專利名稱：一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置。
背景技術(shù)：
在盾構(gòu)隧道的施工過程中，隧道結(jié)構(gòu)受到周圍地層的力及其與周圍地層的 相互作用關(guān)系是十分復(fù)雜的，因此需要研究隧道結(jié)構(gòu)與地層土體之間的相互作 用關(guān)系，為盾構(gòu)隧道的安全、順利施工進(jìn)行提供保障。
現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)與土體間關(guān)系的研究，如日本早稻田大學(xué)理工部土木工程 系結(jié)構(gòu)實驗室、日本土木研究所進(jìn)行的地鐵單線區(qū)間盾構(gòu)隧道-土層復(fù)合體的 模擬試驗，該試驗將圓環(huán)狀的盾構(gòu)隧道模型豎直放置(模型隧道的中軸線與水 平面平行)在一個密封的艙室中，并在艙室中充滿模型試驗土，最后在艙內(nèi)加 帶壓水，并用千斤頂對內(nèi)部土體加壓來實現(xiàn)加載。其測試數(shù)據(jù)為地鐵盾構(gòu)隧道 模型的應(yīng)變。但是在這一試驗中，試驗裝置沒有也不能對模型隧道的縱向(中 軸線)方向進(jìn)行約束，模型隧道在加載時不是平面應(yīng)變狀態(tài)，不能體現(xiàn)隧道的 平面應(yīng)變特性。另外，由于模型隧道垂直放置，加載艙為垂向的扁平狀，裝卸
模型隧道時都需先將頂部土體挖出，更換隧道模型不方便；且密封搶造價昂貴， 尺寸有限，模型隧道的大小受到限制，只能對小尺寸的隧道模型進(jìn)行試驗；同 時由于搶內(nèi)進(jìn)出不便，在更換模型試驗土?xí)r也4艮麻煩；并且由于帶壓水與模型 試驗土混合，導(dǎo)致實驗材料只能一次性使用，造成浪費。此外，加帶壓水會影 響模型土體材料的配比，使得土體材料的物理性質(zhì)難以保證，而且實際作用在 模型管片上的水壓大小難以準(zhǔn)確控制。由下地下水文地質(zhì)條件的影響，某些盾 構(gòu)隧道受到地下水的作用很大，而現(xiàn)有的模型試驗系統(tǒng)均無法準(zhǔn)確模擬出水荷 載的影響。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是提供一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置，該系統(tǒng) 可以模擬隧道結(jié)構(gòu)在不同地層條件、不同斷面形式隧道及不同的地質(zhì)水文條件 下與地層間的相互作用，并測試出隧道結(jié)構(gòu)的受力情況；能更真實地模擬隧道結(jié) 構(gòu)的環(huán)境條件，測試數(shù)據(jù)更精確可靠，且其操作方便，為盾構(gòu)隧道施工的安全順利進(jìn)行提供更加可靠的保障。
本實用新型實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是 一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型
綜合試驗裝置，其構(gòu)成是
土層模擬及土壓加載裝置由四條鋼板圍成一正方形的模擬土體腔，土體腔 的外側(cè)設(shè)置正方形的水平反力框架，反力框架的每一邊與土體腔的對應(yīng)邊之間 連接有水平土壓千斤頂；
附帶均勻水壓加載裝置及非均勻水壓加載裝置的隧道結(jié)構(gòu)模型軸向垂直地 置于土體腔中心；隧道結(jié)構(gòu)模型表面上還安裝應(yīng)變片、位移計及測縫計；隧道 結(jié)構(gòu)模型與土體腔之間填充有模擬試驗土，模擬試驗土中放置有土壓力盒；應(yīng) 變片、位移計、測縫計及土壓力盒均與分析處理計算機相連；
土體腔的上部覆蓋鋼蓋板，鋼蓋板上對應(yīng)于隧道結(jié)構(gòu)模型的位置開孔，土 體腔上方還設(shè)有垂直反力龍門架，垂直反力龍門架的梁的下部與鋼蓋板之間連 有垂向土壓千斤頂。
本實用新型的工作過程和工作原理是隧道結(jié)構(gòu)軸向垂直于地面，水平土 壓千斤頂從水平方向?qū)⒑奢d作用在四條鋼板上，再通過鋼板向土體傳遞載荷， 以模擬土體將荷載傳遞給隧道結(jié)構(gòu)，對隧道結(jié)構(gòu)施加力作用；垂向土壓千斤頂 及鋼蓋板則限制其縱向變形，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)臥式加載。通過改變千斤頂?shù)淖饔?力，可模擬不同土壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用；更換土體腔中的土體，可以實現(xiàn)地層 條件的變換，從而模擬出不同的地層條件下土體對隧道結(jié)構(gòu)的作用；隧道結(jié)構(gòu) 模型上帶有的均勻水壓加載裝置及非均勻水壓加載裝置可以模擬出在不同的地 下水條件下，隧道結(jié)構(gòu)所受的水壓的作用；再通過安裝的應(yīng)變片、位移計測縫 計、及土壓力盒等各種測試儀，記錄隧道結(jié)構(gòu)所受力的作用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是
一、 在隧道縱向(即垂直加載方向)設(shè)置鋼蓋板及垂向土壓千斤頂，當(dāng)隧道 結(jié)構(gòu)及周圍土體受到水平土壓千斤頂?shù)淖饔枚a(chǎn)生延隧道縱向(即垂直地面方 向)的變形時，通過垂向千斤頂作用在鋼蓋板上的壓力限制其縱向變形，保持 隧道和周圍土體處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并且由于通過土體受壓將荷載傳遞給隧道 結(jié)構(gòu)模型，而不是直接向隧道結(jié)構(gòu)加壓，從而更真實模擬出隧道結(jié)構(gòu)的所受地 層壓力的情況，使試驗數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠。
二、 由于采用臥式加載，土體腔呈扁平狀態(tài)，較之立式加載的高薄土體腔，其更換土體及加載操作均更加方便、簡單。
三、 將不同斷面形式的隧道結(jié)構(gòu)置于土體腔內(nèi)，即可完成不同斷面隧道結(jié) 構(gòu)的模擬試驗，其應(yīng)用范圍廣。
四、 均勻、非均勻水壓加載裝置可^^擬不同的地質(zhì)水文環(huán)境下，水壓對隧 道結(jié)構(gòu)的力的作用，從而使本試驗系統(tǒng)對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的模擬更加真實，尤其 適用于地層濕潤多水的環(huán)境的隧道結(jié)構(gòu)的模擬試一驗。
總之，本實用新型的綜合試驗可以模擬隧道結(jié)構(gòu)在不同地層條件、不同斷
的受力情況；能更真實地模擬隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件，測試數(shù)據(jù)更精確可靠，且其 操作方便，為盾構(gòu)隧道施工的安全順利進(jìn)行提供更加可靠的保障。
上述的隧道結(jié)構(gòu)模型上附帶的均勻水壓加載裝置的具體結(jié)構(gòu)為二條以上 的環(huán)箍鋼絞線的一端固定在加力臺座的豎板上，另一端繞盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型 外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上；該加力轉(zhuǎn)軸穿過加力臺座的頂板和底板， 加力轉(zhuǎn)軸的上端連接加力橫梁，環(huán)箍鋼絞線上串接測力計。
非均勻水壓加栽裝置的具體結(jié)構(gòu)為非均勻水壓加載裝置兩條絞線固定 梁之間連接二條以上的長度為結(jié)構(gòu)模型周長一半或接近一半的張拉鋼絞線，再 將兩條絞線固定梁及張拉鋼絞線全部貼放于結(jié)構(gòu)模型的表面的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)模 型表面另一側(cè)的二個加力裝置分別通過加力鋼纜與對應(yīng)的絞線固定梁相連，鋼 絞線上串接測力計。
沿隧道結(jié)構(gòu)模型外表面布設(shè)多組環(huán)箍鋼絞線，通過加力橫梁的轉(zhuǎn)動將環(huán)箍 鋼絞線拉緊，而對結(jié)構(gòu)模型外表面施加接觸壓力。由于環(huán)箍鋼絞線均勻地分布 在結(jié)構(gòu)外表面，因此對結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生均勻分布的徑向壓力作用，并通過串接在 環(huán)箍鋼絞線上的測力計讀出其量值，這樣可^t擬并測出隧道結(jié)構(gòu)在水下所受到 的均勻水壓的作用。
沿盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型外表面一側(cè)布設(shè)的半圓弧狀的多組張拉鋼絞線，當(dāng) 加力裝置對張拉鋼絞線從結(jié)構(gòu)模型的另一側(cè)施加拉力時，由張拉鋼絞線的兩端 部的拉力與該處的半徑方向夾角最大，作用在結(jié)構(gòu)模型半徑方向上的徑向壓力 最小；而從張拉鋼絞線的端部向中間逐步靠近，則其對結(jié)構(gòu)模型的徑向壓力逐 步增大，在張拉鋼絞線的中間部位，張拉鋼絞線對結(jié)構(gòu)模型的徑向壓力達(dá)到最 大值。因此，由環(huán)箍鋼絞線形成的對整個結(jié)構(gòu)模型的均勻壓力與張拉鋼絞線形成的半圓弧狀張拉鋼絞線中間向兩端遞減的壓力的迭加，就在結(jié)構(gòu)模型上產(chǎn)生 了張拉鋼絞線部分壓力大，無張拉鋼絞線部分壓力小，呈燈泡形變化的壓力分 布，通過張拉鋼絞線上串接的測力計可以讀出施力的大小。這樣較好地模擬并 測出結(jié)構(gòu)模型在水下所受上小下大的非均勻分布的壓力。
通過均勻水壓加載裝置和非均勻水壓加載裝置所施加的均勻水壓和非均勻 水壓的疊加，即模擬出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在真實水環(huán)境隨著深度(水位)增加所產(chǎn) 生的上小下大的燈泡形水壓的作用。這樣，本實用新型的模擬試驗系統(tǒng)能夠逼 真地模擬出隧道結(jié)構(gòu)的水壓環(huán)境。
調(diào)整環(huán)箍鋼鉸線的拉緊度、兩加力鋼纜的拉緊度及張開的夾角，從而調(diào)整 均勻水壓和非均勻水壓的變化，進(jìn)而對于結(jié)構(gòu)模型的加載量值進(jìn)行控制，模擬 出在不同水位條件下的水壓對于結(jié)構(gòu)模型的作用及影響。
以下結(jié)合附圖及實施方式對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明。

圖1是本實用新型實施例去掉鋼蓋板及垂直反力龍門架的梁后的俯視結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖2是本實用新型實施例的正視剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實用新型實施例的均勻水壓加載裝置的放大立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實用新型實施例的非均勻水壓加載裝置的放大立體結(jié)構(gòu)示意圖。 (為觀察方便，該圖中的相應(yīng)部件為圖1中相應(yīng)部件的位置反時針旋轉(zhuǎn)90度后 得到的立體圖)具體實施方式
實施例
圖1一2示出，本實用新型的一種具體實施方式
為 一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型 綜合試驗裝置，其構(gòu)成是
土層模擬及土壓加載裝置由四條鋼板圍成一正方形的模擬土體腔31。 土 體腔31的外側(cè)設(shè)置正方形的水平反力框架32,反力框架32的每一邊與土體腔 31的對應(yīng)邊之間連4矣有水平土壓千斤頂33。
附帶均勻水壓加載裝置及非均勻水壓加載裝置的隧道結(jié)構(gòu)^t型1軸向垂直 地置于土體腔31中心；隧道結(jié)構(gòu)模型1表面上還安裝應(yīng)變片、位移計及測縫計；
6隧道結(jié)構(gòu)模型1與土體腔31之間填充有模擬試驗土，模擬試驗土中放置有土壓 力盒；應(yīng)變片、位移計、測縫計及土壓力盒均與分析處理計算機相連；
土體腔31的上部覆蓋鋼蓋板35,鋼蓋板35上對應(yīng)于隧道結(jié)構(gòu)模型1的位 置開孔，土體腔31上方還設(shè)有垂直反力龍門架37，垂直反力龍門架37的梁的 下部與鋼蓋板35之間連有垂向土壓千斤頂38。
圖3及圖1、圖2示出，隧道結(jié)構(gòu)模型上附帶的均勻水壓加載裝置的具體結(jié) 構(gòu)為二條以上的環(huán)箍鋼絞線8的一端固定在加力臺座2的豎板21上，另一端 繞盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu);漠型1外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上3;該加力轉(zhuǎn)軸3穿 過加力臺座2的頂板22和底板23,加力轉(zhuǎn)軸3的上端連接加力橫梁4，環(huán)箍鋼 絞線8上串接測力計9。
圖4及圖1、圖2示出，非均勻水壓加載裝置的具體結(jié)構(gòu)為兩條絞線固定 梁5之間連接二條以上的長度為結(jié)構(gòu)模型1周長一半或接近一半的張拉鋼絞線 6,再將兩條絞線固定梁5及張拉鋼絞線6全部貼放于結(jié)構(gòu)模型1的表面的同一 側(cè)，結(jié)構(gòu)模型1表面另一側(cè)的二個加力裝置7分別通過加力鋼纜13與對應(yīng)的絞 線固定梁5相連，鋼絞線6上串接測力計9。
本實用新型在具體實施時，其四條鋼板圍成的土體腔31在四個角上留有間 隙34,同時在土體腔31四個內(nèi)角處設(shè)有直角形擋板36。這四條鋼板可以順著 四個直角形擋板相互滑動。這樣，既使四條鋼板可以向內(nèi)、向外移動，能很好 的向土體傳遞載荷；同時土體腔內(nèi)的模擬試驗土 39也不會從四個角處向外泄漏。
需要說明的是，為了圖示的簡明、清楚，圖3、圖4分別繪出的是均勻加載 和非均勻加載的裝置。而實際上，均勻和非均勻加載同時進(jìn)^f亍，即圖3、 4中的 結(jié)構(gòu)模型為同 一模型，均勻和非均勻水壓加載裝置則同時分布設(shè)置迭加在該模 型上。并且在土層模擬及土壓加載裝置的土體腔上的一側(cè)開有加力鋼纜穿過的 通孔。
權(quán)利要求1、一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置，其構(gòu)成是土層模擬及土壓加載裝置由四條鋼板圍成一正方形的模擬土體腔(31)，土體腔(31)的外側(cè)設(shè)置正方形的水平反力框架(32)，反力框架(32)的每一邊與土體腔(31)的對應(yīng)邊之間連接有水平土壓千斤頂(33)；附帶均勻水壓加載裝置及非均勻水壓加載裝置的隧道結(jié)構(gòu)模型(1)軸向垂直地置于土體腔(31)中心；隧道結(jié)構(gòu)模型(1)表面上還安裝應(yīng)變片、位移計及測縫計；隧道結(jié)構(gòu)模型(1)與土體腔(31)之間填充有模擬試驗土，模擬試驗土中放置有土壓力盒；應(yīng)變片、位移計、測縫計及土壓力盒均與分析處理計算機相連；土體腔(31)的上部覆蓋鋼蓋板(35)，鋼蓋板(35)上對應(yīng)于隧道結(jié)構(gòu)模型(1)的位置開孔，土體腔(31)上方還設(shè)有垂直反力龍門架(37)，垂直反力龍門架(37)的梁的下部與鋼蓋板(35)之間連有垂向土壓千斤頂(38)。
2、如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置，其特征在于 所述的隧道結(jié)構(gòu);溪型上附帶的均勻水壓加載裝置的具體結(jié)構(gòu)為二條以上的環(huán) 箍鋼絞線(8)的一端固定在加力臺座(2)的豎板(21)上，另一端繞盾構(gòu)隧 道的結(jié)構(gòu)模型(1)外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上(3);該加力轉(zhuǎn)軸(3) 穿過加力臺座(2)的頂板(22)和底板(23)，加力轉(zhuǎn)軸(3)的上端連接加力 橫梁(4),環(huán)箍鋼絞線(8)上串接測力計(9);所述的隧道結(jié)構(gòu);漠型上附帶的非均勻水壓加載裝置的具體結(jié)構(gòu)為兩條絞線 固定梁(5)之間連接二條以上的長度為結(jié)構(gòu)模型(1)周長一半或接近一半的 張拉鋼絞線(6 )，再將兩條絞線固定梁(5 )及張拉鋼絞線(6 )全部貼放于結(jié) 構(gòu)模型(1)的表面的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)模型(1)表面另一側(cè)的二個加力裝置(7) 分別通過加力鋼纜(13)與對應(yīng)的絞線固定梁(5)相連，鋼絞線(6)上串接 測力計(9)。
專利摘要一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型綜合試驗裝置，其構(gòu)成是土層模擬及土壓加載裝置由鋼板圍成的模擬土體腔，土體腔的外側(cè)設(shè)置水平反力框架，反力框架的每一邊與土體腔之間連接有水平土壓千斤頂；附帶均勻水壓加載裝置及非均勻水壓加載裝置的隧道結(jié)構(gòu)模型軸向垂直地置于土體腔中心；隧道結(jié)構(gòu)模型與土體腔之間填充有模擬試驗土，土體腔的上部覆蓋鋼蓋板，土體腔上方還設(shè)有垂直反力龍門架，垂直反力龍門架的梁的下部與鋼蓋板之間連有垂向土壓千斤頂。該系統(tǒng)可以模擬不同斷面形式的隧道結(jié)構(gòu)在不同地層條件、水文條件下與地層間的相互作用，更真實地模擬隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件，測試數(shù)據(jù)更精確可靠，為盾構(gòu)隧道施工提供更可靠的保障。
文檔編號G01M99/00GK201352179SQ20082022336
公開日2009年11月25日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者川 何, 健 佘, 宇 蘭, 坤 封, 張建剛, 征 楊 申請人:西南交通大學(xué)