一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，包括試驗箱、隧道開挖模擬裝置、管線和量測系統(tǒng)；試驗箱為可視化鋼化玻璃箱；隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內管和外管；量測系統(tǒng)包括沉降桿、位移傳感器、應變片、壓力盒、數(shù)據采集儀和計算機。本實用新型能夠對埋地管線的變形特性和力學行為進行全面的監(jiān)測，解決了實際工程中監(jiān)測工作難、量測項目不全面的問題。本實用新型通過改變內外管間隙體積模擬不同隧道施工產生的地層損失，且可進行不同土體性質和不同管隧空間位置多種不同材質管線變形特性和力學行為的研究，為建立不同工況下的隧道?管線?土體的力學模型，全面研究管土相互作用及管線變形機理提供更多的數(shù)據基礎。
【專利說明】
一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及隧道工程和地鐵工程技術領域，特別是一種模擬隧道開挖對周邊 埋地管線影響的試驗裝置。 技術背景
[0002] 在隧道開挖施工過程中，由于地層損失產生的地層位移使隧道周圍的埋地管線產 生一定的沉降變形，若控制不力則極易造成管線斷裂等一系列災害事故，給人民的生命和 財產帶來嚴重的損失。因此，控制好地層沉降位移，探究出土體與周圍建筑物、管線和粧基 的相互作用，避免隧道施工引起的災害事故，是地鐵隧道工程中迫切需要解決的問題。但目 前關于埋地管線變形的預測手段及方法還很不成熟。一方面，隧道施工過程中管線變形的 監(jiān)測工作難度大且成本高，不能實現(xiàn)完全解決管線變形監(jiān)測的問題;另一方面，關于周邊埋 地管線的變形機理尚不明確，不能在理論上給出可靠的計算結果。那么通過一種試驗裝置 及試驗方法，對埋地管線的變形特性和力學行為進行監(jiān)測，為研究管線的變形機理提供充 分的數(shù)據資料，對隧道施工中管線變形的預測給予科學的指導是具有重要意義的。 【實用新型內容】
[0003] 為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本實用新型要設計一種模擬隧道開挖對周邊管 線影響的試驗裝置，能夠對不同地質條件和工況下埋地管線的變形特性和力學行為進行監(jiān) 測，為研究不同隧道-管線空間位置時管線變形機理提供充足的數(shù)據資料，實現(xiàn)對具體隧道 施工中管線變形的預測。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案如下：一種模擬隧道開挖對周邊管線 影響的試驗裝置，包括試驗箱、隧道開挖模擬裝置、管線和量測系統(tǒng)；
[0005] 所述的試驗箱為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預 制孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置"凹"形不銹鋼滑槽，用于安裝玻璃擋板;所述的試驗 箱內裝有土體，土體的表層低于試驗箱的開口面;所述的土體中埋有管線，管線安裝在設計 深度處；
[0006] 所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內管和外管;所述的內管模擬隧道的砌 襯，外管模擬盾構機的盾殼;所述的內管和外管嵌套在一起，水平安置在試驗箱的孔洞中； 所述的內管和外管之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內管貫穿箱體，左端與試驗箱 上的玻璃擋板緊接，右端伸出試驗箱外;所述的外管左端距試驗箱左壁10-30cm，右端伸出 試驗箱外20cm;外管右端伸出部分沿環(huán)向均布圓孔，所述的拉拔儀器通過繩索連接到外管 的圓孔上;所述的外管外側沿軸向有刻度標記；
[0007] 所述的量測系統(tǒng)包括沉降桿、位移傳感器、應變片、壓力盒、數(shù)據采集儀和計算機； 所述的沉降桿有多根，其上端與位移傳感器連接，下端固定在管線上，所述的位移傳感器布 置在土體表層上;所述的應變片有多組，沿管線外側軸向間隔布置，每組2個應變片，分別布 置在管線的頂部和底部;所述的壓力盒有多組，沿管線外側軸向與應變片間隔布置，每組2 個壓力盒，分別布置在管線的頂部和底部;所述的壓力盒還布設于管線所在深度的無管線 影響區(qū)域，所述無影響區(qū)域為距管線軸線5倍管徑水平距離處;所述的位移傳感器、應變片 和壓力盒分別通過數(shù)據線與數(shù)據采集儀連接，所述的數(shù)據采集儀與計算機連接。
[0008] 進一步地，所述的試驗箱四壁玻璃上預制有刻度標記線。
[0009] 進一步地，所述的沉降桿由螺紋金屬桿、光滑套管和環(huán)形扣件組成，所述的螺紋金 屬桿外部套有光滑套管，螺紋金屬桿下部通過環(huán)形扣件與管線扣緊。
[0010] 進一步地，所述的外管為PVC管或鋼管，所述的內管為PVC管或鋼管，所述的光滑套 管為PVC管或銅管。
[0011] 進一步地，所述的應變片沿管線軸向間隔10cm布置一組，所述的沉降桿沿管線軸 向間隔10cm布置一根;所述的應變片與沉降桿交錯布置，相互間隔5cm;所述的壓力盒沿管 線軸向間隔20cm布置一組。
[0012] 進一步地，所述的管線的軸線與外管軸線平行、垂直或傾斜布設。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：
[0014] 1、由于本實用新型能夠對埋地管線的變形特性和力學特征進行全面的監(jiān)測，解決 了實際工程中監(jiān)測工作難，量測項目不全面的問題。
[0015] 2、由于本實用新型可通過改變內管外管間隙體積模擬不同隧道施工產生的地層 損失，且可進行不同土體性質下、不同管隧空間位置時各種管線變形特性和力學行為的研 究，為建立不同工況下的隧道-管線-土體的力學模型，全面研究管土相互作用、管線變形機 理提供了更多的數(shù)據基礎。
[0016] 3、由于本實用新型是基于相似原理進行試驗設計，因此得到的試驗結果對實際工 程中管線變形及地層位移的預測具有一定的參考意義。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的結構不意圖。
[0018] 圖2為本實用新型的量測系統(tǒng)的布設示意圖。
[0019] 圖3為本實用新型的沉降桿與管線連接的示意圖。
[0020] 圖4為本實用新型的量測系統(tǒng)電路連接示意圖。
[0021] 圖中：1、試驗箱，2、外管，3、內管，4、管線，5、位移傳感器，6、土體表層，7、滑槽，8、 玻璃擋板，9、應變片，10、沉降桿，11、壓力盒，12、螺紋金屬桿，13、光滑套管，14、環(huán)形扣件， 15、數(shù)據采集儀，16、計算機。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和具體實施例對本實用新型的特點進一步說明。如圖1-4所示，一種 模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，包括試驗箱1、隧道開挖模擬裝置、管線4和量測 系統(tǒng)；
[0023] 所述的試驗箱1為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預 制孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置"凹"形不銹鋼滑槽7,用于安裝玻璃擋板8;所述的試 驗箱內裝有土體，土體的表層低于試驗箱的開口面;所述的土體中埋有管線4,管線4安裝在 設計深度處；
[0024] 所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內管3和外管2;所述的內管3模擬隧道的 砌襯，外管2模擬盾構機的盾殼;所述的內管3和外管2嵌套在一起，水平安置在試驗箱的孔 洞中；所述的內管3和外管2之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內管3貫穿箱體，左端 與試驗箱1上的玻璃擋板8緊接，右端伸出試驗箱外；所述的外管2左端距試驗箱左壁10-30cm，右端伸出試驗箱外20cm;外管2右端伸出部分沿環(huán)向均布圓孔，所述的拉拔儀器通過 繩索連接到外管2的圓孔上;所述的外管2外側沿軸向有刻度標記；
[0025] 所述的量測系統(tǒng)包括沉降桿10、位移傳感器5、應變片9、壓力盒11、數(shù)據采集儀15 和計算機16;所述的沉降桿10有多根，其上端與位移傳感器5連接，下端固定在管線4上，所 述的位移傳感器5布置在土體表層6上;所述的應變片9有多組，沿管線4外側軸向間隔布置， 每組2個應變片9,分別布置在管線4的頂部和底部;所述的壓力盒11有多組，沿管線4外側軸 向與應變片9間隔布置，每組2個壓力盒11，分別布置在管線4的頂部和底部;所述的壓力盒 11還布設于管線4所在深度的無管線4影響區(qū)域，所述無影響區(qū)域為距管線4軸線5倍管徑水 平距離處;所述的位移傳感器5、應變片9和壓力盒11分別通過數(shù)據線與數(shù)據采集儀15連接， 所述的數(shù)據采集儀15與計算機16連接。
[0026] 進一步地，所述的試驗箱1四壁玻璃上預制有刻度標記線。
[0027]進一步地，所述的沉降桿10由螺紋金屬桿12、光滑套管13和環(huán)形扣件14組成，所述 的螺紋金屬桿12外部套有光滑套管13,螺紋金屬桿12下部通過環(huán)形扣件14與管線4扣緊。
[0028] 進一步地，所述的外管2為PVC管或鋼管，所述的內管3為PVC管或鋼管，所述的光滑 套管13為PVC管或銅管。
[0029] 進一步地，所述的應變片9沿管線4軸向間隔10cm布置一組，所述的沉降桿10沿管 線4軸向間隔10cm布置一根;所述的應變片9與沉降桿10交錯布置，相互間隔5cm;所述的壓 力盒11沿管線4軸向間隔20cm布置一組。
[0030] 進一步地，所述的管線4的軸線與外管2軸線平行、垂直或傾斜布設。
[0031 ]本實用新型的試驗方法，包括以下步驟：
[0032] A、進行隧道-土體-管線4的相似設計；
[0033]首先根據實驗室條件確定模型尺寸與原型尺寸的幾何相似比為1:L，L為縮尺比 例，然后根據幾何相似比，對試驗所需管線4、內管3和外管2的直徑、壁厚和埋深按原型尺寸 的1/L進行設計;在材料物理力學參數(shù)的設計上，以滿足管線4彈性模量的相似設計為原則： 即所選材料的彈性模量為原型的1/L; 土體參數(shù)的相似設計，以幾何相似比和容重相似比為 基礎相似比，盡量實現(xiàn)泊松比、摩擦角的全相似，彈性模量按原型土體彈性模量的1/L進行 設計。具體設計原則如下：
[0034] 相似管線4:
[0035] ⑴幾何相似比：Cl = L;
[0036] (2)彈性模量相似比：Ce = L。
[0037] 相似土體：
[0038] (1)幾何相似比：CL = L，容重相似比：CY = 1;
[0039] (2)泊松比、摩擦角相似比:丨=義=1 ;
[0040] (3)彈性模量相似比：Ce = L。
[0041] B、量測系統(tǒng)的布置；
[0042]量測內容包括管線4的應變、管線4的豎向位移、管線4的頂部處土壓力、管線4的底 部處土壓力和管線4所在深度處無管線4影響區(qū)域處土壓力;采用應變片9測試管線4軸向應 變，沿管線4軸線方向間隔10cm在管線4外壁頂部和底部粘貼1組應變片9,全長布設;管線4 與沉降桿10通過環(huán)形扣件14連接，沿管線4軸線間隔10cm，與應變片9交錯垂直布設于管線4 上，同時與土體表層6上已固定的位移傳感器5連接;管線4頂部、管線4底部和管線4所在深 度的無管線4影響區(qū)域土壓力采用壓力盒11量測，將壓力盒11分別布設于管線4頂部、底部 和管線4所在深度的無管線4影響區(qū)域;將各測量儀器的引線與數(shù)據采集儀15和電腦連接， 通過計算機16自動采集試驗相關數(shù)據。
[0043] C、模型填筑及管線4鋪設；
[0044] 土體填筑方式為分層填筑，每5cm為一層，在土體填至試驗箱孔洞位置處時，將嵌 套好的外管2和內管3安置在試驗箱1內，模擬盾構機外殼及隧道襯砌，內管3長度貫穿試驗 箱，外管2根據試驗要求設定內置長度和外伸長度，為保證外管2和內管3的空隙間無土體進 入，在試驗箱1內的外管2端口內粘貼泡沫，使之與內管3密合，防止拉拔時土體進入縫隙;在 填筑到管線4設計高度時，將已布設應變片9和沉降桿10的管線4按照試驗要求的空間位置 擺設，同時在管線4頂部、管線4底部和管線4所在深度的無管線4影響區(qū)域布置壓力盒11，將 引線從兩側引出，繼續(xù)填筑土體至試驗預定高度。所述的空間位置包括管線4的軸線與外管 2軸線平行、垂直或斜交。
[0045] D、隧道開挖擾動過程的模擬設計；
[0046] 隧道施工引起地層擾動對周邊埋地管線4的影響，采用逐步釋放土體位移產生地 層損失的方法來實現(xiàn)。具體步驟為:利用拉拔儀器對外管2施加外力拉拔，以5cm為一進尺， 將外管2緩慢、均勻拔出，模擬隧道開挖時地層損失不斷發(fā)展的效果；
[0047] E、試驗數(shù)據的采集；
[0048]在拉拔外管2開始前，完成數(shù)據采集軟件的調試工作，包括位移傳感器5相關參數(shù) 的輸入、數(shù)據采集頻率和輸出類型的選擇;開始拉拔外管2的同時開始采集數(shù)據，直至拉拔 結束;當管線4和地層位移基本穩(wěn)定時，停止采集，保存數(shù)據。
【主權項】
1. 一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于:包括試驗箱（1)、隧道 開挖模擬裝置、管線(4)量測系統(tǒng)； 所述的試驗箱（1)為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預制 孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置"凹"形不銹鋼滑槽(7)，用于安置玻璃擋板(8);所述的 試驗箱內裝有土體，土體的表層低于試驗箱的開口面;所述的土體中埋有管線(4)，管線(4) 安置在設計深度處； 所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內管(3)和外管(2);所述的內管(3)模擬隧道 的砌襯，外管(2)模擬盾構機的盾殼;所述的內管(3)和外管(2)嵌套在一起，水平安裝在試 驗箱的孔洞中；所述的內管（3)和外管（2)之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內管 (3)貫穿箱體，左端與試驗箱（1)上的玻璃擋板(8)緊接，右端伸出試驗箱外;所述的外管(2) 左端距試驗箱左壁10_30cm，右端伸出試驗箱外20cm;外管（2)右端伸出部分沿環(huán)向均布圓 孔，所述的拉拔儀器通過繩索連接到外管(2)的圓孔上;所述的外管(2)外側沿軸向有刻度 標記； 所述的量測系統(tǒng)包括沉降桿（10)、位移傳感器(5)、應變片(9)、壓力盒（11)、數(shù)據采集 儀（15)和計算機（16);所述的沉降桿（10)有多根，其上端與位移傳感器(5)連接，下端固定 在管線(4)上，所述的位移傳感器(5)布置在土體表層(6)上;所述的應變片(9)有多組，沿管 線(4)外側軸向間隔布置，每組2個應變片(9)，分別布置在管線(4)的頂部和底部;所述的壓 力盒（11)有多組，沿管線(4)外側軸向與應變片(9)間隔布置，每組2個壓力盒（11)，分別布 置在管線(4)的頂部和底部;所述的壓力盒(11)還布設于管線(4)所在深度的無管線影響區(qū) 域，所述無管線影響區(qū)域為距管線(4)軸線5倍管徑水平距離處;所述的位移傳感器(5)、應 變片(9)和壓力盒（11)分別通過數(shù)據線與數(shù)據采集儀（15)連接，所述的數(shù)據采集儀（15)與 計算機(16)連接。2. 根據權利要求1所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于： 所述的試驗箱(1)四壁玻璃上預制有刻度標記線。3. 根據權利要求1所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在 于:所述的沉降桿（10)由螺紋金屬桿(12)、光滑套管（13)和環(huán)形扣件（14)組成，所述的螺紋 金屬桿（12)外部套有光滑套管（13)，螺紋金屬桿（12)下部通過環(huán)形扣件（14)與管線(4)扣 緊。4. 根據權利要求1所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于： 所述的外管(2)為PVC管或鋼管，所述的內管(3)為PVC管或鋼管。5. 根據權利要求1所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于： 所述的應變片(9)沿管線(4)軸向間隔10cm布置一組，所述的沉降桿（10)沿管線(4)軸向間 隔10cm布置一根;所述的應變片(9)與沉降桿（10)交錯布置，相互間隔5cm;所述的壓力盒 (11)沿管線(4)軸向間隔20cm布置一組。6. 根據權利要求1所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于： 所述的管線(4)的軸線與外管(2)軸線平行、垂直或傾斜布設。7. 根據權利要求3所述的一種模擬隧道開挖對周邊管線影響的試驗裝置，其特征在于： 所述的光滑套管（13)為PVC管或銅管。
【文檔編號】G01N3/00GK205642986SQ201620396607
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】王海濤, 金慧, 張景元, 何永, 閆帥
【申請人】大連交通大學