CN113049775A - 一种双自由度的既有隧道模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双自由度的既有隧道模拟试验装置及方法，装置包括模拟隧道环，模拟隧道环有多个依次连接的隧道环单元构成，每个隧道环单元由多个首尾依次相连的模型管片围合而成，模拟隧道环内设置有主轴，主轴的两侧等间距固定连接有转动轴承，转动轴承连接有限位块，限位块内设置有连接轴，连接轴贯穿限位块并且可在限位块内竖向移动，连接轴的两端固定连接有连接块，连接块与模型管片固定连接，连接轴上套设有竖向弹簧，竖向弹簧的两端分别与连接块和限位块固定连接，限位块上设置有倾角测量计，连接块设置有激光位移计。本发明能够同时模拟管片的“错台”与“张开”的实际变形，满足模型试验为工程实际服务的要求。

Description

一种双自由度的既有隧道模拟试验装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道模拟试验的技术领域，更具体地，涉及一种双自由度的既有隧道模拟试验装置及方法。
背景技术
当前城市交通压力日益增加，为缓解地面交通压力，越来越多的地铁线路投入施工建设。随着城市地铁线路规划建设，地铁隧道越来越趋向具有“大规模、密集化”的特点，由此带来的近接既有隧道的施工问题日益显著。近接既有隧道施工会对既有隧道产生一定范围和程度的变形，这种变形结果与新建工程与既有隧道之间的相对位置、姿态以及近接距离有关。通常而言，在近接既有隧道施工中，会由于一侧的土体受到卸荷或挤压的扰动作用，从而会使既有隧道产生朝向或远离新建工程的弯曲变形形态。这种变形形态由于隧道管片的拼接效应会更加明显的展现出来。
为了评估近接施工对既有隧道的扰动作用与机理问题，许多专家学者利用模型试验的手段进行研究。在常规的近接施工模型试验中，既有隧道往往简单地采用管状材料进行模拟，如钢、铝、PVC管等，但这种均质连续的模型材料无法反映隧道实际的拼装属性，亦即拼接位置处的削弱作用和非连续性。然而，在隧道的实际变形模式下，往往在接缝位置处产生更为显著的变形，产生这种现象的原因主要是管片环向和纵向拼接时采用螺栓连接，连接处的整体刚度相较于隧道结构本身有较大的差异。
既有隧道受施工扰动产生的变形由两部分叠加组成：“错台”和“张开”，其中“错台”是指相邻管片发生垂直方向的相对滑动，“张开”是指相邻管片承受附加弯矩作用产生的相对转动。目前，虽然有部分研究中采用了类似实际管片拼装特点的隧道模型，但由于制作复杂，且拼装螺栓的刚度无法满足模型相似比要求，导致试验的变形模式与实际有较大差异，对于研究隧道近接施工的力学行为问题依然存在局限性。
因此，现有技术中亟需一种能够有效模拟既有隧道的拼装特点和实际变形特征，提高模型试验的精确程度的技术方案。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种双自由度的既有隧道模拟试验装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种双自由度的既有隧道模拟试验装置，包括模拟隧道环，所述模拟隧道环有多个依次连接的隧道环单元构成，每个隧道环单元由多个首尾依次相连的模型管片围合而成，所述模拟隧道环内设置有主轴，所述主轴的两侧等间距固定连接有转动轴承，所述转动轴承连接有限位块，所述限位块内设置有连接轴，所述连接轴贯穿所述限位块并且可在所述限位块内竖向移动，所述连接轴的两端固定连接有连接块，所述连接块与所述模型管片固定连接，所述连接轴上套设有竖向弹簧，所述竖向弹簧的两端分别与所述连接块和所述限位块固定连接，所述限位块上设置有倾角测量计，所述连接块设置有激光位移计。
相邻的两个模型管片通过连接弹簧连接。
每个隧道环单元由六瓣模型管片组成。
一种双自由度的既有隧道模拟试验方法，包括以下步骤：
S1：在主轴上每隔一定距离主轴的在两侧连接转动轴承，再将限位块连接在转动轴承上；在限位块上依次安装连接轴，在连接轴上套上竖向弹簧，在连接轴两端安装连接块，并安装模型管片，再将模型管片之间利用连接弹簧进行连接，在每个隧道环内均安装倾角测量计和激光位移计，连接完成后将整个既有隧道模拟试验装置置于塑料密封膜中；
S2：在模型箱中放入一定厚度的底部土体；
S3：放置连接完成后的既有隧道模拟试验装置，将主轴与模型箱固定连接，并确保连接轴处于竖直方向；
S4：将倾角测量计和激光位移计的连接线接入外部的数据采集装置；
S5：继续填埋土体至预定标高，并将土体压实；
S6：分步进行基坑开挖，通过倾角测量计和激光位移计采集的数据，记录每个施工步引起的既有隧道模拟试验装置的竖向变形和转动变形；
S7：基坑开挖完成后，待读数稳定，即获得既有隧道模拟试验装置的最终变形结果。
每个隧道环单元由六瓣模型管片组成。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1.双自由度连接件，能够同时模拟管片的“错台”与“张开”的实际变形，满足模型试验为工程实际服务的要求；
2.既有隧道的模型管片之间通过环向与纵向的可自由变形的连接弹簧连接，与常规试验装置中采用的螺栓相比，刚度小，避免了对变形的限制；
3.预置的激光位移计和倾角测量计，可以实时监测每环管片发生的垂直变形和转动变形，从而获得近接既有隧道施工全过程的既有隧道变形试验数据，为相关研究提供可靠的数据支撑；
4.可根据实际工况设计模型，更接近既有隧道施工，可用于模拟基坑施工、盾构施工、桩基施工等情况。
附图说明
图1是双自由度的既有隧道模拟试验装置。
图2是单环管片装置示意图。
图3是拼接后的模型隧道装置示意图。
附图标记：1主轴；2转动轴承；3限位块；4竖向弹簧；5连接块；6连接轴；7模型管片；8连接弹簧；9倾角测量计；10激光位移计。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
如图1-3所示的双自由度的既有隧道模拟试验装置，包括模拟隧道环，模拟隧道环有多个依次连接的隧道环单元构成，每个隧道环单元由多个首尾依次相连的模型管片7围合而成，本实施例中，每个隧道环单元由六瓣模型管片7组成，相邻的两个模型管片7通过连接弹簧8连接。
模拟隧道环内设置有主轴1，主轴1的两侧等间距固定连接有转动轴承2，本实施例中的间距为管片宽度+纵向接缝宽度。转动轴承2连接有限位块3，限位块3限定了隧道竖向运动的极限位置，限位块3可绕转动轴承2转动，限位块3内设置有连接轴6，连接轴6贯穿限位块3并且可在限位块3内竖向移动，即连接轴6是活动地插在限位块3内，连接轴6的两端固定连接有连接块5，连接块5与模型管片7固定连接，连接轴6上套设有竖向弹簧4，每个连接轴6上套两段竖向弹簧4，每根竖向弹簧4的两端分别与连接块5和限位块3固定连接，连接轴6在限位块3内竖向运动的时候，竖向弹簧4会被压缩或拉伸，限位块3上设置有倾角测量计9，用于采集每个隧道环单元转动的角度，连接块5设置有激光位移计10，用于采集连接轴6上下位移的大小。
本实施例为既有隧道正上方基坑开挖施工，采用上述试验装置进行双自由度的既有隧道模拟试验方法，包括以下步骤：
S1：在主轴1上每隔一定距离主轴1的在两侧连接转动轴承2，再将限位块3连接在转动轴承2上；在限位块3上依次安装连接轴6，在连接轴6上套上竖向弹簧4，在连接轴6两端安装连接块5，并安装模型管片7，再将模型管片7之间利用连接弹簧8进行连接，如需要测试模拟隧道环所受的土压力，则可以在模型管片7外贴应变片；在每个隧道环内均安装倾角测量计9和激光位移计10，连接完成后将整个既有隧道模拟试验装置置于塑料密封膜中；
S2：在模型箱中放入一定厚度的底部土体；
S3：放置连接完成后的既有隧道模拟试验装置，将主轴1与模型箱固定连接，并确保连接轴6处于竖直方向；
S4：将倾角测量计9和激光位移计10的连接线接入外部的数据采集装置；S5：继续填埋土体至预定标高，并将土体压实；
S6：分步进行基坑开挖，通过倾角测量计9和激光位移计10采集的数据，记录每个施工步引起的既有隧道模拟试验装置的竖向变形和转动变形；
S7：基坑开挖完成后，待读数稳定，即获得既有隧道模拟试验装置的最终变形结果。
连接轴6可以竖向移动，同时也可以绕滚动轴承2转动，具有双自由度，可以同时实现相邻隧道模型管片在垂直方向的相对滑动，和以模拟隧道环的中性轴为轴的相对转动。预先放置的倾角测量计9和激光位移计10，可以实现模拟施工中对既有隧道变形的实时监测。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双自由度的既有隧道模拟试验装置，其特征是，包括模拟隧道环，所述模拟隧道环有多个依次连接的隧道环单元构成，每个隧道环单元由多个首尾依次相连的模型管片(7)围合而成，所述模拟隧道环内设置有主轴(1)，所述主轴(1)的两侧等间距固定连接有转动轴承(2)，所述转动轴承(2)连接有限位块(3)，所述限位块(3)内设置有连接轴(6)，所述连接轴(6)贯穿所述限位块(3)并且可在所述限位块(3)内竖向移动，所述连接轴(6)的两端固定连接有连接块(5)，所述连接块(5)与所述模型管片(7)固定连接，所述连接轴(6)上套设有竖向弹簧(4)，所述竖向弹簧(4)的两端分别与所述连接块(5)和所述限位块(3)固定连接，所述限位块(3)上设置有倾角测量计(9)，所述连接块(5)设置有激光位移计(10)。
2.根据权利要求1所述的双自由度的既有隧道模拟试验装置，其特征是，相邻的两个模型管片(7)通过连接弹簧(8)连接。
3.根据权利要求1所述的双自由度的既有隧道模拟试验装置，其特征是，每个隧道环单元由六瓣模型管片(7)组成。
4.一种双自由度的既有隧道模拟试验方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：在主轴(1)上每隔一定距离主轴(1)的在两侧连接转动轴承(2)，再将限位块(3)连接在转动轴承(2)上；在限位块(3)上依次安装连接轴(6)，在连接轴(6)上套上竖向弹簧(4)，在连接轴(6)两端安装连接块(5)，并安装模型管片(7)，再将模型管片(7)之间利用连接弹簧(8)进行连接，在每个隧道环内均安装倾角测量计(9)和激光位移计(10)，连接完成后将整个既有隧道模拟试验装置置于塑料密封膜中；
S2：在模型箱中放入一定厚度的底部土体；
S3：放置连接完成后的既有隧道模拟试验装置，将主轴(1)与模型箱固定连接，并确保连接轴(6)处于竖直方向；
S4：将倾角测量计(9)和激光位移计(10)的连接线接入外部的数据采集装置；
S5：继续填埋土体至预定标高，并将土体压实；
S6：分步进行基坑开挖，通过倾角测量计(9)和激光位移计(10)采集的数据，记录每个施工步引起的既有隧道模拟试验装置的竖向变形和转动变形；
S7：基坑开挖完成后，待读数稳定，即获得既有隧道模拟试验装置的最终变形结果。
5.根据权利要求4所述的双自由度的既有隧道模拟试验方法，其特征是，每个隧道环单元由六瓣模型管片(7)组成。
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