适用于模拟盾构隧道位移工况/收敛工况的模型装置

摘要

本实用新型涉及一种适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置，包括依次抵接的至少两组模型管片环，至少部分模型管片环配置有位移驱动机构，位移驱动机构包括用于驱动对应模型管片环水平移动的水平移动结构和/或用于驱动对应模型管片环竖向移动的竖向移动结构。另外还提供一种适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置，包括外附基座、模型管片环和加载机构，模型管片环承托于外附基座上，加载机构安设于外附基座上并且被定位在模型管片环的目标加载点位附近。本实用新型提供了盾构隧道的相似模型，可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，具有省时省力的优点，经济适用性较强；可配合多种传感器使用，操作简单且兼容性强，可大规模推广应用。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置以及一种适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置。

背景技术

目前，盾构隧道的沉降、位移及收敛工况研究多采用理论分析法、数值计算法和现场实测法，其中：理论分析法解析解较多；数值计算法由于工程上的一些不确定性因素，输入的参数难以精确，另外还存在模型的简化问题等；现场实测法只有在施工过程中进行，投入较大、周期较长，而且可用于盾构隧道不利工况监测的传感器标定过程中往往忽略了其安装的问题，因此可能会降低了其监测的质量。

实用新型内容

本实用新型涉及一种适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置以及一种适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本实用新型涉及一种适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置，包括至少两组模型管片环，各所述模型管片环依次抵接；至少部分所述模型管片环配置有位移驱动机构，所述位移驱动机构包括用于驱动对应模型管片环水平移动的水平移动结构和/或用于驱动对应模型管片环竖向移动的竖向移动结构。

作为实施方式之一，各所述模型管片环均配置有所述水平移动结构，至少部分模型管片环配置有所述竖向移动结构。

作为实施方式之一，所述位移驱动机构包括水平移动结构和竖向移动结构时，所述水平移动结构与所述竖向移动结构组合形成为二维驱动机构。

作为实施方式之一，所述模型管片环的水平位移范围以及竖向位移范围均为-10～10cm。

本实用新型还涉及一种适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置，包括外附基座、模型管片环和加载机构，所述模型管片环承托于所述外附基座上，所述加载机构安设于所述外附基座上并且被定位在所述模型管片环的目标加载点位附近。

作为实施方式之一，所述外附基座上设有导向座，所述导向座为弧形座并且环绕所述模型管片环设置，于所述导向座上设有与所述模型管片环同轴的弧形导轨，所述加载机构滑动设置于所述弧形导轨上。

作为实施方式之一，所述弧形导轨为开设于所述导向座上的滑槽，所述加载机构包括滑动设置于所述滑槽上的滑动件、设于所述滑动件上并且面向所述模型管片环的执行件以及设于所述滑动件上并且位于导向座外侧的驱动件，所述执行件与所述驱动件连接。

作为实施方式之一，所述模型管片环包括环形基板以及设于所述环形基板上的多块模型管片，各所述模型管片拼接成环。

作为实施方式之一，各所述模型管片贴装于所述环形基板的内环板面上。

作为实施方式之一，所述模型管片为钢筋混凝土管片。

本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型提供了盾构隧道的相似模型，可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，而且可以对实验中的主要因素进行独立控制。与现场实测相比，可进行方案的前期优化，具有省时省力的优点；模型装置的制作材料简单、成本低廉且可重复使用，经济适用性较强。本实用新型提供的模型装置可配合多种传感器使用，操作简单且兼容性强，可大规模推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的位移监测模块的布置示意图；

图3为本实用新型实施例提供的适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1，本实用新型实施例提供一种适用于模拟盾构隧道位移工况的模型装置，包括至少两组模型管片环11，各所述模型管片环11依次抵接；至少部分所述模型管片环11配置有位移驱动机构，所述位移驱动机构包括用于驱动对应模型管片环11水平移动的水平移动结构13和/或用于驱动对应模型管片环11竖向移动的竖向移动结构12。

上述模型管片环11用于模拟实际盾构隧道中的管片环，其制作比例与实际盾构隧道工程中的管片环按等比例缩小制作；在其中一个实施例中，实际工程中的管片环与上述模型管片环11的尺寸比为10：1。

在其中一个实施例中，上述模型管片环11采用金属刚性材料制作；制作简单、成本低廉，具有足够的结构强度，可消除其他因素对模拟结果的影响。

在初始状态下，各模型管片环11同轴并依次抵接。

当上述模型装置用于模拟盾构隧道的水平位移工况时，可仅配置水平移动结构13；当上述模型装置用于模拟盾构隧道的沉降工况时，可仅配置竖向移动结构12。显然地，当位移驱动机构同时包括水平移动结构13和竖向移动结构12时，可提高模型装置的适用范围和实验灵活度。

其中，当上述模型装置用于模拟盾构隧道的水平位移工况时，优选为各模型管片环11均配置有水平移动结构13，可提高模拟实验的准确性和灵活度；当上述模型装置用于模拟盾构隧道的沉降工况时，可为各模型管片环11均配置竖向移动结构12，也可仅为其中部分模型管片环11配置竖向移动结构12。因此，作为优选方案，各所述模型管片环11均配置有所述水平移动结构13，至少部分模型管片环11配置有所述竖向移动结构12。

优选地，所述位移驱动机构包括水平移动结构13和竖向移动结构12时，所述水平移动结构13与所述竖向移动结构12组合形成为二维驱动机构。

上述水平移动结构13可采用常规的直线驱动机构，例如采用气缸、液压缸、电动推杆或电机+传动结构等进行自动驱动，本实施例中，采用手动驱动方式，如图1，上述水平移动结构13包括驱动手柄和传动单元，该传动单元可采用丝杆机构等直线传动组件，此处不作一一例举。同样地，上述竖向移动结构12也可采用常规的直线驱动机构。

优选地，上述模型管片环11可安装在一活动台15上，上述位移驱动机构与该活动台15连接。其中，模型管片环11优选为可拆卸安装在该活动台15上，便于安装和维护，并且可用于不同的实验中。

优选地，如图1，上述模型装置还包括驱动平台14，上述位移驱动机构设置在该驱动平台14上。

在其中一个实施例中，所述模型管片环11的水平位移范围以及竖向位移范围均为-10～10cm。对于位移驱动机构采用自动驱动方式，可通过行程编码器等控制对应的位移行程；对于位移驱动机构采用手动驱动方式，可对应地设置位移刻度，便于实验人员控制操作。

本实施例提供的模型装置可配合多种传感器使用，以达到可靠监测、提高实验准确性的目的。相应地，上述模型还包括位移监测模块，通过该位移监测模块对水平位移情况和/或沉降位移情况进行监测。

在其中一个实施例中，如图2，所述位移监测模块包括两条位移监测光缆16，所述位移监测光缆16为集成有多个光纤光栅应变传感器161的光纤光栅阵列应变缆线；所述位移监测光缆16沿模型隧道的管壁敷设，两条位移监测光缆16均在隧道纵向上呈波形分布并且两条位移监测光缆16的波形反相。其中，相邻两组模型管片环11之间抵接形成一个环缝处，优选为在每个环缝处分布有一个光纤光栅应变传感器161。

上述位移监测模块用于监测模型隧道的沉降情况时，可将位移监测模块设置在隧道腰部；上述位移监测模块用于监测模型隧道的水平位移情况时，可将位移监测模块设置在隧道的顶部和/或底部。

上述光纤光栅阵列应变缆线为单根光缆内集成有多个光纤光栅应变传感器161的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点。采用光纤光栅阵列应变缆线，可实现模型隧道的全线连续监测，而且各光纤光栅应变传感器161的信号传输线路统一、一致性高，能提高监测结果的准确性。

对于上述方案，一般还配置有光纤光栅数据解调仪，其用于接收位移监测光缆16发送的应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。光纤光栅数据解调仪也为现有设备；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。

在其中一个实施例中，如图2，每条位移监测光缆16的波峰和波谷沿隧道纵向依次分布在各个模型管片环11上，该位移监测光缆16的波峰和波谷分别通过固定装置与模型隧道的管壁固连。进一步优选地，每条位移监测光缆16中，相邻两个固定装置之间的缆段不与隧道管壁固连，但呈伸直状态，相应地，所述位移监测光缆16呈锯齿波形分布；在该设计中，相邻两个固定装置之间的缆段能够快速地、准确地响应模型管片环11的位置变化；相邻两个固定装置之间的缆段内包括至少一个光纤光栅应变传感器161。

优选地，所述位移监测模块中，其中一条位移监测光缆16的波峰与另一条位移监测光缆16的波谷通过同一固定装置固定。在该结构中，既便于两条位移监测光缆16的布设，更为重要地，使同一位移监测模块中的两条位移监测光缆16相邻布设，二者的应变响应范围和响应速度接近，能提高对相应位置处的位移监测的准确性。

实施例二

本实用新型实施例提供一种适用于模拟盾构隧道收敛工况的模型装置，包括外附基座22、模型管片21和加载机构24，所述模型管片21承托于所述外附基座22上，所述加载机构24安设于所述外附基座22上并且被定位在所述模型管片21的目标加载点位附近。

上述模型管片21用于模拟实际盾构隧道中的管片环，其制作比例与实际盾构隧道工程中的管片环按等比例缩小制作；在其中一个实施例中，实际工程中的管片环与上述模型管片21的尺寸比为10：1。

在其中一个实施例中，如图3，上述外附基座22采用鞍座形式，能够稳定可靠地承托模型管片21。

在其中一个实施例中，如图3，所述外附基座22上设有导向座23，所述导向座23为弧形座并且环绕所述模型管片21设置，于所述导向座23上设有与所述模型管片21同轴的弧形导轨，所述加载机构24滑动设置于所述弧形导轨上。基于上述结构，可以将加载机构24滑动到不同位置进行加载试验，可提高上述模型装置的适用范围和实验灵活性。

进一步地，如图3，所述弧形导轨为开设于所述导向座23上的滑槽231，所述加载机构24包括滑动设置于所述滑槽231上的滑动件、设于所述滑动件上并且面向所述模型管片21的执行件以及设于所述滑动件上并且位于导向座23外侧的驱动件，所述执行件与所述驱动件连接。上述驱动件可采用常规的直线驱动机构，例如采用气缸、液压缸、电动推杆或电机+传动结构等进行自动驱动，本实施例中，采用手动驱动方式，具体包括驱动手柄和传动单元，该传动单元可采用丝杆机构等直线传动组件，此处不作一一例举。

进一步优化上述模型装置，所述模型管片21包括环形基板211以及设于所述环形基板211上的多块模型管片212，各所述模型管片212拼接成环(图3中仅示出部分模型管片212)。其中，模型管片212可贴装在环形基板211上，优选为贴装于环形基板211的内环板面上；当然贴装在环形基板211的外环板面上也为可行方案。基于上述结构，能更好地模拟收敛工况下，管片环中盾构管片之间接缝变化情况，提高实验准确性和可靠性。在其中一个实施例中，上述模型管片212为钢筋混凝土管片，各模型管片212均相对于实际管片环中的各盾构管片等比例缩小；上述环形基板211可采用金属板等材质。

实施例三

本实施例提供一种适用于模拟盾构隧道工况的模型装置，其结合上述实施例一和实施例二中的技术方案，能够模拟盾构隧道的位移工况和收敛工况。

具体地，实施例一中的模型管片环11可直接采用实施例二中的模型装置，也即采用多组实施例二中的模型装置并且至少部分外附基座22配置有位移驱动机构，例如将实施例二中的外附基座22安装在实施例一中的活动台15上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。