一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，包括模型箱、水压控制系统、加载系统以及监测系统。该测试系统首先利用水压控制系统调整模型箱内水压，在模型箱内近似模拟渗流及压力作用；其次，通过加载系统分别控制多个电磁激振器将列车振动荷载传递到模型箱内隧道模型上，用以模拟列车移动及交会对水下隧道结构的作用；最后，采用监测系统实时监测隧道结构及围岩的动力响应特性。此外，可通过在隧道模型内预制裂缝以模拟受损隧道，在模型箱两侧安装不同孔眼的法兰以研究各种断面形式及多条隧道的动力响应，扩展本发明专利技术的适用性。本发明专利技术可模拟列车交会作用下引起水下隧道及围岩的动力响应，为隧道工程设计和施工提供理论依据。施工提供理论依据。施工提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统


[0001]本专利技术涉及土木工程试验领域岩土类试验
，具体是一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统。
技术背景
[0002]列车在运行时由于轨道不平顺等因素产生振动荷载，该荷载激发了隧道结构及围岩的动力响应，而列车交会加重了这种作用。此外，随着水下隧道的快速建设，所承受的水压增大，导致列车振动荷载与高水压的耦合作用恶化了下卧层地基土的不均匀沉降，这进而导致隧道管片接缝处发生开裂、漏水等病害的几率急剧上升，其带来的安全问题不容小觑。
[0003]由于采用模型试验对列车荷载作用下隧道结构动力响应特性进行研究较为复杂，国内较少有这方面的研究，现有研究主要集中在单辆列车移动荷载；且对考虑水压作用下隧道结构在列车振动作用下的动力特性的研究也甚少。中国专利申请号202211501918.5采用对多个电磁激振器施加一定时间间隔来模拟列车移动荷载；中国专利申请号202120116248.X考虑了渗流时隧道结构在列车振动作用下的动力特性。
[0004]然而，在现有对于列车振动荷载引起隧道结构及围岩的动力响应模型试验研究中，由于存在某些条件限制，还存在以下不足：
[0005]1、现有试验中研究的隧道结构多为单线隧道，针对双线隧道内列车交会引起结构动力响应特性的研究少有；
[0006]2、试验中模拟的土层环境多为无水环境，研究中较少考虑水的作用，针对水压作用下的隧道动力响应及围岩的研究更是少见。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术提供一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，能真实地模拟列车交会作用引起水下隧道结构及周围土层的动力响应特性，探究振动波沿隧道纵向、横向以及地层深度方向的衰减规律，并监测土层孔隙水压的动态时变特性；同时，通过预制既有裂缝、安装不同孔眼的法兰，扩展本专利技术的适用性。
[0008]为达上述目的，本专利技术按照以下技术方案实施：
[0009]提供了一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，包括模型箱、水压控制系统、加载系统以及监测系统；所述模型箱用于模拟水压环境；所述水压控制系统位于模型箱外侧，水压控制系统与模型箱采用输气管连接；所述加载系统设在模型箱中心处，用于向模型隧道中施加列车振动荷载；所述监测系统位于模型箱内，用于监测列车荷载作用下隧道结构及围岩的动力响应。
[0010]优选的，所述模型箱为钢板焊接而成的立方体结构，顶部设有可拆卸顶板，左右两侧钢板中心处开设有方形开口，每个所述方形开口外侧设有法兰，所述法兰与模型箱采用螺栓固定，法兰与模型箱之间设有橡胶垫层。
[0011]优选的，所述模型箱内表面涂抹减振敷层，模型箱内填充土层材料和液体材料，所述液体材料液面高于土层材料，所述土层材料内部设有独立的隧道模型。
[0012]优选的，所述隧道模型为单洞双线隧道结构，所述隧道模型内沿长度方向设有轨道模型，隧道模型两端贯穿法兰的孔眼，所述法兰上孔眼的数量、形状与隧道模型相同，所述孔眼与隧道模型间设有密封圈。
[0013]优选的，所述水压控制系统包括空气压缩机、保压水泵，所述保压水泵通过输气管与模型箱相连，输气管与模型箱之间密封连接；所述空气压缩机与保压水泵相连，提供保压水泵所需的额外压力。
[0014]优选的，所述加载系统包括激振器组、搭载横梁、信号放大器、信号发生器以及计算机，所述搭载横梁包括两根工字钢、立柱以及混凝土基础，所述工字钢贯穿隧道模型内部，所述工字钢固定在立柱上，所述立柱与混凝土基础采用刚性连接，所述混凝土基础分别设在模型箱左右两侧；所述激振器组包括多个电磁激振器，每个电磁激振器固定在工字钢上，每个电磁激振器依次与信号放大器、信号发生器、计算机相连。
[0015]优选的，所述监测系统包括加速度传感器、孔隙水压力计、土压力盒、动态力传感器、位移传感器以及动态信号采集设备，所述加速度传感器布设在隧道模型与土层材料内，孔隙水压力计布设在土层材料内，土压力盒布设在隧道模型上方，位移传感器布设在土层材料上部，动态力传感器布设在每个电磁激振器下方，加速度传感器、孔隙水压力计、土压力盒、动态力传感器以及位移传感器通过连接线与动态信号采集设备相连，动态信号采集设备与计算机相连。
[0016]优选的，为实现水压环境的模拟，本专利技术通过采取以下步骤实现：首先，对模型箱顶板、两侧方形开口以及孔眼与隧道模型连接处进行密封处理，以形成防水、耐压的密闭空间；其次，填充土层材料和液体材料于模型箱内，使液面高于土层材料，在保压水泵外部加压的作用下，近似模拟渗流及水压作用；最后，根据隧道上方土压力盒数据，调节保压水泵以达到试验要求压力，以精准控制模型箱内压力。
[0017]优选的，为模拟列车的交会工况，本专利技术通过采取以下步骤实现：首先，分别将两排激振器组平行地搭载于两根工字钢上，使电磁激振器的激振头刚好接触轨道模型；其次，通过对相邻的两个电磁激振器输入时间间隔为Δt的列车振动荷载，模拟列车移动效应；最后，分别对两排激振器组进行控制，以近似模拟列车交会工况。每个所述的电磁激振器施加的荷载激励曲线相同，相邻两个电磁激振器的时间间隔Δt：
[0018]Δt＝ΔL/v
[0019]式中：ΔL为枕轨间距，v为列车速度；电磁激振器的数量和间距可根据实验需求进行灵活调整，以达到最佳模拟效果；输入荷载可根据动态力传感器的数据进行精确控制，以确保荷载的精确施加。
[0020]优选的，在隧道模型内部预制了一条或多条既有裂缝，所述既有裂缝沿隧道模型长度方向设置，所述既有裂缝的深度和长度根据具体试验要求设置，以近似模拟隧道受损情况。
[0021]优选的，通过安装不同孔眼的法兰，扩展本专利技术的适用性；本专利技术可根据具体试验要求安装带有不同孔眼的法兰，布设一条或以上的隧道模型，调整立柱高度，以研究不同截面型式、双洞隧道在水压环境下列车移动引起的动力响应特性。
[0022]与现有技术相比，本专利技术在缩尺试验中采用单洞双线隧道结构，考虑了列车交会作用对结构的影响，通过外部加压的方式，在模型箱内模拟了水压环境；通过使用该动力响应测试系统，可以对水压环境下不同车型、车速列车产生的振动荷载在隧道及周围土层中沿不同方向的传播和衰减规律进行研究，从而深入了解列车移动荷载作用下水下隧道结构及围岩的动力响应问题，为工程实际和理论研究提供现实依据。
附图说明
[0023]图1为隧道结构及围岩的动力响应测试系统装置示意图；
[0024]图2为图1中A
‑
A截面剖视图；
[0025]图3为受损隧道横断面示意图；
[0026]图4为立柱结构与混凝土基础的三视图；
[0027]图5为可拆卸顶板结构示意图；
[0028]图6为不同孔眼法兰的示意图；
[0029]图7为两侧法兰与隧道模型连接处密封示意图。
[0030]图中：1、模型箱；2、隧道模型；3、搭载横梁；4、混凝土基础；5、液体材料；6、土层材料；7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，其特征在于，包括：模型箱(1)、水压控制系统(100)、加载系统(200)以及监测系统(300)；所述模型箱(1)用于模拟水压环境；所述水压控制系统(100)位于模型箱(1)外侧，水压控制系统(100)与模型箱(1)采用输气管(12)连接；所述加载系统(200)设在模型箱(1)中心处，用于向模型隧道(2)中施加列车振动荷载；所述监测系统(300)位于模型箱(1)内，用于监测列车荷载作用下隧道结构及围岩的动力响应。2.根据权利要求1所述的一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，其特征在于：所述模型箱(1)为钢板焊接而成的立方体结构，顶部设有可拆卸顶板(7)，左右两钢板中心处开设有方形开口(22)，所述每个方形开口(22)外侧安装法兰(21)，所述法兰(21)与模型箱(1)采用螺栓固定，法兰(21)与模型箱(1)之间设有橡胶垫层(32)。3.根据权利要求2所述的一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，其特征在于：所述模型箱(1)的内表面设有减振敷层，模型箱(1)内填充土层材料(6)和液体材料(5)，所述液体材料液面(5)高于土层材料(6)，所述土层材料(6)内埋设有独立的隧道模型(2)。4.根据权利要求3所述的一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，其特征在于：所述隧道模型(2)为单洞双线隧道结构，所述隧道模型(2)内沿长度方向设有轨道模型(26)，隧道模型(2)贯穿模型箱(1)左右两侧法兰(21)，所述法兰(21)上的孔眼(29)数量、形状与隧道模型(2)相同，所述孔眼(29)与隧道模型(2)间设有密封圈(30)。5.根据权利要求1所述的一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应的测试系统，其特征在于：所述水压控制系统(200)包括空气压缩机(10)和保压水泵(11)，所述保压水泵(11)通过输气管(12)与模型箱(100)相连，所述空气压缩机(10)与保压水泵(11)间采用输气管(12)相连。6.根据权利要求1所述的一种模拟列车交会引起水下隧道动力响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁智，陈超峰，徐丽阳，孙苗苗，黄鑫，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：