CN110261584A - 用于隧道开挖的离心模型试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于隧道开挖的离心模型试验设备，其包括土工离心机和能够固定于土工离心机的模型箱，所述模型箱中设置有推进装置，所述推进装置能够在所述模型箱内执行推进移动，在所述推进装置的推进方向前方设置有检测装置，用于检测所述推进装置周围的模拟土体环境在所述推进装置执行推进移动时的沉降变形，并且在进行试验时，所述检测装置的位置相对于所述模型箱固定。本发明通过土工离心机使模型箱绕转轴回转，使得模型箱内的模拟土体环境中产生离心力，虽然，模型相对实际情况进行缩尺，但是离心力能够补偿土体自重应力的减小，从而使模型具有与实际工程相同的应力场环境，可以模拟与工程一致的变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验设备，具体地涉及用于模拟隧道挖掘时的施工情况的离心模型试验设备。
背景技术
在修建公路、铁路等的工程中，特别是在修建地铁、海底或江底隧道、铺设通信线缆时，存在大量的隧道挖掘工程。隧道可能要穿过岩质、土质、淤泥等环境。随着地下交通的发展，在隧道开挖过程中，不可避免地会遇到穿越既有建筑或临近隧道的极端情况。新建隧道的施工过程不可避免地会对周围环境产生影响。在不同的土质环境中，挖掘施工产生的影响有很大区别。对于这种极端的工况，还没有可靠的理论计算或数值仿真方法为设计提供参照。
为了保证隧道周围的环境(例如已有的建筑物、隧道、管道等)的安全，在进行挖掘施工之前，需要进行可靠的物理模拟。例如，目前已经存在对隧道挖掘过程的物理模拟。在这种模拟中，在模型箱内布置模拟土体环境开展隧道挖掘施工，然后使用模拟挖掘装置进行挖掘试验。通过试验过程中获得的各种数据，可以得到物理模拟结果。
然而，这种现有的物理模拟试验存在很多局限性。
例如，其很难对地铁隧道施工产生的应力和变形进行模拟。通常，地铁等隧道的尺寸很大而且一般位于数十米深的地下或山体内部，隧道周围的土地将对隧道壁产生较大的压力。使用上述现有的物理模拟手段时，很难按照真实的大小来模拟隧道施工环境，因而一般会按照比例缩小尺寸后制作包括箱体、模拟挖掘装置等在内的模型。由于尺寸缩小，模型中的土体的自重应力也相应地减小。这就导致了无法还原实际工程中隧道壁周围的应力场环境，而土体为非线性材料，其刚度与所受载荷密切相关，土体内部应力的差异将导致模拟结果失真，难以准确评估隧道施工对土体或既有结构的影响。
发明内容
为解决现有技术中的至少部分技术问题，本发明提供一种用于隧道开挖的离心模型试验设备，其能够安装于土工离心机中并进行回转转动，使得离心模型试验设备内的模拟土体环境中产生离心力，由此补偿模型尺寸缩小造成的土体的自重应力减小，从而在缩尺模型试验中获得近似于实际工程的应力场环境，模拟与工程相似的土体或周围建筑的变形。
需要说明的是，在本说明中提到的术语“土工离心机”的含义应当被理解为能够应用于土工试验的各种结构和规格的离心机，而不应当局限于市售的商品或产品名称等。
具体地，本发明包括以下内容。
根据本发明的一个方面，提供一种用于隧道开挖的离心模型试验设备，其包括模型箱，所述模型箱中设置有推进装置，所述推进装置能够在所述模型箱内执行推进移动，模拟隧道开挖施工过程，在所述推进装置的推进方向前方设置有检测装置，用于检测所述推进装置周围的模拟土体环境在所述推进装置执行推进移动时的变形，并且在进行试验时，所述检测装置的位置相对于所述模型箱固定。
在进行试验时，通过土工离心机使模型箱回转转动，使得模型箱内的模拟土体环境中产生离心力，由此能够补偿模型尺寸缩小造成的土体的自重应力减小，从而获得近似于实际工程的应力场环境。因此，即使模型箱的尺寸相对于实际施工时的情况缩小了很多，仍然可以通过调整土工离心机的转速来相应地补偿土体的自重应力减小。因此，能够以小尺寸的模型箱进行可靠的物理模拟。这使得本发明的用于隧道开挖的离心模型试验设备能够令人满意地应用于地铁隧道、山体、水底(例如河底、湖底、海底)隧道等工程的物理模拟。尤其适用于实现例如隧道挖掘对近距离既有隧道、地表沉降、地表建筑物影响的物理模拟。
优选地，所述推进装置包括隧道模拟筒，所述隧道模拟筒设置有外筒和内筒，所述外筒能够相对于所述内筒移动。
通过设置有如上所述的外筒和内筒的隧道模拟筒，能够模拟当前常见的盾构法隧道挖掘技术中的隧道衬砌。当外筒相对于内筒移动时，内筒的外壁会随着外筒移动而逐渐露出，使得模型箱中的土体接触到内筒的逐渐露出的外壁。这相当于模拟了采用盾构法挖掘隧道时实际的土体环境作用于隧道衬砌的边挖边支护过程，其中，外筒的移动相当于模拟了被挖掉的土体，内筒的外壁与土体接触相当于模拟了隧道衬砌与周围土体环境的接触。
优选地，所述外筒的前端部为封闭端，并且所述离心模型试验设备还包括千斤顶，所述千斤顶设置在所述封闭端的相反侧，在进行试验时，所述千斤顶的顶杆从所述内筒的内部穿过并推动所述外筒的所述封闭端，从而通过所述千斤顶推动所述外筒进行移动，模拟土体开挖过程，其中，所述千斤顶的顶杆直接接触所述外筒的所述封闭端。
将外筒的前端部设计成封闭端，有利于使用千斤顶从隧道模拟筒的内部(即、内筒的内部)推动外筒移动。这样的结构能够避免千斤顶的顶杆接触土体环境。
优选地，所述千斤顶为液压千斤顶。
液压千斤顶具有输出稳定、推力大的优点，因此在模拟土体环境中产生较大离心力的情况下，仍然能够确保外筒的稳定移动。液压千斤顶可以采用伺服装置实现实时控制。另外，可以通过滑环实现上位机与设置于土工离心机的控制部的信号连接(例如电连接)，从而能够在土工离心机高速旋转条件下对开挖速率等参数进行控制。
优选地，所述模型箱的位于所述推进装置前方的壁中设置有透明窗，所述透明窗开设有与所述推进装置对应的通孔。
通过透明窗，可以直接观察或拍摄到模拟箱中的模拟土体环境随着外筒的移动而发生的变化过程。
优选地，在所述模型箱中贴近所述透明窗的模拟土体环境中，设置有用于指示位移的标识物。
由于模拟土体环境的实际位置变化幅度并不大，因此直接观察或记录位置变化有困难。在设置了标识物(例如彩色颗粒)的情况下，可以通过记录标识物的位置变化来判断模拟土体环境的变化过程。标识物易于识别，因此容易观察、记录其位置变化。
优选地，在所述内筒的筒壁内侧和/或在所述模拟土体环境中设置有用于检测应变的器件。
利用器件检测内筒的筒壁和/或所述模拟土体环境中的应变，可以获得关于内筒的筒壁和/或模拟土体环境应力变化的高精度数据，从而有助于通过数值仿真模拟进行更具体的分析。
优选地，所述检测装置为摄像装置和/或激光位移传感器。
利用摄像装置和/或激光位移传感器可以将模型箱中模拟土体环境的变化情况以图像或视频数据的形式进行记录，有助于进行后续的试验分析。
优选地，所述离心模型试验设备还包括支架，所述支架设置于所述模型箱的前侧，当所述外筒相对于所述内筒向前移动而伸出所述模型箱时，所述外筒的伸出部分被所述支架支撑。
利用支架对外筒的伸出到模型箱外的部分进行支撑，可以避免这一部分由于下坠而发生晃动，避免对内筒周围土体环境的受力情况产生不必要的干扰。
优选地，所述检测装置固定于所述支架。
利用本发明的用于隧道开挖的离心模型试验设备，能够在模型尺寸相对于实际情况缩小了的情况下获得近似于实际工程的应力场环境，因此能够令人满意地应用于地铁隧道、水底隧道等工程的物理模拟。尤其适用于实现隧道挖掘对近距离既有隧道、地表沉降、地表建筑物影响的物理模拟。
附图说明
图1是本发明的模型试验设备的从前方观察时的立体图。
图2是本发明的模型试验设备的从后方观察时的立体图。
图3是示出了隧道模拟筒的结构的竖直方向剖视图。
图4是示出了模型箱的结构的竖直方向剖视图。
图5是示出了土工离心机的工作状态和静止状态的示意图。
附图标记说明：
100…模型试验设备；
1、1'…模型箱；11…透明窗板；12…法兰；13…底板；14…第一前板；15…第二前板；16…后板；17…法兰紧固孔；18…箱体安装孔；19…通孔；
2…隧道模拟筒；21…内筒；22…外筒；23…封闭端；
3…支架；
4…千斤顶；41…顶杆；
5…摄像机；
200…土工离心机；
201…基座；202…主轴；203…控制部；204…滑环；205、205'…吊篮；
g…重力；ng…模拟重力。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。
本发明适用于各种隧道挖掘工程的物理模拟。以下，为了便于理解本发明的技术主旨，将结合采用盾构法进行的地铁隧道挖掘工程的物理模拟试验来进行说明。另外，在以下说明中，使用了术语“离心力”。但是从物理学角度来讲，该术语的正确表述应为“向心力”。出于遵照本领域的习惯用法的考虑，并且“离心力”这一术语对于本领域技术人员不会造成任何误解，在本实施方式的说明中使用了“离心力”。
在盾构法隧道挖掘技术中，通常利用盾构机在地下进行挖掘。挖掘时使用隧道衬砌对刚刚挖开的土体环境进行支撑。为了确保施工安全，需要通过物理模拟试验来预测刚刚挖开的土体环境对隧道衬砌的压力以及土体环境在被挖开后直到被隧道衬砌支撑住的过程中的应力变化情况。
图1和图2中示出了作为本实施方式的用于隧道开挖的离心模型试验设备的示例的模型试验设备100的立体图，其中，图1是从前方观察时的立体图，图2是从后方观察时的立体图。模型试验设备100可以安装至图5所示的土工离心机200。土工离心机200用于使模型试验设备100进行回转转动。模型试验设备100的尺寸远小于施工环境的实际尺寸，使用土工离心机200来对模型试验设备100中土体的自重应力减小进行补偿。在进行试验时，需要将模型试验设备100固定至土工离心机200的吊篮205中。通常情况下，模型试验设备100可以依靠自重及离心力固定在吊篮205中，但是也可通过例如螺栓固定等的已知固定手段固定。
可以根据试验时使用的具体条件来选用现有的离心机产品作为本实施方式中使用的土工离心机200。例如，可以根据所需补偿的力的大小、模型试验设备100的重量和尺寸等参数来选择。
图5中示出了一种典型的土工离心机200的示意性结构。土工离心机200包括：基座201，其固定于建筑基础；主轴202，其竖直地设置在基座201上；两个吊篮205，其均通过悬臂结构连接至主轴202；以及设置在主轴202上方的控制部203和滑环204。在静止状态下，吊篮205自然下垂；在工作状态下，吊篮205被甩起呈近似于水平的姿势。
主轴202的转动方向、转动速度及转动时间等通过外部设备操作电机进行控制。滑环204用于在控制部203与外部设备之间形成信号连接(例如电连接)。以下的说明中，为了便于区别，控制部203也可以称为下位机，通过滑环204与土工离心机200信号连接的外部设备也可以称为上位机。例如可以使用计算机作为上位机。
控制部203中可以包括用于控制后述千斤顶4的液压伺服控制装置、用于控制主轴202的转动的控制器、用于进行数据采集的数据采集器等。控制部203中的部件和/或装置往往需要选用精密设备才能胜任，为避免离心力造成的不利影响，优选将控制部203设置在主轴202的轴心线周围的设备安装架上。将滑环204设置成与主轴202同轴。这样，在进行试验时，控制部203和滑环204上受到的离心力很小，不易发生晃动，从而在整个试验过程中能够实现下位机与上位机可靠的信号连接。
两个吊篮205关于主轴202对称布置，换言之，在以主轴202的轴心为中心的周向上两个吊篮205彼此间隔180°。一个吊篮205中固定有后述的模型箱1，另一个吊篮205中设置有配重(未示出)以满足离心试验的动平衡要求。这里，还可以在两个吊篮205中都布置模型箱1。如果两个吊篮205中的模型箱1彼此存在差异，可以在重量较小的一个模型箱1所在的那个吊篮205中添设配重，以保证动平衡。
为了方便理解土工离心机200的工作方式，在图5中用，用附图标记205'和1'分别表示处于静止状态时的吊篮(用虚线示出)和模型箱，并用g表示此时作用于模型箱1'的重力。在工作状态(即进行离心转动的状态)下，吊篮205被甩起，从而在模型箱1中产生大于重力g的模拟重力ng。从图5可以看到，模拟重力ng的方向近似于与重力g的方向垂直。通过控制部203调整主轴202的转动速度，能够控制模拟重力ng的大小。
需要说明的是，在现有技术的范围内，对于如何根据模型箱1自身的重力g的大小来计算所需的模拟重力ng的大小的算法以及模拟重力ng与土工离心机200的转速之间的对应关系而言，已经具有成熟的方案，因此这里将省略其详细说明。相应地，在没有特别说明的情况下，本实施方式中的模拟重力ng应当被理解为是具有符合试验要求的大小。
控制部203通过滑环204与上位机相连，从而可以实现在土工离心机200高速旋转的条件下对隧道开挖过程的控制及对试验相关信息的实时显示。当离心机运转达到指定转速时，即可通过上位机经由控制部203启动后述的千斤顶4，进行开挖模拟。
以下将主要说明模型试验设备100。
如图1和图2所示，模型试验设备100包括能够固定到土工离心机200的吊篮205中并随着吊篮205进行回转转动的模型箱1和支架3。吊篮205是土工离心机200的回转部的示例。模型箱1和支架3的底部固定于吊篮205的底部内侧。模型箱1和支架3彼此既可以相互固定也可以彼此独立，只要能够将模型箱1和支架3都固定至吊篮205，就能够符合本实施方式的要求。
模型箱1中设置有模拟土体环境和隧道模拟筒2。隧道模拟筒2是本实施方式中的推进装置的示例。在这里，术语“模拟土体环境”主要指为了模拟施工现场的土体情况而填到模型箱1中的模拟岩质、土质、淤泥等环境的模拟土体。此外，在挖掘施工过程中，如需要考虑对地面建筑、附近的既有隧道等建筑设施的影响，还可以在模型箱1中按照比例布置这些建筑设施的模拟物。此时，为了说明的方便，术语“模拟土体环境”也应当被理解为包括这些建筑设施的模拟物在内。
隧道模拟筒2布置在模型箱1的大致中央位置，并且受到周围的模拟土体环境的挤压。如图3所示，隧道模拟筒2由内筒21和外筒22构成。内筒21为两端开口的圆柱筒，外筒23为前端封闭、后端开口的圆柱筒。内筒21和外筒22可以由金属材料制成。外筒22以能够相对于内筒21移动的方式套设在内筒21的前端部处。
在本实施方式中，内筒21用于模拟隧道衬砌，外筒22用于模拟进行挖掘时在隧道衬砌位置处被挖掉的土体。试验时，驱动外筒22向前移动，而内筒21不动，使得原本由外筒22支撑的模拟土体环境变成由内筒21支撑。这样，当外筒22移开而使得内筒21的外壁与模拟土体环境接触时，相当于模拟了实际挖掘过程中用例如盾构机等设备挖掉土体使得周围的土体环境接触并挤压隧道衬砌的作业。当外筒22整个被推出后，周围的土体环境造成的土压力都由内筒21承担。
如图1和图4所示，在模型箱1的前板(包括第一前板14和第二前板15)中设置有透明窗板11。透明窗板11中对应于隧道模拟筒2开设了通孔19。支架3设置在模型箱1的前侧。在进行试验时，隧道模拟筒2的外筒22向前移动穿过通孔19伸出模型箱1，并且外筒22的伸出的部分被支架3支撑，从而避免外筒22的伸出的部分因坠落而发生不期望的晃动。支架3的用于支撑外筒22的部分可以设计成例如半圆槽、V型槽或U型槽等。
千斤顶4优选为液压千斤顶，并由土工离心机200的控制部203控制。例如，通过控制部203中的液压伺服控制装置来控制千斤顶4的启动和停止。如
图2和图4所示，在模型箱1的后板16中设置有与隧道模拟筒2对应的法兰12。千斤顶4的顶杆41从法兰12处伸入到隧道模拟筒2的内筒21中，顶杆41的前端与外筒22的封闭端23接触。为避免造成不必要的干扰，顶杆41的外径小于内筒21的内径，并且顶杆41在整个推进过程中不接触内筒21。顶杆41的推进速度由土工离心机200的控制部203控制，而控制部203受到上位机的控制。这样，能够方便操作人员在上位机上实现对模拟开挖速度的控制。
千斤顶4可以设置为固定在吊篮205中并随着吊篮205一起进行回转转动。也可以将千斤顶4设置为与模型箱1固定在一起。
图3示出了外筒22的轴向长度小于内筒21的轴向长度，并且外筒22仅覆盖内筒21的前端部的构造。由于外筒22相对于内筒21移动后，周围的模拟土体环境很快就因为受到内筒21的支撑而不再发生应变变化，因此外筒22不必覆盖内筒21的整个长度范围，只需根据研究需要覆盖内筒21的部分即可。
作为本实施方式的检测装置，可以使用如图1所示的摄像机5。摄像机5设置于支架3，位于模型箱1的前方，换言之，在千斤顶4的顶杆41的推进方向上，摄像机5位于模型箱1的前方。在进行试验时，摄像机5对隧道模拟筒2及其周围的模拟土体环境进行拍摄记录，并将记录到的数据传送给土工离心机200的控制部203，以便进行后续的数据分析。实际上，摄像机5拍摄到的是贴着透明窗板11的那部分模拟土体环境的图像。
为了方便观察和拍摄，在贴着透明窗板11的那部分模拟土体环境中，设置有用于指示位移的标识物。例如，可以采用彩色的颗粒物作为标识物。通过摄像机5拍摄记录彩色颗粒物的位置变化情况。结合现有的PIV(粒子图像测速法(Particle ImageVelocimetry))，可以在摄像机5拍摄记录的数据基础上处理得到模拟土体中的地层变形云图。
在内筒21的内壁上、特别是在内筒21的被外筒22覆盖的前端部的内壁上可以设置用于检测应变的器件，以便获得关于内筒21的筒壁应力变化的高精度数据。例如，可以粘贴应变片。另外，在模型箱1中布置的模拟土体环境(例如建筑设施的模拟物)中，也可以设置类似的用于检测应变的器件，从而能够获得关于模拟土体环境中应力变化的高精度数据。
以下结合图4说明模型箱1的构造。
图4是沿着经过通孔19的轴线的竖直平面截取的竖直方向剖视图。图4中示出了模型箱1的前板、底板13和后板16的截面。模型箱1的前板包括第一前板14、第二前板15和透明窗板11。模型箱1的第一前板14、第二前板15、底板13、后板16以及图4中未示出的侧板均由具有足够强度的金属板制成，例如可以使用铝合金板。透明窗板11可以由玻璃、树脂等材料制成。底板13中设置有多个箱体安装孔18，用于使用螺栓等将模型箱1固定于吊篮205。后板16中开设有用于安装法兰12的通孔，在该通孔的周围设置有用于紧固法兰12的法兰紧固孔17。
此外，还可以采用激光位移传感器(未图示)代替摄像机5作为本实施方式的检测装置，或者采用激光·位移传感器和摄像机5一起作为本实施方式的检测装置。激光位移传感器可以像摄像机5那样固定于支架3，也可以直接固定于模型箱1上方，记录地表的沉降变形。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
Claims (10)
1.一种用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述离心模型试验设备包括模型箱，所述模型箱中设置有推进装置，所述推进装置能够在所述模型箱内执行推进移动，模拟隧道开挖施工过程，
在所述推进装置的推进方向前方设置有检测装置，用于检测所述推进装置周围的模拟土体环境在所述推进装置执行推进移动时的变形，并且在进行试验时，所述检测装置的位置相对于所述模型箱固定。
2.根据权利要求1所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述推进装置包括隧道模拟筒，所述隧道模拟筒设置有外筒和内筒，所述外筒能够相对于所述内筒移动。
3.根据权利要求2所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述外筒的前端部为封闭端，并且所述离心模型试验设备还包括千斤顶，所述千斤顶设置在所述封闭端的相反侧，
在进行试验时，所述千斤顶的顶杆从所述内筒的内部穿过并推动所述外筒的所述封闭端，从而通过所述千斤顶推动所述外筒进行移动，模拟土体开挖过程，其中，所述千斤顶的顶杆直接接触所述外筒的所述封闭端。
4.根据权利要求3所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述千斤顶为液压千斤顶。
5.根据权利要求1或2所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述模型箱位于所述推进装置前方的壁中设置有透明窗，所述透明窗开设有与所述推进装置对应的通孔。
6.根据权利要求5所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
在所述模型箱贴近所述透明窗的模拟土体环境中，设置有用于指示位移的标识物。
7.根据权利要求2所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
在所述内筒的筒壁内侧和/或在所述模拟土体环境中设置有用于检测应变的器件。
8.根据权利要求1或2所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述检测装置为摄像装置和/或激光位移传感器。
9.根据权利要求2或3所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述离心模型试验设备还包括支架，所述支架设置于所述模型箱的前侧，当所述外筒相对于所述内筒向前移动而伸出所述模型箱时，所述外筒的伸出部分被所述支架支撑。
10.根据权利要求9所述的用于隧道开挖的离心模型试验设备，其特征在于，
所述检测装置固定于所述支架。
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