一种模拟双线地铁列车运营工况的试验装置的制作方法

本发明涉及地下工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟双线地铁列车运营工况的试验装置。

背景技术

地铁在缓解城市交通压力，为人们日常出行带来便利的同时，列车运行时产生的振动对周围环境带来的影响也不容忽视。尤其在沿海软土地区，在地铁列车荷载长期作用下易产生累积沉降，影响地铁运营安全。研究表明一些软土地区运营前由施工引起的沉降已基本稳定，但是运营后地铁变形又有较大幅度发展，给地铁运营和周边环境带来不利影响，因此关于地铁列车振动效应及土体变形机理的研究对指导地铁隧道施工和控制工后沉降具有重要意义。

在地铁列车移动荷载设计模拟方面，国内尚无室内模型出现。目前城市轨道交通建设速度越来越快，而相应的模拟试验、理论研究等仍较为滞后，是当前工程界的一大热点课题。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种模拟双线地铁列车运营工况的试验装置，可以较真实地模拟地铁列车运营工况，为研究地铁运营对隧道结构、周围环境产生的振动问题提供有效可行的试验装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种模拟双线地铁列车运营工况的试验装置，包括模型箱、隧道模型、列车模型、动力系统、无线传感振动测试系统、无线传感内力测试系统和服务器；

所述动力系统与所述列车模型连接，为所述列车模型提供动力；

所述服务器与所述无线传感振动测试系统和无线传感内力测试系统连接；

所述无线传感振动测试系统和无线传感内力测试系统安装在所述装置的土层中或所述隧道模型中。

优选的，所述无线传感振动测试系统包括加速度计、速度计、位移计和解调仪。

优选的，所述无线传感内力测试系统包括土压力计、孔压计、应力计和解调仪。

优选的，所述模型箱包括中间隧道主箱和两侧轨道支撑箱体。

优选的，所述隧道模型包括道床、轨枕、钢轨和pe管片环。

优选的，所述列车模型包括车体和轮对。

优选的，所述动力系统包括电机和牵引线，电机通过牵引线与车体连接，保持牵引线水平并可调节，为列车模型运行提供动力。

优选的，所述装置中还设置有pvc管。

本发明的有益效果是：（1）模拟不同埋深、不同行车速度、不同列车荷载、不同行车状态等情况下的双线地铁运营动力响应；（2）单套系统可同时模拟隧道周围土体不均匀沉降、地铁运行线路坡度变化等复杂工况；（3）隧道模型按照实际地铁隧道进行缩尺寸设计，并采用双线隧道模型，贴近实际工程，可为地铁运营对隧道结构及周围环境的影响研究提供可靠、便捷的试验平台。

附图说明

图1为试验装置整体模型。

图2为整体模型a-a剖面。

图3为整体模型b-b剖面。

图4为模型地下断面示意图。

图5为整体道床局部模型。

图6为隧道坡度可变工况示意图。

附图标记说明：1、钢板隔墙；2、砖砌墙；3、混凝土墙；4、道床；5、轨枕；6、轨枕；7、pe管片环；8、土层；9、车体；10、轮对；11、电机；12、牵引线；13、阻尼材料；14、pvc管；15、第一传感器组；16、钢架；17、第二传感器组。

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至图5所示，一种模拟双线地铁列车运营工况的试验装置，包括模型箱、隧道模型、列车模型、动力系统、无线传感振动测试系统、无线传感内力测试系统、服务器、阻尼材料、pvc管。

模型箱分为中间隧道主箱及两侧轨道支撑箱体，中间主箱包括钢板隔墙1、混凝土墙3，两侧箱体包括砖砌墙2、混凝土墙3。钢架16设置在中间主箱体两侧用于抵抗侧向压力。

隧道模型包括道床4、轨枕5、钢轨6、pe管片环7，pe管片环7的环间采用螺丝相连，错缝拼接模拟隧道衬砌，置于土层8中，在7管环内侧底部插入竖向螺丝，而后直接浇筑石膏浆形成道床4；用氯仿将等距离摆放的轨枕5和钢轨6粘结形成轨排结构，待第一层整体道床初凝后，将轨排结构置于道床上，再浇筑石膏浆使轨枕完全嵌固在道床内。隧道模型参照杭州地铁实际尺寸缩尺寸比例为1:4，pe管片环直径1.55m，厚度8.7cm。轨道总长40m，其中隧道内部长12m，模型箱外部固定水平段两侧各长1m，坡度可调段两侧各长13m。道床设为整体式道床。

单个列车模型包括缩尺寸车体9、两组轮对10。动力系统包括电机11、牵引线12，电机11通过牵引线12与车体9连接，保持牵引线水平并可调节，为列车模型运行提供动力。阻尼材料13由15cm厚的泡沫塑料板、钢垫块以及聚苯乙烯薄膜组成，设置在模型箱侧边及底部位置用以减少模型箱壁的反射效应、模拟土体边界条件，提高试验精度和有效性。

pvc管14，整个装置中分别在两侧、中间位置设置三处，可根据不同研究需要抽出，抽出范围内上部土体随之下沉填充原pvc管处的空隙，借此模拟隧道下方土体沉降、列车路线坡度变化等复杂工况。pvc管可按需要从模型箱中抽出，用以模拟土体不均匀沉降、调节列车运行线路坡度变化模拟不同工况。

无线传感系统包括无线传感振动测试系统和无线传感内力测试系统。无线传感振动测试系统由高精度加速度计、速度计、位移计以及解调仪组成，分别测量地铁隧道衬砌管片、轨道的加速度、速度和位移，解调仪接收测量的信号后输出相关数据。可根据研究需要将第一传感器组15埋设在试验系统中，第一传感器组15包含加速度计、速度计、位移计以及解调仪，传感器埋设位置如图1~3所示，其中，图中黑方块表示第一传感器组15。本发明试验系统为对称结构，故传感器埋设仅需按对称轴埋设在一侧即可。第一传感器组15布置于隧道衬砌管片的上下左右四处，随隧道纵向长度方向按间距为1.0m全长布置。同样也布置于横向地表位置，地表布置原则为：隧道上方向两侧铺开，按横向距离为0.8m布置到距离模型箱外边侧1~2m处，纵向随隧道纵向长度方向按间距为1.0m全长布置。测试了全方位、全范围内的位移、振动等数据的变化。

无线传感内力测试系统由高精度土压力计、孔压计以及应力计以及解调仪组成，分别测量土体的土压力、孔隙水压力和土中应力，解调仪接收测量的信号后输出相关数据。可根据研究需要将第二传感器组17埋设在试验系统中，第二传感器组17包含高精度土压力计、孔压计以及应力计以及解调仪。传感器埋设位置如图1~2所示，其中，黑圆块方块表示第二传感器组17。第二传感器组17布置于土体中的，布置在隧道上方土体的两侧分布，上方一个，两隧道等间距中间两个，两侧模型箱各两个。纵向随隧道纵向长度方向按间距为1.0m全长布置。测试了全方位、全范围内的位移、内力等数据的变化。

服务器含数据处理软件，接收无线传感系统测得的振动、内力监测数据，并进行计算处理。

试验装置安装完毕后，启动动力装置，列车模型运营即可模拟地铁列车移动荷载，通过无线传感系统获得隧道结构及周围土体的振动响应情况及系统内力变化，由服务器计算输出工程所需数据，为相关研究提供参考。本发明的试验装置对双线地铁列车运营工况进行模拟。

以下列举利用本发明试验装置进行模拟双线地铁运营的几种工况：

1.模拟隧道坡度变化影响

将图1所示系统安装完毕，将列车模型置于轨道起点，启动电机11，将列车速度调至5m/s（模拟现实地铁正常运行速度20m/s），使列车运行完全程，记录与加速度计、速度计、位移计相连的服务器运算所得的隧道周围土体振动、内力监测数据，由此完成隧道线路水平无坡度条件下地铁运营振动模拟；而后将根据研究需要将pvc管14抽出，相应部位土体发生沉降，使列车以相同5m/s的速度运行完全程，记录振动、内力监测数据，该组数据即为列车在正常水平行驶情况下的路况，隧道坡度情况如图1所示。本发明采用的pvc管直径为30mm，间距300mm，中间主箱段埋设20根，两侧箱体分别埋设12根pvc管，如图1所示。pvc管14的尺寸和数量可根据不同需要调整，以模拟不同工况，图6中列举了三种典型工况下隧道断面呈现的坡道形状示意图：模拟工况a：抽中间主箱部位pvc管，两侧箱体保留，模拟中间主箱部位发生沉降的情况；模拟工况b：抽两侧箱体pvc管，主箱部位保留，模拟两侧箱体发生沉降的情况；模拟工况c：主箱部位抽一排，一侧半箱体抽两排pvc管，另一侧保留，模拟轨道呈一定坡度的情况。抽出pvc管后需打开位移计解调仪及服务器，每隔15min记录隧道全长位移变化，位移数据稳定时，隧道沉降完毕，方可进行下一次试验。避免土体扰动导致的试验误差。

2.模拟隧道埋深影响

采用本发明试验系统模拟隧道埋深对地铁运营振动影响时，可仅使用主箱体进行模拟，初始隧道上方覆土填至2m厚度，按1:4缩放比例，可模拟实际8m埋深地铁工况。系统安装完毕后，打开位移计解调仪及服务器，每隔15min记录隧道全长位移变化，位移数据稳定时，运行动力系统，记录列车模型9运行时各类传感器读数。继续填土至厚度达到2.5m，模拟实际10m埋深地铁工况，启动试验系统，记录列车模型9运行时各类传感器读数；继续填土至厚度达到3m，模拟实际12m埋深地铁工况，启动试验系统，记录列车模型9运行时各类传感器读数。每次填土完毕均需监测隧道位移变化，直至隧道沉降稳定后再行试验。

3.模拟列车运行速度、列车荷载、双线隧道不同行车状态等的影响

采用本发明试验系统模拟列车运行速度、列车荷载、双线隧道不同行车状态等因素对地铁运营振动影响时，系统安装完毕后对，仅需按照试验需要改变列车速度、增减列车荷载、设置双线隧道运营状态（两列列车同时运营、仅一列列车运营、两列列车间隔一定时间运营），启动试验系统，记录每次试验时各类传感器读数。

本模型试验装置主要研究隧道地铁运营对周边环境的影响，可以考虑不同线路工况、不同隧道埋深以及不同土质（黏土、砂土）等影响因素。另一方面，目前地铁运营全比尺模型模拟难度较大、经济成本高，且地下结构状态较难控制，难以模拟不同土质的地铁运营情况。缩尺寸模型可以较好地解决上述问题，为实验室工作、理论分析、现场测试布置等搭建了互相联系的桥梁，试验所获得的相关数据，亦将为地铁隧道工程建设和运行提供咨询，保障轨道交通运营安全，完善城市轨道交通建设。

本发明的装置按照地铁实际情况进行缩尺寸模拟，设置双线地铁隧道模型，可广泛应用于城市软土隧道工程动力响应等方向的科学研究。依托学科优势及试验平台，科研及工程人员可以充分地对地铁运营振动环境响应问题进行系统的研究，探索地铁隧道结构、周围土体的振动变形机理，用以指导工程实践，提高地铁出行安全性，优化轨道交通建设。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。