CN215493060U - 一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，包括模拟箱、地铁隧道模型、列车振动模拟装置、传感器和数据处理服务器，所述模型箱由角钢、钢板和钢化玻璃拼接而成；所述地铁隧道模型包括PEC管、硬质木板和固定螺栓；所述列车振动模拟装置包括四个振动电机，分别固定在两根PEC管内的硬质木板上；所述传感器包括位移、土壤压力和孔隙水压力传感器，通过导线与数据处理服务器相连。本实用新型可模拟不同荷载、埋深、土层条件下地铁单双线运营振动对周围土体的扰动情况；隧道模型按照实际地铁隧道进行缩尺寸设计，与实际工程更加贴近，为地铁运营振动对地铁隧道周围土体稳定性及周围环境的扰动影响研究提供了便捷、可靠的试验平台。

Description

一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种地下模型试验装置，具体是一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置。

背景技术

随着我国工业化程度的不断发展，城市道路拥堵现象越来越严重。为缓解道路拥堵压力，国家大力提升城市地铁建设速度，不仅为城市交通节约大量地面空间缓解了交通压力，还在地铁线路经济带的基础上推动了整个城市的发展。在地铁给我们生活带来便利的同时，列车振动产生的循环荷载对运营区域的地面带来了变形沉降并会导致周围建筑物地基沉降。严重情况下会导致隧道周围沉降变形甚至产生振动液化现象，造成地面塌陷，严重影响了社会安全。此外，振动会以波的形式通过土体连通地基传递到周围的建筑物，造成不可忽视的影响，已经引起国内外的关注。因此关于地铁列车振动效应及周围土体变形沉降机理的研究对指导地铁隧道施工和控制地铁运营后土体沉降具有重要意义。

在地铁列车运营振动模拟方面，简单易操作的模型试验装置少之又少。随着地铁使用率的提高，分析地铁隧道振动对周围土体力学特性和微观变化成为了城市地铁长久运营的根本保障。另一方面，目前地铁运营采用实际尺寸模型模拟难度较大、经济成本较高，且天然地下土体结构状态很难控制，很难模拟出不同土质的双线地铁运营情况。

实用新型内容

为了克服现有技术涉及模拟上存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，可较为真实方便地模拟地铁列车运营时的振动，为研究地铁运营对运营区域地面及隧道周围土体带来的变形沉降、振动液化等问题提供有效可行的试验装置。

为实现上述目的，本实用新型所采用以下技术方案：

一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，包括模拟箱、地铁隧道模型、列车振动模拟装置、传感器和数据处理服务器；

所述模型箱包括角钢、钢板和钢化玻璃，所述模型箱顶部敞开，底部为一块钢板，所述钢板四角竖向各固定有一根角钢，所述钢化玻璃设置于相邻的两根角钢之间形成四向封闭的模型箱；

所述地铁隧道模型包括PEC管、硬质木板和固定螺栓，所述硬质木板通过固定螺栓固定在PEC管内，所述PEC管共有两根，并行填埋在模型箱内；

所述列车振动模拟装置包括四个振动电机，每两个振动电机为一组，分别通过螺栓固定在两根PEC管内的硬质木板上；

所述传感器包括位移传感器、土壤压力传感器和孔隙水压力传感器，所述传感器埋设于地铁隧道模型附近的土壤内，通过导线与数据处理服务器相连，所述数据处理服务器对接收的数据进行转换和处理。

所述钢板四角下方各设置有一个钢支架底座，所述钢支架底座与钢板焊接固定，将模拟箱与地面隔开。

所述模型箱底部钢板与角钢框架焊接固定，所述角钢间镶嵌有钢化玻璃，所述钢化玻璃与模型箱底部钢板接触位置、钢化玻璃与角钢接触位置均设有橡胶垫。

所述位移传感器为激光位移传感器，量程：20mm，线性精度：±0.02% F.S.=16μm；所述土壤压力传感器，量程：20Kpa，线性精度：0.1KPa；所述孔隙水压力传感器，量程：15KPa，线性精度：0.075KPa。

所述数据处理服务器为60通道应变测试分析仪。

所述振动电机固定在硬质木板上，通过导线串联至电源转速控制器对其输出荷载进行调节。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型所需材料简单易取，模型箱尺寸不大，适合在室内进行试验；

2、可以模拟不同振动荷载、不同隧道埋深、不同列车运营状态下的双线地铁振动响应；

3、可用于模拟双线地铁振动，适用于复杂工况地铁振动研究；

4、隧道模型按照实际地铁隧道进行了缩尺寸设计，与实际工程更加贴近，为地铁运营振动对地铁隧道周围土体稳定性及周围环境的扰动影响研究提供了便捷、可靠的试验平台。

附图说明

图1为本实用新型一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置结构示意图；

图2为图1中Ⅰ-Ⅰ截面的剖示图；

图3为图1中Ⅱ-Ⅱ截面的剖示图；

图中：1、角钢；2、钢化玻璃；3、钢板；4、钢支架底座；5、PEC管；6、振动电机；7、硬质木板；8、传感器；9、固定螺栓。

具体实施方式

为了更好地解释本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

实施例：参见图1-3。

如图1所示，一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，包括模型箱、地铁隧道模型、列车振动模拟装置、传感器8和数据处理服务器。

所述模型箱由角钢1、钢板3及钢化玻璃2拼接而成，模型箱底部为一块钢板3，这样能保证循环振动时箱底不易被振坏和漏水，同时具有一定的承压能力；模型箱四周采用有机钢化玻璃2镶嵌，这样方便观察土体的沉降和内部土体的偏移；特别需要注意的是，由于材质不同，钢板3和钢化玻璃2连接处采用橡胶垫进行垫护，可防止振动强烈造成的玻璃破碎；整个模型箱内按研究所需隧道埋深进行填土布置。

所述地铁隧道模型采用PEC管5和硬质木板7组成，硬质木板7用于模拟地铁轨道，硬质木板7和PEC管5采用固定螺栓9打孔固定，使PEC管5和硬质木板7固定成为整体式隧道；PEC管5和硬质木板7的固定方式如图1-3所示，具体打孔方式如下，在管道中部用长螺栓进行打孔固定，在管道两侧与硬质木板7接触的地方采用同样技术插入横向螺丝。所述地铁隧道模型按照实际尺寸缩小，比例为1:30（相关专业人员亦可根据不同实验室条件参考本实用新型所述内容调整模型尺寸），所述PEC管5直径为30cm，厚度为1.5cm，总长1.1m，隧道内硬质木板7总长为0.9m，厚度为2cm。

所述列车振动模拟装置包括四个振动电机6和调速装置；每个地铁隧道模型内设置两个振动电机6，采用螺栓固定在隧道内硬质木板7上，并用导线将其串联到调速装置，所述调速装置为电源转速控制器；通过共振的方式为列车模型提供动力。本实用新型采用的振动电机6输出荷载为25N/个，选取方法如下：

所取地铁隧道模型比例为1:30，一节车厢用两个振动电机6来进行模拟，实际地铁单节车厢满载为4.5吨，按照比例换算得到振动电机6振动荷载为0.075吨/个，按照工程试验荷载模拟规定，仍需乘以相似系数1/30，得到试验模型所需振动电机6的真实输出荷载为0.0025吨/个，及选取振动力为2.5kg/个的振动电机6最为合适（若后期研究人员对模型尺寸有所修改，仍可按此法计算振动器载荷）。

所述传感器8设备位移测量传感器和土压力测量传感器；其中，位移测量传感器选用激光位移传感器，这种高精度传感器可以更加清晰地测量出土体内部的位移变化、土体的沉降以及隧道在振动荷载下发生的沉降；土压力测量传感器包括高精度土压力、高精度孔隙水压力传感器；

激光位移传感器的性能如下：“量程：20mm；线性精度：（±0.02%F.S.=16μm）；再现性精度：0.25μm；取样频率：2.55/5/10/20/100/200/500/1000μs；

高精度土压力传感器的性能如下：“量程：20Kpa；线性精度：0.1KPa

高精度孔隙水压力传感器的性能如下：“量程：15KPa；（2）线性精度：0.075KPa”

所述数据处理服务器由60通道应变测试分析仪组成，将所选激光位移传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器连接在应变测试仪上，接收位移、土压力、孔隙水压力的监测数据，并进行数据转换和处理。

综上所述，本实用新型进行模拟试验的具体过程为:

（1）土样制作

从地铁隧道施工现场附近取土，晒干土样,将土块儿碾碎后按照所需颗粒级配进行筛分。按照试验要求的密实度，分层填筑，填筑厚度根据隧道埋深不同，有所差异。根据现场土样进行，填埋不同性质的土体。

（2）传感器的布置

传感器8的布置如图1-3所示，本实用新型为对称设计，只需布置一侧传感器8即可；所需传感器8包括激光位移传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器。

（3）模型箱填土

模型箱高为1.35m，本试验的覆土高度分别为1m，1.1m，1.2m。对应的隧道埋深准备分别为0.5m，0.55m，0.6m。埋深不同，传感器8的布置和安排也不同。按照试验要求的密实度，分层填筑，填筑厚度根据隧道埋深不同，有所差异。

土填至每一层所需布置传感器8位置后，按照图1-3所示点位进行传感器8的布置，每层填土后，按所需饱和度对土体进行处置。土体全部填筑完毕后静置，在重力作用下固结完成。

（4）传感器和隧道检查和布置

传感器8和地铁隧道模型在土层填筑的过程中被安放在相应的位置,并需要及时检查传感器8的工作状态（包括供电电压、预热时间存分、导线的绑扎、接线位置和连接方式、信号端读数）。填筑完成后，根据需要在土层布置一定数量位移传感器。

以下具体列举本实用新型试验装置进行模拟双线地铁运营的几种工况：

1、模拟隧道埋深变化影响

本实验新型试验模型箱高为1.35m，初始隧道上方覆土填至0.5m厚度，按1:12缩放比例，可模拟实际6m埋深地铁工况。按上述步骤布置完成后，调整振动频率为0.5Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。继续填土至厚度达到0.6m，模拟实际7.2m埋深地铁工况。覆土完成后打开位移传感器连接开关及服务器，每5min记录一下土体位移沉降数据。待数据稳定后，启动试验系统，调整振动电机6振动频率为0.5Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器8读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。继续填土至厚度达到0.7m，模拟实际8.4m埋深地铁工况。覆土完成后打开位移传感器连接开关及服务器，每5min记录一下土体位移沉降数据。待数据稳定后，启动试验系统，调整振动电机6振动频率为0.5Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器8读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。每次填土完毕均需监测隧道位移变化，直至隧道沉降稳定后再行试验。

2、模拟隧道振动频率影响

隧道上方覆土填至0.6m厚度，模拟实际7.2m埋深地铁工况。系统安装完毕后，仅需按照试验需要改变列车荷载振动、设置双线隧道运营状态（两列列车同时运营、仅一列列车运营、两列列车间隔一定时间运营），即可达到模拟效果。第一次启动试验系统，调整振动电机6振动频率为0.5Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。第二次启动试验系统，调整振动电机6振动频率为1Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。第三次启动试验系统，调整振动电机6振动频率为2Hz，打开服务器和振动器电源，每隔5min自动记录各类传感器读数。待试验结束后关闭振动器电源和服务器。

本实用新型的装置按照地铁实际情况进行缩尺寸模拟，设置双线地铁隧道模型，可广泛应用于城市软土隧道工程动力响应等方向的科学研究。依托学科优势及试验平台，科研及工程人员可以充分地对地铁运营振动环境响应问题进行系统的研究，探索地铁隧道结构、周围土体的振动变形机理，用以指导工程实践，提高地铁出行安全性，优化轨道交通建设。

上述过程描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，包括模拟箱、地铁隧道模型、列车振动模拟装置、传感器（8）和数据处理服务器，其特征在于：

所述模型箱包括角钢（1）、钢板（3）和钢化玻璃（2），所述模型箱顶部敞开，底部为一块钢板（3），所述钢板（3）四角竖向各固定有一根角钢（1），所述钢化玻璃（2）设置于相邻的两根角钢（1）之间形成四向封闭的模型箱；

所述地铁隧道模型包括PEC管（5）、硬质木板（7）和固定螺栓（9），所述硬质木板（7）通过固定螺栓（9）固定在PEC管（5）内，所述PEC管（5）共有两根，并行填埋在模型箱内；

所述列车振动模拟装置包括四个振动电机（6），每两个振动电机（6）为一组，分别通过螺栓固定在两根PEC管（5）内的硬质木板（7）上；

所述传感器（8）包括位移传感器、土壤压力传感器和孔隙水压力传感器，所述传感器（8）埋设于地铁隧道模型附近的土壤内，通过导线与数据处理服务器相连，所述数据处理服务器对接收的数据进行转换和处理。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，其特征在于，所述钢板（3）四角下方各设置有一个钢支架底座（4），所述钢支架底座（4）与钢板（3）焊接固定，将模拟箱与地面隔开。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，其特征在于，所述模型箱底部钢板（3）与角钢（1）框架焊接固定，所述角钢（1）间镶嵌有钢化玻璃（2），所述钢化玻璃（2）与模型箱底部钢板（3）和角钢（1）接触位置均设有橡胶垫。

4.根据权利要求1所述的一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器，量程：20mm，线性精度：±0.02% F.S.=16μm；所述土壤压力传感器，量程：20Kpa，线性精度：0.1KPa；所述孔隙水压力传感器，量程：15KPa，线性精度：0.075KPa。

5.根据权利要求1所述的一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，其特征在于，所述数据处理服务器为60通道应变测试分析仪。

6.根据权利要求1所述的一种模拟地铁运行振动对隧道周围土体扰动的试验装置，其特征在于，所述振动电机（6）固定在硬质木板（7）上，通过导线串联至电源转速控制器对其输出荷载进行调节。

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