專利名稱：離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬巖土及地下工程中的隧道工程領(lǐng)域，具體涉及一種離心場中隧道滲漏水
模擬與測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(xì) (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(gòu)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(jié)構(gòu)不均勻沉降，隧道產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致隧道接縫張開，從而 進(jìn)一步加劇滲漏。隧道的滲漏水會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和設(shè)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(yīng)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(huán)境的影響提出了更高要求。因此亟需發(fā)展一種先進(jìn)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咨詢和建議。離心模型試驗是一種先進(jìn)的物理模 擬手段，能夠真實再現(xiàn)現(xiàn)場的土體應(yīng)力水平，尤其適用于探索巖土及地下工程機理研究。
目前國內(nèi)外對軟土中隧道滲漏水特性的研究主要有數(shù)值模擬方法以及現(xiàn)場監(jiān)測 的方法。數(shù)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(xué)參 數(shù)對計算結(jié)果影響很大，但是由于儀器設(shè)備限制，很難得到精確的各項土體參數(shù)。(2)數(shù)值 模擬方法對土體的應(yīng)力歷史以及邊界條件難以完全模擬，造成結(jié)果的偏差。現(xiàn)場監(jiān)測的不 足之處主要有(l)由于儀器設(shè)備以及人為觀察因素的限制，現(xiàn)場結(jié)果有一定偏差。(2)現(xiàn) 場監(jiān)測需要大量人力物力以及資金的支持，尤其對于長期沉降的監(jiān)測，比較不現(xiàn)實，并且時 效性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)，其前側(cè)面為有機玻璃面2，隔板3放置于模型 箱1內(nèi)，將模型箱1分隔為模型側(cè)與附件側(cè)兩部分，模型側(cè)為靠近有機玻璃面2側(cè)，模型側(cè) 頂部設(shè)有密封頂蓋8，隧道管6位于模型側(cè)，液壓閥7及貯液缸9位于附件側(cè)；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(cè)均布有縱向加筋肋18，兩個 縱向加筋肋18之間設(shè)有橫向加筋肋21，液壓閥7位于橫向加筋肋21上方；鋼板17上設(shè)有 帶螺紋洞口 4，帶螺紋洞口 4內(nèi)套有雙向接頭5，雙向接頭5—端通過第一液體導(dǎo)管10連接 隧道管6，另一端通過第二液體導(dǎo)管22與液壓閥7相連，液壓閥7通過第三液體導(dǎo)管23與 貯液缸9相連；貯液缸9底部固定于模型箱1內(nèi)，貯液缸9底部設(shè)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(dǎo)線19連接測量設(shè)備。 本發(fā)明中，所述隧道管6頂端沿長度方向設(shè)有5個凹槽，環(huán)向設(shè)有8個孔眼，每個 孔眼均由粉細(xì)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(nèi)部設(shè)有乳膠氣囊15，隧道管6側(cè)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(dǎo)管20與氣閥12連接，從氣閥12引出的氣體導(dǎo)管20連接離心機的排 氣系統(tǒng)。 本發(fā)明中，所述模型箱1的其余五個側(cè)面均采用鋁合金板。 本發(fā)明通過控制氣閥12實現(xiàn)乳膠氣囊15中氣體排放；同時通過控制液壓閥7實 現(xiàn)排放隧道中水分；一部分用于控制整個離心機運作。 本發(fā)明的工作過程如下隧道模型按照模型圖制作完畢。初始時刻液壓閥7和氣 閥12關(guān)閉。將模型箱l六個側(cè)面拼接并用螺絲擰緊，在模型箱l內(nèi)安裝隔板3，并在隔板3 帶螺紋洞口 4處固定雙向接頭5，連接通向兩側(cè)的第一液體導(dǎo)管10和第二液體導(dǎo)管22，在 模型箱l內(nèi)壁四周涂抹硅油，減小箱體與土的摩擦。加入調(diào)制好的隧道下部第一層試驗土， 并封閉模型箱l，在離心場中進(jìn)行初步固結(jié)。 初步固結(jié)完成后，繼續(xù)填土直至填完隧道管6下臥層土，然后放入隧道管6，隧道
管6兩側(cè)用乳膠帶16纏繞，通過水準(zhǔn)尺測量使隧道管6水平，打開氣閥12將乳膠氣囊15
內(nèi)充入氣體并堵住隧道管6上的孔眼，氣壓根據(jù)上覆土的厚度決定，乳膠氣囊15氣體充滿
后氣閥12關(guān)閉，乳膠氣囊15的乳膠膜緊貼隧道管6內(nèi)壁防止周圍土體水分滲入。之后密
封模型箱1，繼續(xù)固結(jié)土層，直到土體的固結(jié)度達(dá)到90%以上可認(rèn)為固結(jié)完成。 固結(jié)完成后，安裝測量設(shè)備，啟動離心機直至離心場穩(wěn)定，之后打開氣閥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(dǎo)管
10通過液壓閥7并排入貯液缸9中。在此期間，可通過貯液缸9底側(cè)的孔隙水壓力計11通
過導(dǎo)線19連接的量測設(shè)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(fā)明的有益效果 本發(fā)明可提供在高速離心場中在狹小空間里模擬滲漏水因素對隧道縱向長期沉 降影響并進(jìn)行測量。本系統(tǒng)特點如下(l)可承受最大離心加速度150g。 (2)功能與構(gòu)造 緊密結(jié)合，利用離心機容易模擬長期沉降的優(yōu)點，可以在幾十小時內(nèi)模擬幾十年后的沉降， 縮短了研究時間，并能很好的模擬實際隧道在土中的應(yīng)力水平等參量。(3)對自由端的約束 符合實際情況，隧道管兩端的硅膠套筒可以起到防震作用。(4)由于試驗是在離心機高速運 轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的，因此可以減少外界不必要的擾動。(5)本實驗各種設(shè)備可以手工加工，故 生產(chǎn)起來方便，可以廣泛投入到相關(guān)的科研之中。(6)利用本套系統(tǒng)進(jìn)行隧道滲漏水情況的 研究，可以在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步驗證并深化機理的研究，為實際隧道工程設(shè)計施 工及運營提供良好的咨詢與建議。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(jié)期間隧道管6結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標(biāo)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(dǎo)管，11為孔隙水壓力 計，12為氣閥，13為粉細(xì)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(dǎo)線，20為氣體導(dǎo)管，21為橫向加筋肋，22為第二液體導(dǎo)管，23為第 三液體導(dǎo)管。
具體實施例方式
下面通過實施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。 實施例1 :如圖1和圖2所示，模型箱1外形呈長方體，凈尺寸為 800X500X500mm(長X寬X高)，由6個側(cè)面拼接組成。前側(cè)面為30mm厚的有機玻璃面 2，有機玻璃面2便于標(biāo)注與攝像，其它側(cè)面為30mm厚的硬質(zhì)合金鋁板，模型箱1內(nèi)部距離 側(cè)面350mm處，且平行于側(cè)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(cè)及附件側(cè)，模型側(cè)可以放置填土，模型側(cè)頂置有密封頂蓋8，密封頂蓋8可以采用 鋼化玻璃制成，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(cè)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(nèi)套有帶螺紋的雙向接頭5， 一頭通過第一液體導(dǎo)管10連接隧道管6， 一頭通過第二液體導(dǎo)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(dǎo)管23與貯液缸9相連。貯液缸9為圓柱形密閉 中空鋁合金制成，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(nèi)底面用膠帶粘有一個孔隙水壓力計11 ，引出的導(dǎo)線19通過2mm孔口與測量設(shè)備相 連。所有接縫用密封條密封，第一液體導(dǎo)管10、第二液體導(dǎo)管22和第三液體導(dǎo)管23直徑分 別為4mm，導(dǎo)線19的直徑為2mm。 如圖5所示，隧道管6采用空心鋁合金管，直徑為62mm，長度為700mm，壁厚為 20mm，縱向頂側(cè)每隔lOOmm距離鉆有深O. 5mm的凹槽，在凹槽中沿著環(huán)向利用激光扎有8個 等間距孔徑為0. 015mm的孔眼，且用粉細(xì)砂13保護(hù)，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(dǎo)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(nèi)置有乳膠圓柱狀氣囊15，展開后直徑為62mm，長度 700mm。乳膠氣囊15引出的氣體導(dǎo)管20與氣閥12連接，氣閥12為通用型號，氣體導(dǎo)管20 直徑為5mm，壁厚為0. 5mm，從氣閥12引出的氣體導(dǎo)管20連接上離心機的排氣系統(tǒng)。隧道 管6側(cè)面距離兩端沿徑向及端部套有定制的乳膠帶16，軸向?qū)挾?0mm，厚度5mm。
權(quán)利要求
一種離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)，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(dǎo)管和孔隙水壓力計(11)組成，其特征在于模型箱(1)為中部空心的長方體結(jié)構(gòu)，其前側(cè)面為有機玻璃面(2)，隔板(3)放置于模型箱(1)內(nèi)，將模型箱(1)分隔為模型側(cè)與附件側(cè)兩部分，模型側(cè)為靠近有機玻璃面(2)側(cè)，模型側(cè)頂部設(shè)有密封頂蓋(8)，隧道管(6)位于模型側(cè)，液壓閥(7)及貯液缸(9)位于附件側(cè)；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(cè)均布有縱向加筋肋(18)，兩個縱向加筋肋(18)之間設(shè)有橫向加筋肋(21)，液壓閥(7)位于橫向加筋肋(21)上方；鋼板(17)上設(shè)有帶螺紋洞口(4)，帶螺紋洞口(4)內(nèi)套有雙向接頭(5)，雙向接頭(5)一端通過第一液體導(dǎo)管(10)連接隧道管(6)，另一端通過第二液體導(dǎo)管(22)與液壓閥(7)相連，液壓閥(7)通過第三液體導(dǎo)管(23)與貯液缸(9)相連；貯液缸(9)底部固定于模型箱(1)內(nèi)，貯液缸(9)底部設(shè)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(dǎo)線(19)連接測量設(shè)備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)，其特征在于所述隧道 管(6)頂端沿長度方向設(shè)有5個凹槽，環(huán)向設(shè)有8個孔眼，每個孔眼均由粉細(xì)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(nèi)部設(shè)有乳膠 氣囊(15)，隧道管(6)側(cè)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(dǎo)管(20)與氣閥(12)連接，從氣閥(12)引出的氣體導(dǎo)管(20)連接離心機的排 氣系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心場中隧道滲漏水模擬與測量系統(tǒng)，其特征在于所述模型 箱(1)的其余五個側(cè)面均采用鋁合金板。
全文摘要
本發(fā)明屬巖土及地下工程中的隧道工程研究領(lǐng)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(tǒng)。模型箱為中部空心的長方體，隔板將模型箱內(nèi)分隔成模型側(cè)和附件側(cè)，模型側(cè)頂部設(shè)有密封頂蓋，隧道管位于模型側(cè)，液壓閥及貯液缸位于附件側(cè)；隔板由鋼板、縱向加筋肋及橫向加筋肋組成，鋼板上設(shè)有帶螺紋洞口，帶螺紋洞口內(nèi)套有雙向接頭，雙向接頭通過位于兩端的液體導(dǎo)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(shè)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(dǎo)線連接測量設(shè)備。本發(fā)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(xiàn)實際土體應(yīng)力水平，本發(fā)明所需的設(shè)備器材在現(xiàn)有的技術(shù)水平下都可以實現(xiàn)，對離心實驗室的裝備要求不高，可以較方便的制作與推廣，更好的為科研服務(wù)。
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(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者余龍, 李削云, 王磊, 王秀志, 胡蒙達(dá), 馬險峰 申請人:同濟大學(xué);上海申通地鐵集團有限公司