可變凈距的正交立交隧道實驗系統研發

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

引言

隨著國家基礎設施建設的大力發展，隧道工程越來越多的出現在了主要城市中心區域。在有限的地下空間工程中，隨著隧道工程的增多，隧道疊交現象不可避免，為了使結構更加安全，工程師們往往將疊交的隧道正交，以土體減少相作用。目前，學者們對立交隧道的研究往往停留在數值模擬計算的層面，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。由于隧道立交結構復雜，試驗系統要求精密，目前缺乏相對科學的正交立交隧道實驗模型系統。

一、實驗系統的構成

本實驗系統包括模型箱系統、開挖系統、凈距調節系統、傳感器及測量系統。模型箱系統為實驗系統最主要組成部分，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，維持所需要的開挖進度進行數據采集。凈距調節系統為保證該實驗系統的多效利用性，能不改變其他系統的情況下，改變立交隧道的凈距，實現一個實驗系統多種工況的實現。傳感器測量系統為實現實驗系統在實驗過程中的數據采集，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

模型箱系統為有機玻璃材質，透明的材質便于人員觀察。分為兩個部分，箱體四周為一整體結構，底板為單獨結構，無頂板。底板有箱體四周凹槽，便于安裝，分離式設計以達到翻轉目的，可以實現隧道開挖上穿與隧道開挖下穿。

三、開挖系統

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

圖1 開挖系統圖

四、凈距調節系統

圖2 凈距調節系統圖

凈距的調節，通過改變開挖隧道的位置，來滿足凈距的改變。凈距調節系統通過側板的附屬板來調節，改變側面開孔的高度，來實現開挖隧道的上下移動。側面預留連接螺絲孔，與側面板固定，通過改變螺絲孔連接位置，來改變側面板高度。凈距調節系統如圖2。

五、傳感器及數據采集系統

傳感器系統可根據需求來調整。土體結構的測量一般選擇測量土壓力和土體位移，本實驗系統采用透明材質，可視化效果好，可配合圖像監測設備進行協同工作，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