CN109916719A - 黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法，本发明通过在模型箱内设置隧道模型，并在模型箱底部设置浸水头，用来模拟隧道浸水工况，采用在隧道模型内设置电动式激振器，用来模拟隧道震动，并且电动式激振器能够在轨道上滑动，能够模拟不同位置上的震动，自由灵活，本系统实现了地铁隧道浸水及动荷载等不同工况下的模拟，完全达到了本试验浸水和动荷载的模拟要求。本发明结构明确，功能良好，自动化程度高，并且可重复利用，具有良好的推广应用价值。

Description

黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法

技术领域

本发明属于室内模型试验领域，具体涉及一种黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法。

背景技术

随着我国城市交通网的不断完善，越来越多的地铁隧道投入建设与运营。西安、兰州等西部城市大厚度黄土地层分布广泛，随着地铁线路的进一步完善，不可避免的会存在许多地铁区间处于大厚度湿陷性黄土地层。黄土具有明显的水敏性，黄土地层含水率改变会引起其力学参数明显变化，会对其中的工程结构造成威胁，目前大量地下工程建设会引起地下水位改变，另外输水管线爆裂漏水、附近河道渗水等，均可能导致隧道周边围岩浸水，在列车动荷载作用下，可能引起围岩承载能力降低，造成衬砌开裂漏水等病害，对地铁隧道结构安全造成威胁。为了系统研究黄土地层浸水及列车动荷载对隧道结构的影响，常常采用数值模拟、室内模型试验、理论分析等方法开展研究，目前数值模拟和理论分析方法采用的较多，但室内模型试验相对较少，这是由于目前室内模型装置存在局限性，难以达到良好的模拟效果。如专利“一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法”(申请号：201710057182.X)提供一种多工况浸水试验模型箱，可以模拟一些地层浸水工况，但并未涉及列车动荷载的影响，并且浸水只能模拟地下水上升和地表水下渗等工况，无法模拟地下管线爆裂等局部渗水的情况，一些实际浸水工况及列车动荷载就难以较好的模拟。并且由于试验系统的局限性，目前黄土地层浸水及动荷载影响下的室内试验模型方法也不成熟。因此，提供一种适用于黄土地层地铁隧道浸水及动荷载模拟的室内试验系统及试验方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法，能够满足室内模型试验不同工况的模拟要求，得到围岩浸水和列车动荷载对地铁隧道的影响规律，为设计及运营提供指导。

为了达到上述目的，本发明提供一种黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，包括模型箱，模型箱为长方体，模型箱的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型，模型箱的底部设置有若干组浸水管，浸水管上设置有若干浸水头，所有浸水管均连接模型箱外的供水端，模型箱顶部设置有横梁，横梁上设置有若干激光位移计，模型箱上设置有标尺，隧道模型内设置有轨道，轨道上设置有能够滑动的若干电动式激振器。

供水端包括储水箱，储水箱与所有浸水管的进水端和出水端连接形成回路，储水箱与浸水管的进水端间设置有增压泵和电磁阀。

所有浸水头均垂直指向模型箱的顶部。

激光位移计垂直指向模型箱的底部。

横梁上设置有千斤顶，千斤顶垂直指向模型箱的底部。

模型箱的底部为底部钢板，模型箱的侧面为钢化玻璃。

每个浸水头均通过独立的电磁阀单独控制，每个浸水头上均设置有土工膜。

黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，在隧道模型的测试断面处安装应变片和土压力盒；

步骤二，将隧道模型固定在模型箱，填筑模型土到预定高度；

步骤三，在模型箱外部安装相机，使相机持续拍摄模型箱内部；

步骤四，根据所需工况开启浸水头，使浸水头持续喷水，并开启电动式激振器；

步骤五，通过标尺实时观测浸水深度，通过机实时记录隧道模型的位移情况，并通过应变仪记录应变片和土压力盒的数据，直至完成试验。

若需要对模型土进行加压试验，则在模型土上表面放置承载板，在横梁上安装千斤顶，使千斤顶的输出轴与承载板接触。

与现有技术相比，本发明的模拟系统通过在模型箱内设置隧道模型，并在模型箱底部设置浸水头，用来模拟隧道浸水工况，采用在隧道模型内设置电动式激振器，用来模拟隧道震动，并且电动式激振器能够在轨道上滑动，能够模拟不同位置上的震动，自由灵活，本系统实现了地铁隧道浸水及动荷载等不同工况下的模拟，完全达到了本试验浸水和动荷载的模拟要求。本发明结构明确，功能良好，自动化程度高，并且可重复利用，具有良好的推广应用价值。

进一步的，本发明的每个浸水探头均有独立的电磁阀控制，自动化程度高，并且浸水模拟更加精确。

进一步的，本发明设置有千斤顶，能够对模型土进行加压，模拟具有压力的工况。

本发明的试验方法在隧道模型的测试断面处安装应变片和土压力盒，在模型箱外部安装相机，在模型箱内部填筑模型土，再开启浸水头和电动式激振器，用来模拟隧道浸水和振动，本方法能够模拟多种工况，为黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟提供更为准确的试验结果。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明中浸水管的示意图；

图3为本发明中隧道模型的示意图；

图4为实施例1中不同工况下的土压力测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；

图5为实施例1中不同工况下的弯矩测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；

图6为实施例1中不同工况下的隧道位移测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；

图7为实施例1中基底浸水地表沉降测试图，(a)为局部浸水，(b)为全幅浸水；

其中，1、模型箱；2、底部钢板；3、钢化玻璃；4、横梁；5、激光位移计；6、千斤顶；7、标尺；8、隧道模型；9、电动式激振器；10、进水管；11、浸水管；12、出水管；13、储水箱；14、增压泵；15、电磁阀；16、浸水头；17、导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1、图2和图3，黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，包括模型箱1，模型箱1的底部为底部钢板2，模型箱1的侧面为钢化玻璃3，模型箱1为长方体，模型箱1的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型8，模型箱1的底部设置有若干组浸水管11，浸水管11上设置有若干浸水头16，每个浸水头16均通过独立的电磁阀单独控制，每个浸水头16上均设置有土工膜，所有浸水管11均连接模型箱1外的供水端，模型箱1顶部设置有横梁4，横梁4上设置有若干激光位移计5，模型箱8上设置有标尺7，隧道模型8内设置有轨道17，轨道17上设置有能够滑动的若干电动式激振器9，所有浸水头16均垂直指向模型箱1的顶部，激光位移计5垂直指向模型箱1的底部。

供水端包括储水箱13，储水箱13与所有浸水管11的进水端和出水端连接形成回路，储水箱13与浸水管11的进水端间设置有增压泵14和电磁阀15。

优选的，横梁4上设置有千斤顶6，千斤顶6垂直指向模型箱1的底部。

模型箱1的框架为方形空心钢管，其与底部钢板采用焊接方式连接，钢化玻璃和模型框架及底部钢板采用螺栓连接，并且用玻璃胶密封，保证不漏水。模型箱1前壁钢化玻璃设置有圆形开口，尺寸与隧道模型8外径相等。横梁4采用高强工字钢，保证具有足够的刚度，能够承受试验设计荷载，横梁4与模型框架8也采用螺栓连接，便于拆卸。浸水管采用直径5mm的钢管，每个浸水头设置一层土工膜，避免土体进入浸水管内部。

本发明的试验方法包括以下步骤：

步骤一：模型箱、隧道模型、测试元件及模型土等原材料准备；

步骤二：调试浸水装置的可靠性，连接进水管10、浸水管11、出水管12、储水箱13和增压泵14，打开阀门，观察浸水装置是否运行良好，关闭阀门，准备试验；

步骤三：安装测试元件，在隧道模型8的测试断面处，分别安装应变片和土压力盒等测试元件，并整理导线；

步骤四：在隧道模型8底部安装导轨17，然后安装电动式激振器9，根据试验仪器调整电动式激振器9位置，整理导线；

步骤五：填筑模型土到预定高度，安装带有测试元件的隧道模型8，进一步填土到预定高度，引出导线；

步骤六：根据试验工况判定是否需要上部加载装置，如果需要则安装承载板，在横梁4上安装千斤顶6，使千斤顶6与承载板接触，如不需要则忽略此步；

步骤七：在横梁4上安装激光位移计5，并根据测试目的调整激光位移计5的位置；

步骤八：将测试元件的导线连接到应变仪，调试测试元件，并初始化，准备试验；

步骤九：在模型箱1左侧安装标尺7；

步骤十：安装高清照相机；

步骤十一：打开增压泵14和阀门，同时结合试验工况，开启需要数量的浸水头16上的电磁阀，并打开电动式激振器9；

步骤十二：通过标尺7实时观测浸水深度，通过高清照相机实时记录隧道位移情况，并通过应变仪记录各项测试元件的数据。

步骤十三：试验完毕后，依次拆卸激光位移计5、横梁4、承载板(如有)、模型土、隧道模型8。

实施例1：

暂不考虑动荷载影响，不同地层浸水工况对地铁隧道结构的影响分析。隧道开挖及建成运营初始阶段隧道周围地层处于无水状态，围岩力学参数变化不大，可认为隧道处于健康安全状态，但随着运营年限的增加，多种因素可能引起隧道周边地层浸水恶化，如地下工程建设造成地下水渗流路径改变，引起地下水位上升；附近河道及地下暗河中的水向隧道部位渗流；隧道开挖形成汇水区，裂隙水向隧道处汇集；浅埋隧道可能受到地表强降水或生活用水排放引起裂隙渗水的影响。因此，地铁隧道长期运营中，隧道基底和隧道周边及上部的黄土含水率等各项指标均可能发生改变，导致基底发生不均匀湿陷，上部围岩自承能力降低，加大对隧道的附加荷载，最终造成隧道结构受力不均匀或不均匀沉降等病害，湿陷性黄土地铁隧道基底及周边围岩浸水对隧道结构受力和变形的影响机制尚不清晰，开展不同工况黄土地层浸水对隧道结构的影响研究具有重要意义。

本次试验主要考虑深埋隧道基底浸水(地下水位上升和地下暗河)和浅埋隧道地表浸水(河道或地表强降水)两种工况，两种情况又分别考虑局部不均匀浸水，及全幅均匀浸水。基底浸水考虑地下水全幅均匀上升和局部不均匀上升两种情况，隧道埋深设定为50cm(相当于原型15m)，隧道基底湿陷土层取30cm(相当于原型9m)，水位上升高度分别考虑为10cm、20cm、30cm(相当于原型3m、6m、9m)。具体基底浸水工况设计图见图2，基底浸水工况参数见表1所示。地表浸水主要考虑局部不均匀浸水和全幅均匀浸水两种情况，隧道整体埋深设定为30cm(相当于原型9m)，隧道底板下湿陷性土层厚度设定为60cm(相当于原型18m)，浸水深度分别考虑为10cm、20cm、30cm(相当于原型3m、6m、9m)。地表浸水工况设计见图1。

实施例1的试验步骤为：

步骤1：模型箱、隧道模型、测试元件及模型土等原材料准备；

步骤2：调试浸水装置的可靠性，连接进水管10、浸水管11、出水管12、储水箱13和增压泵14，打开阀门，观察浸水装置是否运行良好，关闭阀门，准备试验；

步骤3：安装测试元件，在隧道模型8的测试断面处，分别安装应变片和土压力盒等测试元件，并整理导线；

步骤4：填筑模型土到预定高度，安装带有测试元件的隧道模型8，进一步填土到预定高度，引出导线；

步骤5：在横梁4上安装激光位移计5，并根据测试目的调整激光位移计5的位置；

步骤6：将测试元件的导线连接到应变仪，调试测试元件，并初始化，准备试验；

步骤7：在模型箱1左侧安装标尺7；

步骤8：安装高清照相机；

步骤9：打开增压泵14和阀门，同时结合试验工况，开启需要数量的浸水头16上的电磁阀，并打开电动式激振器9；

步骤10：通过标尺7实时观测浸水深度，通过高清照相机实时记录隧道位移情况，并通过应变仪记录各项测试元件的数据。

步骤11：试验完毕后，依次拆卸激光位移计5、横梁4、模型土、隧道模型8。

最终得到测试结果如图4-图7所示。

图4(a)为基底局部浸水隧道土压力演化规律，随着浸水深度的增加，隧周各测点土压力逐渐发生变化，浸水10cm时测点5土压力逐渐减小，其余测点变化不明显，浸水20cm时测点3土压力有所增大，其余测点有所减小，但减小不明显，浸水深度30cm时测点3土压力进一步增大，测点2和测点8有所减小，其余测点减小不明显，说明隧道基底局部浸水引起隧周土压力重分布，随浸水深度增加，受土层的荷载传递机制，土压力变化趋势有所改变；图4(b)为基底全幅浸水土压力演化规律，可以看出随着浸水深度的增加，土压力逐渐减小，且变化趋势相对均匀，分析认为地基浸水承载力降低，隧道与地基之间的接触压力减小，对于处于平衡状态的隧道来说，土压力减小对隧道受力也是不利的。

图4(c)为地表局部浸水隧道土压力演化规律，可看出随着浸水深度增加，隧周各点土压力逐渐发生变化，浸水10cm时测点5、测点6和测点8土压力有所增大，测点2土压力有所减小，其余测点变化不大；浸水20cm时测点5、测点6和测点8土压力进一步增大，其余测点变化不明显；浸水30cm时，所有测点土压力均有增大趋势，测点5增大尤为明显。图4(d)给出地表全幅浸水隧道土压力演化规律，随着浸水深度的增加，隧道周边土压力均逐渐增大，测点1和测点2增大相对明显。地表局部浸水引起隧道周边土压力变化不均，可能给隧道带来附加弯矩作用，地表全幅浸水土压力值虽然较大，但变化趋势相对均匀，可能对隧道的危害反而更小。

图5(a)给出基底局部浸水衬砌弯矩演化规律，初始浸水阶段，衬砌弯矩变化较小，测点4和测点6弯矩略微减小，其余测点弯矩有所增加，随着浸水深度的增加，测点6进一步减小，其余测点均有增加趋势，基底局部浸水导致隧道地基局部承载力降低，导致隧道衬砌弯矩发生不规律变化；图5(b)给出基底全幅均匀浸水衬砌弯矩演化规律，随着浸水深度的增加衬砌弯矩变化绝对值均逐渐增大，初始浸水阶段衬砌弯矩变化相对较小，随着浸水深度的增加弯矩变化逐渐明显，其中测点2和测点5弯矩略微减小，其余测点弯矩均有所增加，测点1增加趋势最明显，基底全幅均匀浸水导致隧道地基承载力均匀降低，衬砌各点的弯矩变化相对均匀。

图5(c)为地表局部浸水衬砌弯矩演化规律，初始浸水阶段各点弯矩变化较小，随着浸水深度增加，弯矩变化逐渐明显，测点4和测点8逐渐增大，其余测点先略微减小后有增大趋势，浸水深度达到30cm时，测点8弯矩快速增大，由于隧道上方地层局部浸水结构强度完全丧失，荷载完全作用于隧道衬砌上引起的。图5(d)给出地表全幅均匀浸水衬砌弯矩演化规律，随着浸水深度的增加，衬砌弯矩绝对值均匀变大，当浸水深度达到30cm时，隧道上方地层完全浸水湿陷，隧道拱效应完全消失，土层压力完全作用于隧道，造成衬砌弯矩变化较大。

图6(a)为基底局部浸水时隧道位移变化规律，可看出随着浸水过程隧道发生了明显的水平位移和竖向位移，浸水深度为10cm时，隧道水平位移为2.5mm，竖向位移为4.4mm，随着浸水深度的增加，隧道整体位移逐渐明显，当浸水深度为30cm时，隧道水平位移达到8.6mm，隧道竖向位移达到19.2mm；图6(b)为基底全幅浸水时隧道位移变化规律，可看出隧道整体主要以竖向位移为主，浸水深度10cm时隧道竖向位移为6mm，水平位移不明显，随着浸水深度增加到30cm，隧道竖向位移逐渐增加到22.2mm，水平位移仍然不明显。图6(c)为地表局部浸水时隧道位移变化规律，可看出隧道发生明显的水平位移和竖向位移，浸水10cm隧道整体位移不明显，水平位移为0.6mm，竖向位移为0.8mm，随着浸水深度的增加隧道整体位移逐渐明显，浸水30cm时隧道水平位移达到3.8mm，竖向位移达到6.6mm，局部浸水时隧道上方围岩并未完全破坏，仍具有一定的自承能力，此工况导致的隧道位移小于其它三种工况；图6(d)为地表全幅浸水时隧道位移变化规律，可看出隧道以竖向位移为主，浸水10cm时位移较小，竖向位移为1.2mm，浸水30cm时位移显著增大，竖向位移达到9.4mm。综上所述，基底浸水引起的隧道位移比地表浸水更大，局部不均匀浸水会引起明显的水平位移，全幅均匀浸水引起的位移主要以竖向位移为主。

图7(a)给出了基底局部浸水地表沉降演化规律，可看出基底浸水不光引起隧道整体位移还会导致明显的地表沉降，随着浸水深度的增加，地表沉降值随之增大，浸水10cm时，地表沉降不明显，浸水30cm时，地表沉降最大值位于隧道正上方，达到19mm，由于基底局部浸水导致地表沉降不均匀，浸水一侧地表沉降值大于非浸水一侧；图7(b)给出了基底全幅均匀浸水地表沉降演化规律，浸水10cm地表沉降较小且相对均匀，随着浸水深度增加到30cm，地表沉降值逐渐变大，最大值达到21mm，基底全幅浸水诱发地表全部发生沉降，另外隧道上方地表沉降值大于两侧沉降值，说明基底浸水条件下隧道的存在加剧了地表沉降，基底浸水深度越大，地表沉降越明显。

Claims (9)

1.黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，包括模型箱(1)，模型箱(1)为长方体，模型箱(1)的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型(8)，模型箱(1)的底部设置有若干组浸水管(11)，浸水管(11)上设置有若干浸水头(16)，所有浸水管(11)均连接模型箱(1)外的供水端，模型箱(1)顶部设置有横梁(4)，横梁(4)上设置有若干激光位移计(5)，模型箱(8)上设置有标尺(7)，隧道模型(8)内设置有轨道(17)，轨道(17)上设置有能够滑动的若干电动式激振器(9)。

2.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，供水端包括储水箱(13)，储水箱(13)与所有浸水管(11)的进水端和出水端连接形成回路，储水箱(13)与浸水管(11)的进水端间设置有增压泵(14)和电磁阀(15)。

3.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，所有浸水头(16)均垂直指向模型箱(1)的顶部。

4.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，激光位移计(5)垂直指向模型箱(1)的底部。

5.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，横梁(4)上设置有千斤顶(6)，千斤顶(6)垂直指向模型箱(1)的底部。

6.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，模型箱(1)的底部为底部钢板(2)，模型箱(1)的侧面为钢化玻璃(3)。

7.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，每个浸水头(16)均通过独立的电磁阀单独控制，每个浸水头(16)上均设置有土工膜。

8.权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在隧道模型(8)的测试断面处安装应变片和土压力盒；

步骤二，将隧道模型(8)固定在模型箱(1)，填筑模型土到预定高度；

步骤三，在模型箱(1)外部安装相机，使相机持续拍摄模型箱(1)内部；

步骤四，根据所需工况开启浸水头(16)，使浸水头(16)持续喷水，并开启电动式激振器(9)；

步骤五，通过标尺(7)实时观测浸水深度，通过机实时记录隧道模型(8)的位移情况，并通过应变仪记录应变片和土压力盒的数据，直至完成试验。

9.根据权利要求8所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统的试验方法，其特征在于，若需要对模型土进行加压试验，则在模型土上表面放置承载板，在横梁(4)上安装千斤顶(6)，使千斤顶(6)的输出轴与承载板接触。