CN109030034A - 一种模拟双线地铁运营振动的试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，包括模型箱、隧道模型、列车加载设备、承重结构、位移测量设备、加速度测量设备和服务器；列车加载设备，包括激振器和动态信号测试系统，用以模拟地铁列车移动荷载；承重结构与列车加载设备连接，用来支撑列车加载设备；位移测量设备、加速度测量设备与服务器连接；位移测量设备和加速度测量设备安装在装置的土层中或隧道模型中。本发明模拟不同埋深、不同荷载情况、不同列车运营状态下的双线地铁振动响应；可用于模拟双线地铁振动，适用于复杂工况地铁振动研究；隧道模型完全按照杭州地铁隧道进行缩尺寸设计，贴近实际工程，可为地铁运营对隧道结构及周围环境的影响研究提供可靠、便捷的试验平台。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟双线地铁运营振动的试验装置。
背景技术
随着我国城市地铁建设迅速发展，地铁运营引发的环境振动问题也日渐凸显，地铁列车荷载较大，长期循环荷载作用下必然会导致地基沉降，甚至影响线路正常使用，如上海地铁一号线在建成后未通车期间基本没有发生沉降，而在开始运营8个月期间沉降增加了30~60mm，通车4年内部分路段沉降超过140mm；南京地铁一号线西延线在运营4年后隧道最大累计沉降达122mm，均远远超过了标准的20mm总沉降量。此外，振动会以波的形式通过地基传递到周围建筑，引起的环境扰动对沿线高科技精密仪器运作、古建筑保护及居民生活均会产生不可忽视的影响，已为工程界广泛重视。因此关于地铁列车振动效应及土体变形机理的研究对指导地铁隧道施工和控制工后沉降具有重要意义。
在地铁列车移动荷载设计模拟方面，国内尚无双线地铁室内模型出现。目前城市轨道交通建设速度越来越快，而相应的模拟试验、理论研究等仍较为滞后，是当前工程界的一大热点课题。另一方面，目前地铁运营全比尺模型模拟难度较大、经济成本高，且地下结构状态较难控制，难以模拟不同土质的地铁运营情况。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，可以较真实地模拟地铁列车运营时的振动，为研究地铁运营对隧道结构、周围环境产生的振动问题提供有效可行的试验装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，所述装置包括模型箱、隧道模型、列车加载设备、承重结构、位移测量设备、加速度测量设备和服务器；
所述列车加载设备，包括激振器和动态信号测试系统，用以模拟地铁列车移动荷载；
所述承重结构与所述列车加载设备连接，用来支撑所述列车加载设备；
所述位移测量设备、加速度测量设备与所述服务器连接；
所述位移测量设备和所述加速度测量设备安装在所述装置的土层中或所述隧道模型中。
优选的，所述位移测量设备包括激光位移传感器和应变片。
优选的，所述加速度测量设备包括加速度计。
优选的，所述模型箱由钢板拼接而成，钢架设置在箱体两侧用于抵抗侧向压力，模型箱内填充土层。
优选的，所述隧道模型包括道床、轨枕、钢轨和PE管片环。
优选的，所述承重结构包括钢结构立柱和钢结构横梁。
优选的，所述列车加载设备中的激振器的个数为4个。
本发明的有益效果是：（1）模拟不同埋深、不同荷载情况、不同列车运营状态下的双线地铁振动响应；（2）可用于模拟双线地铁振动，适用于复杂工况地铁振动研究；（3）隧道模型完全按照杭州地铁隧道进行缩尺寸设计，贴近实际工程，可为地铁运营对隧道结构及周围环境的影响研究提供可靠、便捷的试验平台。
附图说明
图1为试验装置剖面图。
图2为轨道系统细部图。
图3为整体模型剖面图。
图4为钢架结构示意图。
附图标记说明：2、钢架；3、土层；3-1、道床；4、轨枕；5、钢轨；6、PE管片环；7、分配梁；8、激振器；9、钢结构立柱；10、钢结构横梁；11、阻尼材料；12、第一传感器组；13、第二传感器组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1至图4所示，一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，包括模型箱、隧道模型、列车加载设备、承重结构、位移测量设备、加速度测量设备、服务器、阻尼材料。
模型箱由钢板拼接而成。所述钢架2设置在中间主箱体两侧用于抵抗侧向压力。模型箱内按研究所需隧道埋深填充砂土、黏土等填充土层3。
隧道模型包括道床3-1、轨枕4、钢轨5、PE管片环6， PE管片环6的环间采用螺丝相连，错缝拼接模拟隧道衬砌，置于土层3中，在PE管片环6管环内侧底部插入竖向螺丝，而后直接浇筑石膏浆形成道床3-1；用氯仿将等距离摆放的轨枕4和钢轨5粘结形成轨排结构，并按图中3间距粘结四道分配梁7，待第一层整体道床初凝后，将轨排结构置于道床上，再浇筑石膏浆使轨枕完全嵌固在道床内。用两个隧道模型来模拟双线地铁运营振动。隧道模型参照地铁实际尺寸缩尺寸比例为3:20（相关专业人员亦可根据不同实验室条件参考本发明所述内容调整模型尺寸），包含道床、轨枕、钢轨、分配梁、PE管片环（环间用螺丝相连，错缝拼接）、土体。PE管片环直径0.62m，厚度4cm。轨道总长6m道床设为整体式道床。PE管片环通过螺丝等距离固定连接，形成盾构隧道衬砌模型置于土层中，在盾构隧道衬砌模型底部插入竖向螺丝，而后直接浇筑石膏浆形成道床；用氯仿将等距离摆放的轨枕和钢轨粘结形成轨排结构，待第一层整体道床初凝后，将轨排结构置于道床上，再浇筑石膏浆使轨枕完全嵌固在道床内。
列车加载设备，包括4个激振器8、及1套动态信号测试系统，用以模拟地铁列车移动荷载。本发明所述激振器输出荷载为0.45吨/个（按照模型比例3:20，4个激振器模拟两节地铁车厢，实际地铁车厢载客量取40吨/节，两节车厢实际载客80吨，按比例换算到模型、并分配到每个激振器，为3吨/个，根据工程试验荷载模拟规定，仍需乘以相似系数3/20，得试验模型所需激振器输出荷载0.45吨/个，若后期研究人员对模型尺寸有所修改，仍可按此法计算激振器载荷）。
承重结构，即模型荷载架立组成，本发明所述试验系统双线地铁每个隧道配套一个钢架用以支撑加载设备，单个钢架包含两个钢结构立柱9、一个钢结构横梁10。详见图4。
位移测量设备包含两组基恩士LK-H155激光位移传感器及应变片，用于测量地铁隧道衬砌管片结构的位移、应变，其中激光位移传感器也可以测量土体的位移。传感器性能如下：（1）量程：80mm；（2）线性精度：（± 0.02 %F.S.=16μm）；（3）再现性精度：0.25 μm；（4）取样频率：“2.55/5/10/20/100/200/500/1000μs”9种可选。应变片精度为0.5μm。第一传感器组12包括激光位移传感器和应变片，第二传感器组13包括激光位移传感器，埋设位置见图1、2所示，其中黑方块表示第一传感器组12，黑圆块表示第二传感器组13。
加速度测量设备包含两组加速度计，用于测量地铁隧道衬砌管片结构的加速度，分别用于双线隧道模型，加速度计精度为0.01g（此处g为加速度单位，1g=9.8m/s2），第一传感器组12中还包括加速度计，埋设位置见图1、2。
第一传感器组12包括了激光位移传感器及应变片、加速度计，第二传感器组13包括激光位移传感器，第一传感器组12放置在地铁隧道管片的上下左右四处各一个，随隧道纵向长度方向按间距为1.0m全长布置。第二传感器组13放置在土体中和地表上地表布置原则为：隧道上方向两侧铺开，按横向距离为0.8m布置到距离模型箱外边侧1~2m处，纵向随隧道纵向长度方向按间距为1.0m全长布置。土体布置原则与地表一致，布置在隧道上方与地表中间位置。
本发明所述试验装置为对称结构，故传感器埋设仅埋设于对称轴单侧。
所述阻尼材料11由10cm厚的泡沫塑料板、钢垫块以及聚苯乙烯薄膜组成，设置在模型箱侧边及底部位置用以减少模型箱壁的反射效应、模拟土体边界条件，提高试验精度。
所述服务器含数据处理软件，接受振动、内力监测数据，并进行计算处理。
以下列举利用本发明所述试验系统进行模拟双线地铁振动响应的几种工况：
1. 模拟不同埋深的影响
采用本发明所述试验系统模拟隧道埋深对地铁运营振动影响时，可仅使用主箱体进行模拟，初始隧道上方覆土填至1.2m厚度，按3:20缩放比例，可模拟实际8m埋深地铁工况。系统安装完毕后，打开位移计解调仪及服务器，每隔15min记录隧道全长位移变化，位移数据稳定时，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。继续填土至厚度达到1.5m，模拟实际10m埋深地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数；继续填土至厚度达到1.8m，模拟实际12m埋深地铁工况，运行列车加载设备，记录各类传感器读数。每次填土完毕均需在试验开始前监测隧道位移变化，直至隧道沉降稳定后再行试验，避免土体扰动导致的试验误差。
2. 模拟不同荷载情况、不同列车运营状态的影响
系统安装完毕后对，仅需按照试验需要改变激振器振动频率、激振器输出荷载、设置双线隧道运营状态（两列列车同时运营、仅一列列车运营、两列列车间隔一定时间运营），启动加载设备，通过位移及加速度测量设备获得隧道结构及周围土体的振动响应情况，由服务器计算输出工程所需数据，为相关研究提供参考。
本发明按照地铁实际情况进行缩尺寸模拟，可广泛应用于城市软土隧道工程动力响应等方向的科学研究。科研及工程人员可以充分地对地铁运营振动环境响应问题进行系统试验分析，探索地铁隧道结构、周围土体的振动变形机理，用以指导工程实践，提高地铁出行安全性，优化轨道交通建设。缩尺寸模型可以较好地解决目前地铁运营全比尺模型模拟难度较大、经济成本高，且地下结构状态较难控制，难以模拟不同土质的地铁运营情况，为实验室工作、理论分析、现场测试布置等搭建了互相联系的桥梁，试验所获得的相关数据，亦将为地铁隧道工程建设和运行提供咨询，完善城市轨道交通建设。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述装置包括模型箱、隧道模型、列车加载设备、承重结构、位移测量设备、加速度测量设备和服务器；
所述列车加载设备，包括激振器和动态信号测试系统，用以模拟地铁列车移动荷载；
所述承重结构与所述列车加载设备连接，用来支撑所述列车加载设备；
所述位移测量设备、加速度测量设备与所述服务器连接；
所述位移测量设备和所述加速度测量设备安装在所述装置的土层中或所述隧道模型中。
2.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述位移测量设备包括激光位移传感器和应变片。
3.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述加速度测量设备包括加速度计。
4.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述模型箱由钢板拼接而成，钢架设置在箱体两侧用于抵抗侧向压力，模型箱内填充土层。
5.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述隧道模型包括道床、轨枕、钢轨和PE管片环。
6.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述承重结构包括钢结构立柱和钢结构横梁。
7.根据权利要求1所述的一种模拟双线地铁运营振动的试验装置，其特征在于，所述列车加载设备中的激振器的个数为4个。
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