本發(fā)明涉及巖土及地下工程中的隧道工程，尤其涉及基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置及制作方法。

背景技術(shù)：

1、受復(fù)雜地質(zhì)條件、鄰近工程活動以及列車振動等因素影響，隨著服役時間的增長，隧道會出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)病害問題，給地鐵運營帶來較大安全隱患。隧道變形表現(xiàn)直觀、易誘發(fā)多種病害；隧道管片開裂是病害主要的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式之一，且對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞以及管片的整體性影響明顯，需要及時對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康診斷和維護(hù)。

2、盾構(gòu)隧道作為一種拼裝結(jié)構(gòu)，接頭是最為薄弱的部位，在受到地面超載、鄰近基坑開挖卸載等外部工程活動影響時，接頭往往最先發(fā)生變形破壞，包括接頭張-合變形、管片塊間錯臺、管片環(huán)間錯臺。此外，盾構(gòu)隧道發(fā)生不均勻沉降也會引起隧道管片錯位。因此，除了對盾構(gòu)隧道橫向變形監(jiān)測進(jìn)行研究，開展盾構(gòu)隧道管片接頭變形監(jiān)測研究也極為重要。

3、但由于位移傳感器、水準(zhǔn)儀、全站儀、機(jī)器視覺技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)無法滿足現(xiàn)代隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的要求，亟需一種新型高效的測試方法滿足現(xiàn)代隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的需求。光頻域反射optical?frequency?domain?reflectometry，ofdr)技術(shù)作為一種前沿的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，具有高空間分辨率、高測量精度以及分布式連續(xù)測試等特點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有極大優(yōu)勢，有望克服傳統(tǒng)的點式和斷面式監(jiān)測技術(shù)的缺陷，據(jù)此，國內(nèi)外學(xué)者在基于分布式光纖傳感技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域開展了廣泛而深入的研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置及制作方法，解決背景技術(shù)中所列的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，包括環(huán)境模擬單元、隧道模擬單元和探測單元，所述隧道模擬單元埋設(shè)在所述環(huán)境模擬單元的內(nèi)部，所述隧道模擬單元的內(nèi)部安裝有所述探測單元，所述探測單元與數(shù)據(jù)采集儀電連接。

4、優(yōu)選的，隧道模擬單元包括盾構(gòu)管片襯砌環(huán)，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)縫間通過工字形接頭片進(jìn)行連接，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的外表面與內(nèi)表面間均相對開設(shè)有割槽，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)內(nèi)安裝有所述探測單元。

5、優(yōu)選的，所述工字形接頭片采用pe材質(zhì)。

6、優(yōu)選的，所述探測單元包括有機(jī)玻璃面板和點式應(yīng)變片，所述有機(jī)玻璃面板放置在所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的內(nèi)部，所述有機(jī)玻璃面板的內(nèi)部放置有位移計；

7、所述點式應(yīng)變片等間隔相對安裝在所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的內(nèi)外表面上，且位于所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)內(nèi)表面上的所述點式應(yīng)變片與所述位移計電連接；

8、所述點式應(yīng)變片、所述位移計均與所述數(shù)據(jù)采集儀電連接。

9、優(yōu)選的，所述環(huán)境模擬單元包括地面堆載和模型箱，所述模型箱的底部填充有下臥土層，所述隧道模擬單元放置在所述下臥土層的上方，所述下臥土層的上表面填充有穿越土層，且所述穿越土層包覆在所述隧道模擬單元的外周面上，所述穿越土層的上方放置有所述地面堆載。

10、優(yōu)選的，還包括光纖，所述光纖固定安裝在所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的內(nèi)表面上，所述光纖與所述數(shù)據(jù)采集儀電連接。

11、基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置的制作方法，包括如下步驟：

12、s1、獲取待用于試驗的盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)；

13、s2、擬定幾何相似比cl，得到盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)；

14、s3、擬定彈性模量相似比ce，得到盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)；

15、s4、擬定水膏比，根據(jù)擬定的盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)制作盾構(gòu)管片襯砌環(huán)；

16、s5、測量盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的力學(xué)參數(shù)，判斷盾構(gòu)管片襯砌環(huán)對應(yīng)力學(xué)參數(shù)是否等于設(shè)定值；

17、s6、若盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的力學(xué)參數(shù)不等于設(shè)定值，調(diào)整水膏比，重復(fù)步驟s4-s5，直到盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的力學(xué)參數(shù)與設(shè)定值之差小于5％，將多次得到的水膏比與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系擬合成曲線，以確定當(dāng)盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的力學(xué)參數(shù)等于設(shè)定值時對應(yīng)的水膏比值；

18、s7、根據(jù)水膏比制作材料，通過計算得到的幾何參數(shù)澆筑出單個盾構(gòu)管片襯砌環(huán)；

19、s8、采用開割槽的方式來模擬盾構(gòu)管片縱縫接頭，割槽的截面尺寸根據(jù)接頭的剛度等效原則確定，在割槽截面尺寸選型計算中，抗彎剛度k取5×107n·m/rad；按照盾構(gòu)管片縱縫接頭的相似關(guān)系進(jìn)行計算，選定采用兩側(cè)開槽模式，按照開槽深度5.0mm、寬度5.0mm對管片接頭進(jìn)行開槽處理；

20、s9、環(huán)縫接頭采用粘貼工字形接頭片的方式，得到盾構(gòu)管片襯砌環(huán)組；

21、s10、粘貼應(yīng)變片，用膠水粘貼在盾構(gòu)管片襯砌環(huán)組第2環(huán)管片內(nèi)弧面和外弧面拱頂、拱底、左拱腰以及右拱腰的位置上測量其應(yīng)變狀態(tài)；

22、s11、粘貼光纖，先將混凝土表面打磨光滑并做好定點標(biāo)記，沿著標(biāo)記將光纖拉直后用膠水固定定點外的直線段光纖，使光纖緊貼盾構(gòu)管片表面，最后使用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封蓋保護(hù)，靜置不少于24小時。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

24、1)利用ofdr分布式光纖對盾構(gòu)管片襯砌環(huán)間錯臺變形進(jìn)行測試，可以及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)管片襯砌環(huán)間的錯臺變形情況，而將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為錯臺變形量的計算，則進(jìn)一步提供了更加直觀和綜合的結(jié)構(gòu)實際變形情況，從而更準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的健康狀況，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計、維護(hù)和改進(jìn)提供參考依據(jù)；

25、2)對于盾構(gòu)隧道管片環(huán)間錯臺變形計算方法，基于現(xiàn)有的計算方法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種適用于把光纖直接粘貼在管片表面情況下的錯臺變形量計算方法，并基于試驗光纖測試應(yīng)變對比了兩種計算方法，結(jié)果表明現(xiàn)有計算方法的錯臺變形量約為改進(jìn)計算方法的兩倍，現(xiàn)有計算方法不適用于本次測試的錯臺變形計算，用改進(jìn)計算方法計算的錯臺變形量與百分表實測值具有較好的一致性，且與實際隧道工程的監(jiān)測結(jié)果具有可比性；

26、3)在隧道模型中設(shè)置位移計、應(yīng)變片，光纖可以全面實時監(jiān)測隧道模型受力后的盾構(gòu)管片襯砌環(huán)間錯臺變形演化情況。

27、附圖說明

28、下面結(jié)合附圖說明對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

29、圖1為本發(fā)明基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置正視示意圖；

30、圖2為本發(fā)明盾構(gòu)管片襯砌環(huán)拼接狀態(tài)示意圖。

技術(shù)特征：

1.基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：包括環(huán)境模擬單元、隧道模擬單元和探測單元，所述隧道模擬單元埋設(shè)在所述環(huán)境模擬單元的內(nèi)部，所述隧道模擬單元的內(nèi)部安裝有所述探測單元，所述探測單元與數(shù)據(jù)采集儀電連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：隧道模擬單元包括盾構(gòu)管片襯砌環(huán)(3)，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)(3)縫間通過工字形接頭片(9)進(jìn)行連接，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)(3)的外表面與內(nèi)表面間均相對開設(shè)有割槽(10)，所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)(3)內(nèi)安裝有所述探測單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：所述工字形接頭片(9)采用pe材質(zhì)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：所述探測單元包括有機(jī)玻璃面板(4)和點式應(yīng)變片(7)，所述有機(jī)玻璃面板(4)放置在所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)的內(nèi)部，所述有機(jī)玻璃面板(4)的內(nèi)部放置有位移計(8)；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：所述環(huán)境模擬單元包括地面堆載(1)和模型箱(2)，所述模型箱(2)的底部填充有下臥土層(6)，所述隧道模擬單元放置在所述下臥土層(6)的上方，所述下臥土層(6)的上表面填充有穿越土層(5)，且所述穿越土層(5)包覆在所述隧道模擬單元的外周面上，所述穿越土層(5)的上方放置有所述地面堆載(1)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置，其特征在于：還包括光纖(11)，所述光纖(11)固定安裝在所述盾構(gòu)管片襯砌環(huán)(3)的內(nèi)表面上，所述光纖(11)與所述數(shù)據(jù)采集儀電連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的基于ofdr技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置的制作方法，其特征在于：包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于OFDR技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置及制作方法，涉及巖土及地下工程中的隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，包括環(huán)境模擬單元、隧道模擬單元和探測單元，隧道模擬單元埋設(shè)在環(huán)境模擬單元的內(nèi)部，隧道模擬單元的內(nèi)部安裝有探測單元，探測單元與數(shù)據(jù)采集儀電連接。本發(fā)明基于OFDR技術(shù)的隧道環(huán)間錯臺變形模型試驗裝置及制作方法，利用OFDR分布式光纖對盾構(gòu)管片襯砌環(huán)間錯臺變形進(jìn)行測試，可以及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)管片襯砌環(huán)間的錯臺變形情況，而將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為錯臺變形量的計算，則進(jìn)一步提供了更加直觀和綜合的結(jié)構(gòu)實際變形情況，從而更準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的健康狀況，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計、維護(hù)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：楊雨冰,吳芳,萬靈,盧明健,莫偉樑
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10