模拟密集建筑群区地面长期沉降的模型实验装置

摘要

本发明涉及模拟密集建筑群区受溶洞‑暗河‑隧道群运营影响的地面长期沉降模型实验装置，属于城市地下工程防灾减灾和地面沉降地质灾害技术领域。本发明提供的模型实验装置包括多模型组合系统、岩溶地层系统、隧道系统、地面密集建筑群、城市暗河水循环系统、溶洞水循环系统、数据采集系统、激振系统、控制系统。本发明模拟了密集建筑群区公路隧道群和地铁隧道共同运营时车辆振动荷载对地面长期沉降的影响，模拟了城市暗河作用下隧道群运营车辆振动荷载对土体长期沉降的影响，模拟溶洞作用下隧道群运营车辆振动荷载对土体长期沉降的影响；具有环境模拟逼真度高、实验数据准确、实验成本低的特点，能全天候观测地面长期沉降的缓慢形变过程。

说明书

技术领域

本发明属于城市地下工程防灾减灾和地面沉降地质灾害技术领域，尤其是涉及模拟密集建筑群区受溶洞-暗河-隧道群运营影响的地面长期沉降模型实验装置。

背景技术

随着城市轨道交通网络化建设的发展，城市地铁隧道和城市地下公路隧道叠交运营在我国特大城市已越来越多。城市密集建筑群区人口众多，往往集商业、金融贸易、娱乐为一体，是城市人流的汇集点，也是城市地铁隧道和城市地下公路隧道运营最频繁的区域。该区域由于长期受列车振动荷载引起的地基土振陷、隧道建设期地基土未完成的固结变形、隧道邻近范围的密集建(构)筑物、隧道所处地层水位变化等因素的影响，会导致地面长期沉降，引发隧道渗漏水、隧道裂缝及损坏、危及邻近建(构)筑物、桩基和地下管线。

现有特大城市地铁或城市地下公路运营引发地面沉降的模型实验研究，主要是针对地铁运营或公路运营引起的工后短期沉降，没有考虑城市密集建筑群-地铁运营车辆振动荷载-城市地下公路运营车辆荷载联合作用引发的地面长期沉降，对当前城市建设过程中因遇岩溶、暗河等地质灾害隐患诱发地面长期沉降的模型实验研究极少。因此，如何精确可靠地监测密集建筑群区受溶洞-暗河-隧道群运营影响的地面长期沉降量，对揭示城市地下工程运营诱发地面长期沉降核心安全风险的形成与演化机理具有重要意义。

中国专利CN104390629B公开了一种确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，包括步骤：第一步，确定地铁运营列车轴动荷载；第二步，建立荷载-钢轨-扣件-隧道-地基力学耦合模型，确定单次列车对下方土体的加载大小及加载次数；第三步、建立二维有限元模型，依次进行隧道开挖、列车荷载加载分析步，确定隧道下方土体的初始偏应力和列车荷载引起的动偏应力；第四步、根据上述步骤的结果，确定隧道下方土体累积塑性应变；第五步、确定列车荷载引起的隧道累积沉降量，并绘制隧道沉降曲线。该专利主要是基于二维有限元模型研究地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降量，没有涉及利用模型试验对受溶洞-暗河-隧道群运营影响的地面长期沉降进行研究，也没有考虑密集建筑群对地面长期沉降的影响。

发明内容

本发明的目在于，克服上述现有技术的不足，提供一种模拟密集建筑群区受溶洞-暗河-隧道群运营影响的地面长期沉降的模型实验装置，该模型试验装置具有环境模拟逼真度高、实验数据准确可靠、实验成本低、观测不限时间和环境限制等特点。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种模拟密集建筑群区地面长期沉降的模型实验装置，应用于受溶洞-暗河-隧道群运营影响条件下，包括多模型组合系统、岩溶地层系统、隧道系统、地面密集建筑群、城市暗河水循环系统、溶洞水循环系统、数据采集系统、激振系统、传导系统；

所述多模型组合系统包括第一箱体、第二箱体、第三箱体、第四箱体；所述第一箱体内的中上部依次布设第二箱体、第三箱体、第四箱体；

所述岩溶地层系统包括第一土层、第二土层、第三土层、第四土层、溶洞土层；

所述隧道系统包括公路隧道系统和地铁隧道系统；作为举例而非限定，所述地铁隧道系统包括地铁隧道。

所述第一箱体的顶部布设地面密集建筑群，第一箱体的中部布设地铁隧道系统，所述地铁隧道系统横向贯穿第二箱体、第三箱体、第四箱体的底部，第一箱体内的底部布设第四土层，第四土层的内部布设公路隧道系统；

所述第二箱体内布设第一土层，所述第一土层内建有溶洞水循环系统，所述溶洞水循环系统采用溶洞土层；

所述第三箱体内布设第二土层，所述第四箱体内布设第三土层，所述第二箱体和第三箱体之间，以及所述第三箱体和第四箱体之间布设城市暗河水循环系统；

所述隧道系统和所述溶洞水循环系统中布设数据采集系统，所述隧道系统中布设激振系统，所述传导系统分别连接数据采集系统和激振系统。

进一步，所述地面密集建筑群包括一号建筑物、二号建筑物、三号建筑物、四号建筑物、五号建筑物、六号建筑物、七号建筑物、八号建筑物、九号建筑物、十号建筑物、十一号建筑物、高架桥、桥梁、山体、一号公路、二号公路；

所述高架桥和山体设在第二箱体上部，且所述高架桥跨过第二箱体和第三箱体；

所述一号建筑物、二号建筑物、三号建筑物、四号建筑物、桥梁、一号公路设在第三箱体上部，且一号建筑物、二号建筑物、三号建筑物、四号建筑物分别位于一号公路的两侧；

所述五号建筑物、六号建筑物、七号建筑物、八号建筑物、九号建筑物、十号建筑物、十一号建筑物、二号公路设在第四箱体的上部，且五号建筑物、六号建筑物、七号建筑物、八号建筑物、九号建筑物、十号建筑物、十一号建筑物分别位于二号公路两侧；

桥梁跨过第三箱体和第四箱体。

进一步，所述城市暗河水循环系统包括第一河道、第二河道、一号柱、二号柱、三号柱、四号柱、五号柱、六号柱、七号柱、八号柱、第一河道注水箱、第一河道出水箱、第二河道注水箱、第二河道出水箱；

所述第一河道位于第二箱体、第三箱体、第四土层之间，所述第一河道内部设有一号柱、二号柱、三号柱、四号柱，用于支撑悬空的地铁隧道系统；

所述第二河道位于第三箱体、第四箱体、第四土层之间，所述第二河道内部设有五号柱、六号柱、七号柱、八号柱，用于支撑悬空的地铁隧道系统；

所述第一河道注水箱、第一河道出水箱、第二河道注水箱和第二河道出水箱均位于第一箱体外部，为城市暗河河道补给水。

进一步，所述溶洞水循环系统包括溶洞注水箱、溶洞出水箱、注水管、出水管、溶洞；

所述溶洞设在第一土层内部；所述溶洞的上部铺设有注水管，其下部铺设有出水管；所述溶洞注水箱、溶洞出水箱位于第一箱体外部，为溶洞补给水。

进一步，所述隧道系统包括第一公路隧道、第二公路隧道、第三公路隧道；

所述第一公路隧道、第二公路隧道、第三公路隧道从左到右依次设在所述第四土层内部；且第一公路隧道设在第二箱体正下方，第二公路隧道设在第三箱体正下方，第三公路隧道设在第四箱体的正下方。

进一步，所述激振系统包括第一激振器、第二激振器、第三激振器、第四激振器、第五激振器、第六激振器、激振控制器；

所述第一激振器、第二激振器、第三激振器分别位于第一公路隧道、第二公路隧道、第三公路隧道内；所述第四激振器、第五激振器、第六激振器分别位于第二箱体、第三箱体、第四箱体底部的地铁隧道系统内。

进一步，所述传导系统包括五号导线、六号导线；

所述五号导线和六号导线一端均与激振控制器连接，五号导线另一端依次连接第一激振器、第二激振器、第三激振器，六号导线另一端依次连接第四激振器、第五激振器、第六激振器。

进一步，所述数据采集系统包括第一数据采集器、第二数据采集器、第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器、第七传感器、第八传感器、第九传感器、第十传感器、第十一传感器、第十二传感器、第十三传感器、第十四传感器、第十五传感器、第十六传感器、第十七传感器、第十八传感器、第十九传感器、第二十传感器、第二十一传感器、第二十二传感器、第二十三传感器、第二十四传感器、第二十五传感器：

所述第一公路隧道的下方埋设有第一传感器、第二传感器；所述第二公路隧道的下方埋设有第三传感器、第四传感器；所述第三公路隧道的下方埋设有第五传感器、第六传感器；

所述第一公路隧道和第二公路隧道之间埋设有第七传感器；所述第二公路隧道和第三公路隧道之间埋设有第八传感器；

所述第二箱体底部被地铁隧道系统贯穿的上方埋设有第九传感器和第十传感器，其下方埋设有第十一传感器和第十二传感器；所述第三箱体底部被地铁隧道系统贯穿的上方埋设有第十三传感器和第十四传感器，其下方埋设有第十五感器和第十六传感器；所述第四箱体底部被地铁隧道系统贯穿的上方埋设有第十七传感器和第十八传感器，其下方埋设有第十九传感器和第二十传感器；

所述溶洞土层底部设有第二十一传感器，其上部设有第二十二传感器；

所述第二箱体上部建筑群内设第二十三传感器；所述第三箱体上部建筑群内设第二十四传感器；所述第四箱体上部建筑群内设第二十五传感器。

进一步，所述传导系统包括一号导线、二号导线、三号导线、四号导线；

所述一号导线、二号导线、三号导线、四号导线依次连接数据采集系统中的若干传感器，并将数据传输到第一数据采集器和第二数据采集器内；

所述一号导线的一端连接第一数据采集器，另一端依次连接第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器、第七传感器、第八传感器；二号导线的一端连接第一数据采集器，另一端依次连接第十一传感器、第十五传感器、第十六传感器、第十九传感器、第二十传感器；三号导线的一端连接第二数据采集器，另一端依次连接第九传感器、第十传感器、第十三传感器、第十四传感器、第十七传感器、第十八传感器、第二十一传感器；四号导线的一端连接第二数据采集器，另一端依次连接第二十二传感器、第二十三传感器、第二十四传感器、第二十五传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本发明通过在第一箱体内的底部第四土层中构设第一公路隧道、第二公路隧道、第三公路隧道以模拟公路隧道群运营车辆振动荷载，在其底部第四土层的上方依次布设第二箱体、第三箱体、第四箱体，在第三箱体和第四箱体的上部构设地面密集建筑群以模拟密集建筑群对土体长期沉降的影响，构设的地铁隧道在第一箱体的中部横向贯穿第二箱体、第三箱体、第四箱体以模拟地铁车辆振动荷载，从而实现模拟密集建筑群区公路隧道群和地铁隧道共同运营时车辆振动荷载对地面长期沉降的影响，具有环境模拟逼真度高、实验数据准确、实验成本低的特点，能全天候观测地面长期沉降的缓慢形变过程。

2.本发明通过在第二箱体、第三箱体、第四土层之间构设第一河道，在第三箱体、第四箱体、第四土层之间构设第二河道，利用第一河道注水箱、第二河道注水箱、第一河道出水箱、第二河道出水箱共同构建城市暗河水循环系统，实现模拟城市暗河作用下隧道群运营车辆振动荷载对土体长期沉降的影响。

3.本发明通过在第一土层内部设溶洞，在溶洞的上部铺设注水管，在其下部铺设出水管，利用溶洞注水箱往注水管注水，使水在溶洞土层慢慢渗透，通过出水管收集渗透水并排除到溶洞出水箱，构成溶洞水循环系统，实现模拟溶洞作用下隧道群运营车辆振动荷载对土体长期沉降的影响。

附图说明

图1为本发明模拟密集建筑群区的地面长期沉降的模型实验装置的主视结构剖面示意图。

图2为图1主视结构的左视面外观示意图。

图3为图1主视结构的右视面外观示意图。

图4为图1主视结构的俯视面外观示意图。

图5为图1主视结构的正视面外观示意图。

图6为图5的1-1的剖面示意图。

图7为图5的2-2的剖面示意图。

图8为图5的3-3的剖面示意图。

图9为图5的4-4的剖面示意图。

图10为图5的5-5的剖面示意图。

附图标记说明

1为多模型组合系统、2为岩溶地层系统、3为隧道系统、4为地面密集建筑群、5为城市暗河水循环系统、6为溶洞水循环系统、7为数据采集系统、8为激振系统、9为传导系统、101为第一箱体、102为第二箱体、103为第三箱体、104为第四箱体、201为第一土层、202为第二土层、203为第三土层、204为第四土层、205为溶洞土层、301为第一公路隧道、302为第二公路隧道、303为第三公路隧道、304为地铁隧道、401为一号建筑物、402为二号建筑物、403为三号建筑物、404为四号建筑物、405为五号建筑物、406为六号建筑物、407为七号建筑物、408为八号建筑物、409为九号建筑物、410为十号建筑物、411为十一号建筑物、412为高架桥、413为桥梁、414为山体、415为一号公路、416为二号公路、501为第一河道、502为第二河道、503为一号柱、504为二号柱、505为三号柱、506为四号柱、507为五号柱、508为六号柱、509为七号柱、510为八号柱、511为第一河道注水箱、512为第一河道出水箱、513为第二河道注水箱、514为第二河道出水箱、601为溶洞注水箱、602为溶洞出水箱、603为注水管、604为出水管、605为溶洞、701为第一数据采集器、702为第二数据采集器、703为第一传感器、704为第二传感器、705为第三传感器、706为第四传感器、707为第五传感器、708为第六传感器、709为第七传感器、710为第八传感器、711为第九传感器、712为第十传感器、713为第十一传感器、714为第十二传感器、715为第十三传感器、716为第十四传感器、717为第十五传感器、718为第十六传感器、719为第十七传感器、720为第十八传感器、721为第十九传感器、722为第二十传感器、723为第二十一传感器、724为第二十二传感器、725为第二十三传感器、726为第二十四传感器、727为第二十五传感器、801为第一激振器、802为第二激振器、803为第三激振器、804为第四激振器、805为第五激振器、806为第六激振器、807为激振控制器、901为一号导线、902为二号导线、903为三号导线、904为四号导线、905为五号导线、906为六号导线。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1～图10所示，模拟密集建筑群区受溶洞-暗河-隧道群运营影响的地面长期沉降模型实验装置，包括：多模型组合系统1、岩溶地层系统2、隧道系统3、地面密集建筑群4、城市暗河水循环系统5、溶洞水循环系统6、数据采集系统7、激振系统8、传导系统9。

多模型组合系统1，包括第一箱体101、第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104。

岩溶地层系统2，包括第一土层201、第二土层202、第三土层203、第四土层204、溶洞土层205。

隧道系统3，包括第一公路隧道301、第二公路隧道302、第三公路隧道303、地铁隧道304。

地面密集建筑群4，包括一号建筑物401、二号建筑物402、三号建筑物403、四号建筑物404、五号建筑物405、六号建筑物406、七号建筑物407、八号建筑物408、九号建筑物409、十号建筑物410、十一号建筑物411、高架桥412、桥梁413、山体414、一号公路415、二号公路416。

城市暗河水循环系统5，包括第一河道501、第二河道502、一号柱503、二号柱504、三号柱505、四号柱506、五号柱507、六号柱508、七号柱509、八号柱510、第一河道注水箱511、第一河道出水箱512、第二河道注水箱513、第二河道出水箱514。

溶洞水循环系统6，包括溶洞注水箱601、溶洞出水箱602、注水管603、出水管604、溶洞605。

数据采集系统7，包括第一数据采集器701、第二数据采集器702、第一传感器703、第二传感器704、第三传感器705、第四传感器706、第五传感器707、第六传感器708、第七传感器709、第八传感器710、第九传感器711、第十传感器712、第十一传感器713、第十二传感器714、第十三传感器715、第十四传感器716、第十五传感器717、第十六传感器718、第十七传感器719、第十八传感器720、第十九传感器721、第二十传感器722、第二十一传感器723、第二十二传感器724、第二十三传感器725、第二十四传感器726、第二十五传感器727。

激振系统8，包括第一激振器801、第二激振器802、第三激振器803、第四激振器804、第五激振器805、第六激振器806、激振控制器807。

传导系统9，包括一号导线901、二号导线902、三号导线903、四号导线904、五号导线905、六号导线906。

如图1～图10所示，本发明实现的原理为：

在多模型组合系统1中的第一箱体101内的中上部，依次布设第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104；在第一箱体101顶部布设地面密集建筑群4，在第一箱体101内的底部布设第四土层204，并在第四土层204内部从左往右依次设第一公路隧道301、第二公路隧道302、第三公路隧道303，地铁隧道304位于第一箱体101的中部，其横向贯穿第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104的底部；在第二箱体102内布设第一土层201，并在第一土层201内建有溶洞水循环系统6；在第三箱体103内布设第二土层202；在第四箱体104内布设第三土层203；城市暗河水循环系统5中的第一河道501设于第二箱体102和第三箱体103之间，第二河道502设于第三箱体103和第四箱体104之间；通过传导系统9中的一号导线901、二号导线902、三号导线903、四号导线904依次连接数据采集系统7中的若干传感器，并将数据传输到第一数据采集器701和第二数据采集器702内；五号导线905、六号导线906连接激振系统8中的激振控制器807，进而控制若干激振器模拟隧道群运营时车辆振动荷载对土体长期沉降的影响。

多模型组合系统1中的第一箱体101内设第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104，各箱体材料均采用有机玻璃，便于全方位可视化观测隧道群运营时车辆振动荷载对土体的长期沉降量。在第一箱体101的内底部设第四土层204，其材料为岩石，在第四土层204上部依次布设第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104。

在第二箱体102内部设岩溶地层系统2中的第一土层201，其材料为黄棕壤，并向右部侵出，而且在其内部设溶洞605，其材料为渗水性良好的溶洞土层205。为了模拟溶洞605塌陷的真实环境，在溶洞605的上部铺设有注水管603，在其下部铺设有出水管604，其作用是控制注水的路径，使之共同构成溶洞水循环系统6。溶洞注水箱601、溶洞出水箱602位于第一箱体101外部，其作用是给溶洞补给水。在第二箱体102正下方设有隧道系统3中的第一公路隧道301，在第二箱体102上部设有地面密集建筑群4中的高架桥412和山体414，其中高架桥412跨过第二箱体102和第三箱体103。

在第三箱体103内部设有岩溶地层系统2中的第二土层202，其材料为褐土，并向左右两侧侵出。在第三箱体103正下方设有隧道系统3中的第二公路隧道302，在第三箱体103上部构设地面密集建筑群4中的一号建筑物401、二号建筑物402、三号建筑物403、四号建筑物404、桥梁413、一号公路415。桥梁413跨过第三箱体103和第四箱体104。一号建筑物401、二号建筑物402、三号建筑物403、四号建筑物404位于一号公路415的两侧，其作用是构设地表密集建筑群。

在第四箱体104内部布设岩溶地层系统2中第三土层203，其材料黑钙土，并向左侧侵出。在第四箱体104的正下方设有隧道系统3中的第三公路隧道303，在第四箱体104的上部构设地面密集建筑群4中的五号建筑物405、六号建筑物406、七号建筑物407、八号建筑物408、九号建筑物409、十号建筑物410、十一号建筑物411，其分别位于二号公路415两侧，其作用是构设地表密集建筑群。

隧道系统3中的地铁隧道304位于第一箱体101的中部，其横向贯穿第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104的底部。

城市暗河水循环系统5中的第一河道501位于第二箱体102、第三箱体103、第四土层204之间，主要模拟城市暗河作用下隧道群运营车辆振动荷载对土体产生的形变。在第一河道501的内部设有一号柱503、二号柱504、三号柱505、四号柱506，用于支撑悬空的地铁隧道304；在第三箱体103、第四箱体104、第四土层204之间设有城市暗河水循环系统5中的第二河道502，并在其内部设有五号柱507、六号柱508、七号柱509、八号柱510；第一河道注水箱511、第一河道出水箱512、第二河道注水箱513和第二河道出水箱514均位于第一箱体101外部，其作用为城市暗河河道补给水。

在隧道系统3的第一公路隧道301的下方埋设有数据采集系统7中的第一传感器703、第二传感器704；在第二公路隧道302下方埋设有第三传感器705、第四传感器706；在第三公路隧道303下方埋设有第五传感器707、第六传感器708；在第一公路隧道301和第二公路隧道302之间埋设有第七传感器709；在第二公路隧道302和第三公路隧道303之间埋设有第八传感器710；在第二箱体102底部被地铁隧道304贯穿的上方埋设有第九传感器711和第十传感器712，其下方埋设有第十一传感器713和第十二传感器714；在第三箱体103底部被地铁隧道304贯穿的上方埋设有第十三传感器715和第十四传感器716，其下方埋设有第十五感器717和第十六传感器718；在第四箱体104底部被地铁隧道304贯穿的上方埋设有第十七传感器719和第十八传感器720，其下方埋设有第十九传感器721和第二十传感器722；在溶洞土层205底部设有第二十一传感器723，其上部设有第二十二传感器724；为了准确监测隧道群运营车辆荷载对密集建筑群区地面长期沉降的影响，在第二箱体102上部建筑群内设第二十三传感器725，在第三箱体103上部建筑群内设第二十四传感器726，在第四箱体104上部建筑群内设第二十五传感器727。

激振系统8中第一激振器801、第二激振器802、第三激振器803分别位于第一公路隧道301、第二公路隧道302、第三公路隧道303内；第四激振器804、第五激振器805、第六激振器806分别位于第二箱体102、第三箱体103、第四箱体104底部的地铁隧道304内，主要模拟隧道群车辆的振动荷载。

传导系统9中一号导线901的一端连接第一数据采集器701，另一端依次连接第一传感器703、第二传感器704、第三传感器705、第四传感器706、第五传感器707、第六传感器708、第七传感器709、第八传感器710；二号导线902的一端连接第一数据采集器701，另一端依次连接第十一传感器713、第十五传感器717、第十六传感器718、第十九传感器721、第二十传感器722；三号导线903的一端连接第二数据采集器702，另一端依次连接第九传感器711、第十传感器712、第十三传感器715、第十四传感器716、第十七传感器719、第十八传感器720、第二十一传感器723；四号导线904的一端连接第二数据采集器702，另一端依次连接第二十二传感器724、第二十三传感器725、第二十四传感器726、第二十五传感器727。五号导线905和六号导线906一端均与激振控制器807连接，其中五号导线905另一端依次连接第一激振器801、第二激振器802、第三激振器803，六号导线906另一端依次连接第四激振器804、第五激振器805、第六激振器806，主要模拟激振器激发的振动荷载能准确传输到激振控制器。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。