CN109613212A - 模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置，包括模型箱主体及可拆卸侧板；机械式半圆形隧道模型装置固定在有机玻璃观测窗的一侧，用以模拟隧道开挖引起的地层损失；位移控制系统与变截面内盒连接，用以控制变截面内盒的运动方向和速度；管线端部滑动装置，用以模拟隧道中心线正上方管线端部的水平及转动约束，实现管端的竖向滑动；位移测量组件，用以测量管线竖向位移及管线所在位置处的自由土体位移；拍摄设备；通过位移控制系统将变截面内盒向左移动至隧道截面最大，准确模拟隧道开挖引起的地层损失以及隧道中心线上方管线端部的水平及转动约束特性，同时能够测量管线所在位置处的土体及管线竖向位移，并可利用有机玻璃观测窗和高清数码相机配合PIV图像监测处理系统，量化隧道中心线上方管线径向平面内土体的位移及应变发展情况。本发明具有操作简便、过程可控、测试精度高、误差小的优点。

Description

模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程物理实验模拟技术领域，特别涉及一种模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置。

背景技术

城市地下空间存在着大量的密集管线，承担给排水、燃气运输、供暖、通讯及电力输送等任务。各类管线长期埋置于土体中，由于内部应力、外部地下水的侵蚀等，其自身的抵抗能力随时间的积累存在长期的老化。城市地下隧道工程的开挖会破坏周围地层的平衡状态，引起地层扰动并产生变形和位移，同时这种变形和位移作为外荷载作用在地埋管线上，导致管线产生额外的附加约束与应力，管线结构内力重分布，造成管线弯曲变形。如果弯曲变形过大，超过其允许安全变形，管线会出现裂缝甚至断裂，导致事故的发生。

可见，如何研究分析盾构隧道开挖对周围地层及邻近地埋管线的影响，以及如何采取对地下管线的保护措施等，是当前亟待解决的问题。

由于离心模型试验可以模拟现场应力状态的优势，开展了隧道开挖对既有管道影响的离心模型试验研究。Vorster等（2006）、Marshall等（2010）和Shi等（2016a）针对隧道开挖的条件，分别研究了管线的浅埋和深埋、管线的高、中、低刚度、管线与隧道的三维交叉等问题。但是，目前关于隧道开挖对地埋管线影响的试验研究仍存在以下几个方面问题：

一方面，隧道开挖装置均是采用排出液体的方式实现地层损失的模拟，虽然操作简便但无法准确控制排水量，以至于不能够精确模拟地层损失；另一方面，在研究分析隧道开挖条件下土体小应变特性对地埋管线响应影响时，指出不能忽略管线径向所在平面内的土体变形，而目前试验研究主要集中在管隧全模型模拟过程，往往仅局限于沿管道长度方向观测到隧道开挖影响下管道与土体的变形过程，现有模型试验系统不能观测到管线径向平面内的管土变形以及无法模拟隧道中心线上方管线端部的水平及转动约束。这是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种操作方便、功能丰富、精度高、误差小的精确控制地层损失，且用于研究隧道开挖影响下管线径向平面内管土变形机理的模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置，包括：

模型箱主体及可拆卸侧板，所述侧板与模型箱主体连接并在靠近有机玻璃观测窗一侧分别开设一多边形孔洞。

模型箱主体由前后挡板、两侧侧板和一块底板组成；所述模型箱前挡板为有机玻璃材质，前挡板与两侧侧板及底板紧密连接，供外置的高清数码相机拍照使用，配合PIV图像技术获取土体组构信息。

所述的可拆卸侧板通过螺栓与模型箱主体连接，并分别于模型箱前挡板连接处开出两个多边形孔洞用于控制变截面内盒的进出，也便于拆卸。

机械式半圆形隧道模型装置，包括四个变截面刚性环块、变截面内盒及乳胶膜，通过外包乳胶膜的方式将变截面刚性环块及内盒组合为一体式组件，并固定在有机玻璃观测窗的一侧，用以模拟隧道开挖引起的地层损失；四个变截面刚性环块事先被插入的变截面内盒所撑开的空间，一起被包裹在乳胶膜内，变截面内盒的变截面的设计使其在被拔出时隧道环块在纵向方向上整体从一个较大的截面均匀地过渡到最终的隧道截面，以此模拟隧道开挖引起的地层损失；乳胶膜的作用在于防砂，并压紧隧道环块。

位移控制系统，包括电机、位移控制杆、方向触发器及速度控制箱，所述位移控制杆与变截面内盒连接，用以控制变截面内盒的运动方向和速度；利用方向触发器改变机械式半圆形隧道模型装置变截面内盒的运动方向，通过电机及速度控制箱调节变截面内盒的移动速度和距离，以模拟隧道开挖引起的地层损失。

管线端部滑动装置，在隧道中心线上方的管线端部内嵌一微型滑轨，将滑块的一端与微型滑轨连接，滑块的另一端与有机玻璃固定在一起，利用固定滑块移动滑轨的方法实现管端的竖向滑动，用以模拟隧道中心线正上方管线端部的水平及转动约束，实现管端的竖向滑动。

位移测量组件，包括数显式千分表及位移测量引针，沿管线纵向布置多个位移测点，将位移引针一端固定在管线上，另一端露出土体表面，用以测量管线竖向位移及管线所在位置处的自由土体位移。

拍摄设备，包括照明灯、高清数码相机及高清摄像头；利用有机玻璃观测窗和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中管线周围土体变形的发展情况。

通过位移控制系统将变截面内盒向左移动至隧道截面最大，模拟隧道开挖截面未变形时候的工况，关闭电机启动开关并将模拟的土样分层放入模型箱中，按预先设定的地层损失比确定内盒移动的距离，变截面内盒的移动距离和速度通过电机直接控制，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃观测窗对管周土体进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析管线周围土体位移及应变的发展情况。

本发明的优越功效在于：

1） 准确模拟隧道开挖引起的地层损失以及隧道中心线上方管线端部的水平及转动约束特性，同时能够测量管线所在位置处的土体及管线竖向位移；

2） 利用有机玻璃观测窗和高清数码相机配合PIV图像监测处理系统，量化隧道中心线上方管线径向平面内土体的位移及应变发展情况；

3） 具有操作简便、过程可控、测试精度高、误差小的优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的前视图；

图2为本发明的侧视图，即隧道端部位置处a-a截面图；

图3为本发明的侧视图，即管线位置处b-b截面图；

图4为本发明的半模型隧道结构图；

图中标号说明：

1－模型箱主体； 2－可拆卸侧板；

3－底板； 4－有机玻璃观察窗；

5－后挡板； 6－变截面刚性环块A；

7－变截面刚性环块B； 8－变截面刚性环块C；

9－变截面刚性环块D； 10－变截面内盒；

11－乳胶膜； 12－外六角螺母；

13－高强度螺栓； 14－数显式千分表；

15－位移引针； 16－电机；

17－位移控制杆； 18－方向触发器；

19－速度控制箱； 20－模型管线；

21－管线端部滑动装置； 22－模型箱外支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1示出了本发明实施例的前视图；图2示出了本发明实施例隧道端部位置处a-a截面图；图3示出了本发明实施例管线位置处b-b截面图；图4示出了本发明实施例半模型隧道结构图。如图1-图4所示，本发明提供了一种模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置，包括：

模型箱主体1及可拆卸侧板2，所述可拆卸侧板2与模型箱主体1连接并在靠近有机玻璃观测窗4一侧分别开设一多边形孔洞，孔洞底部与变截面刚性环块D9的顶部齐平。

模型箱主体1由前后挡板、两侧侧板和一块底板组成；所述模型箱前挡板为有机玻璃材质，前挡板与两侧侧板及底板紧密连接，供外置的高清数码相机拍照使用，配合PIV图像技术获取土体组构信息。

所述的可拆卸侧板2通过螺栓与模型箱主体1连接，并分别于模型箱前挡板连接处开出两个多边形孔洞用于控制变截面内盒10的进出，也便于拆卸。

机械式半圆形隧道模型装置，包括四个变截面刚性环块A6、B7、C8、D9，变截面内盒10及乳胶膜11，通过外包乳胶膜的方式将变截面刚性环块A6、B7、C8、D9及变截面内盒10组合为一体式组件，并通过高强度螺栓固定在有机玻璃观测窗4的一侧，用以模拟隧道开挖引起的地层损失；四个变截面刚性环块A6、B7、C8、D9事先被插入的变截面内盒10所撑开的空间，一起被包裹在乳胶膜11内形成半圆形隧道模型装置，变截面内盒10的变截面的设计使其在被拔出时隧道环块在纵向方向上整体从一个较大的截面均匀地过渡到最终的隧道截面，以此模拟隧道开挖引起的地层损失；乳胶膜11的作用在于防砂，并压紧隧道环块。

位移控制系统，包括电机16、位移控制杆17、方向触发器18及速度控制箱19，所述位移控制杆17与变截面内盒10螺接，使电机运作时能带动变截面内盒10左右运动，用以控制变截面内盒10的运动方向和速度；利用方向触发器18改变机械式半圆形隧道模型装置变截面内盒10的运动方向，通过电机16及速度控制箱19调节变截面内盒10的移动速度和距离，以模拟隧道开挖引起的地层损失。

管线端部滑动装置21，在隧道中心线上方的管线端部内嵌一微型滑轨，将滑块的一端与微型滑轨连接，滑块的另一端与有机玻璃固定在一起，利用固定滑块移动滑轨的方法实现管端的竖向滑动，用以模拟隧道中心线正上方管线端部的水平及转动约束，实现管端的竖向滑动。

位移测量组件，包括数显式千分表14及位移测量引针15，沿管线纵向布置五个位移测点，将位移引针15一端固定在管线上，另一端露出土体表面，用以测量管线竖向位移及管线所在位置处的自由土体位移。

拍摄设备，包括照明灯、高清数码相机及高清摄像头；利用有机玻璃观测窗4和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中管线周围土体变形的发展情况。

本试验装置的工作过程：检测确定模型箱各部件连接正常。通过位移控制系统将变截面内盒10向左移动至隧道截面最大，模拟隧道开挖截面未变形时候的工况，关闭电机16启动开关并将模拟的土样分层放入模型箱中，按预先设定的地层损失比确定内盒移动的距离，变截面内盒10的移动距离和速度通过电机16直接控制，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃观测窗4对管周土体进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析管线周围土体位移及应变的发展情况。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内之内。

Claims (2)

1.一种模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置，其特征在于，包括：

模型箱主体及可拆卸侧板，所述侧板与模型箱主体连接并在靠近有机玻璃观测窗一侧分别开设一多边形孔洞；

机械式半圆形隧道模型装置，包括四个变截面刚性环块、变截面内盒及乳胶膜，通过外包乳胶膜的方式将变截面刚性环块及内盒组合为一体式组件，并固定在有机玻璃观测窗的一侧，用以模拟隧道开挖引起的地层损失；

位移控制系统，包括电机、位移控制杆、方向触发器及速度控制箱，所述位移控制杆与变截面内盒连接，用以控制变截面内盒的运动方向和速度；

管线端部滑动装置，在隧道中心线上方的管线端部内嵌一微型滑轨，将滑块的一端与微型滑轨连接，滑块的另一端与有机玻璃固定在一起，用以模拟隧道中心线正上方管线端部的水平及转动约束，实现管端的竖向滑动；

位移测量组件，包括数显式千分表及位移测量引针，沿管线纵向布置多个位移测点，将位移引针一端固定在管线上，另一端露出土体表面，用以测量管线竖向位移及管线所在位置处的自由土体位移；

拍摄设备，包括照明灯、高清数码相机及高清摄像头；

通过位移控制系统将变截面内盒向左移动至隧道截面最大，模拟隧道开挖截面未变形时候的工况，关闭电机启动开关并将模拟的土样分层放入模型箱中，按预先设定的地层损失比确定内盒移动的距离，变截面内盒的移动距离和速度通过电机直接控制，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃观测窗对管周土体进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析管线周围土体位移及应变的发展情况。

2.根据权利要求1所述的模拟地埋管线受隧道开挖影响的试验装置，其特征在于：所述有机玻璃观测窗内嵌于模型箱前部的侧板中。