用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置制造方法及图纸

本申请属于运营荷载诱发地面沉降防控技术领域，提供一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置。本申请能同时模拟城市高密集区地上和地下多重运营荷载在不同的运营工况下引起的地面沉降，并获取精准的地面沉降数据，以有效防控地面沉降灾害发生；本申请能模拟城市高密集区地铁运营区含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的影响，并能获得含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的分布规律，以降低含溶洞高压沼气地层进行地铁施工的风险，降低施工成本；本申请能获取不同降雨量的条件下城市高密集区地铁运营引起的地面沉降数据，以降低防汛期城市地铁施工引发的各类风险，节约工期，确保地铁施工的安全。

Multiple operation load induced land subsidence prevention and control device for karst cave methane formation

【技术实现步骤摘要】
用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置
本申请属于运营荷载诱发地面沉降防控
，尤其是涉及一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置。
技术介绍
随着科技的迅速发展以及城市规划的不断进步，城市轨道交通越来越成为市民出行与生活的最佳选择。城市轨道交通网错综复杂，有的建造在地下，有的建造在地面，有的是多重叠交建造，不管何种建造方式，都经过城市的中心地带，给人们的出行带来极大地的方便。但是经过城市中心的城市轨道交通，具有建筑物密集、人口密集、商业发达等特殊性，而城市轨道交通运营产生的振动是世界公认的七大公害之一，它会引起地基土振陷、沼气泄露致地面沉降、隧道所处地层水位变化、隧道渗漏水、隧道邻近范围的密集建(构)筑物倾斜开裂等，对城市轨道交通的正常运营和使用安全产生重大不良影响。现有的关于城市轨道交通引起的振动研究主要是三种方法，分别是理论分析和数值计算、室内模拟实验以及现场实测实验。理论分析和数值计算过于理论化，城市轨道交通振动是一个涉及多方面的综合性问题，仅通过理论分析很难将各方面因素进行综合考虑；现场实测实验能获得真实的数据，但是由于工程地质条件和周围环境也极为复杂，由于受项目成本和工期的限制，研究的地质因素和环境变量很难多样化，因而获取的研究结论局限性大，且费时费力；室内模拟实验可以模拟现场的各类复杂条件，能真实地模拟城市轨道交通运营环境，能模拟城市轨道交通运营振动荷载对周边环境的影响，是一种成本低、数据真实、结论可靠的实验方法。以上三种方法，现有的研究均没有涉及人工降雨条件下含溶洞沼气地层的城市高密集区，地面高铁运营荷载和地下地铁运营荷载联合作用下诱发地面沉降的防控技术研究，因此，如何有效防控含溶洞沼气地层的高密集区多重运营荷载诱发地面沉降，可以实时掌握城市轨道交通运营的安全性状，为运营期地铁隧道、邻近建(构)筑物的稳定性评估提供科学依据，能有效防控地面沉降灾害的发生。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本申请的目的是提供一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，该装置具有能模拟城市高密集区含溶洞的沼气地层、地面沉降监测数据准确可靠、多重运营振动荷载环境逼真、成本低效率高等特点。为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，包括位移传感系统、振动传感系统、分层沉降标监测系统、激振系统、运营隧道、函数信号发生器、功率放大器、测振仪、地面沉降监测仪、密集建筑群、隧道上方填土、隧道洞身填土、隧道底部填土、大型地质模型箱、第一输出电缆、第二输出电缆、分层沉降量测井系统、测斜井系统、固定器、气囊式溶洞沼气地层模拟系统、限压板、限压环、自然降雨模拟系统；大型地质模型箱内自下向上依次填装隧道底部填土、隧道洞身填土和隧道上方填土；隧道洞身填土内设置运营隧道；密集建筑群包括第一建筑模型、第二建筑模型，第一建筑模型、第二建筑模型分别设置于隧道上方填土的上表面，以模拟城市高密集区的地表建筑物；隧道洞身填土中设置有两个气囊式溶洞沼气地层模拟系统，均位于运营隧道的外壁上端，且等距离距布设，可以设置在沿运营隧道纵向的1/3、2/3位置处；气囊式溶洞沼气地层模拟系统包括自闭式气体控制器、沼气蛛网状气囊、溶洞拱形气囊、限压口、输气管、地下沼体、气囊卸压后的溶洞；若干沼气蛛网状气囊通过其底部呈蛛网状布设在溶洞拱形气囊上，并与溶洞拱形气囊连通，同时沼气蛛网状气囊的顶部设置限压口，且限压口通过限压环与限压板胶接；溶洞拱形气囊安装在固定器上，固定器与运营隧道的内壁胶接，同时溶洞拱形气囊内部设置自闭式气体控制器，输气管的一端穿过固定器与自闭式气体控制器连接，输气管另一端与外接人工沼气系统连接；自然降雨模拟系统包括淋喷降雨模拟器、流量控制计、旋转杆、水管；淋喷降雨模拟器设置在大型地质模型箱上方，并通过旋转杆与流量控制计连接，流量控制计通过水管与外接水源连接，通过流量控制计控制淋喷降雨模拟器喷淋出的水量大小，通过旋转杆控制淋喷降雨模拟器喷淋的角度；同时，大型地质模型箱的底部开设有排水口，用于排水；激振系统包括第一激振器、第二激振器，且第一激振器、第二激振器的内部中心轴处均设置有激振棒，第一激振器设置于运营隧道的内部中心位置，第二激振器设置于隧道上方填土的上表面并位于第一建筑模型、第二建筑模型之间的中心位置；函数信号发生器通过第一输出电缆与功率放大器连接，功率放大器通过第二输出电缆与第一激振器、第二激振器连接；运营荷载的频率通过函数信号发生器进行输入，并输送至功率放大器，通过功率放大器分别控制第一激振器和第二激振器输出不同振幅和频率的振动，以模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；位移传感系统设置于隧道上方填土上表面及其内部的第一预设位置，并与地面沉降监测仪连接，通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降；振动传感系统设置于隧道上方填土上表面的第二预设位置，用于感应隧道上方填土上表面的第二预设位置的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载；测振仪与振动传感系统连接，用于监测隧道上方填土上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降；分层沉降标监测系统设置于大型地质模型箱内的不同土层埋深处；地面沉降监测仪与分层沉降标监测系统连接，用于监测大型地质模型箱内不同土层埋深处的土体沉降量；测斜井系统设置在大型地质模型箱内，用于量测在大型地质模型箱内任意位置土体的侧向偏移的变化量。进一步，振动传感系统包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器；第一振动传感器布设在大型地质模型箱的地表中心，并位于运营隧道的正上方；第二振动传感器布设在第二建筑模型的前方；第三振动传感器布设在第一建筑模型的前方。在本申请中，测振仪主要监测地铁运营诱发的震动波带来的破坏，监测值主要是加速度、速度。测振仪需要与振动传感系统中的各个振动传感器连接，因为振动传感器主要是把振动信号转换成电信号，测振仪主要是通过对输入信号的处理分析，显示出振动的加速度、速度。进一步，位移传感系统包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器；第一位移传感器布设在紧邻第一建筑模型的右侧中心，第二位移传感器布设在紧邻第二建筑模型的左侧中心，第三位移传感器布设在紧邻第一振动传感器的后侧中心，第四位移传感器布设在紧邻第一建筑模型的前侧中心，第五位移传感器布设在紧邻第二建筑模型的前侧中心；第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器分别与地面沉降监测仪连接，通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土上表面第二预设位置的土体沉降量。进一步，分层沉降量测井系统包括第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管；第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管均埋设在隧道上方填土中，且第一分层沉降管、第二分层沉降管的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：包括位移传感系统(1)、振动传感系统(2)、分层沉降标监测系统(3)、激振系统(4)、运营隧道(5)、函数信号发生器(6)、功率放大器(7)、测振仪(8)、地面沉降监测仪(9)、密集建筑群(10)、隧道上方填土(11)、隧道洞身填土(12)、隧道底部填土(13)、大型地质模型箱(14)、第一输出电缆(15)、第二输出电缆(16)、分层沉降量测井系统(25)、测斜井系统(26)、固定器(33)、气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)、限压板(35)、限压环(36)、自然降雨模拟系统；/n大型地质模型箱(14)内自下向上依次填装隧道底部填土(13)、隧道洞身填土(12)和隧道上方填土(11)；隧道洞身填土(12)中心内沿大型地质模型箱(14)前后方向设置运营隧道(5)；密集建筑群(10)包括第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)，第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)呈左右对称分别设置于隧道上方填土(11)的上表面，以模拟城市高密集区的地表建筑物；/n隧道洞身填土(12)中设置有两个气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)，均位于运营隧道(5)的外壁上端，且等距离距布设；气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)包括自闭式气体控制器(3401)、沼气蛛网状气囊(3402)、溶洞拱形气囊(3403)、限压口(3404)、输气管(3405)、地下沼体(3406)、气囊卸压后的溶洞(3407)；若干沼气蛛网状气囊(3402)呈蛛网状布设在溶洞拱形气囊(3403)上，并与溶洞拱形气囊(3403)连通，同时沼气蛛网状气囊(3402)的顶部设置限压口(3404)，且限压口(3404)通过限压环(36)与限压板(35)胶接；溶洞拱形气囊(3403)安装在固定器(33)上，固定器(33)与运营隧道(5)的内壁胶接，同时溶洞拱形气囊(3403)内部设置自闭式气体控制器(3401)，输气管(3405)的一端穿过固定器(33)与自闭式气体控制器(3401)连接，输气管(3405)另一端与外接人工沼气系统连接；/n自然降雨模拟系统包括淋喷降雨模拟器(28)、流量控制计(29)、旋转杆(30)、水管(31)；淋喷降雨模拟器(28)设置在大型地质模型箱(14)上方，并通过旋转杆(30)与流量控制计(29)连接，流量控制计(29)通过水管(31)与外接水源连接，通过流量控制计(29)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋出的水量大小，通过旋转杆(30)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋的角度；同时，大型地质模型箱(14)的底部开设有排水口(27)，用于排水；/n激振系统(4)包括第一激振器(401)、第二激振器(402)，且第一激振器(401)、第二激振器(402)的内部中心轴处均设置有激振棒(403)，第一激振器(401)设置于运营隧道(5)的内部中心位置，第二激振器(402)设置于隧道上方填土(11)的上表面并位于第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)之间的中心位置；/n函数信号发生器(6)通过第一输出电缆(15)与功率放大器(7)连接，功率放大器(7)通过第二输出电缆(16)与第一激振器(401)、第二激振器(402)连接；运营荷载的频率通过函数信号发生器(6)进行输入，并输送至功率放大器(7)，通过功率放大器(7)分别控制第一激振器(401)和第二激振器(402)输出不同振幅和频率的振动，以模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；/n位移传感系统(1)设置于隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置，并与地面沉降监测仪(9)连接，通过地面沉降监测仪(9)监测隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降；/n振动传感系统(2)设置于隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置，用于感应隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载；测振仪(8)与振动传感系统(2)连接，用于监测隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降；/n分层沉降标监测系统(3)设置于大型地质模型箱(14)内的不同土层埋深处；地面沉降监测仪(9)与分层沉降标监测系统(3)连接，用于监测大型地质模型箱(14)内不同土层埋深处的土体沉降量；/n测斜井系统(26)设置在大型地质模型箱(14)内，用于量测在大型地质模型箱(14)内任意位置土体的侧向偏移的变化量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：包括位移传感系统(1)、振动传感系统(2)、分层沉降标监测系统(3)、激振系统(4)、运营隧道(5)、函数信号发生器(6)、功率放大器(7)、测振仪(8)、地面沉降监测仪(9)、密集建筑群(10)、隧道上方填土(11)、隧道洞身填土(12)、隧道底部填土(13)、大型地质模型箱(14)、第一输出电缆(15)、第二输出电缆(16)、分层沉降量测井系统(25)、测斜井系统(26)、固定器(33)、气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)、限压板(35)、限压环(36)、自然降雨模拟系统；
大型地质模型箱(14)内自下向上依次填装隧道底部填土(13)、隧道洞身填土(12)和隧道上方填土(11)；隧道洞身填土(12)中心内沿大型地质模型箱(14)前后方向设置运营隧道(5)；密集建筑群(10)包括第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)，第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)呈左右对称分别设置于隧道上方填土(11)的上表面，以模拟城市高密集区的地表建筑物；
隧道洞身填土(12)中设置有两个气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)，均位于运营隧道(5)的外壁上端，且等距离距布设；气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)包括自闭式气体控制器(3401)、沼气蛛网状气囊(3402)、溶洞拱形气囊(3403)、限压口(3404)、输气管(3405)、地下沼体(3406)、气囊卸压后的溶洞(3407)；若干沼气蛛网状气囊(3402)呈蛛网状布设在溶洞拱形气囊(3403)上，并与溶洞拱形气囊(3403)连通，同时沼气蛛网状气囊(3402)的顶部设置限压口(3404)，且限压口(3404)通过限压环(36)与限压板(35)胶接；溶洞拱形气囊(3403)安装在固定器(33)上，固定器(33)与运营隧道(5)的内壁胶接，同时溶洞拱形气囊(3403)内部设置自闭式气体控制器(3401)，输气管(3405)的一端穿过固定器(33)与自闭式气体控制器(3401)连接，输气管(3405)另一端与外接人工沼气系统连接；
自然降雨模拟系统包括淋喷降雨模拟器(28)、流量控制计(29)、旋转杆(30)、水管(31)；淋喷降雨模拟器(28)设置在大型地质模型箱(14)上方，并通过旋转杆(30)与流量控制计(29)连接，流量控制计(29)通过水管(31)与外接水源连接，通过流量控制计(29)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋出的水量大小，通过旋转杆(30)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋的角度；同时，大型地质模型箱(14)的底部开设有排水口(27)，用于排水；
激振系统(4)包括第一激振器(401)、第二激振器(402)，且第一激振器(401)、第二激振器(402)的内部中心轴处均设置有激振棒(403)，第一激振器(401)设置于运营隧道(5)的内部中心位置，第二激振器(402)设置于隧道上方填土(11)的上表面并位于第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)之间的中心位置；
函数信号发生器(6)通过第一输出电缆(15)与功率放大器(7)连接，功率放大器(7)通过第二输出电缆(16)与第一激振器(401)、第二激振器(402)连接；运营荷载的频率通过函数信号发生器(6)进行输入，并输送至功率放大器(7)，通过功率放大器(7)分别控制第一激振器(401)和第二激振器(402)输出不同振幅和频率的振动，以模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；
位移传感系统(1)设置于隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置，并与地面沉降监测仪(9)连接，通过地面沉降监测仪(9)监测隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降；
振动传感系统(2)设置于隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置，用于感应隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载；测振仪(8)与振动传感系统(2)连接，用于监测隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降；
分层沉降标监测系统(3)设置于大型地质模型箱(14)内的不同土层埋深处；地面沉降监测仪(9)与分层沉降标监测系统(3)连接，用于监测大型地质模型箱(14)内不同土层埋深处的土体沉降量；
测斜井系统(26)设置在大型地质模型箱(14)内，用于量测在大型地质模型箱(14)内任意位置土体的侧向偏移的变化量。


2.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：振动传感系统(2)包括第一振动传感器(201)、第二振动传感器(202)、第三振动传感器(203)；
第一振动传感器(201)布设在大型地质模型箱(14)的地表中心，并位于运营隧道(5)的正上方；第二振动传感器(202)布设在第二建筑模型(1002)的前方；第三振动传感器(203)布设在第一建筑模型(1001)的前方。


3.根据权利要求2所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：位移传感系统(1)包括第一位移传感器(101)、第二位移传感器(102)、第三位移传感器(103)、第四位移传感器(104)、第五位移传感器(105)；
第一位移传感器(101)布设在紧邻第一建筑模型(1001)的右侧中心，第二位移传感器(102)布设在紧邻第二建筑模型(1002)的左侧中心，第三位移传感器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹宝平，牟军东，张昊泽，罗战友，刘治平，李震宇，姜茗耀，谢况琴，
申请(专利权)人：浙江科技学院，杭州市地铁集团有限责任公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33