CN115032366A - 隧道开挖土体体积损失模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道开挖土体体积损失模拟系统及方法，旨在解决现有技术控制精度和操作复杂的技术问题。该模拟系统包括：试验箱、既有隧道结构模型、土体损失模拟装置、数据处理终端；所述土体损失模拟装置包括：模拟管片、支撑件、弹性封堵件、竖向位移模块、竖向位移测量模块；该损失模拟方法包括调试土体体积损失模拟装置、准备模拟环境、调整竖向位移模块、计算土体损失率。具有模拟精度和可靠性高、操作简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程模拟试验技术领域，具体涉及一种隧道开挖土体体积损失模拟系统及方法。
背景技术
随着社会经济的发展，地面交通逐渐不能满足人类生活的需要，为引导城市合理布局和有序开发，充分利用地下资源为城市发展提供广阔的延伸空间，近年来地下空间逐步向大埋深、大空间方向发展，各类复杂环境下的近距离穿越工程不断涌现，已经在一定程度上制约了城市地下空间的开发利用，也给后来的地下工程建设带来了更加困难的挑战，新建隧道不可避免的会穿越地下既有结构物，并会对其造成一定影响，尤其在循环荷载作用下，新建隧道的开挖所引起地应力的扰动，会导致地层体积的损失，进而使地层产生不同规模的变形，影响既有地下结构物的安全。其中，地层的变形与土体体积损失率密切相关，直接影响隧道工程的安全，严重时直接导致巨大的社会经济损失以及危害公共安全。
目前针对盾构施工引起的地层损失研究主要采用现场测试法、数值计算法和模型试验法。其中，模型试验基于相似理论，因为具有模型尺寸较小，经济性好，针对性较强，测试数据准确等优点，在土木工程研究领域得到了广泛的应用。在盾构施工所引发的地层损失的模型试验研究中，主要采用水囊法、气囊法和冰袋法来模拟地层损失。水囊法与气囊法类似，在进行试验土体填充时埋入水囊，水囊上连接一导管，该导管延伸至试验箱体外，并通过阀门控制水的自然流出进而形成地层损失。气囊法是在试验箱体内预先放置气囊，通过导管连接气泵将气囊充满，然后填充土体过程中，材料填充完毕并压实后，放掉空气即在试验土体中形成地层损失。冰袋法在水囊法的基础上进行了改进，用冰块代替水囊法中的水，并在冰块制作时放入加热装置在试验过程中开启加热装置使冰块融化，以形成地层损失。
但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
1.装置结构复杂，需要外接水源或气源或热源；
2.模拟精度不高，由于采用水、气、冰作填充物，其流体释放过程不均匀，对释放量难以达到精确控制。
公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种隧道开挖土体体积损失模拟系统及方法，通过竖向位移模块和竖向位移测量模块，解决了控制精度和操作复杂的技术问题。
根据本公开的一个方面，提供一种隧道开挖土体体积损失模拟系统，包括：试验箱、既有隧道结构模型、土体损失模拟装置、数据处理终端，
所述既有隧道结构模型下方等距设有位移计；
所述土体损失模拟装置包括：两块上下对称设置的半圆形模拟管片、水平设置在所述模拟管片内的支撑件、用于封堵两块模拟管片对照端面间空隙的弹性封堵件、设于支撑件间的分别对称布置的竖向位移模块和竖向位移测量模块，所述竖向位移测量模块分别与所述数据处理终端对应电连接。
在本公开的一些实施例中，所述支撑件为用于填充所述模拟管片底部为平台的对应拱形支撑件，且该支撑件的拱面对应位置处设有凸榫，所述模拟管片设有与所述凸榫对应的榫槽。
在本公开的一些实施例中，所述支撑件为具有一定厚度的平板。
在本公开的一些实施例中，所述支撑件用于形成平台的平面设有与所述竖向位移模块和竖向位移测量模块对应的用于固定的卡槽。
在本公开的一些实施例中，所述弹性封堵件为海绵块或弹性膜。
在本公开的一些实施例中，所述竖向位移模块为电液推杆，所述竖向位移测量模块为直线位移传感器。
在本公开的一些实施例中，所述数据处理终端为计算机。
根据本公开的另一个方面，提供一种隧道开挖土体体积损失模拟方法，基于所述隧道开挖土体体积损失模拟系统而实施，包括如下步骤：
（1）调试土体体积损失模拟装置，确保竖向位移模块和竖向位移测量模块紧固的设置在相应支撑件所对应卡槽内，调整两模拟管片对照端面间距离等于设定量程，并在该间隙间设置对应尺寸的弹性封堵件；
（2）准备模拟环境，按照模型缩放比L，将土体体积损失模拟装置及既有隧道结构模型设于试验箱相应位置处，且根据模拟目标区域的实际土层分层填装土体，并依据实际土层密实度对相应土体进行压实；
（3）控制竖向位移模块缓慢下降，数据处理终端实时读取竖向位移模块以及既有隧道结构模型下方各位移计的数值，并计算竖向位移模块数据均值h；
（4）由土体体积损失模拟装置参数：模拟管片外直径D，模拟管片内半径r，模拟管片长度L，两模拟管片对照端面间空隙H，由数据处理终端基于公式V土体损失=h×D×L计算土体体积损失量，基于公式
计算土体体积损失率，并绘制各既有隧道结构模型下方土体位移监测曲线。
在本公开的一些实施例中，所述步骤（1）中竖向位移模块与上部模拟管片支撑件间接触应力大于1KN。
在本公开的一些实施例中，所述步骤（2）中竖向位移模块下降速率不超过0.2mm/s。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：
1. 由于采用了竖向位移模块，有效解决了现有技术中对地层损失模拟精度较低的技术问题，进而实现了对地层损失程度的无级调控，确保了模拟精度。
2.由于采用了竖向位移测量模块，且对称设置，通过对数据的均值处理，有效解决了测量精度的问题，排除了受力不均匀等模拟环境导致的误差，最大程度还原实际工程结果。
3.由于采用了弹性封堵件，有效解决了试验过程中土体进入模拟装置后带来的试验误差，且其可压缩性及弹性特点，将其引入的误差降至忽略不计，保证了模拟的准确性。
4.由于该竖向位移模块及竖向位移测量模块均可与处理终端连接，使得控制简单方便，易于调控和处理。
附图说明
图1为本申请一实施例中土体损失模拟装置结构示意图。
图2为本申请一实施例中土体损失模拟装置剖面示意图。
图3为本申请又一实施例中支撑件结构示意图。
图4为本申请再一实施例中支撑件与模拟管片示意图。
图5为本申请一实施例中土体损失模拟系统使用示意图。
图6为本申请一实施例中土体体积损失率与竖向位移关系图。
图7为本申请一实施例中既有隧道模型下方土体位移监测曲线图。
以上各图中，1为模拟管片，2为弹性封堵件，3为支撑件，4为竖向位移测量模块，5为竖向位移模块，6为试验箱，7为数据处理终端，8为既有隧道结构模型，9为位移计。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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。而本申请所涉及“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。
以下实施例中所涉及的单元模块（零部件、结构、机构）或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。
为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本例公开一种隧道开挖土体体积损失模拟系统，参见图1-2，包括：试验箱、既有隧道结构模型、土体损失模拟装置、数据处理终端。
试验箱作为试验的主要载体之一，决定着模拟环境的范围，为了准确而全面的还原实际工程环境，该试验箱各方向尺寸至少为10倍的新建隧道模型的洞室直径，即模拟装置模拟管片的直径的10倍以上尺寸，本实施例试验箱长宽高分别为220cm×180cm×110cm，且箱体框架及箱底板为钢结构，四周箱面为透明钢化玻璃，顶部不予封闭。
既有隧道结构模型用于模拟实际项目中受新建项目影响的地下工程，其形状和大小按照实际隧道以设定比例L进行缩放得到，材料为不锈钢。
土体损失模拟装置包括：模拟管片、支撑件、弹性封堵件、竖向位移模块、竖向位移测量模块。
模拟管片用以模拟真实地下待建隧道，其形状与大小按照设计隧洞与既有隧道模型同比例缩放，材料为不锈钢，具体为两片对称的厚度为4mm的不锈钢制半圆钢管。在其他的一些实施例中，既有隧道结构模型和模拟管片选用具有刚性且不易发生形变的其他材质。
支撑件用于土体损失模拟装置的其他设备的支撑放置，提供平整的支撑面。该支撑件为拱形实心结构，具体为一圆柱体以圆面边缘两点连线沿柱体母线方向切割后得到的较小体积部分的结构形状，且其拱面弧度与模拟管片弧度一致，与模拟管片内表面贴合设置后提供高度合适的水平支撑面。此外，在该拱面沿母线方向设有三条截面为长方形的凸榫，与其配合的模拟管片对应位置处设有相应的榫槽，通过凸榫和榫槽的配合，保证在支撑件在模拟管片中不发生相对滑动，避免影响其他设备的测量和工作，将受到的力均匀传递给周围模拟管壁。另一方面，支撑件采用不锈钢材料，具有一定的刚性，其长度与模拟管片长度一致。参见图3，在其他的一些实施例中，该支撑件为空心结构。
在其他的一些实施例中，设有其他数量与形状的凸榫与相应的榫槽。
在其他的一些实施例中，参见图4，支撑件为一不锈钢制钢板，该钢板长度与模拟管片长度一致，且与模拟管片接触的两侧为与模拟管片弧度一致的弧面结构，并牢固焊接于模拟管片上，与模拟管片两长方形断面构成的平面平行。
支撑件的水平支撑面对称的设有竖向位移模块和竖向位移测量模块对应形状的卡槽，防止竖向位移模块和竖向位移测量模块在支撑面上发生相对滑动或设置不稳固的现象。
竖向位移模块用于实现模拟管片的竖向位移，初始时竖向位移模块提供对上部模拟管片的支撑力，该竖向位移模块采用两部型号为DYTZW的整体微直式电液推杆，该两部电液推杆对称的设于两模拟管片间，且其底部放置于下部支撑件相应卡槽中，顶部放置于上部支撑件相应卡槽中，并与数据处理终端接口对应连接。
在其他的一些实施例中，该竖向位移模块为电液推杆。
在其他的一些实施例中，在支撑件的竖向位移模块对应卡槽内设有压力传感器，用于确认初始状态下该竖向位移模块所提供的支撑力以及检测系统模拟过程中装置内力的变化。
竖向位移测量模块用于实时监测模拟管片的竖向位移，该竖向位移测量模块采用型号为LVDTC20的两个直线位移传感器，两个直线位移传感器对称的设置于模拟管道内，且底部放置于下部支撑件相应卡槽中，顶部放置于上部支撑件相应卡槽中，并与数据处理终端接口对应连接。
弹性封堵件采用海绵块，其形状大小合适两模拟管片的长截面端面，且其高度与装置设定的量程一致。该海绵块设置于两模拟管片长截面端面间，两侧各设置一块。
在其他的一些实施例中，弹性封堵件为弹性膜，该弹性膜粘贴于两模拟管片长截面端面内侧或外侧，防止模拟管片外部土体进入管片内，影响测量精度。
数据处理终端在本例中为计算机，并与竖向位移模块和竖向位移测量模块连接，用于试验数据的获取、处理和计算。
本例还公开一种基于上述隧道开挖土体体积损失模拟系统的隧道开挖土体体积损失模拟方法，包括如下步骤：
（1）调试土体体积损失模拟装置。依据试验设定的量程，制备相应量程高度的弹性封堵件，调整竖向位移模块，进而使得两模拟管片长截面端面间间距与量程一致，且初始状态下，弹性封堵件在间隙中无压缩。
本实施例设定的量程为2cm，故选用高度为2cm的弹性封堵件，并调整竖向位移模块，使得两模拟管片长截面端面间隙间距为2cm，将两弹性封堵件分别粘结于对应的两端面间。
此外，还需确保任竖向位移模块和竖向位移测量模块的两端面皆紧固的设置在相应支撑件对应卡槽内，并调整竖向位移模块，使其与上部支撑件间保持5kN的接触应力，防止两竖向位移模块在循环荷载作用下与支撑件发生脱离。其中，在设计过程中计算得出装置上方实际土重不及1KN，出于安全冗余度及适用性的考虑，故将其接触应力设为5KN。
（2）准备模拟环境。参见图5，按照模型缩放比L，将实际环境按照同比例缩放布置，其中将土体体积损失模拟装置及既有隧道结构模型设于试验箱相应比例位置处，以实际项目中实际的土层厚度按照模型缩放比L向试验箱中分层填装相应土体，并依据实际土层密实度对相应土体进行压实，尽可能的还原真实施工环境，保证模拟的准确性和可靠程度。
此外，需要在既有隧道结构模型下方竖向布设位移计，以该隧道模型与土体损失模拟装置轴线的交叉点位置处为零点，沿既有隧道结构模型轴线两侧以间隔20cm的宽度布设位移计，并将位移计与数据处理终端对应连接。
（3）控制数据处理终端，使竖向位移模块缓慢下降，且下降速率不超过0.1mm/s，与此同时，两竖向位移测量模块实时监测位移变化数值，并将数据传递给数据处理终端，数据处理终端实时计算二者测量数据的均值h。
（4）竖向位移模块缓慢下降后，上部模拟管片失去了相应的支撑力，会随着竖向位移模块一同下降，进而造成上部模拟管片与上部土体由贴合状态逐渐过渡为间隙越来越大，由此，上部土体亦失去相应的支撑力，导致土体沉降。位移计实时监测既有隧道结构模型位置处土体沉降位移。
此外，土体体积损失模拟装置参数为：模拟管片外直径D为20cm，模拟管片内半径r为9.6cm，模拟管片长度L为39cm，两模拟管片对照端面间空隙H为2cm，处理终端按照公式V土体损失=h×D×L计算土体体积损失量，按照公式
计算土体体积损失率，并生成沉降位移与位移计位置关系曲线。
本实施中，数据处理终端根据竖向位移测量模块监测均值h分别为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm时的试验数据，参见图6，按照公式生成土体体积损失率与竖向位移关系图，并根据各位移计数据，参见图7，生成竖向位移模块监测均值h分别为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm时既有隧道结构模型处土体沉降与位移计位置关系图，以此研究土体体积损失与其上方土体形变之间的关系，进而预测土体体积损失所带来的塌方等安全隐患。
尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种隧道开挖土体体积损失模拟系统，包括：试验箱、既有隧道结构模型、土体损失模拟装置、数据处理终端，其特征在于，
所述既有隧道结构模型下方等距设有位移计；
所述土体损失模拟装置包括：两块上下对称设置的半圆形模拟管片、水平设置在所述模拟管片内的支撑件、用于封堵两块模拟管片对照端面间空隙的弹性封堵件、设于支撑件间的分别对称布置的竖向位移模块和竖向位移测量模块，所述竖向位移测量模块分别与所述数据处理终端对应电连接。
2.根据权利要求1所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于，所述支撑件为用于填充所述模拟管片底部为平台的对应拱形支撑件，且该支撑件的拱面对应位置处设有凸榫，所述模拟管片设有与所述凸榫对应的榫槽。
3.根据权利要求1所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于，所述支撑件为具有一定厚度的平板。
4.根据权利要求2或3所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于，所述支撑件用于形成平台的平面设有与所述竖向位移模块和竖向位移测量模块对应的用于固定的卡槽。
5.根据权利要求1所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于，所述弹性封堵件为海绵块或弹性膜。
6.根据权利要求1所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于，所述竖向位移模块为电液推杆，所述竖向位移测量模块为直线位移传感器。
7.根据权利要求1所述的隧道开挖土体体积损失模拟系统，其特征在于， 所述数据处理终端为计算机。
8.一种隧道开挖土体体积损失模拟方法，其特征在于，基于权利要求1所述隧道开挖土体体积损失模拟系统而实施，包括如下步骤：
（1）调试土体体积损失模拟装置，确保竖向位移模块和竖向位移测量模块紧固的设置在相应支撑件所对应卡槽内，调整两模拟管片对照端面间距离等于设定量程，并在该间隙间设置对应尺寸的弹性封堵件；
（2）准备模拟环境，按照模型缩放比L，将土体体积损失模拟装置及既有隧道结构模型设于试验箱相应位置处，且根据模拟目标区域的实际土层分层填装土体，并依据实际土层密实度对相应土体进行压实；
（3）控制竖向位移模块缓慢下降，数据处理终端实时读取竖向位移模块以及既有隧道结构模型下方各位移计的数值，并计算竖向位移模块数据均值h；
（4）由土体体积损失模拟装置参数：模拟管片外直径D，模拟管片内半径r，模拟管片长度L，两模拟管片对照端面间空隙H，由数据处理终端基于公式V土体损失=h×D×L计算土体体积损失量，基于公式
计算土体体积损失率，并绘制各既有隧道结构模型下方土体位移监测曲线。
9.根据权利要求8所述的隧道开挖土体体积损失模拟方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，竖向位移模块与上部模拟管片支撑件间接触应力大于1KN。
10.根据权利要求8所述的隧道开挖土体体积损失模拟方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，竖向位移模块下降速率不超过0.2mm/s。
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