模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程监测技术领域，更具体的说是涉及一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置及方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，地下交通建设成为现代城市发展的重要组成部分。在地下隧道工程中，盾构法是一种常用的施工方法，它能够高效、安全地进行隧道开挖。然而，隧道易受到地下水位变化，周边场地开挖施工，车辆行驶振动等因素的影响，造成周围土体变形，进而产生隧道结构安全问题。

特别是在土体含水率较高的南方地区，季节性的地下水位的变动是导致隧道变形的主要因素之一，可能引发隧道的沉降、开裂、渗漏等问题，影响隧道工程的安全性和质量。因此，准确监测和预测隧道变形对于隧道工程的安全和稳定性至关重要。

目前，常用的隧道变形监测方法包括测量点法、全站仪法等。然而，这些传统的监测方法存在一些局限性，比如测点数量有限，只能监测隧道模型表面的变形情况，无法获取隧道内部的变形信息，这导致监测结果的空间分辨率较低。因此，无法全面、准确地反映隧道模型三维变形以及周围土体变形的整体情况，更重要的是检测传感器多维点式监测，不能连续监测，较难得到整体连续性的监测数据。还具有监测周期长、无法实时监测等弊端。因此，需要开发一种新的隧道变形监测技术，以提高监测的准确性和可靠性。

因此，如何实现对隧道变形的全方位监测，并准确评估地下水位变动及振动对隧道结构整体变形的影响，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置及方法，可实现对隧道变形的全方位监测，并准确评估地下水位变动及振动对隧道结构整体变形的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置，包括：模型箱、隧道模型、光纤组、注水回水组件和振动源；

所述模型箱内按照现场施工的土层分布分层填埋有现场采集的土样；

所述隧道模型贯穿所述模型箱，并埋覆在相应的土层位置；

所述光纤组分别布置在所述隧道模型的内部、外部以及不同的土层位置；

所述注水回水组件的注水端靠近所述模型箱上部设置，回水端靠近所述模型箱下部设置，用于向所述模型箱内部注水和回水；

所述振动源按照指定速度和振动频率在所述隧道模型内行驶。

进一步的，所述模型箱相对的两个侧壁上分别开设有多个进水口和多个出水口；所述进水口与所述注水回水组件的注水端位置对应，所述出水口与所述注水回水组件的回水端位置对应，且所述进水口的开设位置高于所述出水口的开设位置。

进一步的，所述注水回水组件包括：水箱、回水管、排水阀和水泵；

所述水箱上具有多个注水口；多个所述注水口与所述进水口一一对应，且密封贴合并相连通；

所述回水管上横向设置有多个回水口；多个所述回水口与所述出水口一一对应，且密封贴合并相连通；所述回水管的其中一端端部为循环水出口，另一端端部为排水口；所述循环水出口伸入所述水箱内部；

所述排水阀安装在所述排水口位置处；

所述水泵安装在所述回水管上。

进一步的，所述光纤组包括第一光纤组、第二光纤组和第三光纤组；

所述第一光纤组包括四根应力应变光纤，所述第一光纤组中的四根应力应变光纤分别贴合所述隧道模型外部的上下左右轴向布置；

所述第二光纤组包括三层应力应变光纤，所述第二光纤组中的三层应力应变光纤分别沿所述隧道模型的轴向，依次布设在所述隧道模型外侧的底部、中部和顶部；

所述第三光纤组包括至少两层应力应变光纤，所述第三光纤组中的至少两层应力应变光纤间隔布设在所述隧道模型上方的不同土层位置，且沿所述隧道模型的轴向布设。

进一步的，所述光纤组还包括：第四光纤组；所述第四光纤组包括两根应力应变光纤；所述第四光纤组中的两根应力应变光纤相对布设在所述隧道模型内部，且沿所述隧道模型的轴向布设。

进一步的，所述光纤组还包括：第五光纤组；所述第五光纤组由多根应力应变光纤组成；所述第五光纤组中的多根应力应变光纤等间隔缠绕在所述隧道模型的外周侧。

进一步的，所述隧道模型由多环管片组合而成；

所述第四光纤组的两根应力应变光纤通过夹具固定在管片上；

所述第五光纤组中每相邻两根应力应变光纤间的间距为一个管片宽度。

第二方面，本发明提供一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验方法，其适用于上述的试验装置，包括以下步骤：

通过所述注水回水组件向所述模型箱内进行注水，直至所述模型箱内水位升高到预设高度，重复模拟多次不同水位引起隧道变形的试验；

每次注水完成后，通过光纤解调仪采集所述光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同水位情况下，所述隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

进一步的，该方法还包括：

通过所述注水回水组件按照指定流速向所述模型箱内进行注水；

调整所述注水回水组件的注水速度，重复模拟多次不同地下水渗流速度引起隧道变形的试验；

每次模拟相应注水速度的试验时，通过光纤解调仪采集所述光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同地下水渗流速度情况下，所述隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

进一步的，该方法还包括：

关闭所述注水回水组件，控制所述振动源按照指定速度和振动频率在所述隧道模型中行驶；

调整所述振动源的行驶速度和/或振动频率，重复模拟多次不同道路情况引起隧道变形的试验；

每次模拟相应道路情况的试验时，通过光纤解调仪采集所述光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同道路情况下，所述隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将光纤组埋设在隧道的内外及不同土层位置，可对隧道结构的变形情况进行实时、准确的连续监测，相比传统的测量方法，本发明利用光纤传感技术具有更高的灵敏度和准确性。

2、本发明通过注水回水组件可模拟地下水位变动，通过控制水泵和阀门等设备，可以调节隧道模型周围的水位和注水速度，从而模拟不同地下水位、不同渗流速度条件下的隧道变形情况，使得试验结果更加真实可靠，能够更好地反映实际工程中的情况。

3、本发明根据实际道路条件和车辆类型，选择振动源合适的振动频率和振幅范围，以模拟不同道路条件下隧道的变形情况。同时，还可模拟不同隧道埋设深度下，同一振动源对隧道模型变形的影响，进而在隧道设计和施工时，为研究人员和工程师提供了更多的数据支持和决策依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的模型箱内光纤组的布置示意图；

图3为本发明提供的隧道模型内部光纤组的布置示意图；

图4为本发明提供的隧道模型外周光纤组的布置示意图；

图5为本发明提供的振动源在隧道模型内行驶的示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例公开了一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验装置，包括：模型箱1、隧道模型2、光纤组、注水回水组件和振动源3。

模型箱1为透明亚克力材质，且上端敞口的矩形箱体，两侧设有与隧道模型直径相同的开口。模型箱1内按照现场施工的土层分布分层填埋有现场采集的土样，填埋土样时，基于几何相似比原理进行土样的分层填埋，以模拟现场的土层分布。

隧道模型2贯穿模型箱1，并埋覆在相应的土层位置，且隧道模型2的两端与模型箱1两侧的开口对接；在相应的图层位置放入隧道模型2后，再在其上面进行覆土。

光纤组分别布置在隧道模型2的内部、外部以及不同的土层位置。

注水回水组件的注水端靠近模型箱1上部设置，回水端靠近模型箱1下部设置，用于向模型箱内部注水和回水。

振动源3按照指定速度和振动频率在隧道模型2内行驶。

在一个具体实施例中，模型箱1相对的两个侧壁上分别开设有多个进水口4和多个出水口5；进水口4与注水回水组件的注水端位置对应，出水口5与注水回水组件的回水端位置对应，且进水口4的开设位置高于出水口5的开设位置。

注水回水组件包括：水箱6、回水管7、排水阀8和水泵9；

水箱6上具有多个注水口(图中未示出)；多个注水口与进水口4一一对应，且密封贴合并相连通；或者，也可通过管道连通水箱的注水口和模型箱1的进水口，并在管道上安装阀门。

回水管7上横向设置有多个回水口(图中未示出)；多个回水口与出水口5一一对应，且密封贴合并相连通；回水管7的其中一端端部为循环水出口10，另一端端部为排水口11；循环水出口10伸入水箱6内部；

排水阀8安装在排水口11位置处；

水泵9安装在回水管7上。

具体来说，模型箱其中一个侧壁靠近上部且靠近中间位置开设有五个进水口4，用来向模型箱1内注水，模型箱1相对的另一个侧壁靠近底部中间位置开设有五个出水口5，用来将模型箱1内的水导出至回水管7中。同时，可通过开启排水阀8将模型箱内的水排出，也可关闭排水阀，开启水泵，将出水口5排出的水输送至水箱6，实现水的循环利用。

在其他实施例中，如图2所示，光纤组包括第一光纤组12、第二光纤组13和第三光纤组14。

第一光纤组12包括四根应力应变光纤，第一光纤组12中的四根应力应变光纤分别贴合隧道模型2外部的上下左右轴向布置。

第二光纤组13包括三层应力应变光纤，第二光纤组13中的三层应力应变光纤分别沿隧道模型2的轴向，依次布设在隧道模型2外侧的底部、中部和顶部；第二光纤组13中的每层应力应变光纤均由一根光纤沿隧道模型轴向来回弯折形成，此时，可将第二光纤组中每层应力应变光纤紧贴隧道模型的外侧壁弯折布设，此时，可以不额外设置第一光纤组，亦能同时监测隧道模型外部的上下左右轴的应力变化。

第三光纤组14包括至少两层应力应变光纤，第三光纤组14中的至少两层应力应变光纤间隔布设在隧道模型2上方的不同土层位置，且沿隧道模型2的轴向布设。同样，第三光纤组14中的每层应力应变光纤也是通过一根光纤沿隧道模型轴向来回弯折形成。

本实施例中，位于隧道模型2外周上下左右轴向布置的四根应力应变光纤用于监测外部土体与隧道接触面上的应力应变。位于隧道模型外部，且沿其高度方向布设的三层应力应变光纤用于监测隧道模型周边土体的应力应变，测得周边土体到隧道变形是否有传递。位于上覆土至少两层应力应变光纤用于监测隧道模型2上覆土不同土层的应力应变。结合这三个光纤组，可检测模型箱1内整体的应力应变分布。最终第一光纤组12、第二光纤组13和第三光纤组14通过竖向连接线18相连并引出到光纤解调仪上。

在另一个实施例中，如图3所示，光纤组还包括：第四光纤组15；第四光纤组包括两根应力应变光纤；第四光纤组15中的两根应力应变光纤相对布设在隧道模型2内部，且沿隧道模型2的轴向布设，用来监测隧道模型2内部两个相对位置的轴向变形。隧道模型2由多环管片201组合而成，具体可采用6个管片201组成一环。第四光纤组15的两根应力应变光纤通过夹具17固定在相应管片上，且固定两条轴向应力应变光纤的管片相互错开。

进一步的，如图4所示，光纤组还包括：第五光纤组16；第五光纤组16由多根应力应变光纤组成；第五光纤组16中的多根应力应变光纤等间隔缠绕在隧道模型2的外周侧，用来监测隧道模型2外部的环向变形。

其中，第五光纤组16中每相邻两根应力应变光纤间的间距为一个管片宽度。

将所有应力应变光纤都连接到光纤解调仪上，就能够对模型箱内整体应力应变进行大范围连续的监测。

在其他实施例中，本发明还提供一种模拟地下水位变动及振动引起隧道变形的试验方法，其适用于上述的试验装置，在模型箱1中装填现场施工采集的土样，基于几何相似比原理进行土样的分层填埋,模拟现场的土层分布，在相应的土层位置中放入盾构隧道模型2。具体可实现以下模拟试验：模拟不同地下水位变动引起隧道变形试验，模拟地下水渗流影响隧道的结构稳定性试验以及模拟不同道路情况引起隧道变形试验。

①模拟不同地下水位变动引起隧道变形试验，具体包括步骤：

通过注水回水组件向模型箱内进行注水，直至模型箱内水位升高到预设高度，重复模拟多次不同水位引起隧道变形的试验；注水之前，需先关闭排水阀8，当模型箱内的水位上升至设定高度时，关闭进水口；

每次注水完成后，通过光纤解调仪采集光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同水位情况下，隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

②模拟地下水渗流影响隧道的结构稳定性试验，包括以下步骤：

通过注水回水组件按照指定流速向模型箱内进行注水；

调整注水回水组件的注水速度，重复模拟多次不同地下水渗流速度引起隧道变形的试验；注水之前，让需要先关闭排水阀，注水时，通过控制水泵9来调整地下水渗流速度；

每次模拟相应注水速度的试验时，通过光纤解调仪采集光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同地下水渗流速度情况下，隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

③模拟不同道路情况引起隧道变形试验，具体包括以下步骤：

关闭注水回水组件，控制振动源按照指定速度、振动频率和振幅在隧道模型中行驶；

调整振动源的行驶速度和/或振动频率和/或振幅，重复模拟多次不同道路情况引起隧道变形的试验；

每次模拟相应道路情况的试验时，通过光纤解调仪采集光纤组件采集的光纤数据；

根据每次试验采集的光纤数据，得到不同道路情况下，隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形。

本发明实施例根据实际情况和需求，设置振动源的频率、振幅以及行驶速度。可以通过调节振动源的工作状态和参数来模拟不同道路条件下的车辆行驶振动在隧道模型中行驶，即可达到模拟效果。

④模拟振动对不同隧道埋设深度的影响试验，具体包括以下步骤：

将隧道模型埋设在某一指定深度，控制振动源按照指定速度、振动频率和振幅在隧道模型中行驶；

通过光纤解调仪采集光纤组件采集的光纤数据；

重复调整多次隧道模型的埋设深度，并在每次调整后，控制振动源按照与之前同样的速度、振动频率和振幅在隧道模型中行驶；与此同时，通过光纤解调仪采集光纤组件采集的光纤数据；

通过对比多次试验下采集的光纤数据，得到在不同隧道埋深的情况下，同一振动源对隧道模型的轴向及环向变形，以及周围土体和上覆土层的结构变形影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。