CN110967157A - 一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，所述试验装置包括模型箱、隧道模型、承重结构、列车加载设备、传感器组、服务器、水箱、造浪装置和清淤装置，所述隧道模型位于模型箱内，所述承重结构用以支撑列车加载设备和隧道模型，所述传感器组位于模型箱内和隧道模型上，所述服务器位于模型箱外侧，所述造浪装置位于模型箱内，所述水箱和清淤装置位于模型箱内并分别与相应外接动力装置相连。本发明可以较真实地模拟地铁列车在不同水位、不同水波和不同深埋运营时的振动，为研究越江地铁运营对隧道结构、周围环境产生的振动问题提供有效可行的试验装置。

Description

一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置

技术领域

本发明涉及地下工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置。

背景技术

随着我国城市地铁建设的迅速发展，地铁运营引发的环境振动问题也日渐凸显，地铁列车荷载较大，长期循环荷载作用下必然会影响其正常运行。并且，地铁列车振动会以波的形式通过地基传递到周围土体，对邻近建(构)筑物产生影响。地铁在很多城市会穿过江水河流，比如上海市地铁穿过黄浦江，杭州市地铁穿过钱塘江，水位不同的情况下，越江地铁隧道对周围环境的影响也有所不同。并且水不是静止不动的，有风或潮水时也会带来不同的影响。因此关于地铁列车在水下运行振动效应的研究，对指导地铁隧道在水下施工和控制工后沉降具有重要意义。

在地铁列车移动荷载设计模拟方面，国内尚无可控制水位和水波变化的地铁室内模型。目前，城市轨道交通建设速度越来越快，而相应的模拟试验、理论研究等仍较为滞后，是当前工程界的一大热点课题。本套系统尽可能地按照地铁实际情况进行缩尺寸模拟，加上可控制水位、制造水波和清淤等装置，可广泛应用于城市越江地铁隧道工程动力响应等方向的科学研究。科研及工程人员可以充分地对地铁在水下运营振动环境中的响应问题进行系统试验分析，探索地铁隧道结构、周围土体的振动变形机理，用以指导工程实践，提高地铁运行安全性，优化轨道交通建设。另一方面，目前地铁运营全比尺模型模拟难度较大、经济成本高，且水下结构状态较难控制，模拟不同土质、不同水位和不同水波的地铁运营情况较难实现。缩尺寸模型可以较好地解决上述问题，为试验工作、理论分析、现场测试布置等搭建了互相联系的桥梁，试验所获得的相关数据，亦将为地铁隧道工程建设和运行提供咨询，完善城市轨道交通建设。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，可以较真实地模拟地铁列车在不同水位、不同水波和不同深埋运营时的振动，为研究越江地铁运营对隧道结构、周围环境产生的振动问题提供有效可行的试验装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，包括模型箱、隧道模型、承重结构、列车加载设备、传感器组、服务器、水箱、造浪装置和清淤装置，所述隧道模型位于模型箱内，所述承重结构用以支撑列车加载设备和隧道模型，所述传感器组位于模型箱内和隧道模型上，所述服务器位于模型箱外侧，所述造浪装置位于模型箱内，所述水箱和清淤装置位于模型箱内并分别与相应外接动力装置相连。

进一步，所述模型箱由钢板和钢化玻璃拼接成宽4m、高4m、长6m的模型，阻尼材料为10cm厚的泡沫塑料板设置在模型箱边缘位置。

再进一步，所述隧道模型参照杭州地铁实际尺寸缩尺寸比例为3:20(相关专业人员可根据不同实验室条件参考本发明所述内容调整模型尺寸)，包含管片环(环间用螺丝相连，错缝拼接)、道床、轨枕、钢轨、分配梁和土体，其中管片环置于土体中，道床直接与管片相连，道床上方设置轨枕和钢轨形成轨排结构，以及分配梁；管片环衬砌模型直径0.62m，厚度4cm；轨道总长6m道床设为整体式道床；经计算隧道模型在水中浮力大于重力，因此将隧道模型两侧管片环加长至7m用以固定。

更进一步，所述承重结构中，钢架用以支撑加载设备，钢架包含两个钢结构立柱、一个钢结构横梁；在隧道两侧延长部分分别用钢结构圆环、钢结构立柱固定隧道。

所述列车加载设备包括激振器4个、压力传感器4个和动态信号测试系统1套，其中激振器用以模拟地铁列车移动荷载，压力传感器与动态信号测试系统相连，通过测试数据和实时传输结果，检测激振器施加的荷载及周期是否符合要求。

所述传感器组包含位移传感器组、加速度传感器组和应变片，根据不同位置需要测试的内容埋设相应的测试仪器。位移传感器组埋设在土体中用以测试土层位移，加速度传感器组布置在轨道处用以测试振动加速度值，应变片布置在隧道模型上用以测试结构变形值。

所述水箱包括带通水孔的铝板、刻度尺、支架、支架固定螺丝、阀门、水压变送器和流量计，其中带通水孔的铝板通过支架和螺丝连接固定在水箱内壁，并粘贴刻度尺在模型箱钢化玻璃上，用以调节和观测记录水位变化情况。水压变送器通过水管连接阀门和流量计,用以控制模型箱内的水位。

所述造浪装置包括电动机、推板、连杆、平台和升降杆，通过计算机连通并控制安装在平台上的电动机，电动机带动连杆运动，连杆带动推板来回运动，从而推板来回推水带动模型箱内水运动形成波浪。计算机控制安装在平台上的升降杆，调节升降杆高低以根据试验所需水位升降平台，使推板能够推到水体。

所述清淤装置包括可伸缩管道、电动马达、风扇、排气口、控制按钮和容器，通过控制按钮控制伸缩管道伸到模型箱中的淤泥堆积处，再通过控制按钮打开电动马达，使风扇开始旋转，将堆积的淤泥通过管道吸入容器中，完成清理堆积淤泥。

本发明的有益效果表现在：(1)模拟地铁列车在不同水位、不同水波、不同深埋状态下的地铁振动响应；(2)可用于模拟越江地铁隧道运营振动，适用于水下复杂工况地铁振动研究，为越江地铁隧道地铁运营对隧道结构及周围环境的影响研究提供可靠、便捷的试验平台。

附图说明

图1为隧道截面方向剖面图；

图2为试验装置俯视图；

图3为整体模型剖面；

图4为带通孔的铝板；

图5为造浪装置细部图；

图6为清淤装置细部图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

参照图1至图6所示，一种模拟地铁在水下运营振动的试验装置，包括模型箱1、隧道模型2、承重结构3、列车加载设备4、传感器组5、服务器、水箱6、造浪装置7和清淤装置8，所述隧道模型位于模型箱内，所述承重结构用以支撑列车加载设备和隧道模型，所述传感器组位于模型箱内和隧道模型上，所述服务器位于模型箱外侧，所述造浪装置位于模型箱内，所述水箱和清淤装置位于模型箱内并分别与相应外接动力装置相连。

所述模型箱1，由钢板1-1和钢化玻璃1-2拼接而成，宽4m、高4m、长6m。钢化玻璃1-2是为了方便看清水位刻度。模型箱内下部按研究所需隧道埋深填充砂土、黏土等填充土1-3。并根据试验所需水位加水1-4，可没过填充土。在模型箱内部边缘位置加入10cm厚的泡沫塑料板作为阻尼材料用以减少模型箱壁的反射效应、模拟土体边界条件，提高试验精度。

所述隧道模型2，由管片环2-1、道床2-2、轨枕2-3、钢轨2-4、分配梁2-5组成，所述PE管片环2-1的环间采用螺丝相连，错缝拼接模拟隧道衬砌管片，置于土层1-3中，在管片环2-1内侧底部插入竖向螺丝，而后直接浇筑石膏浆形成道床2-2；用氯仿将等距离摆放的轨枕2-3和钢轨2-4粘结形成轨排结构，并按图3中的间距粘结四道分配梁2-5，待第一层整体道床初凝后，将轨排结构置于道床上，再浇筑石膏浆使轨枕完全嵌固在道床内。由于在水下会产生浮力，轨道总长6m，PE管片环2-1总长7m，左右两侧分别长于模型箱0.5m用于固定隧道，减小浮力产生的影响。为防止隧道在水下渗水，在管片环2-1的外侧和内侧都分别刷一层非离子型乳化沥青防水涂料，在管片环间缝隙内用柔韧型防水胶(柔韧型防水胶由高分子乳液和多种无机粉体材料复合构成，形成一层坚韧的弹性防水膜)。所述管片环的材料可以选择PE，也可以是其他材料。

所述承重结构3，即模型荷载架立组成，本发明所述试验系统地铁隧道配套一个钢架用以支撑加载设备，钢架包含两个钢结构立柱3-1、一个钢结构横梁3-2。由于隧道在水下，因此有浮力产生，为了减小浮力对试验的影响，在隧道两侧延长部分分别用钢结构圆环3-3、钢结构立柱3-4固定隧道。

所述列车加载设备4，由4个激振器4-1、4个压力传感器4-2、及一套动态信号测试系统组成，用以模拟地铁列车移动荷载。激振器加载频率和荷载可根据试验所需调整。压力传感器4-2和动态信号测试系统用于检测激振器施加的荷载及周期是否符合要求。

所述传感器组5，由位移传感器及应变片和加速度传感器组成，埋设位置见图1、3所示。根据不同位置需要测试的内容埋设相应的测试仪器。位移传感器组埋设在土体中用以测试土层位移，加速度传感器组布置在轨道处用以测试振动加速度值，应变片布置在隧道模型上用以测试结构变形值。

所述服务器含数据处理软件，监测数据、进行计算处理。

所述水箱6，由带通水孔的铝板6-1、水箱支架6-2、刻度尺6-3、水箱支架固定螺丝6-4、阀门6-5、水压变送器6-6和流量计6-7(进水口6-8，出水口6-9)组成。如图1所示，水箱6通过水箱支架6-2架设在模型箱1内的右侧边缘，带通水孔的铝板6-1通过玻璃胶连接模型箱1内壁，用于控制和观测土体中的水位变化；如图4所示，所述带通水孔的铝板6-1表面排布有大量的通水圆孔，保证试验过程中水箱内的水位与试验土体水位连通且一致，以实现通过调节水箱内的水位来控制试验土体的水位变化；所述带通水孔的铝板6-1表面粘贴反滤土工织物，防止水位变化过程中模型箱1内的土体的流失；所述带通水孔的铝板6-1和水箱支架6-2由水箱支架固定螺丝6-4拧紧连接；所述刻度尺6-3粘贴在钢化玻璃1-2上，可用于直接观测和记录水位变化情况；水压变送器6-6通过水管连接阀门6-5和流量计6-7，水压变送器6-6可连续记录承压水的动态变化情况，并通过流量计6-7精确地调节水箱6内刻度尺6-5所示水柱高度的变化从而实现模型箱1内承压水的动态变化。

所述造浪装置7，由电动机7-1、推板7-2、支架7-3、连杆7-4、平台7-5、升降杆7-6和计算机7-7组成。如图5所示，通过计算机7-7连通并控制电动机7-1，电动机7-1带动连杆7-4运动，连杆7-4带动推板7-2来回运动，从而推板7-2来回推水带动模型箱内水运动形成波浪，可以通过计算机改变推板7-2运动的频率和幅度从而改变波浪的大小和长短；电动机7-1安装在平台7-5上，平台7-5与升降杆7-6相连，升降杆7-6也与计算机7-7相连，计算机7-7可控制升降杆高低，根据试验所需水位升降平台，使推板能够推到水体。

所述清淤装置8，由可伸缩管道8-1、电动马达8-2、风扇8-3、排气口8-4、控制按钮8-5、容器8-6组成。如图6所示，由于水体长时间运动，有可能导致模型箱1内边缘有泥沙堆积，为了清理淤泥，在本试验中加入了清淤装置8。通过控制按钮8-5控制可伸缩管道8-1，使管道口伸到淤泥堆积处。再通过控制按钮8-5打开电动马达8-2，使风扇8-3开始旋转，内部气压减小，使堆积的淤泥被吸上来，通过管道进入容器8-6，完成清淤过程。清淤时，水体也可能有部分流失，因此要及时通过水箱6注水。

以下列举利用本发明所述试验系统可以进行的模拟地铁在水下运营的几种工况：

1.模拟不同水位的影响

采用本发明所述试验系统模拟不同水位对地铁运营振动影响时，初始模型箱底部至水面2.4m，按3:20缩放比例，可模拟实际在16m水位的地铁工况。系统安装完毕后，打开位移计解调仪及服务器，每隔15min记录隧道全长位移变化，位移数据稳定时，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。继续加水至达到2.7m，模拟实际18m水位地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数；继续加水至达到3m，模拟实际20m水位地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。每次加水完毕均需在试验开始前监测隧道位移变化，直至隧道沉降稳定后再行试验，避免土体扰动导致的试验误差。进出水时，为防止土体移动过大导致隧道发生位移或土体流失，水流速度不可过大。

2.模拟不同水波的影响

采用本发明所述试验系统模拟不同水波对地铁运营振动影响时，可加入水至没过土体，调节造浪器高度使推板的中心与水面齐平，开启电动机，通过调节电动机频率和幅度，改变水浪的大小和长短，通过位移及加速度测量设备获得隧道结构及周围土体的振动响应情况，由服务器计算输出工程所需数据，为相关研究提供参考。继续改变电动机频率和幅度，改变水浪的大小和长短，重复试验并记录。

3.模拟不同深埋的影响

采用本发明所述试验系统模拟不同深埋对地铁运营振动影响时，初始模型箱底部至土体表面1.8m，按3:20缩放比例，可模拟实际在12m埋深地铁工况。系统安装完毕后，打开位移计解调仪及服务器，每隔15min记录隧道全长位移变化，位移数据稳定时，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。用清淤装置清淤，使达到1.5m，模拟实际11m埋深地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数；继续清淤达到1.2m，模拟实际10m埋深地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。每次清淤时，水体也可能有部分流失，因此要及时通过水箱注水。传感器的具体位置可根据土体深度调整，使其不影响试验结果。

Claims (9)

1.一种模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括模型箱、隧道模型、承重结构、列车加载设备、传感器组、服务器、水箱、造浪装置和清淤装置，所述隧道模型位于模型箱内，所述承重结构用以支撑列车加载设备和隧道模型，所述传感器组位于模型箱内和隧道模型上，所述服务器位于模型箱外侧，所述造浪装置位于模型箱内，所述水箱和清淤装置位于模型箱内并分别与相应外接动力装置相连。

2.如权利要求1所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述模型箱由钢板和钢化玻璃拼接成宽4m、高4m、长6m的模型，阻尼材料为10cm厚的泡沫塑料板设置在模型箱边缘位置。

3.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述隧道模型包含管片环、道床、轨枕、钢轨、分配梁和土体，其中管片环置于土体中，道床直接与管片相连，道床上方设置轨枕和钢轨形成轨排结构，以及分配梁；管片环衬砌模型直径0.62m，厚度4cm；轨道总长6m道床设为整体式道床；经计算隧道模型在水中浮力大于重力，因此将隧道模型两侧管片环加长至7m用以固定。

4.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述承重结构中，钢架用以支撑加载设备，钢架包含两个钢结构立柱、一个钢结构横梁；在隧道两侧延长部分分别用钢结构圆环、钢结构立柱固定隧道。

5.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述列车加载设备包括激振器4个、压力传感器4个和动态信号测试系统1套，其中激振器用以模拟地铁列车移动荷载，压力传感器与动态信号测试系统相连，通过测试数据和实时传输结果，检测激振器施加的荷载及周期是否符合要求。

6.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述传感器组包含位移传感器组、加速度传感器组和应变片，根据不同位置需要测试的内容埋设相应的测试仪器。位移传感器组埋设在土体中用以测试土层位移，加速度传感器组布置在轨道处用以测试振动加速度值，应变片布置在隧道模型上用以测试结构变形值。

7.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述水箱包括带通水孔的铝板、刻度尺、支架、支架固定螺丝、阀门、水压变送器和流量计，其中带通水孔的铝板通过支架和螺丝连接固定在水箱内壁，并粘贴刻度尺在模型箱钢化玻璃上，用以调节和观测记录水位变化情况。水压变送器通过水管连接阀门和流量计,用以控制模型箱内的水位。

8.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述造浪装置包括电动机、推板、连杆、平台和升降杆，通过计算机连通并控制安装在平台上的电动机，电动机带动连杆运动，连杆带动推板来回运动，从而推板来回推水带动模型箱内水运动形成波浪。计算机控制安装在平台上的升降杆，调节升降杆高低以根据试验所需水位升降平台，使推板能够推到水体。

9.如权利要求1或2所述的模拟越江地铁隧道运营振动的试验装置，其特征在于，所述清淤装置包括可伸缩管道、电动马达、风扇、排气口、控制按钮和容器，通过控制按钮控制伸缩管道伸到模型箱中的淤泥堆积处，再通过控制按钮打开电动马达，使风扇开始旋转，将堆积的淤泥通过管道吸入容器中，完成清理堆积淤泥。

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