CN217930855U - 堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置，包括：模型主体单元，模型主体单元包括模型箱和隧道竖井模型，隧道竖井模型布置于模型箱中；土体，填在模型箱内将隧道竖井模型埋没；堆叠加载装置，包括加载块、加载板，加载板可位于隧道竖井模型上方的土体的上表面的不同位置，一个或多个加载块堆叠放置在加载板上；数据量测系统，包括用于测量隧道竖井模型绝对位移的第一位移传感器、用于测量土体地表沉降的第二位移传感器、用于测量隧道竖井模型发生应变的应变片、数据采集仪，数据采集仪分别连接应变片、第一位移传感器和第二位移传感器，用于接收应变片采集的数据、第一位移传感器和第二位移传感器采集的数据。

Description

堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置

技术领域

本申请涉及属于盾构隧道及竖井结构模型试验技术领域，特别涉及一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置。

背景技术

随着城市地下空间的不断发展，各种类型的地下工程层出不穷，特别是城市地下综合管廊和轨道交通在各大城市中大量兴建，其中竖向管道（竖井）的施工是建设重点技术之一。竖井的建设可采用明挖法或者暗挖法施工，暗挖法具有不需要开挖面层，占地面积少，对地面活动影响小，又可节约资金和时间，降低工程造价等优点，相比明挖法施工，它具有无可比拟的优越性。

暗挖法施工技术随着科技的发展也不断进步，对于隧道竖井的暗挖法施工，目前可采用的施工技术主要包括垂直顶升法、朝上盾构掘进法、竖向顶管法等。这些暗挖法施工的关键技术各有异同，但建设后的竖井结构形式类似，均为T字型的管片（节）拼装结构，如图1所示。

城市中的隧道竖井结构大多位于城市道路两侧附近，在繁忙的城市交通影响下，或者在城市道路开挖、道路两侧建筑基坑开挖而堆载的作用下，隧道竖井结构会因附加荷载作用而存在受力和位移问题。

对于此类技术问题的研究目前较少，而相关的室内缩尺模型试验更是空白，因此开展地面堆载对隧道竖井结构影响的研究非常有必要。

实用新型内容

鉴于此，本申请实施例提供一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置，以模拟实际工程中地面堆载对运营阶段隧道竖井结构的影响。

根据本申请实施例，提供一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置，包括：

模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱和隧道竖井模型，所述隧道竖井模型布置于所述模型箱中；

土体，所述土体填在所述模型箱内将所述隧道竖井模型埋没；

堆叠加载装置，所述堆叠加载装置包括加载块、加载板，所述加载板可位于所述隧道竖井模型上方的土体的上表面的不同位置，一个或多个所述加载块堆叠放置在所述加载板上；

数据量测系统，包括用于测量所述隧道竖井模型绝对位移的第一位移传感器、用于测量所述土体地表沉降的第二位移传感器、用于测量所述隧道竖井模型发生应变的应变片、数据采集仪，所述数据采集仪分别连接所述应变片、所述第一位移传感器和第二位移传感器，用于接收所述应变片采集的数据、所述第一位移传感器和第二位移传感器采集的数据。

可选的，所述隧道竖井模型由盾构隧道模型及竖井模型组成，所述竖井模型竖直固定在所述盾构隧道模型上，两者形成一整体。

可选的，所述盾构隧道模型和竖井模型均由两个对半剖开的半管在其内外壁贴附应变片后扣合连接而成。

可选的，在所述盾构隧道模型和竖井模型外壁上设置塔扣及抱箍，通过塔扣及抱箍将两个对半剖开的半管扣合。

可选的，在所述盾构隧道模型和竖井模型外壁全身具有一加强层加固。

可选的，还包括模型支架，所述模型箱放置于支架上。

可选的，所述模型箱顶部四边各开有一凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述第一位移传感器和第二位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

可选的，所述隧道竖井模型的内外壁沿环向对称设置应变片、轴向隔一定距离设置应变片。

可选的，沿着所述盾构隧道模型轴线方向及与之垂直的方向进行布置用于位移传感器采集的土体测量点位。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1）同一模型箱可模拟多种工况

将所述隧道竖井模型按指定位置放置于所述模型箱中后，调整加载板的位置和加载大小，该模型箱就可模拟不同堆载位置、不同堆载大小对隧道竖井结构的影响，其功能较为齐全，更加符合实际试验需要。

2）针对性布置测量设备，精确反映试验结果

在隧道竖井模型内外部张贴的应变片可测量结构的应变大小，进而可计算得出隧道竖井结构所受应力，还可监测反映出模型在堆载影响下产生的弯矩变化情况。在隧道竖井模型顶部表面安装的位移传感器可以测量模型整体的绝对位移，在土体表面安装的位移传感器可用于测量土体的地表沉降。

3）装置结构简单，试验操作便捷

模型试验装置按照实际隧道竖井的几何相似比、容重相似比设计，试验过程中的堆载也进行了等比例换算，在保证模型与原隧道竖井结构一致性的前提下准确模拟了实际堆载的影响。加载装置在隧道竖井模型上方，且加载装置较为简单，能较为便捷地对模型力的施加，同时又能模拟出地表临时堆载作用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的T字型的管片（节）拼装结构的立体图。

图2为本实用新型实施例的一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置的整体结构剖切示意图。

图3为本实用新型实施例的隧道竖井模型放置于模型箱内部示意图。

图4为本实用新型实施例的模型位置示意图。

图5为本实用新型实施例的隧道竖井模型示意图，（a）为隧道竖井模型的主视全剖图，（b）为隧道竖井模型的左视全剖图。

图6为本实用新型实施例的堆载位置示意图。

图7为本实用新型实施例的位移传感器布点示意图。

图8为本实用新型实施例的应变片布点示意图。

附图标记说明：1、模型箱；2、盾构隧道模型；3、竖井模型；4、固定件；5、模型支架；6、加载板；7、加载块；8、土体；9、第一位移传感器；10、传感器支架；11、第二位移传感器；12、应变片；13、数据采集仪。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图2是根据一示例性实施例示出的一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置的结构示意图，如图2所示，可以包括：模型主体单元、土体8、堆叠加载装置、数据量测系统，所述模型主体单元包括模型箱1和隧道竖井模型3，所述隧道竖井模型3布置于所述模型箱1中；所述土体8填在所述模型箱1内将所述隧道竖井模型3埋没；所述堆叠加载装置包括加载块7、加载板6，所述加载板6可位于所述隧道竖井模型3上方的土体8的上表面的不同位置，一个或多个所述加载块7堆叠放置在所述加载板6上；所述数据量测系统包括用于测量所述隧道竖井模型3绝对位移的第一位移传感器9、用于测量所述土体8地表沉降的第二位移传感器11、用于测量所述隧道竖井模型3发生应变的应变片12、数据采集仪13，所述数据采集仪13分别连接所述应变片12、所述第一位移传感器9和第二位移传感器11，用于接收所述应变片12采集的数据、所述第一位移传感器9和第二位移传感器11采集的数据。

本申请将所述隧道竖井模型3按指定位置放置于所述模型箱1中后，调整加载板6的位置和加载大小，该模型箱1就可模拟不同堆载位置、不同堆载大小对隧道竖井结构的影响，其功能较为齐全，更加符合实际试验需要。

在隧道竖井模型3内外部张贴的应变片12可测量结构的应变大小，进而可计算得出隧道竖井结构所受应力，还可监测反映出模型在堆载影响下产生的弯矩变化情况。在隧道竖井模型3顶部表面安装的第一位移传感器9可以测量模型整体的绝对位移，在土体8表面安装的第二位移传感器11可用于测量土体8的地表沉降。

模型试验装置按照实际隧道竖井的几何相似比、容重相似比设计，试验过程中的堆载也进行了等比例换算，在保证模型与原隧道竖井结构一致性的前提下准确模拟了实际堆载的影响。加载装置在隧道竖井模型3上方，且加载装置较为简单，能较为便捷地对模型力的施加，同时又能模拟出地表临时堆载作用。

通过加载板6位置的灵活变动和加载块7的按需增减，使得室内试验的可操作性和模拟工况的多样性大幅提升，对实际工程中遇到的不同位置、不同大小堆载作用对隧道竖井结构受力的影响进行了锲合度较高的模拟研究；使用应变片12可以通过应变片12受力产生的伸缩变化而得到实际模型该点的应变变化，从而可通过公式计算出该点的应力、弯矩变化，同样的，使用位移传感器可以精确地检测出在堆载作用下竖井结构和土体8表面十分微小的绝对位移和沉降，而使用数据采集仪13则可以较为方便地收集室内试验得到的应变、位移值，并通过信号转化在电脑中得到实际的变化数值。

本实施例中，如图3所示，所述模型箱1为顶部不加盖的矩形箱体。所述模型箱1顶部四边各开有一凹槽，所述凹槽上安装有固定件4，所述第一位移传感器9和第一位移传感器9通过传感器支架10固定在所述固定件4上。若是试验所用位移传感器为接触式传感器，可在土体8表层铺设玻璃布，防止接触式位移传感器接触土体8表面后刺入砂土内部，若试验所用位移传感器11为激光位移传感器则不做此考虑。为方便放入模型及填入砂土，模型箱1顶部不加盖并在四边各开一凹槽方便安装固定第一位移传感器9和第二位移传感器11。因需要测定土体8表面沉降位移，所以位移传感器顶端不能刺入砂土内部，故可在土体8表面铺设一层玻璃布。

本实施例中，所述隧道竖井模型由盾构隧道模型2及竖井模型3组成，所述竖井模型3竖直固定在所述盾构隧道模型2上，两者形成一整体。因模型试验尺寸限制，所做的模型尺寸较小，因此模型定做为一整管，且模型试验模拟的是盾构隧道内的竖井所受堆载的影响，所以隧道和竖井模型3是两个连接在一起相互垂直的整圆管。

如图4所示，考虑到加载板6大小以及堆载位置，所述隧道竖井模型3放置在偏离所述模型箱1长度方向中心轴线20cm处，且为了模拟模型在真实土体8的真实工况，所述隧道竖井模型3离所述模型箱1底部9cm高左右，该9cm左右高度布满土体8。本实施例中，加载板6大小为32*32cm，模型箱1长宽分别为1.2m和1m，为了满足堆载位置与隧道轴线相距2D（D为隧道外径，200mm）这种加载工况，故模型的未放置在模型箱1长度方向的中心轴线处，而是偏离了20cm。实际工程中的盾构隧道四周是整个被土体8包围的，因此为使模型试验模拟更加真实，需先在模型箱1底部铺设一定厚度的砂土后再放置模型，以保证模型底部也是砂土包围。

本实施例中，如图5所示，考虑到模拟真实工程的比例以及模拟的真实性，所述盾构隧道模型2和竖井模型3均是一整圆管，由于需要粘贴应变片12，所述盾构隧道模型2和竖井模型3均由两个对半剖开的半管在其内壁贴附应变片12后扣合连接而成。由于尺寸太小，为方便粘贴应变片12，故一开始将模型做成可以对半剖开的半管，在应变片12全部粘贴完成后，再将模型扣合粘结起来。通过可对半剖开的整圆管模型，解决了因相似比使得模型尺寸过小而导致的无法准确模拟管片真实受力情况、应变片12张贴困难、隧道与竖井模型3连接等问题。

将应变片12张贴完成后为不影响模拟管片的真实受力性能，再将半管扣合粘结并用塔扣抱箍加强。为了贴合真实管片受力性能，在半管扣合之后胶结起来，并将塔扣和抱箍在适当位置扣好旋紧。

参考图7，由于需要测量隧道顶管整体模型的绝对位移和模型上方土体8沉降，针对位移传感器测点的布置，可沿着所述盾构隧道模型2轴线方向及与之垂直的方向进行布置用于位移传感器采集的土体8测量点位。

具体地，为了保证两个半管扣合之后的牢固性及整体的强度，在所述盾构隧道模型2和竖井模型3外壁上设置塔扣及抱箍，通过塔扣及抱箍将两个对半剖开的半管扣合。

进一步地，在所述盾构隧道模型2和竖井模型3外壁全身具有一加强层加固。加强整管模型的抗压强度。

本实施例中，如图6所示，考虑到工况需求，以所述盾构隧道模型2位置为参考，设置6种不同堆载位置，分为轴心与偏心堆载，横纵向距离分别为距隧道竖井模型3中心D、2D（D为所述隧道模型2的外直径）组合。为了探究堆载作用下的竖井结构受力情况，根据相对于隧道模型轴线位置设置轴心与偏心堆载，并考虑隧道模型的外直径以确定偏心距离。

本实施例中，如图8所示，所述应变片12固定于所述盾构隧道模型2及竖井模型3的内外侧，固定完毕后在应变片12表面涂抹硅橡胶并用黑色绝缘胶带固定，以起绝缘保护作用，应变片12连接应变导线与所述模型箱1通孔拉出并做编号处理以方便区分。为了确保应变片12在隧道顶管模型上粘贴牢靠，不会影响到后续的数据测量采集，故使用多重粘贴措施使之固定；由于布设的应变片12数量较多，所连接的应变导线相应的也比较多，为避免杂乱无章，故将导线拉出后编号处理以方便后续区分每一处应变片12所连导线。

具体地，所述隧道竖井模型3的内外壁沿环向对称设置应变片12、轴向隔一定距离设置应变片12。为了测定隧道顶管模型在堆载作用下的受力情况，故拟定好测点后按一定间隔在管周内外侧布置一定数量的应变片12。

本实施例中，如图2所示，还包括模型支架5，所述模型箱1放置于支架上。

本实用新型实施例提供一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置的制作方法如下：

1）制作模型：使用有机玻璃按照30:1的比例定制所述盾构隧道模型2和竖井模型3，所述隧道竖井模型3在制作时即制成为可对半分开的半管，外部附有塔扣抱箍及加强层；

2）铺设土体8：在所述模型箱1中填入9cm高度的细砂，充分压实，并做好防漏砂处理，静置一段时间；

3）安装仪器：按照预设的点位将所述应变片12贴好。

具体地，在盾构隧道模型2中以5段管片计每隔一定距离共张贴五环应变片12，每环应变片12以圆心角90°分布，并且是管片内外侧对称分布设置。在竖井模型3中分布设置6环应变片12，同样的内外侧以圆心角90°对称均布；

4）安装盾构隧道模型2及竖井模型3：在应变片12张贴完成后将所述隧道竖井模型3扣合粘结好并用塔扣抱箍固定好位置，按照试验预设的位置和角度将盾构隧道模型2和竖井模型3放置在已铺设有土体8的模型箱1内，将位置确定后使用玻璃胶等将所述隧道竖井模型3卡死固定；

5）填充土体8及连接仪器：利用洒砂系统将外部的土体8（细沙为例）均匀填入模型箱1中，每填100mm进行一次夯实，重复操作直至细砂填至指定高度，土体8的厚度为70cm的土体8，将应变片12的测线沿着隧道竖井模型3并通过盾构隧道模型2中心底部通孔引出土体8，再通过模型箱1引出连接应变采集仪，将传感器支架10固定好后装好位移传感器并连接对应位移采集仪。

本实用新型实施例提供的一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内模型试验方法，该方法在上述的装置中实现，该方法包括：

1）将土体8均匀填入所述模型箱1中，直到土体8填充至标高处；

2）将所述加载板6放置在工况所需位置，按照工况设定进行加载块7的加载，观察所述隧道竖井模型3的变化，并通过第一位移传感器9、第二位移传感器11和应变片12分别测量所述土体8地表位移和所述隧道竖井模型3内部应变；

具体地，进行单组试验：将所述加载板6放置在工况所需位置，按照工况设定进行砝码的逐级加载，在加载过程中要保证砝码是均布在加载板6之上，卸载过程中要注意按加载的逆序卸载，相关测量元件实时监测盾构隧道模型2及竖井模型3的位移及变形数据；

3）根据所述土体8地表位移和所述隧道竖井模型3内部应变，得出隧道竖井模型3在地面堆载过程中量测项目的数据变化，并绘制数据变化曲线；

4）当完成某种工况下的堆载试验后，变换加载板6位置及加载大小，重复步骤2)到4）进行下一个工况下的试验。

具体地，后续更多组试验：完成单组试验之后，重新调整好隧道竖井模型3的位置，按照工况改变加载板6的位置，根据堆载大小逐级加载，进行下一组试验。

还可包括后期处理：处理盾构隧道模型2及竖井模型3所受应力、弯矩及位移量的试验数据，绘制相关曲线，对地面堆载作用下竖井模型3的位移和变形规律进行研究。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种堆载作用下隧道竖井结构受力的室内试验装置，其特征在于，包括：

模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱和隧道竖井模型，所述隧道竖井模型布置于所述模型箱中；

土体，所述土体填在所述模型箱内将所述隧道竖井模型埋没；

堆叠加载装置，所述堆叠加载装置包括加载块、加载板，所述加载板可位于所述隧道竖井模型上方的土体的上表面的不同位置，一个或多个所述加载块堆叠放置在所述加载板上；

数据量测系统，包括用于测量所述隧道竖井模型绝对位移的第一位移传感器、用于测量所述土体地表沉降的第二位移传感器、用于测量所述隧道竖井模型发生应变的应变片、数据采集仪，所述数据采集仪分别连接所述应变片、所述第一位移传感器和第二位移传感器，用于接收所述应变片采集的数据、所述第一位移传感器和第二位移传感器采集的数据。

2.根据权利要求1所述的室内试验装置，其特征在于，所述隧道竖井模型由盾构隧道模型及竖井模型组成，所述竖井模型竖直固定在所述盾构隧道模型上，两者形成一整体。

3.根据权利要求2所述的室内试验装置，其特征在于，所述盾构隧道模型和竖井模型均由两个对半剖开的半管在其内外壁贴附应变片后扣合连接而成。

4.根据权利要求3所述的室内试验装置，其特征在于，在所述盾构隧道模型和竖井模型外壁上设置塔扣及抱箍，通过塔扣及抱箍将两个对半剖开的半管扣合。

5.根据权利要求4所述的室内试验装置，其特征在于，在所述盾构隧道模型和竖井模型外壁全身具有一加强层加固。

6.根据权利要求1所述的室内试验装置，其特征在于，还包括模型支架，所述模型箱放置于支架上。

7.根据权利要求6所述的室内试验装置，其特征在于，所述模型箱顶部四边各开有一凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述第一位移传感器和第二位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

8.根据权利要求1所述的室内试验装置，其特征在于，所述隧道竖井模型的内外壁沿环向对称设置应变片、轴向隔一定距离设置应变片。

9.根据权利要求2所述的室内试验装置，其特征在于，沿着所述盾构隧道模型轴线方向及与之垂直的方向进行布置用于位移传感器采集的土体测量点位。

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