一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置及试验方法，该装置包括模型箱，模型箱内部设置有上下布置的地层损失模拟装置和既有隧道模型；既有隧道模型包括管体和安装在管体两端的端口盖，管体内部设置道床板、基准梁、封闭集水槽，基准梁的两端穿过管体的两端的端口盖后固定在模型箱上；封闭集水槽布置在道床板上，每个封闭集水槽单独连接一根输水管，输水管引出模型箱后由供水装置对封闭集水槽进行注水；既有隧道模型上设置监测断面，监测断面处设置检测装置。通过本发明专利技术的试验方法，可模拟隧道内堆载过程；具有快捷方便的优点；尤其在盾构近距离上穿或上方基坑开挖造成既有隧道隆起工况下，对研究压重产生的抗浮效果尤其适用。

A model test device and method for simulating the concentrated load in an existing tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置及试验方法
本专利技术属于盾构隧道模型试验
，特别涉及一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置及试验方法，适用于既有隧道内集中堆载工况的模拟，尤其在盾构近距离上穿或上方基坑开挖造成既有隧道隆起工况下，对研究压重产生的抗浮效果尤其适用。
技术介绍
邻近既有隧道的盾构上穿会造成下部既有隧道的隆起变形，造成既有隧道管片环之间出现裂缝、渗漏水或螺栓断裂等危害，严重影响已运营隧道的使用功能和安全性。为了控制既有隧道的上浮变形，常常在隧道内采用集中堆载的方式进行反压。针对隧道内堆载来控制隧道的上浮变形在很多的工程中均有应用，国内外也有不少学者对隧道内堆载的影响规律进行研究，主要的研究方法包括数值模拟法、现场实测数据分析法和室内模型试验法。其中，数值模拟法很大程度上取决于模拟条件的选取，精度较难控制，往往误差较大；现场实测数据分析法采用实际工程测量，测量结果较为直观，准确，但也存在着现场地层形状复杂、施工条件复杂、测试原件埋设困难等缺点。室内模型试验法作为一种有效的研究方法，在保证了一定的准确性、直观性的基础上，在室内即可实现对工程实际问题的模拟，节省了大量的人力和物力。而针对盾构近距离上穿工况下，对既有隧道内压重进行的室内模型试验研究还未见到，有待进一步开展。综上所述，现有的研究方法普遍存在着精度较难控制、测量结果不够直观、研究条件复杂、成本高、费时费力等问题，亟需通过改进技术来进行解决。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置及试验方法。为实现上述技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，包括模型箱，模型箱内部设置有上下布置的地层损失模拟装置和既有隧道模型；所述既有隧道模型包括管体和安装在管体两端的端口盖，管体内部设置道床板、基准梁、封闭集水槽，基准梁的两端穿过管体的两端的端口盖后固定在模型箱上；封闭集水槽布置在道床板上，每个封闭集水槽单独连接一根输水管，输水管引出模型箱后由供水装置对封闭集水槽进行注水；所述既有隧道模型上设置监测断面，监测断面处设置检测装置。进一步的，所述地层损失模拟装置由外管和嵌套在外管内的内管组成，内管的内端固定在模型箱侧壁，外管的外端穿过模型箱一侧的接收孔后连接牵引装置。进一步的，所述检测装置包括位移计、土压力盒和应变片，既有隧道模型内部两侧拱腰和拱顶位置均设置位移计，位移计固定在基准梁上，外部的两侧拱腰、拱顶和拱底位置均设置土压力盒，拱底位置设置应变片。进一步的，所述供水装置包括依次设置水泵、阀门、流量计和输水管连接器。进一步的，所述地层损失模拟装置在模型箱中靠上部的空间，高度和穿越角度均固定，既有隧道模型在下部空间，可调整所在高度和角度。既有隧道模型与地层损失模拟装置呈一定角度布置，该角度可为30°、45°、60°、90°等多个角度，用于模拟不同埋深和不同穿越角度工况下的隧道近接施工。进一步的，所述模型箱的长宽高分别为4m×4m×3m，正面采用钢化玻璃并标有刻度，其他面采用钢板焊接。进一步的，所述地层损失模拟装置和既有隧道模型采用铝合金空心管材制作而成，地层损失模拟装置的外管和内管之间的空隙设置钢珠。进一步的，所述道床板固定在既有隧道模型内部的滑槽内，由金属板制作而成，涂抹一定润滑油。进一步的，所述管体的两端由端口盖密封，一端的端口盖上设置引线孔和塑料软管，两端的端口盖均设置一个供基准梁穿过的小孔，小孔内部沿环向设置橡胶套圈。进一步的，所述集水槽对称布置在道床板中心两侧，每一个集水槽为封闭的盒状结构，顶部设置可拆卸盖板，集水槽与道床板等宽，长度为0.3-0.5m，高度为10-15cm，每一个集水槽一一对应一根输水管，进行单独的编号。进一步的，所述基准梁的长度可调节，两端通过可拆卸的方式固定在模型箱侧壁上。进一步的，所述快速泄沙口位于模型箱后立面，利用后立面钢板开设矩形开孔，并安装活动门，可手动开闭。本专利技术的第二目的是提供一种如上述的模拟既有隧道内集中堆载模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：(1)在既有隧道模型以下范围的模型箱中装入细沙，充分压实，按照试验的角度调整既有隧道模型；(2)再将外部的细沙均匀填入模型箱中，直至细沙填至指定高度，将位移计、土压力盒和应变片连接对应仪器；(3)开启牵引装置，将外管抽出，在掘进过程中根据试验方案决定注水的时间、注水的位置及注入的水量，位移计、土压力盒和应变片实时监测既有隧道模型的位移、环向土压力及弯矩变化数据；(4)处理既有隧道模型所受土压力，弯矩及位移量的试验数据，绘制相关曲线。本专利技术的有益效果是：1)便于模拟不同上穿角度和埋深的穿越工况地层损失模拟装置设置在模型箱上部固定位置，下部空间选择合适高度布置3-4个既有隧道模型埋设层，在试验过程中，下部的既有隧道模型可固定在不同埋深的土层中，并可与地层损失模拟装置形成30°、45°、60°90°多个角度，用于模拟不同埋深和不同穿越角度工况下的隧道近接施工。2)便于模拟不同堆载方案对隧道上浮的控制效果既有隧道模型内部在上下隧道穿越中心点两侧对称布置独立的集水槽，每个集水槽一一对应一根输水管通向模型箱外部，每一根输水管分别编号，模拟堆载过程中仅需要向对应的输水管和集水槽内注水即可，随着注入集水槽位置的不同和注入量的控制，可以模拟不同堆载长度、堆载重量对隧道上浮变形的控制。另外，在新建隧道穿越前、穿越时、穿越后分别进行注水，还可以对比不同穿越阶段下进行堆载的效果。3)机械化程度高，试验操作简单地层损失模拟装置的穿越过程通过卷扬机和钢绞线实现，模型箱内的细沙通过机械洒沙的方式分层装填和压实，而泄沙可通过模型箱上预留的快速泄沙口进行快速完成，试验过程机械化程度较高，节省了人力，便于试验的操作与完成。4)针对布置测量仪器，精确反映试验结果在既有隧道模型内部两侧拱腰和拱顶设置三个方向的LVDT位移计，能测量隧道整体的绝对位移和结构收敛变形；在隧道外部四个方向设置的土压力盒能够测量隧道各个部位的土压力分布情况；在隧道外壁底部轴线上安装的应变片则用于监测反映隧道模型在上穿影响下产生的弯矩变化情况。三者共同对既有隧道模型的变形情况进行监控量测，充分反映试验过程中既有隧道模型的位移及变形情况。附图说明图1是本专利技术试验装置整体结构示意图；图2是既有隧道模型布置平面图；图3是地层损失模拟装置布置平面图；图4是既有隧道模型内部结构横断面示意图；图5是既有隧道模型内部结构纵断面示意图；图6是既有隧道模型内部结构局部详图；附图标记说明：模型箱1；地层损失模拟装置2；既有隧道模型3；集水槽4；输水管5；可拆卸盖板6；端口盖7；基准梁8；塑料软管9；水泵10；阀门11；流量计12；输水管连接器13；引线孔14；钢支架15；拉环16；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，包括模型箱，模型箱内部设置有上下布置的地层损失模拟装置和既有隧道模型；所述既有隧道模型包括管体和安装在管体两端的端口盖，管体内部设置道床板、基准梁、封闭集水槽，基准梁的两端穿过管体的两端的端口盖后固定在模型箱上；封闭集水槽布置在道床板上，每个封闭集水槽单独连接一根输水管，输水管引出模型箱后由供水装置对封闭集水槽进行注水；所述既有隧道模型上设置监测断面，监测断面处设置检测装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，包括模型箱，模型箱内部设置有上下布置的地层损失模拟装置和既有隧道模型；所述既有隧道模型包括管体和安装在管体两端的端口盖，管体内部设置道床板、基准梁、封闭集水槽，基准梁的两端穿过管体的两端的端口盖后固定在模型箱上；封闭集水槽布置在道床板上，每个封闭集水槽单独连接一根输水管，输水管引出模型箱后由供水装置对封闭集水槽进行注水；所述既有隧道模型上设置监测断面，监测断面处设置检测装置。


2.根据权利要求1所述的一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，所述新建隧道模型由外管和嵌套在外管内的内管组成，内管的内端固定在模型箱侧壁，外管的外端穿过模型箱一侧的接收孔后连接牵引装置。


3.根据权利要求1或2所述的一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，所述检测装置包括位移计、土压力盒和应变片，既有隧道模型内部两侧拱腰和拱顶位置均设置位移计，位移计固定在基准梁上，外部的两侧拱腰、拱顶和拱底位置均设置土压力盒，拱底位置设置应变片。


4.根据权利要求1所述的一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，所述供水装置包括依次设置水泵、阀门、流量计和输水管连接器。


5.根据权利要求1所述的一种模拟既有隧道内集中堆载的模型试验装置，其特征在于，所述模型箱正面采用钢化玻璃并标有刻度，其他面采用钢板焊接。


6.根据权利要求1所述的一种模拟既有隧道内集中...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，齐永洁，蒋吉清，刘亚宇，李志远，刘立源，赵得乾麟，张书鸣，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33