轨道交通不均匀沉降试验装置设计

沈思东 汪磊 蔡智强 蔡宇辰 王殷浩 王逸涵

摘 要：轨道交通普遍具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点，极大地方便了人们出行，是人们不可或缺的交通工具。随着中国各大城市有越来越多的地铁线路开通运营，而在运营中的隧道地段若产生过大不均匀沉降则会严重影响运营安全和隧道结构。通过开发轨道交通不均匀沉试验装置，以模拟土体不均匀沉降的情况下，测量隧道模型的变形情况、受力情况、沉降量和倾斜程度，则可以针对性地选择处理方法来解决隧道不均匀沉降问题，从而稳定轨道交通的线路结构、提高耐久性和防水性、增强轨道平顺度、提高乘客乘坐的舒适度，使轨道交通能够安全稳定地运营，以满足人们能够较好地了解土体的动力稳定性并正确判断隧道的沉降变化规律，进而为土体和隧道加固治理提供依据的应用需求，将具有良好的应用前景和社会价值。

关键词：不均匀沉降 轨道交通 隧道模型 试验装置

中图分类号：TU411.93 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0063-04

Abstract：Rail transit generally has the advantages of large capacity， fast speed， tight schedule，security and comfort， high punctuality rate， all-weather availability， low freight and energy saving. It is very convenient for people to travel and is an indispensable means of transportation for people. As more and more underground lines are going into operation in major cities in China， tunnels in operation will be seriously affected if there is too much uneven settlement coming into being. Through The Design of Test Device For Uneven Settlement of Rail Transit to simulate the circumstances to measure the deformation，the force condition， the settlement and the inclination of uneven soil settlement of the tunnel model. You can targetedly select the choice of treatment to solve the uneven settlement of tunnel for stabilizing the track structure of rail transit，for improving the durability the water resistance track smoothness and passengerscomfort and for the safe and stable operation of the rail transit to meet the demands for a better understanding the soil Dynamic stability and correct judgment of change rule of the tunnel. Further， The Design of Test Device For Uneven Settlement of Rail Transit provides the basis for the reinforcement and treatment of soil and tunnel and it will have a wide application prospects and social values.

Key Words： Uneven settlement； Rail transit； Tunnel model； Test device

上海是國内较早开通地铁的城市之一，在地铁一号线开通运行之始，就开始了对隧道的沉降检测，在十多年前就发现了隧道有不均匀沉降情况，且不均匀沉降越来越明显[1]。不均匀沉降会使隧道产生纵向变形，而隧道的抗纵向变形能力很脆弱，当纵向变形或曲率半径达到一定的量值后，就可能出现管片环缝张开量过大而漏水或管片纵向受拉破坏[2]。而往往在不均匀沉降产生问题或不均匀沉降过大之后才会采取办法治理不均匀沉降以及修复隧道结构[2]。在观测隧道的累计沉降发展情况的同时，还需要对隧道的沉降发展情况进行预测。传统的预测方法受诸多因素影响，导致计算结果与实测值偏差较大，而隧道长期不均匀预测的蚁群算法虽相比传统的预测方法有所改善，但关于其中的参数如何优化选取的理论尚不完善[3]。但改进后的预测模型计算过程清晰、算式简单、使用方便，且预测精度更高，最大误差可控制在0.5%左右[4]。通过改进后的预测模型来预测不均匀沉降情况，再模拟此情况下的隧道模型获得各种实验结果，作为提前巩固隧道结构和土体稳定的依据，可以起到未雨绸缪的作用。国内对于不均匀沉降试验装置的研究较少，而在中国专利CN201621280034.1中公开的一种隧道模型沉降与加载试验箱，该专利是通过模拟外部加载和沉降来分析隧道模型和接头的受力情况，并不能通过模拟土体不均匀沉降的情况来测量隧道模型的变形情况、受力情况、沉降量和倾斜程度；并且该专利中的模拟装置涉及到多个千斤顶等大型设备，结构复杂，使用不方便[5]。

1 试验模型设计

1.1 试验模型设计思路

本实验装置的目的是通过人为模拟出土体的不均匀沉降来测量隧道模型的变形情况、受力情况、沉降量和倾斜程度。因此，需要将试验箱的底部划分为几块同宽度的底板，通过调节各底板高度来模拟出不均匀沉降的情况。考虑到为了使底板上下调节更方便顺畅，采取了可缩紧滑块搭配滑槽的方式。为了避免滑块内部的滚珠被土颗粒卡住的情况发生，采用了将底板放置在滑块上并且试验箱底部铺上一层土工布以避免漏土的方案。箱子底部的左右两侧各一块50mm宽的底板设置为不可移动是为了消除边界条件的影响[7]。

箱子采用钢化玻璃材质，可以通过钢化玻璃观察到土体内部的变化且钢化玻璃强度较高可以满足实验要求。为了安全考虑，选用了1cm厚的钢化玻璃。箱子的宽度和隧道直径参考了《多线叠交盾构隧道近接施工模型试验》[8]。由于确定了相似系数为1∶40，隧道外径为6.4m，因此确定了隧道模型的外径160mm，箱子的宽度为60cm。考虑到需要模拟的情况可能较多，隧道的埋深有的情况下比较深，将试验箱的高度定为1m。塑料是较常用的模型试验材料，且在日本的隧道模型试验中已被率先使用[9]。因此将1m长，160mm外径的聚氯乙烯管（英文：PolyVinyl Chloride，简称：PVC）作为隧道模型。

支撑试验箱的底座采用木质的立柱。木材较为轻便，易于加工，但木材本身强度高，可以承受较大的重量。为了确保50mm宽的底板可以放置在底座上且试验箱能够平稳地放在底座上，木质立柱的宽度和长度均为90mm，高度为30cm。

50mm宽和150mm宽的底板均是有机玻璃材质的。有机玻璃强度较高，自重小。但由于底板会承受较大力的作用，选用了较厚的有机玻璃作为底板。

1.2 试验模型的结构组成

1.2.1 底座

底座由两组支架与滑槽组成，放置在试验箱的下方，滑槽及滑块见图1。

1.2.2 试验箱

试验箱四壁为钢化玻璃，长1m，宽0.6m，高1m，玻璃厚度为1cm，实物图见图2。

1.2.3 隧道模型

隧道模型为外径为160mm，厚度为3.5mm的聚氯乙烯管，长度为1m（见图3）。

1.2.4 测量工具

隧道模型上方等间距放置细长聚氯乙烯管，使之伸出土体外来测量隧道模型各部分沉降量；应变片贴于隧道模型四周，组成全电桥方式贴片，采用数据采集器收集测量数据。细长聚氯乙烯管见图4。

1.2.5 整体试验模型

完整的试验模型由以上四大部分组成，完整试验装置实物图见图5。

2 试验模型的搭建

用8个直角夹将4块钢化玻璃组装在一起，使每两块钢化玻璃之间的角度严格控制为90°，然后用硅胶将其固定起来，待其凝固之后拆除直角夹。

底座由两组支架与滑槽组成，一组支架由两根竖向木制立柱通过直角固定块与一根横向木块装配在一起，并将6个滑槽通过自攻螺丝固定在横向木块侧面，且滑槽着地。

将粘结好的玻璃箱放置于底座上，用硅胶将两块50mm宽的有机玻璃底板粘结在玻璃箱左右两端。将剩余6块150mm宽的有机玻璃底板装配于滑槽的滑块上，使之可以随着滑块上下移动并且在初始状态时，6块有机玻璃底板与左右两侧的有机玻璃底板处于同一高度，使试验箱下底面在同一水平面上。同时，有机玻璃与滑块之间使用硅胶胶结，凝结后可以使左右两侧的滑块时刻保持在同一高度上而不会出现倾斜的情况。

为保证在模拟土体不均匀沉降时不会产生漏土的现象，在试验箱底部铺上一层土工布。土工布不能太厚且需要设置一些余量，否则会影响底部不均匀沉降对土体的反映。将6块底板升至试验箱底，覆上一层与模拟线路相近土性的土，再放入两端封口处理的隧道模型。

在隧道模型顶部等间距连接细长竖直聚氯乙烯管和应变片等测量工具，然后在隧道模型上覆上一定厚度的土（土层的厚度按照实验所模拟的轨道交通线路土层厚度按1∶40比例系数换算后确定），试验装置组装完毕（试验装置实物图见图5，图5中的试验装置没有放入土工布、隧道模型和测量工具）。

组装过程中需要注意的是，由于材料的長度会有些许的误差，需要适当地调整各个部件之间相对的位置或者适当地对材料进行修改。若有机玻璃底板与滑块之间的接触面积过小的话，可以通过在滑块上组装直角固定块来增大接触面积。

3 试验模型功能

该试验模型通过调整6块底板的高度来模拟土体的不均匀沉降，以此来测量在不同不均匀沉降的情况下，隧道模型各部分的变形情况、受力情况、沉降量和倾斜程度。

在调整底板高度前，将卷尺或者米尺，架于试验箱上，在竖直标杆上划出初始刻度。在调整底板高度后，待土体变化稳定之后，再以此法在竖直标杆上刻上另一条刻度线。两条刻度线之间的距离即为该处隧道模型的沉降量。以各个测点至隧道模型左端的距离为x轴，各测点的沉降量为y轴绘制曲线，即可得到隧道模型的变形情况曲线。

隧道在受到土体的压力之后，隧道上部受压，下部受拉，采用电阻式应变片贴于这两处，测量电路可采用惠斯通电桥法，惠斯通电桥按不同的组成方法，可分为全桥，半桥，1/4桥三种方式。根据本实验的特点，采用1/4桥法比较合适，当隧道模型受力变形的时候，应变片也会随之变形从而电阻值发生变化，此时电桥受到适配器的恒定电压所激励，产生电信号。实验通过数据采集器将这些信号采集，记录下来。通过电压与应变的换算系数，即可将其换算成应变值。

4 结论

本轨道交通不均匀沉试验装置设计，通过设有的试验箱体、沉降底板、隧道模型、模拟土体、支架、带自锁功能的滑块与滑槽和测量工具即可以在模拟土体不均匀沉降的情况下，测量隧道模型的变形情况、受力情况、沉降量和倾斜程度，结构简单、成本低廉、使用方便。另外，还可以根据需要模拟的沉降情况精确调整沉降底板，操作安全，原理可靠，实验误差小；可应用于不同土质的沉降试验，可模拟的情况多，得到实验结果的过程直观明确。

参考文献

[1] 刘建航，王如路，汪小兵.上海轨交运营隧道检修制度和沉降治理技术难题对策[J].地下工程与隧道，2013（1）：1-6.

[2] 郑永来，韩文星，童琪华，等.软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（24）：4552-4558.

[3] 汪小兵，王如路，刘建航.上海地铁隧道某区段不均匀沉降的成功治理[J].地下工程与隧道，2012（3）：1-6.

[4] 韦凯，宫全美，周顺华.隧道长期不均匀沉降预测的蚁群算法[J].同济大学学报：自然科学版，2009，37（8）：993-998.

[5] 韦凯，宫全美，周顺华.软土盾构隧道不均匀沉降预测的蚁群算法改进及参数选取[J].岩石力学与工程学报，2011（S1）：3022-3031.

[6] 胡指南，任宇铮，赵丽娅，等.一种隧道模型沉降与加载试验箱：中国，CN201621280034.1[P].2017-05-17.

[7] 王正兴，缪林昌，王冉冉，等.砂土中隧道施工引起土体内部沉降规律特征的室内模型试验研究[J].土木工程学报，2014（5）：133-139.

[8] 张晓清，张孟喜，吴应明，等.多线叠交盾构隧道近接施工模型试验[J].上海交通大学学报，2015，49（7）：1040-1045.

[9] KirschA.Experimental investigation of the face stability of shallow tunnels in sand[J]. Acta Geotechnica，2010，5（1）：43-62.