CN112595533B - 一种盾构隧道地层作用模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道地层作用模拟试验装置及方法，包括加载模块、试验模块、监测系统模块以及移动测量模块；试验模块包括模型试验箱、衬砌管片模型；所述的模型试验箱内安装有衬砌管片模型；加载模块为试验装置的动力系统，由反力架、液压千斤顶和伺服控制系统组成；所述的反力架安装在模型试验箱上，液压千斤顶固定在反力架上，对衬砌管片模型施加加载力；监测系统模块包括电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计，所述的电阻式土压力计安装于管片外壁，用于测量管环土压力；应变计与电阻式位移计安装于管片外壁，分别用于测量管环应力变化及位移大小，电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计均与动态监测系统相连。

Description

一种盾构隧道地层作用模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及隧道试验领域，尤其涉及一种用于模拟盾构隧道运营期衬砌受力变形的模拟试验装置及方法。

背景技术

随着我国经济发展和地铁建设步伐加快，隧道结构作为地下空间的一个重要结构在国内已被广泛的应用。其中盾构隧道因其掘进速度快、施工扰动小、不影响地面交通等优点，逐渐成为地下轨道交通建设的最佳结构形式。目前大量已建成通车的盾构隧道开始进入运营期，其运行安全稳定问题变得越来越重要。

由于盾构隧道大多穿越多种地层，复杂的地层条件为隧道的稳定运行带来了极大的挑战，其沉降在隧道纵向呈现很大的不均匀性，当隧道衬砌存在过量变形量或者纵向曲率达到一定量值时，将产生衬砌裂缝、错台、接头张开等众多病害导致隧道衬砌管片稳定性衰减，严重影响隧道衬砌结构安全及正常运行。因此如果能模拟运营期盾构隧道衬砌结构的受力变形情况来研究隧道的稳定性演化机理，构建盾构隧道运行形态评价方法，对盾构隧道进行准确评价，便能提前开展维护处理、减少灾害的发生，保障隧道安全稳定运行。

发明内容

针对国内现状和上述问题，本发明设计一种盾构隧道地层作用模拟试验装置及其试验方法，能够用于模拟运营期盾构隧道衬砌的结构受力，快速高效的检测衬砌变形，为盾构隧道运行形态评价方法提供支撑和技术保障，从而为实际工程提供可靠的参考。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明公开了一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，包括加载模块、试验模块和监测系统模块；

所述的试验模块包括模型试验箱、衬砌管片模型；所述的模型试验箱内安装有衬砌管片模型；

所述加载模块为试验装置的动力系统，由反力架、液压千斤顶和伺服控制系统组成；所述的反力架安装在模型试验箱上，液压千斤顶固定在反力架上，对衬砌管片模型施加加载力；

所述的监测系统模块包括电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计，所述的电阻式土压力计安装于管片外壁，用于测量管环土压力；应变计与电阻式位移计安装于管片外壁，分别用于测量管环应力变化及位移大小，电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计均与动态监测系统相连。

作为进一步的技术方案，本发明公开的盾构隧道地层作用模拟试验装置还包括移动测量模块，所述的移动测量模块包括匀速行进装置以及安装在匀速行进装置上的三维激光扫描仪、CCD相机、补光装置、电脑以及匀速行进装置；所述的三维激光扫描仪用于提供了优质的点云数据，完整的呈现隧道整体结构状况，并通过点云综合处理软件进行基础点云的滤波、抽稀、分割，并自动生成DEM、等高线等，具有良好的检测效果；CCD相机可用于拍摄管片的裂缝，并利用补光装置进行补。

作为进一步的技术方案，所述的匀速行进装置为小型履带式机器人，可将三维激光扫描仪、CCD相机及LED灯管固定在机器人上，通过控制其行进，自动测量模型试验中隧道衬砌的点云数据和裂缝数据。

进一步的，所述的移动测量模块还包括手持式三维激光扫描仪，所述的手持式三维激光扫描仪用于补充完善缺失的点云数据。

作为进一步的技术方案，所述的反力架包括两个，每个反力架底部与钢柱固定连接，钢柱嵌入下部模型试验箱底板上；所述的反力架包括矩形承载架和弧形承载架，弧形承载架固定在矩形承载架下方且与矩形承载架相连。

作为进一步的技术方案，所述的液压千斤顶共6个，每三个一组固定在反力架上，其中中间的液压千斤顶固定在矩形承载架上，左右两侧的液压千斤顶固定在弧形承载架上。

作为进一步的技术方案，所述的液压千斤顶为伸缩式，可调节高度和角度，可模拟衬砌管片不同方向的受力，并通过导线与伺服液压系统控相连，可控制衬砌管片的恒定加载，模拟运营期盾构隧道衬砌的受力。

作为进一步的技术方案，所述模型试验箱由钢底板和侧向固定板构成，其中钢底板设置为箱型，可避免加压导致的应力集中开裂，侧向固定板与底板通过螺栓相连，可进行拆卸，便于安装不同尺寸的衬砌管片，用于放置衬砌模型。

作为进一步的技术方案，衬砌管片由多片管片拼接而成，由按照相似比配置的相似材料浇筑养护制作。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种盾构隧道地层作用模拟试验方法，采用所述的检测系统，包括：

(1)安装钢底板及侧向固定板，将钢柱嵌入底板中并通过螺栓固定；

(2)吊装管片，安装在模型试验箱内，并通过螺栓连接管片；

(3)安装双侧承载架，通过螺栓与钢柱固定；

(4)安装千斤顶，并调整角度，确保在管片上施加压力的范围准确；

(5)将土压力计放置于衬砌外表面，应变计与电阻式位移计紧贴隧道内部放置，并通过导线连接至DH5972动态监测系统；

(6)打开伺服液压系统，按照设定工况对衬砌进行加载；

(7)将三维激光扫描仪、CCD相机及LED灯管固定在小型机器人上，把机器人放置于隧道衬砌模型洞口；

(8)打开通过导线与CCD相机相连的电脑、三维激光扫描仪、CCD相机及LED灯，设定机器人速度与距离，开始测量记录数据；

(9)在改变加载情况后，重复步骤5、6。

(10)检查数据，若有点云数据缺失，使用手持式三维激光扫描仪进行完善补充。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明的一个或多个实施方式安装简单，便于装卸，对试验场地无额外要求。

2.本发明的一个或多个实施方式的反力架采用双层承载架，不同位置的千斤顶安装于不同层的承载架，减少了伺服液压系统在加载时产生的震动对试验装置的影响。

3.本发明的一个或多个实施方式的衬砌管片基于相似三定律，研究相似材料制作管片模型，并通过螺栓拼接管片，与实际工况更为贴合，提升了试验数据的可靠度。

4.本发明的一个或多个实施方式采用伺服液压系统控制液压千斤顶，为试验提供恒定压力，可模拟隧道运营情况，操作简单，加载精准。

5.本发明的一个或多个实施方式的千斤顶采用可伸缩式，可以调整加载的高度的方向，可用于模拟衬砌管片不同方向的受力，扩大了试验研究范围。

6.本发明的一个或多个实施方式在模型试验箱四周方向采用可拆卸式的固定板，可以适用于不同尺寸的隧道模型，且模拟了隧道衬砌四周的土压力及未安装管片的挤压荷载，使试验更加精确可信。

7.本发明的一个或多个实施方式中使用的DH5972动态监测系统可实时显示电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计数据并自动存储，有利于试验人员观察，且避免了人工记录数据可能产生的误差。

8.本发明的一个或多个实施方式中使用小型履带机器人，可匀速行进，便于操控，不需要人工进入隧道内部测量，提高了安全性和数据的稳定性。

9.本发明使用三维激光扫描仪，可对隧道衬砌模型内部进行点云建模，通过两次或多次测量的点云数据对比，可精确获知衬砌模型的变形情况。

10.本发明使用CCD相机拍摄隧道衬砌模型内部情况，且使用LED灯进行补光，可通过拍摄高清照片较准确的监测衬砌模型裂缝发育情况以及接头角度变化情况。

附图说明

构成本发明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。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的试验模块示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的监测系统模块示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的衬砌管片拼接示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的移动测量模块示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的实验方法流程图。

其中，1、反力架，2、方形承载架，3、弧形承载架，4、液压千斤顶，5、中间位置千斤顶，6、钢柱，7、钢底板，8、衬砌管片，9、模型试验箱，10、伺服控制系统，11、侧向固定板，12、圆柱形千斤顶，13、铲形挡板，14、DH5972动态监测系统，15、电阻式土压力计，16、应变计，17、电阻式位移计，18、导线，19、手持式三维激光扫描仪，20、管片纵向拼接螺栓，21、管片环向拼接螺栓，22、匀速行进装置，23、行进指示装置，24、LED灯管，25、CCD相机，26、三维激光扫描仪。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施提供了一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，采用所述的试验系统，包括加载模块、试验模块、监测系统模块以及移动测量模块。加载模块为试验装置的动力系统，用于对衬砌管片进行加载。试验模块为试验装置的主体部分，用于放置试验模型，进行试验研究。监测系统模块用于检测记录衬砌模型的应变应力变化情况。移动测量模块用于完整的呈现隧道衬砌整体结构状况。

图1为本实施例公开的盾构隧道地层作用模拟试验装置整体结构示意图，其包括两组加载构件和一个钢底板7；每组加载构件包括反力架1、方形承载架2、弧形承载架3、液压式千斤顶4和中间位置千斤顶5；弧形承载架3的两端固定在方形承载架2上，位于方形承载架2顶梁的下部，方形承载架2和弧形承载架3共同组成了反力架1；中间位置千斤顶5与方形承载架2的顶梁进行固定，使用螺栓拧紧，其余位置千斤顶与弧形承载架3固定相连。反力架1的两端固定在钢柱6上，钢柱6与反力架1通过螺栓连接。进一步的，本实施例中，所述的液压千斤顶共6个，每三个一组固定在反力架1上，千斤顶为伸缩式，可调节高度和角度，可模拟衬砌管片不同方向的受力，并通过导线与伺服液压系统控相连，可控制衬砌管片的恒定加载，模拟运营期盾构隧道衬砌的受力。

钢底板7，用于承载上部装置，其上放置有衬砌管片，形状为箱型，可避免千斤顶加压造成的荷载集中开裂。

衬砌管片8放置于模型试验箱9内，进行加压试验。

伺服控制系统10，用于控制上述的各个液压千斤顶，可为装置提供恒定压力，模拟运营期盾构隧道衬砌的受力。

图2为本实施例公开的试验模块示意图，其中：包括侧向固定板11、圆柱形千斤顶12和铲形挡板13；所述的侧向固定板11嵌入钢底板7内，与钢底板7使用螺栓拼接，可以拆卸移动，便于适应不同尺寸的衬砌管片，侧向固定板11与钢底板7共同组成了模型试验箱。圆柱形千斤顶12，用于衬砌管片的前后加载，模拟土体及未设置管片的挤压荷载。铲形挡板13，用于固定千斤顶位置，为装置提供恒定压力。进一步的，在本实施例中模型试验箱尺寸为2m×0.8m×0.8m(长×宽×高),由钢底板和侧向固定板构成，其中钢底板设置为箱型，可避免加压导致的应力集中开裂，侧向固定板与底板通过螺栓相连，可进行拆卸，便于安装不同尺寸的衬砌管片，用于放置衬砌模型。

进一步的，在本实施例中，衬砌管片一环宽度为2米，由10片管片拼接而成，由按照相似比配置的相似材料浇筑养护制作。固定装置由三个可伸缩的圆柱形千斤顶及铲形挡板组成，安装于隧道的前后两侧，用于模仿运营期隧道周围土体的压力。

图3为本实施例公开的监测系统模块示意图，其中，检测系统包括：电阻式土压力计15、动态监测系统14、应变计16、电阻式位移计17、导线18和手持式三维激光扫描仪19；DH5972动态监测系统14，用于实时显示数据并进行存储。

电阻式土压力计15，安装于管片外壁，用于测量管环土压力。

应变计16，安装于管片外壁，用于测量管环应力变化。

电阻式位移计17，安装于管片外壁，用于测量管环位移大小。

导线18，用于电阻式土压力计15、应变计16及电阻式位移计17与动态监测系统14的连接。

手持式三维激光扫描仪19，用于移动测量完毕后，进行缺失点云数据的补充完善。

图4为本实施例中公开的衬砌管片拼接示意图，图中的管片纵向拼接螺栓20，管片环向拼接螺栓21，用于衬砌管片之间的固定连接；其中管片环向拼接螺栓21实现相邻管片在环向方向上的连接，管片纵向拼接螺栓20实现相邻管片在纵向方向上的连接。进一步的，本实施例中的管片纵向拼接螺栓20，管片环向拼接螺栓21为高强度承压型螺栓，用于管片之间的固定连接。

图5为本实施例中公开的移动测量模块示意图，其包括：匀速行进装置22、行进指示装置23、LED灯管24和线阵CCD相机25；行进指示装置23、LED灯管24和线阵CCD相机25固定在匀速行进装置22上；其中匀速行进装置22，用于承载检测设备进入隧道内部进行扫描检测。行进指示装置23，用于控制该装置按照指定路线行进。LED灯管24，用于隧道衬砌内部的照明。线阵CCD相机25，用于隧道衬砌表面裂缝的拍摄。

三维激光扫描仪26，用于扫描隧道整体结构状况，进行点云建模。三维激光扫描仪用于提供了优质的点云数据，可以完整的呈现隧道整体结构状况，并通过点云综合处理软件CoProcess进行基础点云的滤波、抽稀、分割，并自动生成DEM、等高线等，具有良好的检测效果。

CCD相机可用于拍摄管片的裂缝，并利用LED灯管进行补光。匀速行进装置为小型履带式机器人，可将三维激光扫描仪、CCD相机及LED灯管固定在机器人上，通过控制其行进，自动测量模型试验中隧道衬砌的点云数据和裂缝数据。

进一步的，本实施例中的测量模块还包括手持式三维激光扫描仪，手持式三维激光扫描仪用于补充完善缺失的点云数据。

实施例二：

如图6所示，本实施例还提供了一种盾构隧道地层作用模拟试验方法，采用实施例一所述的模拟试验装置，包括：

(1)安装钢底板7及侧向固定板11，将钢柱6嵌入底板7中并通过螺栓固定；

(2)吊装管片8，安装在模型试验箱9内，并通过螺栓连接管片8；

(3)安装双侧承载架2、3，通过螺栓与钢柱6固定；

(4)安装液压式千斤顶4，并调整角度，确保在管片8上施加压力的范围准确；

(5)将土压力计15放置于衬砌8外表面，应变计16与电阻式位移计17紧贴隧道8内部放置，并通过导线18连接至DH5972动态监测系统14；

(6)打开伺服液压系统10，按照设定工况对衬砌8进行加载；

(7)将手持式三维激光扫描仪19、CCD相机25及LED灯管24固定在小型机器人23上，把机器人23放置于隧道衬砌模型8洞口；

(8)打开通过导线18与CCD相机25相连的电脑、三维激光扫描仪26、CCD相机25及LED灯24，设定机器人23速度与距离，开始测量记录数据；

(9)在改变加载情况后，重复步骤5、6。

(10)检查数据，若有点云数据缺失，使用手持式三维激光扫描仪19进行完善补充。

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

Claims (7)

1.一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，包括加载模块、试验模块和监测系统模块；

所述的试验模块包括模型试验箱、衬砌管片模型；所述的模型试验箱内安装有衬砌管片模型；所述模型试验箱由钢底板和侧向固定板构成，其中钢底板设置为箱型，避免加压导致的应力集中开裂，侧向固定板与钢底板可拆卸连接，便于安装不同尺寸的衬砌管片；

所述衬砌管片模型设置有管片纵向拼接螺栓、管片环向拼接螺栓；其中管片环向拼接螺栓实现相邻管片在环向方向上的连接，管片纵向拼接螺栓实现相邻管片在纵向方向上的连接；

所述加载模块为试验装置的动力系统，由反力架、液压千斤顶和伺服控制系统组成；所述的反力架包括两个，每个反力架底部与钢柱固定连接，钢柱嵌入模型试验箱钢底板中；所述的反力架包括矩形承载架和弧形承载架，弧形承载架固定在矩形承载架下方且与矩形承载架相连；所述的液压千斤顶共6个，每三个一组固定在反力架上，其中中间的液压千斤顶固定在矩形承载架上，左右两侧的液压千斤顶固定在弧形承载架上；还包括固定模块，所述固定模块包括设置于衬砌管片模型前后两端的圆柱形千斤顶和铲形挡板；

所述的监测系统模块包括电阻式土压力计、应变计和电阻式位移计，所述的电阻式土压力计安装于管片外壁，用于测量管片土压力；应变计与电阻式位移计安装于管片外壁，分别用于测量管片应力变化及位移大小，电阻式土压力计、应变计以及电阻式位移计均与动态监测系统相连。

2.如权利要求1所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，还包括移动测量模块，所述的移动测量模块包括匀速行进装置以及安装在匀速行进装置上的三维激光扫描仪、CCD相机、补光装置和电脑；所述的三维激光扫描仪用于提供点云数据，完整的呈现隧道整体结构状况，并通过点云综合处理软件进行基础点云的滤波、抽稀、分割，并自动生成DEM、等高线；CCD相机可用于拍摄管片的裂缝，并利用补光装置进行补光；CCD相机和三维激光扫描仪采集的图像以及数据发送给电脑。

3.如权利要求2所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，所述的匀速行进装置为小型履带式机器人。

4.如权利要求2所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，所述的移动测量模块还包括手持式三维激光扫描仪，所述的手持式三维激光扫描仪用于补充完善缺失的点云数据。

5.如权利要求1所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，所述的液压千斤顶为伸缩式，可调节高度和角度，可模拟衬砌管片不同方向的受力，其与伺服液压系统控相连，可控制衬砌管片的恒定加载，模拟运营期盾构隧道衬砌的受力。

6.如权利要求1所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置，其特征在于，所述的衬砌管片由多片管片拼接而成，由按照相似比配置的相似材料浇筑养护制作。

7.如权利要求1-6任一所述的一种盾构隧道地层作用模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

(1)安装钢底板及侧向固定板，将钢柱嵌入底板中并通过螺栓固定；

(2)吊装管片，安装在模型试验箱内，并通过螺栓连接管片；

(3)安装双侧承载架，通过螺栓与钢柱固定；

(4)安装千斤顶，并调整角度，确保在衬砌管片上施加压力的范围准确；

(5)将土压力计放置于衬砌外表面，应变计与电阻式位移计紧贴隧道内部放置，并通过导线连接至动态监测系统；

(6)打开伺服液压系统，按照设定工况对衬砌进行加载；

(7)将三维激光扫描仪、CCD相机及补光装置固定在匀速行进装置上，把匀速行进装置放置于隧道衬砌模型洞口；

(8)打开通过导线与CCD相机相连的电脑、三维激光扫描仪、CCD相机及匀速行进装置，设定匀速行进装置速度与距离，开始测量记录数据；

(9)在改变加载情况后，重复步骤5、6；

(10)检查数据，若有点云数据缺失，使用手持式三维激光扫描仪进行完善补充。

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