CN114166442A - 一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，包括振动台、模型箱、加载系统、盾构隧道模型和模型土，所述盾构隧道模型由多个隧道管片组成，模型箱内装有模型土，盾构隧道模型置于模型土内，模型箱位于振动台台面上，所述加载系统由钢棒、横向千斤顶和加载环装置组成，所述加载环装置对应于盾构隧道模型外壁处，所述钢棒一端与加载环装置可拆卸连接，钢棒另一端延伸至模型箱外部并与模型箱外部的横向千斤顶连接，横向千斤顶通过钢棒控制加载环装置向对应的隧道管片施加荷载发生错台。该试验装置通过振动台模拟地震荷载，获得在考虑到盾构隧道管片初始错台量及错台部位条件下，盾构隧道的地震响应规律。

Description

一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试 验装置

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道工程领域，特别是涉及一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置。

背景技术

随着国内城市轨道交通的深入发展，大量轨道交通线路投入运营，国内轨道交通正处于建养并重的局面。对于已投入运营轨道交通线路，由于诸多因素，如不均匀沉降、水土流失、列车振动荷载、地表堆载等造成了盾构隧道结构性能的劣化，盾构隧道管片错台是最主要的劣化表现之一。

1995年日本阪神大地震震害表明地下结构在地震时也会发生十分严重的破坏。因此，地下结构，如盾构隧道是城市生命线工程的重要组成部分，其抗震性能必须得到重视。而目前针对盾构隧道地震响应的研究还未考虑隧道结构劣化的影响。在计算模型上，大多基于均质圆环模型或弹簧-质点模型，这些模型都无法考虑管片错台对其地震响应的影响；在试验研究上，大多采用缩尺的均质模型或节段式模型，但都没有考虑错台的影响。

盾构隧道管片错台大量存在于运营隧道中，错台量以及错台部位对盾构隧道地震响应的影响值得深入研究，试验研究是不可或缺的重要环节，相应的试验技术还未见相关报道。

发明内容

鉴于背景技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，该试验装置可考虑错台量以及错台部位的前提下，错台量以及错台部位对盾构隧道地震响应的影响。

本发明是采取如下技术方案来完成的：一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：包括振动台、模型箱、加载系统、盾构隧道模型和模型土，所述盾构隧道模型由多个隧道管片组成，模型箱内装有模型土，盾构隧道模型置于模型土内，模型箱位于振动台台面上，所述加载系统由钢棒、横向千斤顶和加载环装置组成，所述加载环装置对应于盾构隧道模型外壁处，所述钢棒一端与加载环装置可拆卸连接，钢棒另一端延伸至模型箱外部并与模型箱外部的横向千斤顶连接，横向千斤顶通过钢棒控制加载环装置向对应的隧道管片施加荷载发生错台。

进一步地，所述模型箱固定于振动台台面上，所述加载环装置包括至少一个加载环。

进一步地，所述加载环装置包括壳体、多个加载环和多个控制加载环的加载杆，所述壳体朝向盾构隧道模型的端部设置有多个槽孔，所述加载杆置于槽孔内并沿槽孔移动，加载杆下端部穿出壳体与加载环固定连接，加载环分别与相应的隧道管片一一对应，所述壳体内腔设置有丝杆，丝杆一端可转动套接在壳体内壁连接槽内，丝杆另一端依次穿过壳体和模型箱与模型箱外部的手轮连接，所述丝杆上螺纹连接滑块，转动丝杆控制滑块移动，当滑块移动至对应的加载杆处，将加载杆向盾构隧道模型方向下压，带动相对应的加载环向盾构隧道模型方向移动并抵于盾构隧道外壁上，对应的加载环配合横向千斤顶向对应隧道管片施加荷载力。

进一步地，所述槽孔包括弹簧安置槽和通孔，所述通孔位于弹簧安置槽下端并于弹簧安置槽导通，所述加载杆贯穿槽孔，所述加载杆上端部为弧面凸起，加载杆侧壁上具有环形凸沿，环形凸沿置于弹簧安置槽内，复位弹簧套接在加载杆上并位于环形凸沿和弹簧安置槽内底部之间，所述弹簧安置槽上开口端具有环形挡片，加载杆不受力状态时，加载杆的弧面凸起始终凸出于弹簧安置槽开口处。

进一步地，所述壳体上端部设置条形限位槽，滑块上端部置于条形限位槽内并在条形限位槽范围内移动，所述滑块下端部呈弧面状。

进一步地，多个加载环由长弧面加载环和短弧面加载环组成，长弧面加载环和短弧面加载环间隔设置分布于盾构隧道模型外壁处。

进一步地，所述滑块上设置位移传感器。

进一步地，所述模型箱固定于试验台上，振动台位于试验台底部，所述试验台上具有多个开孔，所述振动台上表面均匀设置有多个可调节振动杆，开孔与振动杆位置一一对应，使用状态时，调节其中一振动杆穿过对应开孔并抵于模型箱下表面，其他振动杆位于试验台下方。

进一步地，所述每个隧道管片上均分布有压力传感器，所述钢棒位于模型箱外部的部分设有第二位移传感器。

本发明中，通过加载环装置给盾构隧道施加初始荷载，使其在指定部位发生的错台量，在此基础上再进行振动台试验，从而得到盾构隧道管片初始错台量及错台部位条件下盾构隧道的地震响应规律。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为发明第一实施例提供的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的结构示意图；

图2为图1中一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的盾构隧道结构示意图；

图3为发明第二实施例提供的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的结构示意图；

图4为图3提供的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的加载环装置的结构示意图；

图5为图4提供的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的模型箱的结构示意图；

图6为发明第三实施例提供的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明专利实施例，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

参照图1和图2所示，本发明第一实施例提供一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，包括振动台1、模型箱2和盾构隧道模型3。所述盾构隧道模型由多个隧道管片4组成，所述模型箱内装有模型土5，盾构隧道模型置于模型土5内。模型箱2固定于振动台1的台面上。

所述模型箱设置有多个加载系统，加载系统由钢棒6、横向千斤顶7和加载环装置8组成。所述加载环装置8对应设置于盾构隧道模型3外壁处。所述加载环装置由至少一个加载环组成，加载环的数量可以是一个或者多个。所述钢棒6一端与加载环装置8可拆卸连接，钢棒6另一端延伸至模型箱外部与设于模型箱外部的横向千斤顶7连接。加载环与钢棒优选螺纹连接，便于完成初错台后，将钢棒6与加载环8拆卸并从模型箱中撤出，横向千斤顶7通过钢棒6控制加载环装置向对应的隧道管片施加荷载发生错台。

所述每个隧道管片4上均分布有压力传感器9，所述钢棒位于模型箱外部的部分设有第二位移传感器10，相邻隧道管片之间设有纵缝压力测试环31。压力传感器和第二位移传感器可选择与监测设备无线连接或导线连接。纵缝压力测试环31监测纵缝错台发展变化情况。

本实施例的试验步骤如下：

1)运行横向千斤顶7，依次通过钢棒6和加载环8对隧道管片4施加荷载；

2)横向千斤顶施加荷载的过程中，通过压力传感器8记录管片受力变化情况，同时第二位移传感器10监测管片错台变形数值；

3)当第二位移传感器10监测到管片错台达到指定数值后，千斤顶停止工作；4)将钢棒6与加载环拆卸，撤除加载系统，并静止稳定一段时间；

5)振动台开始工作，振动台模拟地震荷载，在模型箱底部输入地震波，并监测地震荷载作用下错台量及部位的发展。

该实施例中，通过加载环给盾构隧道施加初始荷载，使其在指定部位发生的错台量，在此基础上再进行振动台试验，从而得到盾构隧道管片初始错台量及错台部位条件下盾构隧道的地震响应规律。

参照图3、图4和图5所示，本发明第二实施例提供一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，与第一实施例基本相同，区别在于：所述加载环装置8包括壳体11、多个加载环12和多个控制加载环的加载杆13，加载杆13与加载环12一一对应并固定。所述壳体11朝向盾构隧道模型的端部具有多个槽孔，所述加载杆13置于槽孔内并沿槽孔移动，加载杆13下端部穿出壳体与加载环12固定连接，加载环12分别与相应的隧道管片4对应。

所述壳体11内腔设置有丝杆14，丝杆一端可转动套接在壳体内壁连接槽15内，丝杆14另一端依次穿过壳体11和模型箱2与模型箱外部的手轮16连接，手轮控制丝杆转动。所述丝杆14上螺纹连接滑块17。所述壳体上端部设置条形限位槽19，滑块17上端部置于条形限位槽19内并在条形限位槽19范围内移动。条形限位槽19控制滑块17沿直线移动，防止滑块旋转。

通过转动手轮16带动丝杆14转动，控制滑块17沿直线移动，滑块17上设置位移传感器18，通过位移传感器18监测滑块17移动的位置。当滑块17移动至指定管片对应的加载杆13，所述滑块17下端部将加载杆13沿槽孔向盾构隧道模型方向下压，带动对应的加载环12向盾构隧道模型方向移动，相对应的加载环12凸出于其他加载环，并与指定位置的隧道管片4相抵。加载环12配合横向千斤顶7向指定位置的隧道管片4施加荷载力，向指定位置的隧道管片与相邻隧道管片产生错台，并通过压力传感器8记录管片受力变化情况，第二位移传感器10监测管片错台变形数值。同时手轮16与横向千斤顶7分别位于模型箱不同侧面，手轮与横向千斤顶使用时互不干涉，使用方便。

所述槽孔包括弹簧安置槽20和通孔21，所述通孔21位于弹簧安置槽20下端并于弹簧安置槽20导通，所述加载杆13贯穿弹簧安置槽20和通孔21。所述加载杆13侧壁上具有环形凸沿22，环形凸沿22置于弹簧安置槽20内。复位弹簧23套接在加载杆13上并置于弹簧安置槽20内，复位弹簧23位于环形凸沿22和弹簧安置槽20内底部之间。所述加载杆13上端部为弧面凸起25，加载杆不受力状态时，加载杆的弧面凸起25始终凸出于弹簧安置槽开口处，所述弹簧安置槽20上开口端具有环形挡片24。加载杆不受力时，环形凸沿22抵于环形挡片24下表面。所述滑块17下端部呈弧面状，弧面状滑块与加载杆弧面凸起相配合，滑块弧面状下端部便于移动至加载杆弧面凸起上方并将加载杆向下挤压。

该实施例试验时，通过转动手轮16带动丝杆14转动，丝杆上滑块17沿丝杆14直线移动，通过滑块上的位移传感器18监测滑块17移动的位置，当滑块17到达试验要求的指定的隧道管片的位置，滑块17弧面状的下端部将指定位置的对应加载杆上端部的弧面凸起25向下压，带动指定位置的加载环向盾构隧道模型方向移动，该加载环12凸出于其他加载环，并与指定位置的隧道管片相抵。加载环12配合横向千斤顶7向指定位置隧道管片施加荷载力，向指定位置的隧道管片与相邻隧道管片产生错台，并通过压力传感器8记录管片受力变化情况，第二位移传感器9监测管片错台变形数值。通过转动丝杆14调整滑块17位置，从而精准控制盾构隧道指定部位发生错台，且通过第二位移传感器达到试验要求指定量的错台量要求。

多个加载环12由长弧面加载环26和短弧面加载环27组成，长弧面加载环26和短弧面加载环27间隔设置分布于盾构隧道模型外壁处。错台包括纵缝错台和环缝错台。短弧面加载环27的弧面尺寸小于单片隧道管片的弧面长度，试验要求指定管片纵缝错台时，短弧面加载环27抵于指定的隧道管片上，并通过横向千斤顶和短弧面加载环对对应的隧道管片施加荷载。指定的隧道管片与纵向相邻的隧道管片产生纵缝错台。长弧面加载环26的弧面尺寸大于单片隧道管片的长度，当试验要求指定管片环缝错台时，将滑块17转动至指定隧道管片环处，长弧面加载环26抵于对应的隧道管片以及隧道管片与相邻隧道管片的缝隙，通过长弧面加载环26和横向千斤顶7施加荷载，对应的隧道管片所在的管片环与相邻管片环之间产生环缝错台，通过第二位移传感器10控制错台量。可根据试验需求在指定部位发生指定量的纵缝错台或/和环缝错台。钢棒6与壳体11可拆卸连接，指定量的纵缝错台或/和环缝错台完成后，将钢棒6与壳体11拆卸，并将钢棒抽离出模型箱。手轮16与丝杆14可选用可拆卸连接，指定量的纵缝错台或/和环缝错台完成后，将手轮拆卸。在此基础上再进行振动台试验，从而得到盾构隧道管片初始错台量及错台部位条件下盾构隧道的地震响应规律。适应各种试验要求，适用范围广。

参照图4、图5和图6所示，本发明第三实施例提供一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，与第二实施例基本相同，区别在于：所述模型箱放置于试验台28上，所述振动台1置于试验台28底部。所述振动台上表面均匀设置有多个可调节的振动杆29，振动杆通过螺纹连接或可伸缩连接与振动台上。所述试验台上具有多个开孔30，开孔30与振动杆29位置一一对应。使用状态时，调节其中一个振动杆29穿过对应开孔并抵于模型箱下表面，其他振动杆29位于试验台下方。

模型箱底部对应开孔30的位置可设置内弧面，便于振动杆与模型箱底部相抵。

振动台工作状态时，通过振动杆29模拟地震震源中心，可根据试验要求设置不同的震源中心方位，从而得到盾构隧道管片初始错台量及错台部位和指定震源中心位置或不同震源中心位置的条件下盾构隧道的地震响应规律。

Claims (9)

1.一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：包括振动台、模型箱、加载系统、盾构隧道模型和模型土，所述盾构隧道模型由多个隧道管片组成，模型箱内装有模型土，盾构隧道模型置于模型土内，模型箱位于振动台台面上，所述加载系统由钢棒、横向千斤顶和加载环装置组成，所述加载环装置对应于盾构隧道模型外壁处，所述钢棒一端与加载环装置可拆卸连接，钢棒另一端延伸至模型箱外部并与模型箱外部的横向千斤顶连接，横向千斤顶通过钢棒控制加载环装置向对应的隧道管片施加荷载发生错台。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述模型箱固定于振动台台面上，所述加载环装置包括至少一个加载环。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述加载环装置包括壳体、多个加载环和多个控制加载环的加载杆，所述壳体朝向盾构隧道模型的端部设置有多个槽孔，所述加载杆置于槽孔内并沿槽孔移动，加载杆下端部穿出壳体与加载环固定连接，加载环分别与相应的隧道管片一一对应，所述壳体内腔设置有丝杆，丝杆一端可转动套接在壳体内壁连接槽内，丝杆另一端依次穿过壳体和模型箱与模型箱外部的手轮连接，所述丝杆上螺纹连接滑块，转动丝杆控制滑块移动，当滑块移动至对应的加载杆处，将加载杆向盾构隧道模型方向下压，带动相对应的加载环向盾构隧道模型方向移动并抵于盾构隧道外壁上，对应的加载环配合横向千斤顶向对应隧道管片施加荷载力。

4.根据权利要求3所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述槽孔包括弹簧安置槽和通孔，所述通孔位于弹簧安置槽下端并于弹簧安置槽导通，所述加载杆贯穿槽孔，所述加载杆上端部为弧面凸起，加载杆侧壁上具有环形凸沿，环形凸沿置于弹簧安置槽内，复位弹簧套接在加载杆上并位于环形凸沿和弹簧安置槽内底部之间，所述弹簧安置槽上开口端具有环形挡片，加载杆不受力状态时，加载杆的弧面凸起始终凸出于弹簧安置槽开口处。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述壳体上端部设置条形限位槽，滑块上端部置于条形限位槽内并在条形限位槽范围内移动，所述滑块下端部呈弧面状。

6.根据权利要求5所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：多个加载环由长弧面加载环和短弧面加载环组成，长弧面加载环和短弧面加载环间隔设置分布于盾构隧道模型外壁处。

7.根据权利要求6所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述滑块上设置位移传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述模型箱固定于试验台上，振动台位于试验台底部，所述试验台上具有多个开孔，所述振动台上表面均匀设置有多个可调节振动杆，开孔与振动杆位置一一对应，使用状态时，调节其中一振动杆穿过对应开孔并抵于模型箱下表面，其他振动杆位于试验台下方。

9.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8所述的一种基于振动台模拟地震荷载下盾构隧道管片初始错台的试验装置，其特征是：所述每个隧道管片上均分布有压力传感器，所述钢棒位于模型箱外部的部分设有第二位移传感器。

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