可變凈距的正交立交隧道實驗系統(tǒng)研發(fā)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，隧道工程越來越多的出現(xiàn)在了主要城市中心區(qū)域。在有限的地下空間工程中，隨著隧道工程的增多，隧道疊交現(xiàn)象不可避免，為了使結(jié)構(gòu)更加安全，工程師們往往將疊交的隧道正交，以土體減少相作用。目前，學(xué)者們對立交隧道的研究往往停留在數(shù)值模擬計算的層面，缺乏物理實驗研究以印證、深入探究正交立交隧道的相互作用原理。由于隧道立交結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗系統(tǒng)要求精密，目前缺乏相對科學(xué)的正交立交隧道實驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。

一、實驗系統(tǒng)的構(gòu)成

本實驗系統(tǒng)包括模型箱系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)、凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳感器及測量系統(tǒng)。模型箱系統(tǒng)為實驗系統(tǒng)最主要組成部分，承載相似配比材料，提供邊界約束，控制實驗體尺寸。開挖系統(tǒng)目的為模擬隧道開挖方式，開挖步序，保證實驗更接近真實施工狀態(tài)，維持所需要的開挖進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)為保證該實驗系統(tǒng)的多效利用性，能不改變其他系統(tǒng)的情況下，改變立交隧道的凈距，實現(xiàn)一個實驗系統(tǒng)多種工況的實現(xiàn)。傳感器測量系統(tǒng)為實現(xiàn)實驗系統(tǒng)在實驗過程中的數(shù)據(jù)采集，包括土壓力盒所傳遞的土體壓力，光纖光柵傳感器所傳遞的土體位移信息等。

二、模型箱系統(tǒng)

模型箱系統(tǒng)為有機玻璃材質(zhì)，透明的材質(zhì)便于人員觀察。分為兩個部分，箱體四周為一整體結(jié)構(gòu)，底板為單獨結(jié)構(gòu)，無頂板。底板有箱體四周凹槽，便于安裝，分離式設(shè)計以達(dá)到翻轉(zhuǎn)目的，可以實現(xiàn)隧道開挖上穿與隧道開挖下穿。

三、開挖系統(tǒng)

開挖系統(tǒng)為上下分離式圓形斷面，通過頂推實現(xiàn)隧道開挖，應(yīng)力釋放。外側(cè)包裹隔離層，避免摩擦力過大。此種方法受力科學(xué)，操作簡便，可實現(xiàn)多種工序。全斷面法開挖、臺階法開挖，實現(xiàn)上下臺階多種步進(jìn)間距的模擬施工方式。開挖系統(tǒng)如圖1。

圖1 開挖系統(tǒng)圖

四、凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖2 凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

凈距的調(diào)節(jié)，通過改變開挖隧道的位置，來滿足凈距的改變。凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過側(cè)板的附屬板來調(diào)節(jié)，改變側(cè)面開孔的高度，來實現(xiàn)開挖隧道的上下移動。側(cè)面預(yù)留連接螺絲孔，與側(cè)面板固定，通過改變螺絲孔連接位置，來改變側(cè)面板高度。凈距調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2。

五、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)可根據(jù)需求來調(diào)整。土體結(jié)構(gòu)的測量一般選擇測量土壓力和土體位移，本實驗系統(tǒng)采用透明材質(zhì)，可視化效果好，可配合圖像監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作，輸出土體位移。一般的傳感器包含土壓力盒，光纖光柵傳感器等。采集設(shè)備有計算機，土壓力采集儀等。試驗箱體如圖3，實驗開展如圖4。

圖3 試驗箱體圖

圖4 實際實驗圖