軌道交通不均勻沉降試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

沈思東 汪磊 蔡智強(qiáng) 蔡宇辰 王殷浩 王逸涵

摘 要：軌道交通普遍具有運(yùn)量大、速度快、班次密、安全舒適、準(zhǔn)點(diǎn)率高、全天候、運(yùn)費(fèi)低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，極大地方便了人們出行，是人們不可或缺的交通工具。隨著中國各大城市有越來越多的地鐵線路開通運(yùn)營，而在運(yùn)營中的隧道地段若產(chǎn)生過大不均勻沉降則會嚴(yán)重影響運(yùn)營安全和隧道結(jié)構(gòu)。通過開發(fā)軌道交通不均勻沉試驗(yàn)裝置，以模擬土體不均勻沉降的情況下，測量隧道模型的變形情況、受力情況、沉降量和傾斜程度，則可以針對性地選擇處理方法來解決隧道不均勻沉降問題，從而穩(wěn)定軌道交通的線路結(jié)構(gòu)、提高耐久性和防水性、增強(qiáng)軌道平順度、提高乘客乘坐的舒適度，使軌道交通能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)營，以滿足人們能夠較好地了解土體的動(dòng)力穩(wěn)定性并正確判斷隧道的沉降變化規(guī)律，進(jìn)而為土體和隧道加固治理提供依據(jù)的應(yīng)用需求，將具有良好的應(yīng)用前景和社會價(jià)值。

關(guān)鍵詞：不均勻沉降 軌道交通 隧道模型 試驗(yàn)裝置

中圖分類號：TU411.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0063-04

Abstract：Rail transit generally has the advantages of large capacity， fast speed， tight schedule，security and comfort， high punctuality rate， all-weather availability， low freight and energy saving. It is very convenient for people to travel and is an indispensable means of transportation for people. As more and more underground lines are going into operation in major cities in China， tunnels in operation will be seriously affected if there is too much uneven settlement coming into being. Through The Design of Test Device For Uneven Settlement of Rail Transit to simulate the circumstances to measure the deformation，the force condition， the settlement and the inclination of uneven soil settlement of the tunnel model. You can targetedly select the choice of treatment to solve the uneven settlement of tunnel for stabilizing the track structure of rail transit，for improving the durability the water resistance track smoothness and passengerscomfort and for the safe and stable operation of the rail transit to meet the demands for a better understanding the soil Dynamic stability and correct judgment of change rule of the tunnel. Further， The Design of Test Device For Uneven Settlement of Rail Transit provides the basis for the reinforcement and treatment of soil and tunnel and it will have a wide application prospects and social values.

Key Words： Uneven settlement； Rail transit； Tunnel model； Test device

上海是國內(nèi)較早開通地鐵的城市之一，在地鐵一號線開通運(yùn)行之始，就開始了對隧道的沉降檢測，在十多年前就發(fā)現(xiàn)了隧道有不均勻沉降情況，且不均勻沉降越來越明顯[1]。不均勻沉降會使隧道產(chǎn)生縱向變形，而隧道的抗縱向變形能力很脆弱，當(dāng)縱向變形或曲率半徑達(dá)到一定的量值后，就可能出現(xiàn)管片環(huán)縫張開量過大而漏水或管片縱向受拉破壞[2]。而往往在不均勻沉降產(chǎn)生問題或不均勻沉降過大之后才會采取辦法治理不均勻沉降以及修復(fù)隧道結(jié)構(gòu)[2]。在觀測隧道的累計(jì)沉降發(fā)展情況的同時(shí)，還需要對隧道的沉降發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測。傳統(tǒng)的預(yù)測方法受諸多因素影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值偏差較大，而隧道長期不均勻預(yù)測的蟻群算法雖相比傳統(tǒng)的預(yù)測方法有所改善，但關(guān)于其中的參數(shù)如何優(yōu)化選取的理論尚不完善[3]。但改進(jìn)后的預(yù)測模型計(jì)算過程清晰、算式簡單、使用方便，且預(yù)測精度更高，最大誤差可控制在0.5%左右[4]。通過改進(jìn)后的預(yù)測模型來預(yù)測不均勻沉降情況，再模擬此情況下的隧道模型獲得各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作為提前鞏固隧道結(jié)構(gòu)和土體穩(wěn)定的依據(jù)，可以起到未雨綢繆的作用。國內(nèi)對于不均勻沉降試驗(yàn)裝置的研究較少，而在中國專利CN201621280034.1中公開的一種隧道模型沉降與加載試驗(yàn)箱，該專利是通過模擬外部加載和沉降來分析隧道模型和接頭的受力情況，并不能通過模擬土體不均勻沉降的情況來測量隧道模型的變形情況、受力情況、沉降量和傾斜程度；并且該專利中的模擬裝置涉及到多個(gè)千斤頂?shù)却笮驮O(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不方便[5]。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)裝置的目的是通過人為模擬出土體的不均勻沉降來測量隧道模型的變形情況、受力情況、沉降量和傾斜程度。因此，需要將試驗(yàn)箱的底部劃分為幾塊同寬度的底板，通過調(diào)節(jié)各底板高度來模擬出不均勻沉降的情況。考慮到為了使底板上下調(diào)節(jié)更方便順暢，采取了可縮緊滑塊搭配滑槽的方式。為了避免滑塊內(nèi)部的滾珠被土顆?？ㄗ〉那闆r發(fā)生，采用了將底板放置在滑塊上并且試驗(yàn)箱底部鋪上一層土工布以避免漏土的方案。箱子底部的左右兩側(cè)各一塊50mm寬的底板設(shè)置為不可移動(dòng)是為了消除邊界條件的影響[7]。

箱子采用鋼化玻璃材質(zhì)，可以通過鋼化玻璃觀察到土體內(nèi)部的變化且鋼化玻璃強(qiáng)度較高可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。為了安全考慮，選用了1cm厚的鋼化玻璃。箱子的寬度和隧道直徑參考了《多線疊交盾構(gòu)隧道近接施工模型試驗(yàn)》[8]。由于確定了相似系數(shù)為1∶40，隧道外徑為6.4m，因此確定了隧道模型的外徑160mm，箱子的寬度為60cm?？紤]到需要模擬的情況可能較多，隧道的埋深有的情況下比較深，將試驗(yàn)箱的高度定為1m。塑料是較常用的模型試驗(yàn)材料，且在日本的隧道模型試驗(yàn)中已被率先使用[9]。因此將1m長，160mm外徑的聚氯乙烯管（英文：PolyVinyl Chloride，簡稱：PVC）作為隧道模型。

支撐試驗(yàn)箱的底座采用木質(zhì)的立柱。木材較為輕便，易于加工，但木材本身強(qiáng)度高，可以承受較大的重量。為了確保50mm寬的底板可以放置在底座上且試驗(yàn)箱能夠平穩(wěn)地放在底座上，木質(zhì)立柱的寬度和長度均為90mm，高度為30cm。

50mm寬和150mm寬的底板均是有機(jī)玻璃材質(zhì)的。有機(jī)玻璃強(qiáng)度較高，自重小。但由于底板會承受較大力的作用，選用了較厚的有機(jī)玻璃作為底板。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)組成

1.2.1 底座

底座由兩組支架與滑槽組成，放置在試驗(yàn)箱的下方，滑槽及滑塊見圖1。

1.2.2 試驗(yàn)箱

試驗(yàn)箱四壁為鋼化玻璃，長1m，寬0.6m，高1m，玻璃厚度為1cm，實(shí)物圖見圖2。

1.2.3 隧道模型

隧道模型為外徑為160mm，厚度為3.5mm的聚氯乙烯管，長度為1m（見圖3）。

1.2.4 測量工具

隧道模型上方等間距放置細(xì)長聚氯乙烯管，使之伸出土體外來測量隧道模型各部分沉降量；應(yīng)變片貼于隧道模型四周，組成全電橋方式貼片，采用數(shù)據(jù)采集器收集測量數(shù)據(jù)。細(xì)長聚氯乙烯管見圖4。

1.2.5 整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

完整的試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀梢陨纤拇蟛糠纸M成，完整試驗(yàn)裝置實(shí)物圖見圖5。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?/p>

用8個(gè)直角夾將4塊鋼化玻璃組裝在一起，使每兩塊鋼化玻璃之間的角度嚴(yán)格控制為90°，然后用硅膠將其固定起來，待其凝固之后拆除直角夾。

底座由兩組支架與滑槽組成，一組支架由兩根豎向木制立柱通過直角固定塊與一根橫向木塊裝配在一起，并將6個(gè)滑槽通過自攻螺絲固定在橫向木塊側(cè)面，且滑槽著地。

將粘結(jié)好的玻璃箱放置于底座上，用硅膠將兩塊50mm寬的有機(jī)玻璃底板粘結(jié)在玻璃箱左右兩端。將剩余6塊150mm寬的有機(jī)玻璃底板裝配于滑槽的滑塊上，使之可以隨著滑塊上下移動(dòng)并且在初始狀態(tài)時(shí)，6塊有機(jī)玻璃底板與左右兩側(cè)的有機(jī)玻璃底板處于同一高度，使試驗(yàn)箱下底面在同一水平面上。同時(shí)，有機(jī)玻璃與滑塊之間使用硅膠膠結(jié)，凝結(jié)后可以使左右兩側(cè)的滑塊時(shí)刻保持在同一高度上而不會出現(xiàn)傾斜的情況。

為保證在模擬土體不均勻沉降時(shí)不會產(chǎn)生漏土的現(xiàn)象，在試驗(yàn)箱底部鋪上一層土工布。土工布不能太厚且需要設(shè)置一些余量，否則會影響底部不均勻沉降對土體的反映。將6塊底板升至試驗(yàn)箱底，覆上一層與模擬線路相近土性的土，再放入兩端封口處理的隧道模型。

在隧道模型頂部等間距連接細(xì)長豎直聚氯乙烯管和應(yīng)變片等測量工具，然后在隧道模型上覆上一定厚度的土（土層的厚度按照實(shí)驗(yàn)所模擬的軌道交通線路土層厚度按1∶40比例系數(shù)換算后確定），試驗(yàn)裝置組裝完畢（試驗(yàn)裝置實(shí)物圖見圖5，圖5中的試驗(yàn)裝置沒有放入土工布、隧道模型和測量工具）。

組裝過程中需要注意的是，由于材料的長度會有些許的誤差，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各個(gè)部件之間相對的位置或者適當(dāng)?shù)貙Σ牧线M(jìn)行修改。若有機(jī)玻璃底板與滑塊之間的接觸面積過小的話，可以通過在滑塊上組裝直角固定塊來增大接觸面積。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸δ?/p>

該試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^調(diào)整6塊底板的高度來模擬土體的不均勻沉降，以此來測量在不同不均勻沉降的情況下，隧道模型各部分的變形情況、受力情況、沉降量和傾斜程度。

在調(diào)整底板高度前，將卷尺或者米尺，架于試驗(yàn)箱上，在豎直標(biāo)桿上劃出初始刻度。在調(diào)整底板高度后，待土體變化穩(wěn)定之后，再以此法在豎直標(biāo)桿上刻上另一條刻度線。兩條刻度線之間的距離即為該處隧道模型的沉降量。以各個(gè)測點(diǎn)至隧道模型左端的距離為x軸，各測點(diǎn)的沉降量為y軸繪制曲線，即可得到隧道模型的變形情況曲線。

隧道在受到土體的壓力之后，隧道上部受壓，下部受拉，采用電阻式應(yīng)變片貼于這兩處，測量電路可采用惠斯通電橋法，惠斯通電橋按不同的組成方法，可分為全橋，半橋，1/4橋三種方式。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，采用1/4橋法比較合適，當(dāng)隧道模型受力變形的時(shí)候，應(yīng)變片也會隨之變形從而電阻值發(fā)生變化，此時(shí)電橋受到適配器的恒定電壓所激勵(lì)，產(chǎn)生電信號。實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)采集器將這些信號采集，記錄下來。通過電壓與應(yīng)變的換算系數(shù)，即可將其換算成應(yīng)變值。

4 結(jié)論

本軌道交通不均勻沉試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，通過設(shè)有的試驗(yàn)箱體、沉降底板、隧道模型、模擬土體、支架、帶自鎖功能的滑塊與滑槽和測量工具即可以在模擬土體不均勻沉降的情況下，測量隧道模型的變形情況、受力情況、沉降量和傾斜程度，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用方便。另外，還可以根據(jù)需要模擬的沉降情況精確調(diào)整沉降底板，操作安全，原理可靠，實(shí)驗(yàn)誤差?。豢蓱?yīng)用于不同土質(zhì)的沉降試驗(yàn)，可模擬的情況多，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程直觀明確。

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