一种地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法，属于地面沉降及其灾害防治领域。所述方法包括：按地层结构分层夯填第一预设厚度的土层；堆土至第二预设厚度时，将压力水囊放置在与其底部形状尺寸相匹配的浅坑中；基于压力水囊上部的石膏隧道模型，在隧道顶底部及水囊下部土层中埋设压力盒，以量测所述压力水囊下方和所述隧道顶底部土层的应力变化；在隧道表面粘贴应变片，以量测隧道的应力应变；在隧道顶部和地表布设位移计，以量测位移沉降量。本发明通过对模型隧道进行应变测量，测试地铁隧道衬砌的受力、变形的动态变化规律，提高了模拟地面沉降对地铁隧道影响的精确度，并考虑了地面沉降在不同沉降量作用下地铁隧道的变化规律。
【专利说明】一种地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地面沉降及其灾害防治领域，特别涉及一种地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济的迅速发展，城市人口高度集中，城市建设规模的不断扩大，我国城市地铁建设出现了如火如荼的局面。目前，成都、杭州、西安、济南、哈尔滨、合肥、郑州、昆明和长沙等20多个城市正在积极修建和筹划地下铁道或轻轨交通运输系统，可以预见，21世纪必将是我国城市地铁建设的高峰时期。
[0003]然而，我国是世界上地面沉降最为严重的国家，据统计我国已有96个城市和地区发生不同程度的地面沉降，沉降面积超过I X 106km2，大城市包括上海、北京、西安、杭州、苏州、无锡、常州和昆明等，其中长江三角洲、华北平原、汾渭盆地等地区地面沉降灾害最为严重，并伴生了地裂缝灾害。灾情粗略统计表明，建国以来我国地裂缝和地面沉降灾害造成的损失高达4500?5000亿元，其中，直接经济损失累计达350?400亿元。地面沉降常常造成建筑物地基下沉、房屋开裂、地铁隧道管片开裂破坏及渗漏水、地下管道破损、井管抬升、洪涝及风暴潮灾害加剧等一系列问题，给国民经济造成巨大的经济损失。地面沉降灾害具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、难以恢复等特点，已成为影响我国区域经济社会可持续发展的重要因素之一。因此，地面沉降对城市轨道交通的影响备受关注，其中地面沉降对地铁隧道的影响研究显得十分重要。
[0004]现有技术大多集中在地铁施工引起的地面沉降及方法，缺乏地面沉降对地铁隧道影响的模型研究方法。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中缺乏地面沉降对地铁隧道影响的模型试验方法研究，本发明提出了用压力水囊模拟地面沉降，进而掌握地面沉降对地铁隧道影响的模拟研究。
[0006]本发明提出了如下技术方案:
[0007]按地层结构分层夯填第一预设厚度的土层；
[0008]堆土至第二预设厚度时，将压力水囊放置在与其底部形状尺寸相匹配的浅坑中；
[0009]基于所述压力水囊上部的石膏隧道模型，在所述隧道顶底部及水囊下部土层中埋设压力盒，以量测在地面沉降影响下所述压力水囊下方和所述隧道顶底部土层的应力变化；
[0010]在所述隧道表面粘贴应变片，以量测所述隧道的应力应变；
[0011]在所述隧道顶部和地表布设位移计，以量测所述隧道多部位的位移沉降量。
[0012]本发明通过模拟地面沉降对地铁隧道的影响，对模型隧道进行应变测量，对模型隧道外围土压力、模型顶表面土体变形等进行量测，测试地面沉降在不同沉降量作用下地铁隧道衬砌的受力、变形的动态变化规律。提高了模拟地面沉降对地铁隧道影响的精确度，并考虑了地面沉降在不同沉降量作用下地铁隧道的变化规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例提供的地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0015]图1示出了本发明实施例提供的地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法的流程，详述如下:
[0016]在步骤SlOl中，按地层结构分层夯填第一预设厚度的土层。
[0017]在本发明的实施例中，第一预设厚度为2m，每一分层的土层都要夯实，在不同地层分界面上洒石灰粉为后续观测做准备。
[0018]首先铺设最底部第11层30cm厚的粉质粘土,然后铺第⑩层砂土至40cm时,在砂土层上埋置水囊，可以确保水囊在充水有压力之后鼓胀的程度控制在一定的范围，然后再铺第⑨层30cm厚粉质粘土，第⑧层1cm砂土,第⑦层20cm的粉质粘土,第⑥层1cm的砂土，第⑤层25cm的粉质粘土，第④层16cm的砂土,第③层15cm、第②层10cm、第①层4cm共29cm的粉质粘土。
[0019]在步骤S102中，堆土至第二预设厚度时，将压力水囊放置在与其底部形状尺寸相匹配的浅坑中。
[0020]作为本发明的一个优选实施例，第二预设厚度为40cm。
[0021]在本发明的实施例中，压力水囊埋置在从模型底部堆土至40cm时的地层表面，当铺设到40cm厚土层时，按照水囊下半部分的弧面与尺寸挖出一个形状匹配的浅坑然后放置压力水囊，水囊正下方出水口连接胶管，在模型箱底部钢板焊一个圆洞走出胶管，然后连接水压表、流量计和量筒。
[0022]在步骤S103中，基于所述压力水囊上部的石膏隧道模型，在所述隧道顶底部及水囊下部土层中埋设压力盒，以量测在地面沉降影响下所述压力水囊下方和所述隧道顶底部土层的应力变化。
[0023]在本发明的实施例中，石膏隧道模型的制备方法具体包括如下步骤:
[0024]1、将石膏材料与水按照配合比为1.05: I进行配置，配置中将石膏粉均匀洒入水盆中，并顺时针方向缓慢搅拌至半凝固状态的石膏浆；
[0025]2、将半凝固状态的石膏浆沿隧道模具倒入，并用振动棒振动外模；
[0026]作为本发明的优选实施例，隧道模具的内模中央留一空孔洞，周围孔洞插入钢管以固定位置，将铝丝网套在内模上，调整铝丝间距和方向后套上外模。
[0027]在本发明的实施例中，铝丝网的形状与间隙由地铁隧道原型断面设计图所决定。
[0028]3、将倒入半凝固状态石膏浆的隧道模具水平放置至石膏浆凝固，取出内模并将石膏隧道置于没有阳光直射的通风处，达到预设时间后取出外模。
[0029]模型隧道采用石膏材料按照石膏与水配合比1.05: I进行配置，配置石膏浆的过程中先倒入盆中称量好的清水，然后将石膏粉按照顺时针方向缓缓的洒入水盆中，倒完之后搅拌均匀，一直搅拌约8-10分钟待处于半凝固的状态时倒入组装好的模具之中，倒置过程中沿着隧道一侧缓缓倒入，并用振动棒振动外模使得石膏浆充分灌入模具中不留孔隙。倒模完成之后将模型隧道水平放置在地面，静置一天让石膏凝固，次日取出内模，将石膏隧道置于通风处，不能接受阳光直射以防止石膏表面开裂。一周后再取下外模，I月后等石膏隧道完全晾干之后才可以粘贴应变片。
[0030]在本发明的实施例中，埋设压力盒需在土层表面挖出9-11厘米深度的圆柱状坑洞，坑洞压实整平，铺设一薄层经过筛选后的细砂，并将压力盒正面朝上水平放入坑洞内，用细砂覆盖。
[0031]为了得到在地面沉降影响下压力水囊下方和隧道顶底部中应力的变化，在地层中埋设土压力盒。水平压力盒分别埋设在测量好的位置，在平整的土层表面挖出约1cm深度的圆柱状坑洞。埋设时，孔底先压实整平，后再铺设一薄层细砂，其中细砂须过筛，里面不能有大颗粒硬物，然后将压力盒正面朝上水平放入孔内，再用细砂覆盖，最后轻轻压实即可。
[0032]在步骤S104中，在隧道表面粘贴应变片，以量测隧道的应力应变；
[0033]在本发明的实施例中，在隧道表面粘贴应变片，以量测所述隧道的应力应变的方法具体包括如下步骤:
[0034]1、将隧道表面用吸有酒精的海绵擦拭，除去表面的杂物；
[0035]2、在粘贴处涂一薄层鱼珠胶，并将导线与应变片粘贴在鱼珠胶上；
[0036]3、晒干后将导线与应变片焊接，并用硅胶材质的胶密封。
[0037]在地面沉降不同沉降量的影响下，为了得到模型隧道的受力变形情况，在石膏隧道表面粘贴应变片。应变片的成活率决定了测试效果，因此在施工过程中一定要严格按照施工工序。应变片施工中，在石膏表面上先用吸有酒精的海绵擦拭干净，再用吹风机吹去表面的杂物浮灰，为了应变片与隧道粘贴牢固，先在粘贴位置涂上一层薄薄的鱼珠胶抚平接触面，晾干后再涂一层鱼珠胶再将应变片粘贴在鱼珠胶上，粘贴应变片时将接线柱也粘贴在相应的位置，晾干后将导线与应变片焊接，再用硅胶材质的703胶密封，最后将导线与测试系统整齐有序的连接到一起即可。
[0038]在步骤S105中，在隧道顶部和土层表面布设位移计，以量测隧道多部位的位移、沉降。
[0039]在本发明的实施例中，在隧道顶部和土层表面布设位移计，以量测隧道多部位的位移沉降量的方法具体包括如下步骤:
[0040]1、在隧道顶部预留孔洞放置一 pvc管，并按照预设间距一布设pvc管；
[0041]作为本发明的优选实施例，pvc管中插入细钢筋，所述钢筋底部接触所述隧道顶部表面，所述钢筋顶部焊接钢片。
[0042]作为本发明的优选实施例，预设间距一为70cm。
[0043]2、按预设间距一在地表纵向布设钢片并压实，横向中央布设预设间距二的钢片；
[0044]作为本发明的优选实施例，预设间距二为50cm。
[0045]3、在布设的钢片上吸附磁性表座，安装百分表，且表头接触所述钢片，表端接口连接数据线，以连接读数仪。
[0046]铺设土层、压力盒与隧道、水囊全部埋置完毕之后，在模型箱上方搭起“王”字型钢管，在隧道顶部正中央一开始预留孔洞放置孔径2cm的pvc管，按照70cm间距平均布设7个埋入土层直至伸出地表3-5cm。pvc管中插入细钢筋，钢筋底部接触到隧道顶部表面，顶部焊接平整的方形钢片。地表也纵向按照70cm间距平均布设与连接隧道的钢片错开的7个方形钢片，压实在平整的土体表面上，横向中央布设5个间距50cm的钢片(最中间与纵向重合因此实际布设为4个)，在架设好的方形钢管上吸附磁性表座，再安装百分表，表头竖直接触钢片上，表端接口连接到数据线，整齐的引至模型箱下方再连接读数仪，共布设18个位移测点。
[0047]本发明实施例通过模拟地面沉降对地铁隧道的影响，对模型隧道进行应变测量，对模型隧道外围土压力、模型顶表面土体变形等进行量测，测试地面沉降在不同沉降量作用下地铁隧道衬砌的受力、变形动态变化规律。提高了模拟地面沉降对地铁隧道影响的精确度，并考虑了地面沉降在不同沉降量作用下地铁隧道的变化规律。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种地面沉降对地铁隧道影响的物理模拟方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 按地层结构分层夯填第一预设厚度的土层； 堆土至第二预设厚度时，将压力水囊放置在与其底部形状尺寸相匹配的浅坑中； 基于所述压力水囊上部的石膏隧道模型，在所述隧道顶底部及水囊下部土层中埋设压力盒，以量测在地面沉降影响下所述压力水囊下方和所述隧道顶底部土层的应力变化； 在所述隧道表面粘贴应变片，以量测所述隧道的应力应变； 在所述隧道顶部和地表布设位移计，以量测所述隧道多部位的位移沉降量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力水囊的正下方为出水口，以连接胶管，所述胶管用于连接水压表、流量计及量筒。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石膏隧道模型的制备方法具体包括如下步骤: 将石膏材料与水按照配合比为1.05: I进行配置，配置中将石膏粉均匀洒入水盆中，并顺时针方向缓慢搅拌至半凝固状态的石膏浆； 将所述半凝固状态的石膏浆沿隧道模具倒入，并用振动棒振动外模； 将所述倒入半凝固状态石膏浆的隧道模具水平放置至石膏浆凝固，取出内模并将石膏隧道置于没有阳光直射的通风处，达到预设时间后取出外模。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述隧道模具的内模中央留一空孔洞，周围孔洞插入钢管以固定位置并方便取出内模，将铝丝网套在内模上，调整铝丝间距和方向后套上外模。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝丝网的形状与间隙由地铁隧道原型断面设计图所决定。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述埋设压力盒需在土层表面挖出9-11厘米深度的圆柱状坑洞，所述坑洞压实整平，铺设一薄层经过筛选后的细砂，并将所述压力盒正面朝上水平放入坑洞内，用细砂覆盖。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述隧道表面粘贴应变片，以量测所述隧道的应力应变的方法具体包括如下步骤: 将所述隧道表面用吸有酒精的海绵擦拭，除去表面的杂物； 在粘贴处涂一薄层鱼珠胶，使胶水表面平整，并将导线与应变片粘贴在所述的鱼珠胶上； 晒干后将所述导线与应变片焊接，并用硅胶材质的胶密封。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述隧道顶部和地表布设位移计，以量测所述隧道多部位的位移沉降量的方法具体包括如下步骤: 在所述隧道顶部预留孔洞放置一 Pvc管，并按照预设间距一布设Pvc管； 按所述预设间距一在地表纵向布设钢片并压实，横向中央按预设间距二布设钢片；在所述布设的钢片上方的横梁上吸附磁性表座，安装百分表，且表头接触所述钢片，表端接口连接数据线，以连接读数仪。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述pvc管中插入细钢筋，所述钢筋底部接触所述隧道顶部表面，所述钢筋顶部焊接钢片。
【文档编号】G01N33/24GK104297447SQ201410544659
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月1日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】黄强兵, 彭建兵, 苑艺, 杨涛, 梁奥, 康孝森, 李明俐, 韩洁 申请人:长安大学