一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置的製作方法
2023-06-12 14:23:51 1
專利名稱：一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種地下建築結構試驗裝置，尤其是涉及一種盾構隧道縱向結構模型 試驗裝置。
背景技術：
隨著國民經濟的迅速發展，我國城市化進程的加快，盾構隧道工程發展迅速，尤其 體現在大中型城市的軌道交通工程項目和跨海越江公路鐵路工程項目，已投入運營的隧道 已經表現出不同程度的病害發展。這是由於目前國內外盾構隧道管片結構以及接頭普遍採 用「典型橫斷面」法設計，難以考慮土體與隧道縱向結構長期相互作用，從而難以預測隧道 縱向變形對隧道縱向力學性能的影響。雖然採取保守設計，但從運營情況來看，隧道縱向性 能依然引起工程界相當的重視。針對盾構隧道縱向力學性能，結合室內模型試驗研究給定 邊界條件下盾構隧道縱向力學性能具有重大工程意義。
國內外學者對盾構隧道縱向結構模型試驗研究較少，同時已有的盾構隧道縱向結 構模型試驗普遍存在數據採集困難、試驗可重複性差、經濟成本大等諸多問題。已有的隧道 縱向結構模型試驗常常將隧道模型埋置於土箱內，考慮到巖土體的特殊性，已有的隧道縱 向結構模型模型試驗往往存在模型試驗填土出土工作量大、模型試驗周期長、模型試驗可 重複性差、模型試驗經濟成本高昂，模型試驗裝置系統難以有效模擬隧道邊界條件變化對 隧道縱向力學性能的影響，模型試驗裝置系統難以有效模擬隧道縱向端部不同約束剛度的 影響。
傳統的盾構縱向模型試驗裝置系統通常採用土箱形式，模型置於試驗土體介質 中，土體包圍使得隧道模型不可見，其模型細觀的管片環間接頭張開現象難以觀察，更加無 法測量。對隧道縱向性能的研究無法進一步展開。
同時，傳統的盾構縱向模型試驗裝置系統通常採用土箱形式，將隧道模型埋置於 巖土體內部，使得對於模型隧道的縱向沉降以及橫向收斂數據採集困難；考慮到埋置巖土 體中含水量等因素的影響，使得模型隧道在試驗過程中的應力應變數據也難以採集。發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種盾構隧道縱向 結構模型試驗裝置，該試驗裝置改變了傳統模型試驗中將隧道埋置於巖土體中的思想，試 驗裝置裝拆方便快速，佔地空間小，測量數據準確。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現
一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，該試驗裝置包括反力架、端部約束件、加載 件和數據採集設備，所述的端部約束件和加載件設在反力架上，盾構隧道模型固定在端部 約束件上，加載件從盾構隧道模型上方施加荷載使盾構隧道模型產生形變，所述的數據採 集設備連接盾構隧道模型，採集並處理形變數據。
所述的反力架包括兩組桁架和兩個鋼梁，所述的桁架垂直設置，桁架上設有三角形固定支架，所述的鋼梁平行架設在兩組桁架之間。
所述的端部約束件有四個，分別設置在兩個鋼梁的兩端，所述的加載件設在上方 的鋼梁上。
所述的加載件設有多個，該加載件包括加載螺杆、加載設備和接觸端頭，所述的加 載螺杆、加載設備和接觸端頭依次連接，加載螺杆連接鋼梁，加載設備提供荷載，接觸端頭 接觸盾構隧道模型，直接向盾構隧道模型施加荷載。
所述的加載件的數量以及接觸端頭的形式根據模型試驗加載工況確定，接觸端頭 包括窄型端頭或寬型端頭，所述的窄型端頭可將施加的集中荷載作用轉化為作用在隧道上 的縱向均布荷載作用，所述的寬型端頭可使端部約束件所提供的抗力均勻分布到盾構隧道 模型襯砌環周圍，模擬隧道端部不同連接對隧道結構的局部均布作用。
所述的接觸端頭包括鋼板和弧形凹口木塊，所述的弧形凹口木塊通過螺釘連接鋼 板。
所述的端部約束件包括螺杆組件、模擬彈簧和約束端頭，所述的螺杆組件包括螺 杆芯筒、螺杆套筒和加載杆，所述的螺杆芯筒從螺杆套筒的一端伸入螺杆套筒內，螺杆芯筒 與螺杆套筒上均設有彈簧墊片，所述的模擬彈簧套設於兩彈簧墊片之間，所述的螺杆套筒 的另一端通過加載杆連接約束端頭。
所述的約束端頭包括鋼板和半圓凹口木塊，半圓凹口木塊通過螺釘連接鋼板，其 半圓凹口接觸盾構隧道模型外壁，使盾構隧道模型受力均勻並約束轉動方向。
所述的數據採集設備包括傳感器和計算機，傳感器採集數據並傳送至計算機進行處理。
所述的傳感器包括應變儀和軸力傳感器。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
1.改變了傳統模型試驗中將隧道埋置於巖土體中的思想，從而保證了縱向模型試 驗過程可以採集到更多、更準確的隧道模型縱向沉降數據、橫向收斂數據、縱向應力應變數 據、橫向應力應變數據，由於沒有巖土體介質的覆蓋，試驗中可以通過裂縫觀測儀測量模型 隧道變形中接頭張開現象，直觀的反應隧道的變形情況。
2.採用四個端頭約束件組成縱向隧道模型端部約束系統共同作用模擬不同端部 邊界轉動剛度，使得模型試驗過程中可以輕易實現對不同端部邊界的模擬，進而研究端部 約束剛度對盾構隧道縱向結構力學性能的影響。
3.試驗過程中由於不需反覆的填土、出土工作，使得隧道縱向模型試驗周期極大 地縮短，試驗環境大為改善，提高了試驗效益，並可以在試驗過程中及時調整部分試驗參數 以實現不同工況。
4.加載件的接觸端頭將裝於加載反力架的螺杆機構所施加的集中荷載轉化為作 用在隧道模型上一定範圍的均布荷載，能夠較為理想的模擬實際隧道的受力情況。通過設 置多個加載件實現多點加載，能夠更精確的控制模型盾構隧道的形變。
5.本發明不僅可以完成考慮不同端部約束的多點加載盾構隧道縱向結構模型試 驗，對其中的兩類接觸端頭進行適當修改即可用於其它類型的彈性地基梁模型試驗，使模 型試驗裝置具有廣泛的應用領域。
6.採用螺栓連接試驗裝置系統各個構件，使得本發明模型裝置系統相對以往龐大的土箱試驗裝置系統，裝拆方便快速，試驗佔地空間小，並能適應不同幾何尺寸的模型試驗。
圖I為本發明的主視結構示意圖；圖2為本發明的左視結構示意圖；圖3為本發明的端部約束件的結構示意圖；圖4為本發明的加載件的結構示意圖；圖5為圖4中加載件的窄型端頭A-A向視圖；圖6為圖4中加載件的寬型端頭A-A向視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。如圖1、2所示，一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，該試驗裝置包括反力架I、 端部約束件4、加載件3和數據採集設備。反力架I包括兩組桁架11、兩個鋼梁12和設置 在桁架11上的支架13，桁架11垂直設置，鋼梁12上下平行架設在兩組桁架12之間，支架 13通過螺釘將整個試驗裝置固定在地面上。端部約束件4有四個，分別設在上下兩個鋼梁 12的兩端用於固定盾構隧道模型2，加載件3設在上方的鋼梁12上，數據採集設備包括傳 感器和計算機，傳感器連接盾構隧道模型2，加載件3設有三個，從盾構隧道模型2上方施加 荷載使盾構隧道模型2產生形變，傳感器採集該形變數據並傳送至計算機進行數據處理。 傳感器一般採用應變儀和軸力傳感器。圖3為端部約束件4的結構示意圖，包括螺杆組件41、彈簧42和約束端頭43，螺 杆組件41包括螺杆芯筒411、螺杆套筒412和加載杆413，螺杆芯筒411從螺杆套筒412的 後端伸入螺杆套筒412內，螺杆芯筒411與螺杆套筒412上均設有彈簧墊片414，彈簧42套 設於兩彈簧墊片414之間，螺杆套筒412的前端通過加載杆413連接約束端頭43。該約束 端頭43包括鋼板和半圓凹口木塊，半圓凹口木塊通過螺釘連接鋼板，其半圓凹口接觸盾構 隧道模型2外壁，使盾構隧道模型2受力均勻並約束其轉動方向。圖4顯示了加載件3的具體結構，包括加載螺杆31、加載設備32和接觸端頭33。 加載螺杆31、加載設備32和接觸端頭33依次連接，加載螺杆31通過螺釘固定在鋼梁12 上，加載設備32提供荷載，一般使用螺栓機械嚙合頂進或油壓千斤頂，接觸端頭33包括鋼 板和弧形凹口木塊，弧形凹口木塊通過螺釘連接鋼板，其弧形凹口接觸盾構隧道模型2，直 接向盾構隧道模型2施加荷載。接觸端頭33分為窄型端頭和寬型端頭兩種，根據模型試驗加載工況確定，如圖5、 6所示。窄型端頭可將施加的集中荷載作用轉化為作用在隧道上的縱向均布荷載作用，所述 的寬型端頭可使端部約束件所提供的抗力均勻分布到盾構隧道模型2襯砌環周圍，模擬隧 道端部不同連接對隧道結構的局部均布作用。本發明的工作過程如下I.根據隧道縱向模型試驗的幾何相似關係以及力學相似關係，確定模型隧道材料 尺寸、加載件3中加載設備32的種類、端部約束件4的彈簧42剛度參數等。
2.根據隧道縱向模型試驗目的，將相應的端部約束件4布置在反力架I的鋼梁12 上。
3.將盾構隧道模型2固定在端部約束件4上，此過程應注意對盾構隧道模型2的 高度進行調平，確保試驗過程中加載件3能夠達到預期的工作性能。
4.確定模型加載件3的布置方式，並安裝加載設備32，按模型試驗設計的加載方 式將加載件3固定在相應的反力架I的鋼梁12上。
5.連接數據採集設備。
6.調試檢查各種試驗設備是否正常工作，並記錄各初始讀數，準備試驗。
7.按照設計的試驗加載方式進行加載，在完成各級加載後，進行試驗數據採集。
8.試驗加載結束，處理試驗數據，根據試驗數據處理結果以及模型試驗需要進行 後續試驗工作。
本發明改變了傳統模型試驗中將隧道埋置於巖土體中的思想，試驗裝置的各個構 件之間通過螺栓或螺釘連接，裝拆方便快速，佔地空間小。通過設置多個加載件3實現多點 加載，能夠更精確的控制模型盾構隧道的形變，使測量數據更加準確。而且對其中窄型、寬 型兩種接觸端頭進行適當修改即可用於其它類型的彈性地基梁模型試驗，使模型試驗裝置 具有廣泛的應用領域。
權利要求
1.一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，該試驗裝置包括反力架、端部約束件、加載件和數據採集設備，所述的端部約束件和加載件設在反力架上，盾構隧道模型固定在端部約束件上，加載件從盾構隧道模型上方施加荷載使盾構隧道模型產生形變，所述的數據採集設備連接盾構隧道模型，採集並處理形變數據。
2.根據權利要求1所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的反力架包括兩組桁架和兩個鋼梁，所述的桁架垂直設置，桁架上設有三角形固定支架，所述的鋼梁平行架設在兩組桁架之間。
3.根據權利要求2所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的端部約束件有四個，分別設置在兩個鋼梁的兩端，所述的加載件設在上方的鋼梁上。
4.根據權利要求1或3所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的加載件設有多個，該加載件包括加載螺杆、加載設備和接觸端頭，所述的加載螺杆、加載設備和接觸端頭依次連接，加載螺杆連接鋼梁，加載設備提供荷載，接觸端頭接觸盾構隧道模型，直接向盾構隧道模型施加荷載。
5.根據權利要求4所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的加載件的數量以及接觸端頭的形式根據模型試驗加載工況確定，接觸端頭包括窄型端頭或寬型端頭，所述的窄型端頭可將施加的集中荷載作用轉化為作用在隧道上的縱向均布荷載作用，所述的寬型端頭可使端部約束件所提供的抗力均勻分布到盾構隧道模型襯砌環周圍，模擬隧道端部不同連接對隧道結構的局部均布作用。
6.根據權利要求4或5所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的接觸端頭包括鋼板和弧形凹口木塊，所述的弧形凹口木塊通過螺釘連接鋼板。
7.根據權利要求1或3所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的端部約束件包括螺杆組件、模擬彈簧和約束端頭，所述的螺杆組件包括螺杆芯筒、螺杆套筒和加載杆，所述的螺杆芯筒從螺杆套筒的一端伸入螺杆套筒內，螺杆芯筒與螺杆套筒上均設有彈簧墊片，所述的模擬彈簧套設於兩彈簧墊片之間，所述的螺杆套筒的另一端通過加載杆連接約束端頭。
8.根據權利要求7所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的約束端頭包括鋼板和半圓凹口木塊，半圓凹口木塊通過螺釘連接鋼板，其半圓凹口接觸盾構隧道模型外壁，使盾構隧道模型受力均勻並約束轉動方向。
9.根據權利要求1所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的數據採集設備包括傳感器和計算機，傳感器採集數據並傳送至計算機進行處理。
10.根據權利要求9所述的一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，其特徵在於，所述的傳感器包括應變儀和軸力傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種盾構隧道縱向結構模型試驗裝置，該試驗裝置包括反力架、端部約束件、加載件和數據採集設備，所述的端部約束件和加載件設在反力架上，盾構隧道模型固定在端部約束件上，加載件從盾構隧道模型上方施加荷載使盾構隧道模型產生形變，所述的數據採集設備連接盾構隧道模型，採集並處理形變數據。與現有技術相比，本發明為隧道結構受力模擬，改變了傳統模型試驗中將隧道埋置於巖土體中的思想，試驗裝置裝拆方便快速，佔地空間小，測量數據準確。
文檔編號G01M99/00GK103033374SQ20111030143
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者黃宏偉, 王慧, 劉印, 龔文平, 張東明 申請人:同濟大學