一种隧道工程中衬砌结构及围岩的动力响应测试系统

摘要

本发明公开了一种隧道工程中衬砌结构及围岩的动力响应测试系统，包括模型箱、试验荷载加载系统。模型箱(100)为顶部设有开口的立方体结构，模型箱的内表面设有减震敷层(110)；一贯穿模型箱前后端面的可拆卸隧道模板(200)设置在模型箱中部；拆卸隧道模板具有分别与模型箱前后端面可拆卸联接的前后两个端盖,隧道衬砌模型连接在前后两个端盖之间；受控制装置控制可对荷载的形式，大小以及频率予以控制的激振器悬置在钢梁上；前后两个端盖之间设置有一个或一个以上的隧道衬砌模型。本发明能够方便、准确、真实地模拟列车运行诱发振动荷载作用下衬砌结构以及周围岩土体动力响应与振动波沿隧道横向、纵向以及深度传播规律。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程试验领域岩土类试验技术领域，特别是一种隧道工程 中衬砌结构及围岩的动力响应测试系统。

背景技术

地铁列车在运行时，列车荷载会导致隧道结构-土层以及地面振动问题。 隧道结构及其上覆土层在列车振动荷载作用下的动力响应复杂多变。在长期振 动荷载作用下，隧道衬砌结构可能出现支护开裂产生纵横向裂缝、洞顶混凝土 的剥落甚至底部隆起变形等问题。除隧道结构外，周围土体在长期列车荷载作 用下也会有砂土液化、不均匀沉降和地面塌陷等问题发生。因此，掌握隧道结 构的动力响应特性及其对周围土层的影响机理和变化规律具有重要意义。采用 隧道工程中衬砌结构及围岩动力响应测试系统，可对隧道衬砌结构以及周围岩 体在列车运行诱发振动荷载下的动力响应进行测试，对振动波的传播规律进行 研究。

由于采用模型试验对列车荷载作用下隧道结构动力响应特性进行研究试 验较为复杂，难度较大。目前研究主要集中在国外，国内还少有这方面的研究。

(1)期刊《ProceedingsoftheInstitutionofCivilEngineers- GeotechnicalEngineering》2003年第二期中剑桥学者Thusyanthan和 Madabhushi采用了一种隧道衬砌及围岩动力响应特性测试系统，对不同材料的 隧道衬砌结构对振动波的吸收与传递情况进行了相关研究。该系统模型箱为圆 柱形模型箱，尺寸为900mm×260mm(直径×高)。加载系统主体为振动马达， 通过马达转动，产生偏心力从而实现对模型的加载。该模型试验系统，还存在 以下不足之处：

1、对施加荷载的控制不够精确，对加入荷载的形式，大小以及频率未能 测试。

2、在模型试验中对模型箱边界的处理不够完善，边界可能出现振动波的 反射问题。

3、在试验中模拟工况比较单一，不能有效的对不同断面形状，断面大小 以及有交叉情况的隧道进行模拟。

4、对加入荷载的振幅的大小以及频率控制不够精确，不能真实客观的模 拟隧道列车荷载。

发明内容

本发明的目的是要上述现有技术的不足，提供一种隧道工程中衬砌结构及 围岩的动力响应测试系统，能够方便、准确、真实地模拟列车运行诱发振动荷 载作用下衬砌结构以及周围岩土体动力响应与振动波沿隧道横向、纵向以及深 度传播规律。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种隧道工程中衬砌结构及围岩的动力响应测试系统，包括模型箱、试验 荷载加载系统，模型箱为顶部设有开口的立方体结构，模型箱的内表面设有减 震敷层；一贯穿模型箱前后端面的可拆卸隧道模板设置在模型箱中部；拆卸隧 道模板具有分别与模型箱前后端面可拆卸联接的前后两个端盖,隧道衬砌模型 连接在前后两个端盖之间；试验荷载加载系统包括激振器和用于承载激振器 的钢梁，所述钢梁穿过隧道衬砌模型联接在前后两个端盖的外侧；受控制装置 控制可对荷载的形式，大小以及频率予以控制的激振器悬置在钢梁上；前后两 个端盖之间设置有一个或一个以上的隧道衬砌模型。

进一步地，当采用一个以上的隧道衬砌模型呈空间交叉但不相交状态布 置。

进一步地，所述隧道衬砌模型横截面为如下图形之一：矩形、圆形及马蹄 形。

进一步地，所述模型箱的内部空间长×宽×高为1500mm×900mm× 1350mm，矩形开口的长×高为1406mm×700mm，矩形连接板的长×高为 1500mm×80mm。

本发明的工作原理：通过激振器施加在隧道结构底部，将荷载准确、稳定 地传递到隧道结构上，受信号发生器控制的激振器可以对荷载大小、荷载形式、 荷载频率以及荷载持续时间进行操控，同时可以根据具体需求，将不同车速、 不同等级列车荷载的模拟或者实测数据编辑成荷载时程曲线文件，通过软件将 该荷载时程曲线输入，通过激振器将列车荷载加载到隧道结构上，模拟不同车 速下，列车产生的振动荷载对结构的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明试验装置通过可拆卸隧道模板设置，可实现对单个隧道或者交叉隧 道动力响应特性的模拟的转换，适用范围更广，可对隧道结构-土层的动力响 应进行测试，能用于研究振动波沿不同方向的传播以及衰减规律；试验荷载加 载系统可实现对列车运行诱发动荷载准确模拟，对所施加动力荷载的形式、大 小以及频率准确控制，可模拟不同车速下，列车产生的振动荷载；模型箱的内 表面设有减震敷层使围岩材料对模型箱界面的振动反射减小，完善了模型试验 中对模型箱边界的处理，克服了边界会出现的振动波反射问题。

附图说明

图1为本发明结构的主视图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图2的K部局部放大图；

图4为本发明可拆卸隧道模板的一种结构示意图；

图5为本发明可拆卸隧道模板的另一种结构示意图；

图6为本发明可拆卸隧道模板的第三种结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以 及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

结合图1、图2和图3可看到，本实施例的一种隧道工程中衬砌结构及围 岩的动力响应测试系统，包括模型箱1、试验荷载加载系统3，所述模型箱1 是由6mm厚Q235钢板4焊接而成的顶部为开口(用作围岩填充操作)的立方体结 构，模型箱的内表面设有减震敷层110，在本实施例减震敷层为胶泥敷层。模 型箱的内部空间长×宽×高为1500mm×900mm×1350mm，此处宽度对应隧 道衬砌模型10的纵向长度，土木工程领域相似模型试验的几何相似比一般介 于20-50的范围内，因此，该模型箱1可以用于模拟30m×18m×27m至75m× 45m×67.5m的介质空间。模型箱1的前端面和后端面各开设一个长×高为1406 mm×700mm的矩形开口5，一贯穿模型箱前后端面的可拆卸隧道模板设置在 模型箱中部。拆卸隧道模板200具有分别与模型箱前后端面可拆卸联接的前后 两个端盖201和202，该两个端盖通过螺栓联接在模型箱100的前后端面的矩 形开口5附近，模型隧道连接在前后两个端盖201和202之间；试验荷载加载 系统300包括激振器9和钢梁1,激振器9施加在隧道衬砌模型10底部，钢梁 11穿过模型隧道通过螺栓联接在前后两个端盖的外侧；激振器9顶部与钢梁 11通过第一螺栓12b连接，钢梁11通过第二螺栓12c固定在模型箱1的两个 端盖201和202的外壁，所述激振器9依次与信号放大器、信号发生器、以及 计算机进行连接。

可拆卸隧道模板200可以方便地拆卸和安装，其两个端盖且易于切割加工， 可以对不同断面形状，断面大小以及有交叉情况的隧道进行模拟，比如单洞隧 道(如图4所示)，平行隧道(如图5所示)以及空间交叉隧道(如图6所示) 等。同时，模型箱1外部设有宽70mm、厚6mm的Q235横向加固钢条8和竖 向加固钢条7，横向加固钢条8和竖向加固钢条7组成框型结构。此外，钢梁 11通过第二螺栓12c固定在模型箱1外部的竖向加固钢条7上，该竖向加固钢 条7可用于固定激振器9。

试验荷载加载系统300主要由激振器9和钢梁11组成，通过激振器9施 加在隧道衬砌模型10底部，该激振器与钢梁11通过第一螺栓12b连接，同时， 将该钢梁11通过第二螺栓12c固定在模型箱1外部的竖向加固钢条7上，从 而可以将荷载稳定的传递到隧道衬砌模型10上。激振器9依次与信号放大器、 信号发生器、以及计算机进行连接，通过计算机设定参数，可以对荷载大小、 荷载形式、荷载频率以及荷载持续时间进行操控，同时可以根据具体需求，将 不同车速、不同等级列车荷载的模拟或者实测数据编辑成荷载时程曲线文件， 通过软件将该荷载时程曲线输入，通过激振器将列车荷载加载到隧道结构上， 模拟不同车速下，列车产生的振动荷载对结构的影响。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。