CN113063613B - 基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置 - Google Patents

基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置 Download PDF

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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本申请涉及土木工程、隧道工程技术领域，提供基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置。包括柔性隧道结构、激光发射系统、测量与数据采集系统，柔性隧道结构可以模拟隧道垂直、水平位移和平面扭转，利用设置在柔性隧道结构两端的激光发射系统向隧道内发射十字激光束，利用内窥摄像头观察十字激光束在位移测量板上的投影，从而获得各位移测量板垂直、水平位移和平面扭转，再根据位移传感器测得的端头井垂直位移计算柔性隧道结构最终变形。本申请提供的方案，其有益效果在于：能够在模型试验尺度上真实反应盾构隧道变形规律，有效测量隧道垂直、水平位移和平面扭转，具有结构简单、操作简便的优点。

Description

基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置
技术领域
本申请涉及土木工程、隧道工程技术领域，尤其涉及基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置。
背景技术
近年来，随着城市规模不断扩大，地铁作为一种高运量、便捷型的交通方式得到空前的发展，城市盾构隧道施工不可避免要穿越邻近既有地铁隧道，密集的城市地铁网络为新建盾构穿越施工带来巨大的潜在风险。穿越施工极易引起既有地铁隧道变形过大，造成轨道脱开、管片开裂、接缝漏水等结构损伤，影响地铁运营安全。实测数据表明，盾构穿越引起既有隧道在穿越交叉点处的隆沉变化可分为4个阶段，穿越后的隧道纵向隆沉影响在交叉点两侧2-4倍盾构直径范围，隧道横向变形并向新建隧道开挖面侧扭转。
然而，在既有物理模型试验中，受模型尺寸和测量方法限制，仅能测量隧道垂直位移，忽略隧道水平位移和平面扭转，不能真实反映真实既有盾构隧道变形规律，适用于三维变形测量的盾构隧道模型试验装置亟待开发。
发明内容
本申请的目的在于：克服现有技术的不足，提供基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置，用于在物理模型试验中有效模拟盾构隧道三维变形。
为实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置，包括柔性隧道结构、激光发射系统、测量与数据采集系统。
进一步，所述的柔性隧道结构用于模拟隧道结构，包括两个端头井、若干个分段管片、若干个接头，可根据试验需要埋设在土体模型中；所述的两个端头井位于整个柔性隧道结构两端，为上开口箱状结构，中下部侧壁设有预留出口，可与分段管片密闭连接，端头井内固定安装垂直位移测量平台；所述的若干个分段管片为管状结构，具有防水、抗压性能，并能实现水平、垂直位移和扭转变形；所述的若干个接头用于将若干个分段管片之间密闭连接。
所述的激光发射系统包括两个十字激光发射器、两个支架、导线、直流电源；所述的两个十字激光发射器分别通过两个支架固定安装在两个端头井底部，两个十字激光发射器发射的十字激光束正好通过预留出口射入柔性隧道结构；直流电源与两个十字激光发射器之间通过导线连接，用于两个十字激光发射器的供电与开关控制。
所述的测量与数据采集系统包括若干块位移测量板、若干个内窥摄像头、两个位移传感器、磁性表座、数据线、控制电脑；所述的若干块位移测量板由多种不同遮挡的刻度板组成，分别安装在若干个接头内用于接收十字激光束照射；所述的若干个内窥摄像头贯穿安装在分段管片侧壁，拍摄安装在接头内的位移测量板；所述的两个位移传感器顶部通过磁性表座与外部稳定位置固定，探针与垂直位移测量平台连接，用于测量两个端头井的垂直位移；所述的控制电脑与若干个内窥摄像头、两个位移传感器之间通过数据线连接，用于上述设备的供电、开关控制、数据采集。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：本申请适用于土木工程、隧道工程技术领域，能够在模型试验尺度上真实反应既有盾构隧道变形规律，有效测量隧道垂直、水平位移和平面扭转，可以广泛应用于各类涉及既有盾构隧道变形问题的物理模型试验研究，具有结构简单、操作简便的优点。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的模型试验装置中位移测量板的结构及位置示意图；
图3为本申请实施例提供的模型试验装置放置在土体模型中的状态示意图；
图4为本申请实施例提供的模型试验装置中十字激光束投影在位移测量板上测量参数示意图。
附图标记说明
4为土体模型；
11为端头井、12为分段管片、13为接头、14为预留出口、15为垂直位移测量平台；
21为激光发射器、22为支架、23为导线、24为直流电源；
211为十字激光束、212为十字激光束沿线；
31为位移测量板、32为内窥摄像头、33为位移传感器、34为磁性表座、35为数据线、36为控制电脑；
311为微遮光刻度板、312为半遮光刻度板、313为全遮光刻度板。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示，基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置，包括柔性隧道结构、激光发射系统、测量与数据采集系统。
柔性隧道结构用于模拟隧道结构，包括两个端头井11、七个分段管片12、六个接头13；两个端头井11位于整个柔性隧道结构两端，为上开口箱状结构，中下部侧壁设有预留出口14，可与分段管片12密闭连接，端头井11内固定安装垂直位移测量平台15；七个分段管片12为管状结构，采用包塑金属软管，具有防水、抗压性能，并能实现水平、垂直位移和扭转变形；六个接头13用于将七个分段管片12之间密闭连接。
激光发射系统包括两个十字激光发射器21、两个支架22、导线23、直流电源24；两个十字激光发射器21分别通过两个支架22固定安装在两个端头井11底部，两个十字激光发射器21发射的十字激光束211正好通过预留出口14射入柔性隧道结构；直流电源24与两个十字激光发射器21之间通过导线23连接，用于两个十字激光发射器21的供电与开关控制。
测量与数据采集系统包括六块位移测量板31、六个内窥摄像头32、两个位移传感器33、磁性表座34、数据线35、控制电脑36；六块位移测量板31由三种不同遮挡的刻度板组成，分别安装在六个接头13内用于接收十字激光束211照射；六个内窥摄像头32贯穿安装在分段管片12侧壁，拍摄安装在接头13内的位移测量板31；两个位移传感器33顶部通过磁性表座34与外部稳定位置固定，探针与垂直位移测量平台15连接，用于测量两个端头井11的垂直位移；控制电脑36与六个内窥摄像头32、两个位移传感器33之间通过数据线35连接，用于上述设备的供电、开关控制、数据采集。
如图2所示，六块位移测量板31由两块微遮光刻度板311、两块半遮光刻度板312、两块全遮光刻度板313组成，每组三个沿激光发射方向依次安装，即两组十字激光束211依次通过微遮光刻度板311、半遮光刻度板312、全遮光刻度板313。
本申请提供的基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置，其工作方式及应用如下：
1)首先将六块位移测量板31、六个内窥摄像头32安装在接头13和分段管片12上，通过六根数据线35将六个内窥摄像头32与控制电脑36连接；将两个端头井11、七个分段管片12、六个接头13依次连接好，安装过程中十字激光束211从端头井11依次通过微遮光刻度板311、半遮光刻度板312、全遮光刻度板313，六个内窥摄像头32分别拍摄安装在接头13内的六个位移测量板31；
2)根据试验需要将柔性隧道结构埋设在土体模型4中(如图3所示)；
3)将两个十字激光发射器21分别通过两个支架22固定安装在两个端头井11底部，调整十字激光发射器21角度保证发射的十字激光束211正好通过预留出口14射入柔性隧道结构，再利用导线23将两个十字激光发射器21与直流电源24连接；
4)将两个位移传感器33顶部通过磁性表座34与外部稳定位置固定，探针与垂直位移测量平台15连接，通过数据线35将两个位移传感器33与控制电脑36连接；
5)开启两个十字激光发射器21，使十字激光束211依次通过微遮光刻度板311、半遮光刻度板312、全遮光刻度板313，开启六个内窥摄像头32、两个位移传感器33，利用控制电脑36数据采集；记录初始时刻十字激光束211投影交点水平位置x0，垂直位置y0，十字激光束211与位移测量板31相对角度Φ0(如图4a所示)，十字激光束211发射端对应端头井11上位移传感器33垂直位移量h0；当无法直接获得十字激光束211投影交点时可采用十字激光束延线212交点(如图2所示)计算得到；
6)开始试验，试验过程中全程记录i时刻微遮光刻度板311、半遮光刻度板312、全遮光刻度板313上十字激光束211投影交点水平位置xi，垂直位置yi，十字激光束211与位移测量板31相对角度Φi(如图4b所示)；记录i时刻十字激光束211发射端对应端头井11上位移传感器33的垂直位移量hi；
7)试验结束后，各测点变形量按照下式计算
X＝xi-x0
Y＝yi-y0+hi-h0
R＝Φi-Φ0
上述装置结构简单，操作过程简便；
8)应用：为了各类盾构隧道变形问题的研究，通过输入十字激光束211有效测量试验全过程柔性隧道结构各测点垂直位移Y、水平位移X和平面扭转R，将各关键测点将采集到的过程数据汇总到控制电脑，能够在模型试验尺度上真实反应盾构隧道变形规律。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.基于十字激光三维变形测量的盾构隧道模型试验装置，其特征在于：包括柔性隧道结构、激光发射系统、测量与数据采集系统；所述的柔性隧道结构模拟隧道垂直、水平位移和平面扭转；所述的激光发射系统用于向柔性隧道结构内发射十字激光束(211)；所述的测量与数据采集系统用于观测十字激光束(211)投影位置变化，根据柔性隧道结构中端头井(11)垂直位移计算柔性隧道结构最终变形；
所述的柔性隧道结构用于模拟隧道结构，包括两个端头井(11)、若干个分段管片(12)、若干个接头(13)；所述的两个端头井(11)位于整个柔性隧道结构两端，为上开口箱状结构，中下部侧壁设有预留出口(14)，可与分段管片(12)密闭连接，端头井(11)内固定安装垂直位移测量平台(15)；所述的若干个分段管片(12)为管状结构，具有防水、抗压性能，并能实现水平、垂直位移和扭转变形；所述的若干个接头(13)用于将若干个分段管片(12)之间密闭连接；
所述的激光发射系统包括两个十字激光发射器(21)、两个支架(22)、导线(23)、直流电源(24)；所述的两个十字激光发射器(21)分别通过两个支架(22)固定安装在两个端头井(11)底部，两个十字激光发射器(21)发射的十字激光束(211)正好通过预留出口(14)射入柔性隧道结构；所述的直流电源(24)与两个十字激光发射器(21)之间通过导线(23)连接，用于两个十字激光发射器(21)的供电与开关控制；
所述的测量与数据采集系统包括若干块位移测量板(31)、若干个内窥摄像头(32)、两个位移传感器(33)、磁性表座(34)、数据线(35)、控制电脑(36)；所述的若干块位移测量板(31)由三种不同遮挡的刻度板组成，分别安装在若干个接头(13)内用于接收十字激光束(211)照射；所述的若干个内窥摄像头(32)贯穿安装在分段管片(12)侧壁，拍摄安装在接头(13)内的位移测量板(31)；所述的两个位移传感器(33)顶部通过磁性表座(34)与外部稳定位置固定，探针与垂直位移测量平台(15)连接，用于测量两个端头井(11)的垂直位移；所述的控制电脑(36)与若干个内窥摄像头(32)、两个位移传感器(33)之间通过数据线(35)连接，用于上述设备的供电、开关控制、数据采集；
所述的柔性隧道结构最终变形量按照下式计算：
X＝xi-x0
Y＝yi-y0+hi-h0
R＝Φi-Φ0
式中：X为最终水平位移量、Y为最终垂直位移量、R为最终平面扭转量、x0为初始时刻十字激光束(211)投影交点水平位置、y0为初始时刻十字激光束(211)投影交点垂直位置、Φ0为初始时刻十字激光束(211)与位移测量板(31)相对角度、h0为初始时刻十字激光束(211)发射端对应端头井(11)垂直位移量、xi为i时刻十字激光束(211)投影交点水平位置、yi为i时刻十字激光束(211)投影交点垂直位置、Φi为i时刻十字激光束(211)与位移测量板(31)相对角度、h0为i时刻十字激光束(211)发射端对应端头井(11)垂直位移量；
所述的测量与数据采集系统，若干块位移测量板(31)由若干块微遮光刻度板(311)、若干块半遮光刻度板(312)、若干块全遮光刻度板(313)组成，三个不同刻度板为一组，沿激光发射方向依次安装。
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