CN212300872U

CN212300872U - 一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置

Info

Publication number: CN212300872U
Application number: CN202021797653.4U
Authority: CN
Inventors: 邵珠山; 伍翔飞
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2030-08-25

Abstract

本实用新型公开了一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，试验装置包括模型箱、隧道模型、载荷加载设备、传感器组、动态信号测试分析系统。模型箱内部填充土体，隧道模型埋置于模型箱内部的土层中，载荷加载设备用以施加列车激振荷载，传感器组埋设于模型箱内的土层中及隧道模型上，动态信号测试分析系统置于模型箱外侧。本实用新型可较为真实的模拟不同隧道埋深、不同地层含水率下的列车运营引起的隧道结构及周边地层的动力响应，可为研究不同地质环境与工程条件下地铁运营引发的隧道结构及周边地层振动响应提供有效可行的试验平台。

Description

一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于地下工程试验装置，具体是一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通系统蓬勃发展，地铁作为城轨交通系统的重要组成部分，在缓解城市交通压力，推动城区经济发展的同时，也带来了一系列由地铁列车运营引发的环境振动问题。如地铁隧道结构在列车长期循环荷载作用下，势必会引起隧道基底土层的沉降变形，导致隧道结构出现不均匀沉降，给列车的安全运行带来潜在威胁，同时，由列车运营引起的振动会以波的形式经隧道结构、围岩传递至地表，引起沿线地区地表建筑物的振动和噪声，给居民的正常生活带来影响。因此开展地铁列车运营振动问题的试验研究对于探究地铁运营振动传播及对隧道结构的影响机理具有重要指导意义。

现有针对地铁或列车运营振动的试验装置，较少考虑列车振源移动加载的情况,同时随着地铁交通建设的加快，出现较多亟待解决的工程问题，而目前对于此类相关问题的研究仍主要以现场测试、数值模拟及理论解析为主，但这三种方法均存在各自的局限性，尤其是涉及的影响因素不断增加，如针对含地下水的饱和或非饱和土地层，采用前述三种方法难以准确的描述由列车运营诱发的环境振动及隧道累积沉降变化特征。故当前应开发或设计较多低经济成本、高可靠性的室内模型试验以弥补现有研究方法的不足。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，可较为真实的模拟由地铁列车运营诱发的周边地层的振动及隧道结构的累积沉降变化。本实用新型可较为真实的模拟不同隧道埋深、不同地层含水率下的列车运营引起的隧道结构及周边地层的动力响应，可为研究不同地质环境与工程条件下地铁运营引发的隧道结构及周边地层振动响应提供有效可行的试验平台。

本实用新型是通过下述技术方案来实现的。

根据本实用新型实施例提供的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，包括模型箱、隧道模型、载荷加载设备、传感器组和动态信号测试分析系统；

所述模型箱内填充土体，隧道模型埋置于模型箱内部的土体中，隧道模型中设置载荷加载设备，所述载荷加载设备包括刚性横梁和位于刚性横梁下的若干个激振器；隧道模型中布置有应变片，土体中布置有传感器组，动态信号测试分析系统连接传感器组，应变片和传感器组连接至动态信号测试分析系统；通过各激振器的等时间间隔加载模拟列车在隧道模型内的移动加载效应，动态信号测试分析系统获取应变片监测隧道模型衬砌结构及传感器组监测土体在地铁隧道列车振动荷载作用下的动力响应，得到隧道埋深及土体含水率对地铁隧道列车运营振动的影响。

对于上述技术方案，本实用新型还有进一步优选的方案：

进一步，所述模型箱由三角形钢架和钢化玻璃拼装而成，钢化玻璃内部贴附有吸振材料。

进一步，所述隧道模型由钢筋混凝土整体浇筑形成衬砌结构与道床结构，衬砌结构进行环向切缝，模拟实际工程中盾构管片的螺栓连接接触。

进一步，所述刚性横梁通过两端钢结构立柱支撑贯穿于隧道模型，若干个激振器等间距悬挂固定于刚性横梁上，激振器上端与刚性横梁固定，下端与隧道模型道床结构顶面相接触。

进一步，所述传感器组包括位移传感器、加速度传感器和压力传感器，位移传感器埋设于隧道模型底部土体中，加速度传感器埋设于隧道模型上覆土体及地表中，压力传感器固定于激振器底部。

进一步，所述动态信号测试分析系统包括数字信号发生器、功率放大器、动态信号采集仪和电脑，动态信号采集仪分别连接激振器和数字信号发生器，数字信号发生器依次连接功率放大器和电脑。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)本实用新型采用多激振器等间隔加载的方案，解决了传统模型试验中以单点激振模拟列车振动的弊端，可较为真实的模拟列车的移动加载效应。

2)本实用新型具有装置结构简单、操作简便、成本较低、易于实现及可重复性强等优点，在一定程度上避免了单一采用现场测试所带来的高试验成本及数值解析分析对问题过于简化等弊端，能够较为真实的模拟不同隧道埋深、不同地层含水率下的列车运营引起的隧道结构及周边地层的动力响应，可与现场测试及数值解析方法形成优势互补，为研究不同地质环境与工程条件下地铁运营引发的隧道结构及周边地层振动响应提供有效可行的试验平台。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型试验装置正面示意图；

图2为本实用新型试验装置剖面图(正面)；

图3为本实用新型试验装置剖面图(侧面)；

图4为本实用新型隧道模型截面图。

附图标记说明：1、模型箱；2、刚性基座；3、三角形钢架；4、钢化玻璃板；5、吸振材料；6、土体；7、隧道模型；8、激振器；9、刚性横梁；10、钢结构立柱；11-1、位移传感器；11-2、加速度传感器；11-3、压力传感器；11-4、应变片；12、数字信号发生器；13、功率放大器；14、动态信号采集仪；15、电脑。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

参考附图1所示，一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，包括模型箱1、隧道模型7、载荷加载设备、传感器组和动态信号测试分析系统，模型箱1内部填充土体，隧道模型7埋置于模型箱内部的土层中，载荷加载设备用以施加列车激振荷载，传感器组埋设于模型箱内的土层中及隧道模型上，动态信号测试分析系统置于模型箱外侧。

模型箱1由三角形钢架3和钢化玻璃板4拼装而成，其中钢化玻璃4可用于从外侧清晰的观察隧道及周边土层的沉降变化。模型箱1中按试验需求填充相应特性的土体6，模型箱1前后均切割出两个圆环窗口，用以在隧道模型7中设置刚性横梁9及放置激振器8。模型箱1四周钢化玻璃板4内部贴附阻尼吸振材料5，阻尼吸振材料可采用Duxseal或泡沫塑料板等，吸振材料可较好的吸收传递至模型箱边界处的压缩波、剪切波及地表的面波，用以模拟半无限介质对振动波的吸收作用，减少模型箱内壁的振动波反射效应，提高试验精度和测试结果的准确性。吸振材料的厚度依据试验精度要求而定。模型箱底部设置刚性基座2，刚性基座2由工字钢焊接而成，以保证模型箱整体刚度的稳定性。

隧道模型7由钢筋混凝土整体浇筑而成，浇筑过程中形成衬砌结构与道床结构，其中钢筋混凝土材料等级及配比依据试验相似比进行设计，隧道模型依据实际工程中盾构隧道的原型尺寸按一定比例进行缩尺(具体缩尺尺寸可依据试验条件及试验模型箱尺寸综合考虑后确定)。衬砌结构进行环向切缝，以降低其衬砌结构的整体刚度，其中衬砌结构浇筑完成后，依据设计进行环向切缝降低模型隧道结构的整体强度，模拟实际工程中盾构管片的螺栓连接接触。隧道模型整体埋置于模型箱内的土体中。

如图3所示，载荷加载设备包括激振器8(SA-JZ005)及承重支撑结构，其中激振器8用以对隧道模型7施加列车振动荷载，该型号激振器的主要参数性能如下：(1)最大激振力：50N；(2)最大振幅：±7.5mm；(3)最大加速度：20g；(4)频率范围：DC-5k；(5)力常数：7.2N/A。承重支撑结构由一根刚性横梁9及两根钢结构立柱10组成，其中刚性横梁9从隧道模型7内部穿过，刚性横梁9在隧道模型7内部对激振器8提供支撑，两根钢结构立柱10则分别置于模型箱1前后两侧，其顶端可分别与刚性横梁9通过高强度螺栓进行固定，以保证刚性横梁9具备足够的支撑力及刚度稳定性，同时钢结构立柱10可依据隧道模型7的不同埋深位置进行高度调整。

若干个激振器8等间距悬挂固定于刚性横梁9上，激振器8上端与刚性横梁9固定，下端与隧道模型7道床结构顶面相接触，用以对隧道模型7施加列车振动荷载，当布置多个激振器8时，可间接模拟列车荷载的移动加载特性，其中所需激振器8数量依据模型箱1尺寸及隧道模型7尺寸而定。

传感器组包括位移传感器11-1、加速度传感器11-2、压力传感器11-3，依据试验要求及试验内容在土体中埋设相应的传感器，其中位移传感器11-1埋设于隧道模型7底部土体6中，用以监测隧道模型7下卧土层的位移变化；加速度传感器11-2埋设于隧道模型7上覆土体6及地表中，用以监测隧道模型7上覆土体6或地表不同位置处的振动加速度响应；压力传感器11-3固定于激振器8底部，用以实时监测激振器对隧道衬砌结构施加的激振力，并与动态信号测试分析系统相连，将压力信号实时传递至动态信号测试分析系统，由动态信号测试分析系统实时记录并显示压力传感器11-3的监测信号，用以校核激振器8所施加的载荷及频率是否与试验要求一致，并按试验需求进行同步调整。

还包括布置于隧道模型7上用以监衬砌结构的变形的应变片11-4。

在不妨碍本试验装置正常实施的条件下，各传感器的具体型号可依据试验条件及试验测试精度而定，本实用新型并不做具体要求。各传感器的布置或埋设位置如图1-图3所示，图4示出了压力传感器11-3和应变片11-4布置方向及位置，应变片11-4布置在隧道模型7内壁两侧和顶部，压力传感器11-3固定于激振器8底部。图中仅标示各传感器的总体布置方向及位置，具体布置或埋设数量依据试验要求及试验精度而定。

动态信号测试分析系统由数字信号发生器12(SA-SG030)、功率放大器13(SA-PA020)、动态信号采集仪14(TST5910)及控制电脑15组成。其中该型号信号发生器的主要性能参数为：(1)输出波形：正弦波、方波、三角波、白噪声、线性扫频、对数扫频等；(2)频率范围：2-2kHz；(3)信号输出：1Vrms±05dB；(4)输出功率：30W；其中该型号功率放大器的主要性能参数为：(1)输出功率：192VA；(2)输出电压：16Vrms；(3)输入阻抗：>10kΩ；其中该型号动态信号采集仪的主要性能参数为：(1)采样频率：256kHz；(2)测试灵敏度：0.01mV/pc；(3)频率响应：0.3-100kHz；试验起始阶段由数字信号发生器12通过电脑15控制产生载荷振动信号，并将载荷振动信号同步传递至功率放大器13，随后由功率放大器13将载荷振动信号放大后传递至激振器8，最终由激振器8将该振动信号转化为荷载施加于隧道模型7的道床结构上，通过动态信号测试分析系统输出等时间间隔激振荷载信号，随后由各激振器8按相同时间间隔施加列车激振荷载，可间接模拟实际工程中列车荷载的移动加载特性。

其中激振器用以模拟地铁列车的移动加载，压力传感器与动态信号测试分析系统相连，由动态信号测试分析系统实时记录并显示压力传感器监测信号，用以校核激振器所施加的载荷及频率是否与试验要求一致。

通过各激振器的等时间间隔加载模拟列车在隧道模型内的移动加载效应，动态信号测试分析系统获取应变片监测隧道模型衬砌结构及传感器组监测土体在地铁隧道列车振动荷载作用下的动力响应，得到隧道埋深及土体含水率对地铁隧道列车运营振动的影响。

这种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)试验前需对模型箱填充土体以配置试验所需的地层环境，即对应于不同含水率下的土体，具体含水率配置方法如下为：

取部分试验用土进行室内土工试验，依据式(1)测得其初始含水率ω₀，随后根据式(2)计算得到每层填土的所需加水量。

ω₀＝(m₀/m_d-1)×100％ (1)

m_w＝m₀/(1+0.01ω₀)×0.01(ω₁-ω₀) (2)

式中，m₀为每层填土的初始质量，m_d为每层填土的干燥质量，ω₀为所填土样的初始含水率，ω₁为土层标定含水率，m_w为每层填土的加水质量。

利用喷壶将所需水量的水均匀喷洒于试验用土6上，并搅拌均匀，随后分层填筑于模型箱1内，每填筑一层即用击实仪器进行击实，并用薄膜对土体表面进行覆盖以防止水分蒸发，待填筑(击实)到预定高度后，用薄膜覆盖并润湿24h，重复以上方法将试验土体6依次由模型箱1底部向上分层填筑并压实。

2)模型箱1填筑土样分三个阶段，第一阶段为分层填筑并压实至模型箱1正(反)面圆环窗口底部，在填至此阶段后，放入自制的隧道模型7，隧道模型7前后端面与模型箱1的前后圆环开口相互对齐。之后继续填筑土体6至土体6完全覆盖模隧道型7的拱顶，此为第二阶段。第三阶段即为将土体6自隧道模型7拱顶处继续填筑至模型箱1的预定高度，此预定高度依据试验要求的隧道埋深条件而定。

3)继第二步结束后模型箱1地层环境已基本配置完成，在此基础上，用塑料薄膜覆盖模型箱1中土体6的表面并静置24h，在减少土体6中水分挥发的同时亦保证土体6中的水分能够在模型箱1内的土颗粒间充分扩散，达到试验土体6含水率的均一性。

4)试验开始前由电脑15控制数字信号发生器12产生试验荷载信号，该试验载荷信号经功率放大器13放大后传递至激振器8，最后由激振器8将载荷施加在隧道模型7的道床结构上。

5)由激振器8底部的压力传感器113-监测到激振器8对隧道模型7施加的载荷，并将监测信号同步传递至动态信号采集仪14，并由电脑15对该载荷监测信号进行交互式显示，当试验所加载荷与试验要求的载荷偏差较大时，由电脑15对该误差进行调整，随后重复第4步的操作直到误差足够小并可忽略时完成试验载荷的校核工作。

6)由电脑15控制数字信号发生器12产生试验列车载荷信号，经功率放大器13将振动信号放大后，由激振器8将列车载荷施加于隧道模型7的道床结构上，需要注意的是在进行此阶段列车荷载施加时，需由电脑15设置若干个等时间间隔的列车荷载信号，对应上述操作后，隧道模型7中的若干个激振器8亦将同步对道床结构施加若干个列车荷载，如此便间接模拟了移动列车载荷的施加。

7)试验过程中由各传感器对隧道模型7的衬砌结构及土体6的动力响应进行监测，并由动态信号采集仪14对测试信号进行采集分析，试验过程中可设定不同载荷工况，以进行多参数分析，以达到最终的试验目的。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，包括模型箱、隧道模型、载荷加载设备、传感器组和动态信号测试分析系统；

所述模型箱内填充土体，隧道模型埋置于模型箱内部的土体中，隧道模型中设置载荷加载设备，所述载荷加载设备包括刚性横梁和位于刚性横梁下的若干个激振器；隧道模型中布置有应变片，土体中布置有传感器组，动态信号测试分析系统连接传感器组，应变片和传感器组连接至动态信号测试分析系统。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，所述模型箱由三角形钢架和钢化玻璃拼装而成，钢化玻璃内部贴附有吸振材料。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，所述隧道模型由钢筋混凝土整体浇筑形成衬砌结构与道床结构，衬砌结构进行环向切缝。

4.根据权利要求1所述的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，所述刚性横梁通过两端钢结构立柱支撑贯穿于隧道模型，若干个激振器等间距悬挂固定于刚性横梁上，激振器上端与刚性横梁固定，下端与隧道模型道床结构顶面相接触。

5.根据权利要求1所述的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，所述传感器组包括位移传感器、加速度传感器和压力传感器，位移传感器埋设于隧道模型底部土体中，加速度传感器埋设于隧道模型上覆土体及地表中，压力传感器固定于激振器底部。

6.根据权利要求1所述的一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置，其特征在于，所述动态信号测试分析系统包括数字信号发生器、功率放大器、动态信号采集仪和电脑，动态信号采集仪分别连接激振器和数字信号发生器，数字信号发生器依次连接功率放大器和电脑。