理过程参考前述一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置中的描述)。所述初始数据和试验节点数据均包括隧道模型拱顶与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型拱底与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型左拱腰与所述水平激光位移传感器的距离、隧道模型右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，包括用于开展隧道模型试验的隧道模型试验装置，所述隧道模型的两端与外界相通；其特征在于，所述量测装置还包括：竖向激光位移传感器、水平激光位移传感器、计算机、滑块、异型直线滑轴、支撑杆、底座和皮尺；所述滑块穿插在所述异型直线滑轴上；所述隧道模型两端分别设置有支撑杆以架设起所述异型直线滑轴；所述皮尺与所述滑块相连接以牵引滑块从隧道模型一端滑动到另一端；所述竖向激光位移传感器包括两个，分别设置在所述滑块的上下面以分别量测隧道模型拱顶、拱底与所述竖向激光位移传感器的距离；所述水平激光位移传感器包括两个，分别设置在所述滑块的左右面以分别量测隧道模型左拱腰、右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离；所述计算机与所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器分别相连以控制其发射激光束，并记录所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器的激光测距数据。

2.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器的精度均为微米级。

3.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述滑块和异型直线滑轴通过滚珠接触。

4.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述异型直线滑轴为异形截面以使所述滑块只做一维平动。

5.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述支撑杆电塔式架设起所述异形直线滑轴；所述异形直线滑轴两端固定在支撑杆上。

6.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述异形直线滑轴中心线与隧道模型轴线相重合。

7.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，所述量测装置还包括两个底座；每个所述支撑杆设置在一个底座上方。

8.根据权利要求1所述的室内试验中隧道模型位移与收敛的量测装置，其特征在于，隧道模型试验中，隧道模型的变形远小于隧道模型的半径。

9.一种室内试验中隧道模型位移和收敛的量测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将实际隧道简化为有限长度，所述隧道模型的两端与外界相通；将两个竖向激光位移传感器分别设置在一滑块的上下面；将两个水平激光位移传感器分别设置在所述滑块的左右面；将所述滑块穿插在一异型直线滑轴上；在隧道模型两端分别设置一支撑杆以架设起所述异型直线滑轴；每一所述支撑杆设置在一底座上方；调节所述异型直线滑轴高度与底座位置，使得所述异型直线滑轴的中心线重合于隧道模型轴线；预先在隧道模型全长范围确定试验关注的若干截面；

步骤2，隧道模型试验开始前，通过一皮尺牵引所述滑块从隧道一端滑动到另一端，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集变形前隧道模型每个截面的初始数据；隧道模型试验时，在确定下的每个截面处逗留，通过计算机控制竖向激光位移传感器和水平激光位移传感器发射激光束测距，采集得到每次试验关注的若干截面下，变形后隧道模型全长范围截面的试验数据；基于每个截面的初始数据和试验节点数据，获得变形后隧道模型整体的竖向位移、水平位移和相对收敛；以隧道长度为横坐标，坐标系中获得隧道模型沿轴线方向的竖向位移、水平位移和相对收敛的变化曲线；所述初始数据和试验数据均包括隧道模型拱顶与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型拱底与所述竖向激光位移传感器的距离、隧道模型左拱腰与所述水平激光位移传感器的距离、隧道模型右拱腰与所述水平激光位移传感器的距离。