CN114923658B - 一种用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置 - Google Patents

Abstract

一种用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，设置于预先挖出的基坑内，坑道装置包括：设置于基坑的坑道地基、设置于所述地基上的爆炸荷载发生段和试验段、可拆卸连接于试验段的测试段衬砌以及设置于坑道装置内的检测系统、设置于丁字口的可移动挡墙、设置于坑道地基之上的效应物安装基座以及移动所需要的轨道。有益效果：可开展直通式、单向式、穿廊式等多种坑道出入口形式内的冲击波传播以及地下坑道结构动力响应试验；可在完全复现人防通道实际出入口形式的条件下，研究防护门在上述通道布局条件下的动力响应特征，并能够实现不同形式坑道内冲击波传播和衬砌结构动力响应的耦合研究。

Description

一种用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置

技术领域：

本发明涉及木工程技术领域，尤其涉及一种用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置。

背景技术：

隧道、坑道内冲击波传播规律、衬砌结构的动力响应、冲击波对坑道中效应物以及坑道结构的毁伤规律是研究坑道中综合抗爆炸性能和安全问题亟待解决的问题，也是评估事故型爆炸、袭击等所产生强冲击荷载引起地下工程和效应物毁伤的关键问题。

目前，限于坑道装置和试验条件，对于坑道内冲击波传播、坑道结构和坑道内防护设备以及其它效应物（防护设备、装备等）问题都是分开研究的，特别是对于内爆炸条件下坑道布局形式对冲击波传播规律以及毁伤规律的影响研究，尚无相应的试验平台，难以掌握复杂布局形式下坑道内空气冲击波传播、衬砌结构、防护设备及其它效应物的动力响应特征和规律，难以验证理论计算或数值计算方法并进一步指导设计实践，阻碍了对上述问题的研究。

发明内容：

本发明目的在于克服现有试验装置和试验技术的不足，设计并建设了一种可用于研究冲击波传播、地下结构以及地下空间内效应物综合响应特征的试验坑道装置，用于完成约束空间内空气冲击波传播试验、地下坑道结构动力响应试验、隧道防护门或人防门抗爆性能试验和隧道内设备、装置等效应物的动力响应和毁伤特征试验，以此研究爆炸对坑道衬砌结构的毁伤特性，具体由以下技术方案实现：

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，设置于预先挖出的基坑内，坑道装置包括：设置于基坑的坑道地基、设置于所述地基上的爆炸荷载发生段、坑道空间内冲击波传播试验段、可拆卸连接于试验段的防护门测试段以及设置于坑道装置内的监测系统。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，爆炸荷载发生段的墙壁为由内钢板、钢筋混凝土、外钢板组成的三层结构，内钢板、钢筋混凝土、外钢板通过对拉螺栓实现结合。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述坑道空间内冲击波传播试验段的内腔为T字形的三通通道，三通通道通过选择性地设置挡墙，进行直通式或单向式或穿廊式的形式的坑道出入口的冲击波传播试验。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述坑道空间内冲击波传播试验段的墙壁上还设置有用于安装壁面消波试验装置的螺栓孔。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述防护门测试段包括：安装于防护门测试段中的待测试防护门和用于封堵测试段与试验段间缝隙的连接部，所述连接部为复合层材料，所述复合层材料的内部采用无机速固防火堵料填堵于测试段衬砌与试验段间的缝隙，复合层材料相对坑道装置的外部采用沥青灌注。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述防护门测试段为可拆卸吊出的混凝土衬砌，混凝土衬砌的主筋上连接有用于起吊测试段衬砌的吊耳；所述待测试防护门通过门框安装于测试段衬砌中部，所述门框按照防护门或人防门施工规范要求浇筑而成，门框上设有压力传感器。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述监测系统包括：若干布置于测试段衬砌上的应变片、布置于试验段上方的加速度传感器、布置于坑道装置内壁面或底板上的压力测试传感器以及通信连接于所有传感器的工控机。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，坑道装置每隔1~2m设置监测断面，所述监测断面上预置有用于安装壁面压力传感器基座和用于安装空气压力传感器的支架。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，所述坑道地基采用碎石和粗砂垫层，坑道装置内的底板采用钢筋混凝土浇筑底板，坑道装置的顶部采用不同类型或参数的土或毛石灌浆模拟隧道周围岩土介质。

所述用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置的进一步设计在于，坑道装置内的底板侧边和中间分别设置有电缆沟，电缆沟沿朝向于洞口的方向上具有排水坡度。

本发明的优点：

本发明的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置可复现人防通道中直通式、单向式、穿廊式等多种坑道出入口形式以及包含不同形式防护门、消波结构或地下工程设备的地下坑道环境条件，开展复杂真实地下坑道环境条件下冲击波传播、地下结构和防护设备的动力响应试验，研究约束空间内冲击波传播的基本规律、结构动力响应特征、隧道内效应物动态响应和毁伤特征，并确定冲击波传播和动态力学参数，为研究地下结构内冲击波传播、抗爆性能和地下结构抗爆设计提供依据。

该装置也可为铁路隧道内设置的隧道设备或其他效应物提供半封闭空间试验环境，以研究地下铁路隧道空间内空气流场特性以及约束空间内空气冲击波对其内部效应物的毁伤效果分析，以实现不同爆源条件下不同形式坑道内冲击波传播规律及动力响应特征的研究。

同时，该坑道装置能够实现隧道内冲击波传播、衬砌结构的动力响应以及坑道内防护结构和相应设备动力响应等的综合试验研究，综合评估地下结构约束、防护结构、设备以及坑道内效应物干扰、反射等作用下的冲击波强度及其引起的灾害以及上述结构和设备的易损性和毁伤特征。

附图说明：

图1为用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置平面示意图。

图2为用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置截面示意图。

图3为不同坑道出入口形式模拟示意图。

图4 为爆炸荷载发生室结构示意图

图5为穿廊丁字口挡板安装示意图

图6 为挡板与洞壁连接件

图7 为保证挡板稳定的龙门架

图8 为防护门测试端结构示意图

图9为防护门测试段的配筋及挂钩的示意图。

图10 为壁面传感器基座结构

图11（a）为堵口爆炸的典型测试数据；图11（b）为口内爆炸的典型测试数据。

图中，1-爆炸荷载发生段；2-试验段；3-防护门及效应物测试段；4-坑道地基；5-线缆沟；6-壁面压力传感器基座；7-排水管道；8-土或毛石灌浆；9-可移动挡墙；10-直通式出入口通道；11-单向式出入口通道；12-穿廊式出入口通道；13-螺栓；14-钢筋混凝土；15-钢板；16-钢筋（导爆索挂钩）；17-可滑动挂钩；18-滑槽；19-可移动挡板/钢板；20-螺杆B；21-螺杆A；22-螺孔A；23-螺孔B；24-龙门架；25-压力传感器；26-待检测防护门；27-门框；28-吊耳； 29-壁面压力传感器基座；30 壁面压力传感器出线孔；31-壁面压力传感器预留孔；32-盖板；33-线缆内腔；34-基座外壳；35-螺栓。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

如图1、图2，本实施例的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，设置于预先挖出的基坑内，坑道装置主要由：设置于基坑的坑道地基4、设置于地基上的爆炸荷载发生段和的试验段2、可拆卸连接于试验段2的防护门测试段3以及设置于坑道装置内的检测系统组成。本实施例的坑道装置还设有效应物安装基座、相应移动轨道以及防护门测试段的吊具。

本实施例的爆炸荷载发生段的墙壁为由内钢板15、钢筋混凝土14、外钢板15组成的三层结构。内钢板、钢筋混凝土、外钢板通过对拉螺栓13实现结合。本实施例的钢筋混凝土采用双相配筋以提高爆室的抗爆炸性能，该设计方案可实现5公斤以下TNT口内爆炸不发生明显损伤，并且具有一定的提高爆炸压力和持时的效果。

本实施例的坑道装置的试验段的内腔为T字形的三通通道（含有三个出入口，分别为出入口A、出入口B、出入口C），三通通道可通过选择性地设置挡墙9，进行直通式出入口通道10或L形单向式出入口通道11或T字形穿廊式出入口通道12的冲击波传播试验，参见图3。

本实施例的T字形的三通通道内的挡墙9采用与坑道截面形状相同，尺寸略小于坑道截面的带肋（角钢）厚钢板遮挡，铁板和洞壁上设置螺杆，并采用可活动的连接件（如图6）与洞壁相连接，连接件A处螺孔与坑道洞壁相连接，连接件B处螺孔通过螺栓与挡墙相连接。此外，挡墙后设置龙门架以保持挡墙稳定。本次实施例挡墙与墙壁连接键螺栓孔采用长条形，可方便调节连接键及其相邻挡墙的位置。

依照地下人防工程出入口设计规范，本实施例的测试段衬砌3的宽度为L2=1.2m，且与T字形的三通通道的上部通道相距L3=5m，与三通通道的下端（出入口C）相距L4=5m。口A至支坑道中心线距离L5=20m，口B至支坑道中心线距离L6=10m。测试段3主要由安装于测试段衬砌中部的待测试防护门26和用于封堵测试段衬砌与试验段间的连接部。本实施例的连接部为复合层材料，复合层材料的内部采用无机速固防火堵料填堵于测试段衬砌与试验段间的缝隙，复合层材料相对坑道装置的外部采用沥青灌注。爆炸载荷压力较大时，测试段段与试验段的连接处在上述复合层材料的内表面额外采用钢板和螺栓封闭，以减小冲击压力对封堵材料的作用以及整个试验系统的密闭性。试验时，在出入口C处放置导爆索或其它爆炸物产生爆炸荷载，若对荷载持时有要求，可关闭出入口C处密闭门，周围用土密封。

本实施例的爆炸荷载发生段的墙体内壁上还设置有用于安装壁面消波装置的预制螺栓孔以及设置于防护门和效应物测试段的预制螺栓孔。

本实施例采用的防护门和效应物测试段衬砌为混凝土衬砌，混凝土衬砌的主筋上连接有用于起吊测试段衬砌的吊耳28，参见图9，以便实现测试段衬砌的快速安装与拆卸。

如图8，为了对防护门所处环境进行逼真模拟，也可采用更为优选的技术方案：待测试防护门通过门框27安装于测试段衬砌中部，门框27按照防护门或人防门施工规范要求浇筑而成，门框26上设有壁面压力传感器25。

本实施例的监测系统主要由：若干布置于布置于坑道装置内壁面或底板上的压力测试传感器和冲击波压力传感器；待测防护门及效应物上的应变片、加速度传感器以及光栅位移传感器等传感设备；布置于试验段上方以及周围围岩中的加速度传感器、以及通信连接于所有传感器的工控机。其中，应变片、加速度以及光栅传感器主要用于测试防护门或效应物的响应规律；压力测试传感器和冲击波压力传感器主要用于监测坑道内的冲击波压力里及防护门破坏后的剩余压力，衬砌及围岩中的加速度传感器（还包括变形、位移监测传感器等）用于监测冲击波传播过程中，坑道结构的动力响应特征和规律。本实施例的坑道装置内的底板侧边和中间分别设置有电缆沟，电缆沟沿朝向于洞口的方向上具有排水坡度，此外装置外设置排水管道，以保障试验装置内干燥以及传感器的工作状态。

如图10，本实施例的坑道装置每隔1~2m设置监测断面，监测断面上预置有用于安装壁面压力传感器的基座6。本实施例的传感器基座主要由：预设于墙体内的外壳34、旋接于外壳端口的盖板32以及贯通于墙体并连通外壳的钢管30组成。外壳34为柱状管，柱状管34的内壁设有内螺纹，盖板外周设有与柱状管内螺纹相适配的外螺纹，盖板通过螺丝35固定于外壳之上，预埋于混凝土中，外壳包裹盖板，以防浇筑混凝土时，水泥浆液进入基座之中。壁面压力传感器旋接于盖板上预留的传感器位31。盖板与外壳间的内腔33为预留的用于容纳传感器线缆的通道。钢管联通内腔以便线缆经钢管引出，从而穿过墙体。

本实施例的坑道地基采用碎石和粗砂垫层，坑道装置内的底板采用钢筋混凝土浇筑底板，坑道装置的顶部采用土或毛石灌浆模拟隧道周围岩土介质，参见图2。

本发明的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置可复现人防通道中直通式、单向式、穿廊式等多种坑道出入口形式以及包含不同形式防护门、消波结构或地下工程设备的地下坑道环境条件，开展复杂真实地下坑道环境条件下冲击波传播、地下结构和防护设备的动力响应试验，研究约束空间内冲击波传播的基本规律、结构动力响应特征、隧道内效应物动态响应和毁伤特征，并确定冲击波传播和动态力学参数，为研究地下结构内冲击波传播、抗爆性能和地下结构抗爆设计提供依据。

该装置也可为铁路隧道内设置的隧道设备或其他效应物提供半封闭空间试验环境，以研究地下铁路隧道空间内空气流场特性以及约束空间内空气冲击波对其内部效应物的毁伤效果分析，以实现不同爆源条件下不同形式坑道内冲击波传播规律及动力响应特征的研究。

同时，该坑道装置能够实现隧道内冲击波传播、衬砌结构的动力响应以及坑道内防护结构和相应设备动力响应等的综合试验研究，综合评估地下结构约束、防护结构、设备以及坑道内效应物干扰、反射等作用下的冲击波强度及其引起的灾害以及上述结构和设备的易损性和毁伤特征。本实施例所监测的试验数据（堵口爆炸与口内爆炸）参见图11（a）与图11（b）。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，设置于预先挖出的基坑内，其特征在于坑道装置包括：设置于基坑的坑道地基、设置于所述地基上的爆炸荷载发生段、坑道空间内冲击波传播试验段、可拆卸连接于试验段的防护门测试段以及设置于坑道装置内的监测系统；爆炸荷载发生段的墙壁为由内钢板、钢筋混凝土、外钢板组成的三层结构，内钢板、钢筋混凝土、外钢板通过对拉螺栓实现结合；所述坑道空间内冲击波传播试验段的内腔为T字形的三通通道，三通通道通过选择性地设置挡墙，进行直通式或单向式或穿廊式的形式的坑道出入口的冲击波传播试验；所述防护门测试段包括：安装于防护门测试段中的待测试防护门和用于封堵测试段与试验段间缝隙的连接部，所述连接部为复合层材料，所述复合层材料的内部采用无机速固防火堵料填堵于测试段衬砌与试验段间的缝隙，复合层材料相对坑道装置的外部采用沥青灌注。

2.根据权利要求1所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于所述坑道空间内冲击波传播试验段的墙壁上还设置有用于安装壁面消波试验装置的螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于所述防护门测试段为可拆卸吊出的混凝土衬砌，混凝土衬砌的主筋上连接有用于起吊测试段衬砌的吊耳；所述待测试防护门通过门框安装于测试段衬砌中部，所述门框按照防护门或人防门施工规范要求浇筑而成，门框上设有压力传感器。

4.根据权利要求1所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于所述监测系统包括：若干布置于测试段衬砌上的应变片、布置于试验段上方的加速度传感器、布置于坑道装置内壁面或底板上的压力测试传感器以及通信连接于所有传感器的工控机。

5.根据权利要求1所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于坑道装置每隔1～2m设置监测断面，所述监测断面上预置有用于安装壁面压力传感器基座和用于安装空气压力传感器的支架。

6.根据权利要求1所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于所述坑道地基采用碎石和粗砂垫层，坑道装置内的底板采用钢筋混凝土浇筑底板，坑道装置的顶部采用不同类型或参数的土或毛石灌浆模拟隧道周围岩土介质。

7.根据权利要求6所述的用于研究冲击波传播和地下结构动力响应的坑道装置，其特征在于坑道装置内的底板侧边和中间分别设置有电缆沟，电缆沟沿朝向于洞口的方向上具有排水坡度。

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