離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統的製作方法

2023-06-18 15:32:26

專利名稱：離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統的製作方法
技術領域：
本發明屬巖土及地下工程中的隧道工程領域，具體涉及一種離心場中隧道滲漏水
模擬與測量系統。
背景技術：
上海地處東海之濱，地下廣泛分布著很深的軟粘土沉積層，它具有土壤顆粒細 (一般在O. 1-0. 002mm)、抗剪強度低、含水量高(w = 40 %以上)、天然孔隙比大(emax = 1. 5)、靈敏度高= 4-5)、高壓縮性和流變性等顯著的工程特性。此外地下水位很高，一 般地表下O. 5-lm處即可見地下水。盾構隧道因長期受地表水與地下水有害作用的影響.在 施工和運營過程中，滲漏水會使結構不均勻沉降，隧道產生彎曲，導致隧道接縫張開，從而 進一步加劇滲漏。隧道的滲漏水會影響結構的耐久性和設備的正常使用，危及行車安全，同 時水的流失使得孔隙水壓力降低，土中有效應力增加，從而土體被壓密而引起沉降。在這種 情況下對地鐵隧道本身的安全和對環境的影響提出了更高要求。因此亟需發展一種先進的 模型試驗裝置針對性的研究軟土中隧道滲漏水情況對其長期沉降的影響，探索其機理，從 而為實際地鐵隧道運營和施工提供良好的諮詢和建議。離心模型試驗是一種先進的物理模 擬手段，能夠真實再現現場的土體應力水平，尤其適用於探索巖土及地下工程機理研究。
目前國內外對軟土中隧道滲漏水特性的研究主要有數值模擬方法以及現場監測 的方法。數值模擬的方法相對比較成熟，但是存在的不足之處主要有(l) 土體物理力學參 數對計算結果影響很大，但是由於儀器設備限制，很難得到精確的各項土體參數。(2)數值 模擬方法對土體的應力歷史以及邊界條件難以完全模擬，造成結果的偏差。現場監測的不 足之處主要有(l)由於儀器設備以及人為觀察因素的限制，現場結果有一定偏差。(2)現 場監測需要大量人力物力以及資金的支持，尤其對於長期沉降的監測，比較不現實，並且時 效性較差。

發明內容
本發明的目的在於提出一種離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統。
本發明提出的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統，由模型箱1、有機玻璃2、隔 板3、隧道管6、液壓閥7、密封頂蓋8、貯液缸9、液體導管和孔隙水壓力計11組成，其中
模型箱1為中部空心的長方體結構，其前側面為有機玻璃面2，隔板3放置於模型 箱1內，將模型箱1分隔為模型側與附件側兩部分，模型側為靠近有機玻璃面2側，模型側 頂部設有密封頂蓋8，隧道管6位於模型側，液壓閥7及貯液缸9位於附件側；隔板3由鋼板 17、縱向加筋肋18及橫向加筋肋21組成，矩形鋼板17縱向兩側均布有縱向加筋肋18，兩個 縱向加筋肋18之間設有橫向加筋肋21，液壓閥7位於橫向加筋肋21上方；鋼板17上設有 帶螺紋洞口 4，帶螺紋洞口 4內套有雙向接頭5，雙向接頭5—端通過第一液體導管10連接 隧道管6，另一端通過第二液體導管22與液壓閥7相連，液壓閥7通過第三液體導管23與 貯液缸9相連；貯液缸9底部固定於模型箱1內，貯液缸9底部設置有孔隙水壓力計ll，頂面開有孔眼，孔隙水壓力計11通過該孔眼由導線19連接測量設備。 本發明中，所述隧道管6頂端沿長度方向設有5個凹槽，環向設有8個孔眼，每個 孔眼均由粉細砂13填充，外面纏有一層透水土工布14 ;隧道管6縱向中心開有小孔，隧道 管6內部設有乳膠氣囊15，隧道管6側面接近兩端及端面處沿徑向纏繞有乳膠帶16，乳膠 氣囊15引出的氣體導管20與氣閥12連接，從氣閥12引出的氣體導管20連接離心機的排 氣系統。 本發明中，所述模型箱1的其餘五個側面均採用鋁合金板。 本發明通過控制氣閥12實現乳膠氣囊15中氣體排放；同時通過控制液壓閥7實 現排放隧道中水分；一部分用於控制整個離心機運作。 本發明的工作過程如下隧道模型按照模型圖製作完畢。初始時刻液壓閥7和氣 閥12關閉。將模型箱l六個側面拼接並用螺絲擰緊，在模型箱l內安裝隔板3，並在隔板3 帶螺紋洞口 4處固定雙向接頭5，連接通向兩側的第一液體導管10和第二液體導管22，在 模型箱l內壁四周塗抹矽油，減小箱體與土的摩擦。加入調製好的隧道下部第一層試驗土， 並封閉模型箱l，在離心場中進行初步固結。 初步固結完成後，繼續填土直至填完隧道管6下臥層土，然後放入隧道管6，隧道
管6兩側用乳膠帶16纏繞，通過水準尺測量使隧道管6水平，打開氣閥12將乳膠氣囊15
內充入氣體並堵住隧道管6上的孔眼，氣壓根據上覆土的厚度決定，乳膠氣囊15氣體充滿
後氣閥12關閉，乳膠氣囊15的乳膠膜緊貼隧道管6內壁防止周圍土體水分滲入。之後密
封模型箱1，繼續固結土層，直到土體的固結度達到90%以上可認為固結完成。 固結完成後，安裝測量設備，啟動離心機直至離心場穩定，之後打開氣閥12，釋放
乳膠氣囊15中氣體，與此同時打開控制排液的液壓閥7，滲入隧道中液體由第三液體導管
10通過液壓閥7並排入貯液缸9中。在此期間，可通過貯液缸9底側的孔隙水壓力計11通
過導線19連接的量測設備讀出貯液缸9底的孔隙水壓力，由孔隙水壓力值可得出貯液缸9
所存滲漏水體的高度與體積，從而可推算出隧道管的滲漏量和滲漏率。 本發明的有益效果 本發明可提供在高速離心場中在狹小空間裡模擬滲漏水因素對隧道縱向長期沉 降影響並進行測量。本系統特點如下(l)可承受最大離心加速度150g。 (2)功能與構造 緊密結合，利用離心機容易模擬長期沉降的優點，可以在幾十小時內模擬幾十年後的沉降， 縮短了研究時間，並能很好的模擬實際隧道在土中的應力水平等參量。(3)對自由端的約束 符合實際情況，隧道管兩端的矽膠套筒可以起到防震作用。(4)由於試驗是在離心機高速運 轉狀態下進行的，因此可以減少外界不必要的擾動。(5)本實驗各種設備可以手工加工，故 生產起來方便，可以廣泛投入到相關的科研之中。(6)利用本套系統進行隧道滲漏水情況的 研究，可以在理論研究基礎上進行進一步驗證並深化機理的研究，為實際隧道工程設計施 工及運營提供良好的諮詢與建議。


圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為圖1的A-A剖面圖。
圖3為隔板3的主視圖。
圖4為隔板3的俯視圖。 圖5為固結期間隧道管6結構示意圖。 圖中標號1為模型箱，2為有機玻璃面，3為隔板，4為帶螺紋洞口 ， 5為雙向接頭， 6為隧道管，7為液壓閥，8為密封頂蓋，9為貯液缸，10為第一液體導管，11為孔隙水壓力 計，12為氣閥，13為粉細砂，14為透水土工布，15為乳膠氣囊，16為乳膠帶，17為矩形鋼板， 18為縱向加筋肋，19為導線，20為氣體導管，21為橫向加筋肋，22為第二液體導管，23為第 三液體導管。
具體實施例方式
下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。 實施例1 :如圖1和圖2所示，模型箱1外形呈長方體，淨尺寸為 800X500X500mm(長X寬X高)，由6個側面拼接組成。前側面為30mm厚的有機玻璃面 2，有機玻璃面2便於標註與攝像，其它側面為30mm厚的硬質合金鋁板，模型箱1內部距離 側面350mm處，且平行於側面置有一鋁合金的隔板3，厚度為30mm，隔板3將模型箱1分隔 成模型側及附件側，模型側可以放置填土，模型側頂置有密封頂蓋8，密封頂蓋8可以採用 鋼化玻璃製成，尺寸為450X500X500mm(長X寬X高)。 如圖3和圖4所示，隔板3由一矩形鋼板17、兩個縱向加筋肋18及一個橫向加筋 肋21焊接而成。矩形鋼板17尺寸為798X500X10mm(長X寬X厚)，縱向兩側均布有 兩個同樣大小的縱向加筋肋18，尺寸為500X120X10mm(長X寬X厚)，兩個縱向加筋肋 18之間置有一橫向加筋肋21，尺寸為266X120X10mm(長X寬X厚)。隔板3中心線底 邊以上150mm處刻有孔徑為10mm帶螺紋洞口 4，帶螺紋洞口 4內套有帶螺紋的雙向接頭5， 一頭通過第一液體導管10連接隧道管6， 一頭通過第二液體導管22連接液壓閥7。液壓閥 7為通用型號，液壓閥7引出的第三液體導管23與貯液缸9相連。貯液缸9為圓柱形密閉 中空鋁合金製成，直徑70mm，高150mm，壁厚15mm，其頂面靠近中心位置分別鑿有4mm和2mm 孔口 ，內底面用膠帶粘有一個孔隙水壓力計11 ，引出的導線19通過2mm孔口與測量設備相 連。所有接縫用密封條密封，第一液體導管10、第二液體導管22和第三液體導管23直徑分 別為4mm，導線19的直徑為2mm。 如圖5所示，隧道管6採用空心鋁合金管，直徑為62mm，長度為700mm，壁厚為 20mm，縱向頂側每隔lOOmm距離鑽有深O. 5mm的凹槽，在凹槽中沿著環向利用雷射扎有8個 等間距孔徑為0. 015mm的孔眼，且用粉細砂13保護，外面纏有一層透水土工布14，凸出厚度 約2mm。隧道管6縱向中心處開有小孔，孔徑為8mm，通過第一液體導管10接在隔板3帶螺 紋洞口 4的雙向接頭5上。隧道管6內置有乳膠圓柱狀氣囊15，展開後直徑為62mm，長度 700mm。乳膠氣囊15引出的氣體導管20與氣閥12連接，氣閥12為通用型號，氣體導管20 直徑為5mm，壁厚為0. 5mm，從氣閥12引出的氣體導管20連接上離心機的排氣系統。隧道 管6側面距離兩端沿徑向及端部套有定製的乳膠帶16，軸向寬度20mm，厚度5mm。
權利要求
一種離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統，由模型箱(1)、有機玻璃(2)、隔板(3)、隧道管(6)、液壓閥(7)、密封頂蓋(8)、貯液缸(9)、液體導管和孔隙水壓力計(11)組成，其特徵在於模型箱(1)為中部空心的長方體結構，其前側面為有機玻璃面(2)，隔板(3)放置於模型箱(1)內，將模型箱(1)分隔為模型側與附件側兩部分，模型側為靠近有機玻璃面(2)側，模型側頂部設有密封頂蓋(8)，隧道管(6)位於模型側，液壓閥(7)及貯液缸(9)位於附件側；隔板(3)由鋼板(17)、縱向加筋肋(18)及橫向加筋肋(21)組成，矩形鋼板(17)縱向兩側均布有縱向加筋肋(18)，兩個縱向加筋肋(18)之間設有橫向加筋肋(21)，液壓閥(7)位於橫向加筋肋(21)上方；鋼板(17)上設有帶螺紋洞口(4)，帶螺紋洞口(4)內套有雙向接頭(5)，雙向接頭(5)一端通過第一液體導管(10)連接隧道管(6)，另一端通過第二液體導管(22)與液壓閥(7)相連，液壓閥(7)通過第三液體導管(23)與貯液缸(9)相連；貯液缸(9)底部固定於模型箱(1)內，貯液缸(9)底部設置有孔隙水壓力計(11)，頂面開有孔眼，孔隙水壓力計(11)通過該孔眼由導線(19)連接測量設備。
2. 根據權利要求1所述的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統，其特徵在於所述隧道 管(6)頂端沿長度方向設有5個凹槽，環向設有8個孔眼，每個孔眼均由粉細砂(13)填充， 外面纏有一層透水土工布(14);隧道管(6)縱向中心開有小孔，隧道管(6)內部設有乳膠 氣囊(15)，隧道管(6)側面接近兩端及端面處沿徑向纏繞有乳膠帶(16)，乳膠氣囊(15)引 出的氣體導管(20)與氣閥(12)連接，從氣閥(12)引出的氣體導管(20)連接離心機的排 氣系統。
3. 根據權利要求1所述的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統，其特徵在於所述模型 箱(1)的其餘五個側面均採用鋁合金板。
全文摘要
本發明屬巖土及地下工程中的隧道工程研究領域，具體涉及一種離心場中隧道隧道滲漏水模擬與測量系統。模型箱為中部空心的長方體，隔板將模型箱內分隔成模型側和附件側，模型側頂部設有密封頂蓋，隧道管位於模型側，液壓閥及貯液缸位於附件側；隔板由鋼板、縱向加筋肋及橫向加筋肋組成，鋼板上設有帶螺紋洞口，帶螺紋洞口內套有雙向接頭，雙向接頭通過位於兩端的液體導管分別連接隧道管和液壓閥，液壓閥與貯液缸相連；貯液缸底部設置有孔隙水壓力計，頂面開有孔眼，孔隙水壓力計通過該孔眼由導線連接測量設備。本發明可在高速離心場中模擬實際隧道滲漏水的情況，較好地再現實際土體應力水平，本發明所需的設備器材在現有的技術水平下都可以實現，對離心實驗室的裝備要求不高，可以較方便的製作與推廣，更好的為科研服務。
文檔編號G01M3/28GK101710019SQ20091020023
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者餘龍, 李削雲, 王磊, 王秀志, 胡蒙達, 馬險峰 申請人:同濟大學;上海申通地鐵集團有限公司