本发明专利技术提供的模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置，该试验装置包括箱体和数据采集装置；所述箱体为带底敞口可拆卸钢板结构，该箱体结构内布设有模拟隧道、不锈钢套筒、油缸推进系统等配套装置的开挖模拟装置和既有结构。本发明专利技术采用多台液压油缸推进不锈钢外套筒，释放不锈钢外套筒和迷你隧道之间的土体，即实现了与实际地层损失的区域形状相近的圆环形地层损失区域的模拟，又实现了盾构隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟。通过本发明专利技术可以模拟多条模拟隧道穿越既有结构的复杂工程问题，为研究既有结构的变形特性和力学行为，建立不同工况下的模拟隧道‑既有结构‑土体的相互作用机理提供了研究途径和研究方法。
【技术实现步骤摘要】
模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置及其试验方法
本专利技术涉及隧道及地铁工程
，尤其涉及一种模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置及其试验方法。
技术介绍
随着大城市地铁以及大型市政管线等基础设施建设的完善，大量出现的新建盾构隧道工程难免穿越既有地下结构，造成既有结构倾斜、沉降及断面的变形，针对这种单线或多线近距离穿越的特殊工程情况，深入研究新建盾构隧道、土体、既有结构三者间相互作用，合理评价模拟隧道在穿越过程中对既有结构造成的影响，提出针对性的盾构施工优化参数及施工控制措施，科学指导施工，避免盾构穿越施工对既有结构安全产生的危害是地铁隧道工程中迫切需要解决的问题。由于多线穿越既有结构工程的复杂性，目前关于多线穿越导致既有结构变形的预测手段及方法还不健全，相关的研究成果也相对较少。离心模型试验作为研究地下工程问题的主要手段，对多线盾构隧道穿越既有结构的研究就显得尤为重要。在离心模型试验中，为模拟盾构隧道施工过程中产生的地层损失，排液法被广泛应用。但采用排液法模拟地层损失存在以下两个不足：一方面由于液囊是柔性材质，在固结过程中受到不均匀的土压力作用后，囊中上下部分的液体很有可能会被挤压向两侧，形成一个横向的椭圆形，模拟的地层损失区域的形状与实际盾构掘进引起的地层损失区域形状不符；另一方面，排液过程中，液体的流失不能保证不同截面位置的地层损失是均匀的，同时也不能实现地层损失量随盾构掘进的动态发展过程的模拟。那么通过一种试验装置及试验方法，既可以保证模拟的地层损失区域形状为圆环形，又能精确模拟盾构隧道掘进过程中地层损失量和动态发展过程，实现对多线盾构穿越过程中既有结构的变形特性和力学行的监测，为研究模拟隧道、既有结构和土体三者之间的相互作用机理提供研究途径和手段是具有重要意义的。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种既可以保证模拟的地层损失的区域的形状为圆环形，又能精确模拟盾构隧道开挖过程地层损失量和动态发展过程的多线盾构穿越既有结构的离心试验装置及其试验方法。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：本专利技术提供一种模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置，包括箱体、模拟隧道、支撑筒、油缸推杆、油缸、既有结构和数据采集装置；所述箱体的前端和后端各连接一块底板，所述箱体的前壁板和后壁板上各设有一块隔板；所述箱体前壁板上的隔板上设有第一圆孔，所述箱体后壁板上的隔板上设有与所述油缸推杆直径相同的第二圆孔，所述第一圆孔的圆心和所述第二圆孔的圆心相对应；所述模拟隧道在所述箱体的内部，所述模拟隧道外部设有通长的套筒，所述套筒为一端封闭的中空圆柱状，所述套筒封闭的一端穿过所述第一圆孔与所述支撑筒的一端连接，所述支撑筒的另一端与安置在所述箱体前端底板上的支撑柱连接，所述套筒的另一端通过法兰盘与所述箱体后壁板的隔板连接，所述油缸的一端通过法兰盘与所述箱体后壁板的隔板连接，所述油缸的另一端与安置在所述箱体后端底板上的支撑板连接；所述油缸推杆穿过所述第二圆孔顶接在所述套筒的密封端上；所述既有结构在所述箱体的内部，所述既有结构为隧道、既有管道、既有建筑物中的一种；所述数据采集装置固定于所述箱体顶部的固定架上，所述数据采集装置包括位移传感器、应变片和微型土压力计；所述位移传感器与所述既有结构连接，所述应变片与所述既有结构连接，所述微型土压力计与所述既有结构连接。进一步地，所述箱体后端底板上设有与所述箱体后壁板连接的梯形板，与所述梯形板垂直连接有矩形板，所述箱体的前壁板和所述箱体的后壁板上设有窗口，所述固定架通过螺栓固定在所述箱体的顶部。进一步地，所述箱体后端底板上设有与所述支撑板连接的三角形扶板，所述撑板上设有调节油缸位置的滑槽。进一步地，所述支撑柱由螺母和带螺纹圆柱组成，所述螺母焊接在所述箱体后端底板上，所述带螺纹圆柱与所述螺母连接。进一步地，所述套筒与所述箱体前壁板的隔板的连接处设有橡胶圈。进一步地，所述固定架包括若干个钢板条和固定板；所述钢板条与所述箱体的前壁板和所述箱体的后壁板螺栓连接，所述固定板固定在所述钢板条上。进一步地，所述隔板上设有若干螺栓孔和若干释压孔。进一步地，所述支撑筒为中空圆柱筒，所述支撑筒的内径等于所述套筒的外径。进一步地，所述位移传感器通过套管与所述既有结构连接，所述位移传感器的端头穿入所述套管并保持与所述套管平行，所述应变片与所述既有结构粘贴连接，所述微型土压力计与所述既有结构粘贴连接。本专利技术还提供了一种模拟多线盾构穿越既有结构的试验方法，包括以下步骤：A、设定试验参数，所述试验参数包括材料参数、环境参数和响应参数；B、在既有结构上粘贴应变片和微型土压力计；C、在箱体的试验区域内，铺设土体至设计试验高度，放置既有结构，安装位移传感器；D、隧道开挖模拟；D1、逐渐增加离心机加速度至设定值，持续运转设定时间、以模拟土体的固结；若位移传感器的读数超出量程，停机调整位移传感器位置，使读数进入量程且平稳之后，方可进行试验；D2、推动其中一个油缸，使其按设定速度推进，外套筒推进完成后，关闭油缸，继续运行设定时间；D3、重复步骤D2，依次推动油缸后，关闭油缸，继续运行设定时间；D4、缓慢降低离心试验装置转速至停机，导出试验监测数据，试验结束。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：1、由于本专利技术通过液压油缸系统推进不锈钢外套筒，释放不锈钢外套筒和模拟隧道之间的土体位移，实现了与实际地层损失区域相近的圆环形地层损失区域的模拟；2、由于本专利技术通过油缸推进系统精密控制不锈钢外套管的推进行程和推进速度，实现了在离心试验机中精确控制盾构隧道的地层损失量和动态发展过程的难题；3、由于本专利技术可模拟多条模拟隧道穿越既有结构的复杂工程问题，为研究既有结构的变形特性和力学行为，建立不同工况下的模拟隧道-既有结构-土体的相互作用机理提供了研究途径和研究方法；4、由于本专利技术是基于相似原理进行试验设计，因此得到的试验结果对实际工程中既有结构的变形预测及安全防护具有一定的参考意义。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例所述离心试验装置的立体结构示意图；图2为本专利技术实施例所述离心试验装置的平面结构示意图；图3为本专利技术实施例所述位移传感器固定架的结构示意图；图4为本专利技术实施例所述不锈钢外套筒支撑柱的结构示意图；图5为本专利技术实施例所述传感器系统的结构示意图。【附图标记】1-试验箱体结构，2-不锈钢外套筒支撑柱，3-油缸支撑板，4-三角形扶板，5-梯形板，6-矩形连接板，7-矩形窗口，8-位移传感器固定架，9-隔板，10-模拟隧道，11-不锈钢外套筒，12-套筒支撑筒，13-油缸推杆，14-油缸，15-法兰盘，16-橡胶圈，17-既有结构，18-位移传感器，19-应变片，20-微型土压力计，21-数据采集系统，22-钢板条，23-位移传感器固定板，24-螺母本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置，其特征在于，包括箱体(1)、模拟隧道(10)、支撑筒(12)、油缸推杆(13)、油缸(14)、既有结构(17)和数据采集装置(21)；所述箱体(1)的前端和后端各连接一块底板，所述箱体(1)的前壁板和后壁板上各设有一块隔板(9)；所述箱体(1)前壁板上的隔板(9)上设有第一圆孔，所述箱体(1)后壁板上的隔板(9)上设有与所述油缸推杆(13)直径相同的第二圆孔，所述第一圆孔的圆心和所述第二圆孔的圆心相对应；所述模拟隧道(10)在所述箱体(1)的内部，所述模拟隧道(10)外部设有通长的套筒(11)，所述套筒(11)为一端封闭的中空圆柱状，所述套筒(11)封闭的一端穿过所述第一圆孔与所述支撑筒(12)的一端连接，所述支撑筒(12)的另一端与安置在所述箱体(1)前端底板上的支撑柱(2)连接，所述套筒(11)的另一端通过法兰盘(15)与所述箱体(1)后壁板的隔板(9)连接，所述油缸(14)的一端通过法兰盘(15)与所述箱体(1)后壁板的隔板(9)连接，所述油缸(14)的另一端与安置在所述箱体(1)后端底板上的支撑板(3)连接；所述油缸推杆(13)穿过所述第二圆孔顶接在所述套筒(11)的密封端上；所述既有结构(17)在所述箱体(1)的内部，所述既有结构(17)为隧道、既有管道、既有建筑物中的一种；所述数据采集装置固定于所述箱体(1)顶部的固定架(8)上，所述数据采集装置(21)包括位移传感器(18)、应变片(19)和微型土压力计(20)；所述位移传感器(18)与所述既有结构(17)连接，所述应变片(19)与所述既有结构(17)连接，所述微型土压力计(19)与所述既有结构(17)连接。...
【技术特征摘要】
1.一种模拟多线盾构穿越既有结构的离心试验装置，其特征在于，包括箱体(1)、模拟隧道(10)、支撑筒(12)、油缸推杆(13)、油缸(14)、既有结构(17)和数据采集装置(21)；所述箱体(1)的前端和后端各连接一块底板，所述箱体(1)的前壁板和后壁板上各设有一块隔板(9)；所述箱体(1)前壁板上的隔板(9)上设有第一圆孔，所述箱体(1)后壁板上的隔板(9)上设有与所述油缸推杆(13)直径相同的第二圆孔，所述第一圆孔的圆心和所述第二圆孔的圆心相对应；所述模拟隧道(10)在所述箱体(1)的内部，所述模拟隧道(10)外部设有通长的套筒(11)，所述套筒(11)为一端封闭的中空圆柱状，所述套筒(11)封闭的一端穿过所述第一圆孔与所述支撑筒(12)的一端连接，所述支撑筒(12)的另一端与安置在所述箱体(1)前端底板上的支撑柱(2)连接，所述套筒(11)的另一端通过法兰盘(15)与所述箱体(1)后壁板的隔板(9)连接，所述油缸(14)的一端通过法兰盘(15)与所述箱体(1)后壁板的隔板(9)连接，所述油缸(14)的另一端与安置在所述箱体(1)后端底板上的支撑板(3)连接；所述油缸推杆(13)穿过所述第二圆孔顶接在所述套筒(11)的密封端上；所述既有结构(17)在所述箱体(1)的内部，所述既有结构(17)为隧道、既有管道、既有建筑物中的一种；所述数据采集装置固定于所述箱体(1)顶部的固定架(8)上，所述数据采集装置(21)包括位移传感器(18)、应变片(19)和微型土压力计(20)；所述位移传感器(18)与所述既有结构(17)连接，所述应变片(19)与所述既有结构(17)连接，所述微型土压力计(19)与所述既有结构(17)连接。2.根据权利要求1所述的离心试验装置，其特征在于，所述箱体(1)后端底板上设有与所述箱体(1)后壁板连接的梯形板(5)，与所述梯形板(5)垂直连接有矩形板(6)，所述箱体(1)的前壁板和所述箱体(1)的后壁板上设有窗口(7)，所述固定架(8)通过螺栓固定在所述箱体(1)的顶部。3.根据权利要求2所述的离心试验装置，其特征在于，所述箱体(1)后端底板上设有与所述支撑板(3)...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁大军，金慧，金大龙，李兴高，苏伟林，韩冰宇，陆平，罗维平，王旭阳，王小宇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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