CN209764622U - 模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，包括岩土层、衬砌支护装置、爆破装置和动力响应测量装置；岩土层包括土层和岩层；衬砌支护装置设置于岩层内，衬砌支护装置包括多段承插式拼接的钢筋混凝土管道，相邻两钢筋混凝土管道拼接处截面和衬砌支护装置两端的钢筋混凝土管管口截面均为测量截面；爆破装置包括炸药包，炸药包设置于衬砌支护装置前方；动力响应测量装置包括多个测量单元，测量截面上设有四测量单元，测量单元包括应变片组、振动测试传感器和加速度传感器，应变片组包括环向应变片和轴向应变片。本实用新型的有益效果：揭示隧道爆破开挖过程中既有衬砌的动力响应特征和破坏机理提供了试验依据和研究方法。

Description

模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统

技术领域

本实用新型涉及隧道爆破工程技术领域，尤其涉及一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统及方法。

背景技术

随着我国城市地下空间工程的不断建设开发，爆破作为坚硬岩体的高效快捷开挖方式，在城市地铁隧道的开挖过程中得到了广泛应用。爆破振动作为爆破工程中首要危害受到广泛关注。二次衬砌作为隧道爆破开挖后的主要承载结构和最后一道防线，其安全稳定对隧道爆破开挖工程的安全性有至关重要的影响。然而在爆破振动荷载作用下，爆炸应力波会对二次衬砌的安全稳定产生不利影响。

目前隧道掌子面爆破开挖对既有衬砌影响的研究方法多集中于现场监测、数值模拟等。现场监测方法会造成资源极大的浪费，且对施工现场既有衬砌的监测往往受到现场施工条件的影响而无法获得全面可靠的监测数据。数值模拟技术虽然可以更直观地获得管道的爆破振动响应特征，但其计算结果的正确性、可靠性难以保证。因此找到模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验装置及方法，能够克服现场测试费时费力、影响正常工作秩序、资源浪费等缺点，同时也能为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中既有衬砌爆破振动危害的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统。

本实用新型的实施例提供一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，包括岩土层、衬砌支护装置、爆破装置和动力响应测量装置；

所述岩土层包括上层的土层和下层的岩层；

所述衬砌支护装置设置于所述岩层内，所述衬砌支护装置包括多段承插式拼接的钢筋混凝土管道，相邻两所述钢筋混凝土管道拼接处截面和所述衬砌支护装置两端的所述钢筋混凝土管管口截面均为测量截面；

所述爆破装置包括炸药包，所述炸药包设置于所述岩层内位于所述衬砌支护装置的正前方；

动力响应测量装置包括多个测量单元，每一所述测量截面上设有四测量单元，四所述测量单元均固定于所述钢筋混凝土管道内壁且均匀分布于所述测量截面，每一所述测量单元包括应变片组、振动测试传感器和加速度传感器，所述应变片组包括环向应变片和轴向应变片，所述环向应变片环向固定于所述钢筋混凝土管道内壁，所述轴向应变片轴向固定于所述钢筋混凝土管道内壁，所述振动测试传感器和所述加速度传感器固定于所述钢筋混凝土管道内壁。

进一步地，包括数据采集仪和计算机，所有环向应变片、所有轴向应变片、所有振动测试传感器和所有加速度传感器均连接所述数据采集仪，所述数据采集仪连接所述计算机。

进一步地，所述衬砌支护装置内设有聚光灯和摄像机，所述摄像机用于拍摄所有钢筋混凝土管道的变形图像。

进一步地，包括多个地表测量装置，每一所述地表测量装置设置于所述土层内且位于一所述测量截面正上方，所述地表测量装置包括地表振动测试传感器和地表加速度传感器。

进一步地，所述爆破装置还包括导爆索和起爆器，所述导爆索一端连接所述炸药包，另一端连接所述起爆器。

进一步地，每一所述测量截面上的四所述测量单元均匀分布，分别固定于该测量截面的最上、最下、最左、最右四点。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，提供了实现不同爆破参数条件的爆破荷载装置，利用圆形钢筋混凝土管道模拟既有隧道衬砌，符合现场实际，同时在钢筋混凝土管道内部、管道上方地表分别布置了振动速度传感器、加速度传感器，能够对圆形隧道爆破开挖振动作用下既有衬砌拱顶、拱腰、拱底部位以及隧道衬砌上方地表的动力响应规律进行全面的监测，同时对于隧道既有衬砌与正上方地表二者之间的振动响应规律存在的数学关系提供了相关的监测依据，钢筋混凝土管道拼接截面内表面分别粘贴的环向、轴向应变片能够对既有衬砌的软弱拼接处的动应变衰减规律进行监测、也可利用相关数据得到爆破应力波在通过既有衬砌软弱截面时的变形特点，为进一步揭示隧道爆破开挖过程中既有衬砌的动力响应特征和破坏机理提供了试验依据和研究方法，为隧道工程建设过程中既有衬砌的爆破振动安全控制标准的制定提供了科学依据。

附图说明

图1是本实用新型模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统的示意图；

图2是图1中测量截面4的示意图；

图3是图2中应变片组12的示意图。

图中：1-钢筋混凝土管道、2-土层、3-岩层、4-测量截面、5-炸药包、6- 引爆器、7-数据接收仪、8-计算机、9-地表振动测试传感器、10-地表加速度传感器、11-应变片组、12-加速度传感器、13-振动测试传感器、14-环向应变片、 15-轴向应变片。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，包括岩土层、衬砌支护装置、爆破装置、动力响应测量装置、数据采集仪7和计算机8。

所述岩土层包括上层的土层2和下层的岩层3，所述岩层3由隧道岩层相似材料构成，用于模拟隧道开挖的环境岩土层结构。

所述衬砌支护装置设置于所述岩层3内，所述衬砌支护装置包括多段承插式拼接的钢筋混凝土管道1，相邻两所述钢筋混凝土管道1拼接处截面和所述衬砌支护装置两端的所述钢筋混凝土管管口截面均为测量截面4，相邻管节两所述钢筋混凝土管道1的拼接处用以模拟既有隧道衬砌结构的拼接处。

所述爆破装置包括炸药包5、导爆索和起爆器6，所述炸药包5设置于所述岩层3内位于所述衬砌支护装置的正前方，且所述炸药包5中心线与所述衬砌支护装置轴线重合，用以模拟隧道掌子面开挖爆破荷载，所述导爆索一端连接所述炸药包5，另一端连接所述起爆器6。

请参考图2和图3，动力响应测量装置包括多个测量单元，每一所述测量截面4上设有四测量单元，四所述测量单元均固定于所述钢筋混凝土管道1内壁且均匀分布于所述测量截面4，本实施例中每一所述测量截面4上的四所述测量单元固定于均匀分布于该所述测量截面4的最上、最下、最左、最右四点，每一所述测量单元包括应变片组11、振动测试传感器13和加速度传感器12，所述应变片组11包括环向应变片14和轴向应变片15，所述环向应变片环14向固定于所述钢筋混凝土管道1内壁，所述轴向应变片15轴向固定于所述钢筋混凝土管道1内壁，所述振动测试传感器13和所述加速度传感器12固定于所述钢筋混凝土管道1内壁。

所述土层2表面还设有多个地表测量装置，每一所述地表测量装置设置于所述土层2内且位于一所述测量截面4正上方，所述地表测量装置包括地表振动测试传感器9和地表加速度传感器10，所述衬砌支护装置内设有聚光灯和摄像机，所述摄像机用于拍摄所有钢筋混凝土管道1的变形图像。

所有环向应变片14、所有轴向应变片15、所有振动测试传感器13和所有加速度传感器12均连接所述数据采集仪7，所述数据采集仪7连接所述计算机 8。

本实用新型的实施例还提供一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法，包括以下步骤：

S1根据第一相似理论、第二相似理论和动力相似准则确定实际工程中隧道原型几何尺寸和试验系统几何尺寸的几何相似比为L，根据几何相似比，衬砌支护结构的截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/L进行设计；重力加速度相似比C_g＝1，密度相似比C_ρ＝1，容重相似比C_γ＝1，岩体与衬砌支护结构参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的1L进行设计；同时保证装药量相似、动力和静力响应相似，从而确定岩层与衬砌支护装置的相似比如下：

几何相似比：C_L＝L

弹性模量相似比：C_E＝1

容重相似比：C_γ＝1

泊松比、摩擦角相似比：C_μ＝C_φ＝1；

确定静力和动力响应相似比如下：

应力相似比C_σ＝L；

速度相似比C_v＝C_L/C_t；

时间相似比C_t＝C_s ^0.5/C_a ^0.5；

位移相似比C_s＝C_L；

加速度相似比C_a＝1。

S2根据相似理论，构建岩土层，所述岩土层包括上层的土层2和下层的岩层3，所述土层2厚度2m，所述岩层3为厚度为10m的石英石岩层，在所述岩层3中开设沟槽，所述沟槽为长15m、宽1m、深6m，用以填埋衬砌支护装置，并在所述沟槽正前方预设距离处的所述岩层内安放炸药包5，所述炸药包5为球形药包，采用常用隧道爆破开挖所用的2#岩石乳化炸药，所述炸药包5半径 10cm，所述炸药包5重量设置为12Kg，所述炸药包5埋置深度与所述钢筋混凝土管道1轴线齐平，所述炸药包5连接导爆索，所述导爆索引出所述岩土层后连接起爆器6；

S3选择用于拼接形成衬砌支护装置的适当数量的钢筋混凝土管1，选择每一所述钢筋混凝土管1的拼接一端管口截面为测量截面4，在每一所述测量截面 4上设置四测量单元，四所述测量单元分别设置于该截面4最上、最下、最左、最右四点，所述测量单元包括应变片组11、振动测试传感器13和加速度传感器12，所述应变片组11包括环向应变片14和轴向应变片15，所述环向应变片14 环向固定于所述钢筋混凝土管道1内壁，所述轴向应变片15轴向固定于所述钢筋混凝土管道1内壁，所述振动测试传感器13和所述加速度传感器12固定于所述钢筋混凝土管道1内壁；

S4将所有钢筋混凝土管1依次拼接形成衬砌支护装置，并将所述衬砌支护装置放置于所述沟槽内，回填土层且压实，回填期间需要使用轻型压实设备不断压实填土，用简易密实度测试仪测定覆土密实度，保证沟槽填土密实度不小于90％-95％，以保证管道覆土的密实稳定；

S5在所述土层2表面设置多个地表测量装置，每一所述地表测量装置设置于所述土层内且位于一所述测量截面4正上方，所述地表测量装置包括地表振动测试传感器9和地表加速度传感器10；

S6将所有环向应变片14、所有轴向应变片15、所有振动测试传感器13、所有加速度传感器12、所有地表振动测试传感器9、所有地表加速度传感器10 和摄像机均连接数据采集仪7，将所述数据采集仪7连接计算机8；

S7爆破试验前对各测试仪器进行调试和各通道参数的设定，起爆准备时，将所述振动速度传感器13数据采集仪设置为自动触发模式，所述炸药包5的引爆时间间隔控制在每30min一次，每次所述起爆器6引爆所述炸药包5时，控制每一所述环向应变片14监测其所在监测点的所述钢筋混凝土管道1环向应变，每一所述轴向应变片15监测其所在监测点的所述钢筋混凝土管道1轴向应变，每一所述振动测试传感器13监测其所在监测点的所述钢筋混凝土管道1振动速度，每一所述加速度传感器12监测其所在监测点的所述钢筋混凝土管道1 加速度，每一地表振动测试传感器9监测其所在监测点土层2表面振动速度，每一所述地表加速度传感器10监测其所在监测点的土层2表面加速度，控制所述拍摄所有钢筋混凝土管道的变形图像，且所有应变数据、振动数据、加速度数据和图像数据均通过所述数据采集仪7传输至所述计算机8，待爆破结束后且所述钢筋混凝土管道1和周围岩土体均处于基本稳定时停止数据采集，所述计算机8保存数据。

本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法还包括数据处理步骤：将采集的爆破振动前后管道内部的宏观图像数据进行对比分析，从宏观角度得到爆破振动下管道内部的变形和破坏规律。

本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法还包括数据处理步骤：所述计算机8根据每一测量截面4上各监测点的三向振动速度绘制所述钢筋混凝土管道1的振动速度衰减时程曲线v_P(X、Y、Z)，根据该测量截面4 上方的监测点的三向振动速度绘制土层2表面振动速度衰减时程曲线v_G(X、Y、 Z)，获取隧道既有衬砌的拱顶、拱腰、拱底以及隧道上方地表的振动速度衰减规律；分别对v_P(X、Y、Z)和v_G(X、Y、Z)一次积分得到所述钢筋混凝土管道1 的三向振动位移衰减时程曲线(X、Y、Z)和所述土层2表面的三向振动位移衰减时程曲线_P(X、Y、Z)_G。

本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法还包括数据处理步骤：所述计算机8根据每一测量截面4上各监测点的三向加速度绘制所述钢筋混凝土管道1的三向加速时程曲线a_P(X、Y、Z)，以及根据该测量截面4上方的监测点的三向加速度绘制土层2表面三向加速时程曲线a_G(X、Y、Z)，获取隧道既有衬砌拱顶、拱腰、拱底部位以及正上方地表的加速的衰减规律。

本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法还包括数据处理步骤：所述计算机8根据每一测量截面4上各监测点的环向应变绘制所述钢筋混凝土管道1的应变时程曲线R _P(t)，以及根据轴向应变绘制所述钢筋混凝土管道1的Z_P(t)，获取隧道既有衬砌拱顶、拱腰、拱底的动应变衰减规律，利用钢筋混凝土材料管道1的本构方程σ_P＝Eε_P将环向应变时程曲线R_P(t)转化为所述钢筋混凝土管道1的环向动应力衰减曲线σ_RP(t)，将轴向应变时程曲线Z_P(t) 转化为所述钢筋混凝土管道1的轴向动应力衰减曲线σ_ZP(t)，获取既有钢筋混凝土衬砌拱顶、拱腰、拱底的动应力的衰减规律。

本实用新型的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验方法还包括数据处理步骤：根据萨道夫斯基公式，结合地表振动速度衰减规律可以拟合本场地衬砌支护装置上方地表三向振动速度的萨道夫斯基公式，由此得到相关场地系数K 和衰减系数α。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：包括岩土层、衬砌支护装置、爆破装置和动力响应测量装置；

所述岩土层包括上层的土层和下层的岩层；

所述衬砌支护装置设置于所述岩层内，所述衬砌支护装置包括多段承插式拼接的钢筋混凝土管道，相邻两所述钢筋混凝土管道拼接处截面和所述衬砌支护装置两端的所述钢筋混凝土管管口截面均为测量截面；

所述爆破装置包括炸药包，所述炸药包设置于所述岩层内位于所述衬砌支护装置的正前方；

动力响应测量装置包括多个测量单元，每一所述测量截面上设有四测量单元，四所述测量单元均固定于所述钢筋混凝土管道内壁且均匀分布于所述测量截面，每一所述测量单元包括应变片组、振动测试传感器和加速度传感器，所述应变片组包括环向应变片和轴向应变片，所述环向应变片环向固定于所述钢筋混凝土管道内壁，所述轴向应变片轴向固定于所述钢筋混凝土管道内壁，所述振动测试传感器和所述加速度传感器固定于所述钢筋混凝土管道内壁。

2.如权利要求1所述的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：包括数据采集仪和计算机，所有环向应变片、所有轴向应变片、所有振动测试传感器和所有加速度传感器均连接所述数据采集仪，所述数据采集仪连接所述计算机。

3.如权利要求1所述的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：所述衬砌支护装置内设有聚光灯和摄像机，所述摄像机用于拍摄所有钢筋混凝土管道的变形图像。

4.如权利要求1所述的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：包括多个地表测量装置，每一所述地表测量装置设置于所述土层内且位于一所述测量截面正上方，所述地表测量装置包括地表振动测试传感器和地表加速度传感器。

5.如权利要求1所述的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：所述爆破装置还包括导爆索和起爆器，所述导爆索一端连接所述炸药包，另一端连接所述起爆器。

6.如权利要求1所述的模拟隧道爆破开挖对既有衬砌影响的试验系统，其特征在于：每一所述测量截面上的四所述测量单元均匀分布，分别固定该测量截面的最上、最下、最左、最右四点。