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用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置

阅读：0发布：2020-11-11

专利汇可以提供用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请属于运营荷载诱发地面沉降防控技术领域，提供一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置。本申请能同时模拟城市高密集区地上和地下多重运营荷载在不同的运营工况下引起的地面沉降，并获取精准的地面沉降数据，以有效防控地面沉降灾害发生；本申请能模拟城市高密集区地铁运营区含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的影响，并能获得含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的分布规律，以降低含溶洞高压沼气地层进行地铁施工的风险，降低施工成本；本申请能获取不同降雨量的条件下城市高密集区地铁运营引起的地面沉降数据，以降低防汛期城市地铁施工引发的各类风险，节约工期，确保地铁施工的安全。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：包括位移传感系统(1)、振动传感系统(2)、分层沉降标监测系统(3)、激振系统(4)、运营隧道(5)、函数信号发生器(6)、功率放大器(7)、测振仪(8)、地面沉降监测仪(9)、密集建筑群(10)、隧道上方填土(11)、隧道洞身填土(12)、隧道底部填土(13)、大型地质模型箱(14)、第一输出电缆(15)、第二输出电缆(16)、分层沉降量测井系统(25)、测斜井系统(26)、固定器(33)、气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)、限压板(35)、限压环(36)、自然降雨模拟系统；
大型地质模型箱(14)内自下向上依次填装隧道底部填土(13)、隧道洞身填土(12)和隧道上方填土(11)；隧道洞身填土(12)中心内沿大型地质模型箱(14)前后方向设置运营隧道(5)；密集建筑群(10)包括第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)，第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)呈左右对称分别设置于隧道上方填土(11)的上表面，以模拟城市高密集区的地表建筑物；
隧道洞身填土(12)中设置有两个气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)，均位于运营隧道(5)的外壁上端，且等距离距布设；气囊式溶洞沼气地层模拟系统(34)包括自闭式气体控制器(3401)、沼气蛛网状气囊(3402)、溶洞拱形气囊(3403)、限压口(3404)、输气管(3405)、地下沼体(3406)、气囊卸压后的溶洞(3407)；若干沼气蛛网状气囊(3402)呈蛛网状布设在溶洞拱形气囊(3403)上，并与溶洞拱形气囊(3403)连通，同时沼气蛛网状气囊(3402)的顶部设置限压口(3404)，且限压口(3404)通过限压环(36)与限压板(35)胶接；溶洞拱形气囊(3403)安装在固定器(33)上，固定器(33)与运营隧道(5)的内壁胶接，同时溶洞拱形气囊(3403)内部设置自闭式气体控制器(3401)，输气管(3405)的一端穿过固定器(33)与自闭式气体控制器(3401)连接，输气管(3405)另一端与外接人工沼气系统连接；
自然降雨模拟系统包括淋喷降雨模拟器(28)、流量控制计(29)、旋转杆(30)、水管(31)；淋喷降雨模拟器(28)设置在大型地质模型箱(14)上方，并通过旋转杆(30)与流量控制计(29)连接，流量控制计(29)通过水管(31)与外接水源连接，通过流量控制计(29)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋出的水量大小，通过旋转杆(30)控制淋喷降雨模拟器(28)喷淋的角度；同时，大型地质模型箱(14)的底部开设有排水口(27)，用于排水；
激振系统(4)包括第一激振器(401)、第二激振器(402)，且第一激振器(401)、第二激振器(402)的内部中心轴处均设置有激振棒(403)，第一激振器(401)设置于运营隧道(5)的内部中心位置，第二激振器(402)设置于隧道上方填土(11)的上表面并位于第一建筑模型(1001)、第二建筑模型(1002)之间的中心位置；
函数信号发生器(6)通过第一输出电缆(15)与功率放大器(7)连接，功率放大器(7)通过第二输出电缆(16)与第一激振器(401)、第二激振器(402)连接；运营荷载的频率通过函数信号发生器(6)进行输入，并输送至功率放大器(7)，通过功率放大器(7)分别控制第一激振器(401)和第二激振器(402)输出不同振幅和频率的振动，以模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；
位移传感系统(1)设置于隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置，并与地面沉降监测仪(9)连接，通过地面沉降监测仪(9)监测隧道上方填土(11)上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降；
振动传感系统(2)设置于隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置，用于感应隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载；
测振仪(8)与振动传感系统(2)连接，用于监测隧道上方填土(11)上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降；
分层沉降标监测系统(3)设置于大型地质模型箱(14)内的不同土层埋深处；地面沉降监测仪(9)与分层沉降标监测系统(3)连接，用于监测大型地质模型箱(14)内不同土层埋深处的土体沉降量；
测斜井系统(26)设置在大型地质模型箱(14)内，用于量测在大型地质模型箱(14)内任意位置土体的侧向偏移的变化量。
2.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：振动传感系统(2)包括第一振动传感器(201)、第二振动传感器(202)、第三振动传感器(203)；
第一振动传感器(201)布设在大型地质模型箱(14)的地表中心，并位于运营隧道(5)的正上方；第二振动传感器(202)布设在第二建筑模型(1002)的前方；第三振动传感器(203)布设在第一建筑模型(1001)的前方。
3.根据权利要求2所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：位移传感系统(1)包括第一位移传感器(101)、第二位移传感器(102)、第三位移传感器(103)、第四位移传感器(104)、第五位移传感器(105)；
第一位移传感器(101)布设在紧邻第一建筑模型(1001)的右侧中心，第二位移传感器(102)布设在紧邻第二建筑模型(1002)的左侧中心，第三位移传感器(103)布设在紧邻第一振动传感器(201)的后侧中心，第四位移传感器(104)布设在紧邻第一建筑模型(1001)的前侧中心，第五位移传感器(105)布设在紧邻第二建筑模型(1002)的前侧中心；
第一位移传感器(101)、第二位移传感器(102)、第三位移传感器(103)、第四位移传感器(104)、第五位移传感器(105)分别与地面沉降监测仪(9)连接，通过地面沉降监测仪(9)监测隧道上方填土(11)上表面第二预设位置的土体沉降量。
4.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：分层沉降量测井系统(25)包括第一分层沉降管(2501)、第二分层沉降管(2502)、第三分层沉降管(2503)、第四分层沉降管(2504)；
第一分层沉降管(2501)、第二分层沉降管(2502)、第三分层沉降管(2503)、第四分层沉降管(2504)均埋设在隧道上方填土(11)中，且第一分层沉降管(2501)、第二分层沉降管(2502)的埋设深度相同，第三分层沉降管(2503)、第四分层沉降管(2504)的埋设深度相同，同时第一分层沉降管(2501)和第二分层沉降管(2502)的埋深大于第三分层沉降管(2503)、第四分层沉降管(2504)的埋深；
第一分层沉降管(2501)、第四分层沉降管(2504)、第三分层沉降管(2503)、第二分层沉降管(2502)依次位于在大型地质模型箱(14)的前端从右向左的1/5处、2/5处、3/5处、4/5处。
5.根据权利要求4所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：位移传感系统(1)包括第六位移传感器(106)、第七位移传感器(107)、第八位移传感器(108)、第九位移传感器(109)；
第六位移传感器(106)、第七位移传感器(107)、第八位移传感器(108)、第九位移传感器(109)分别对应设置在第一分层沉降管(2501)、第二分层沉降管(2502)、第三分层沉降管(2503)、第四分层沉降管(2504)的底部，并分别与地面沉降监测仪(9)连接，通过地面沉降监测仪(9)监测隧道上方填土(11)不同埋深位置的土体沉降量。
6.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：分层沉降标监测系统(3)包括第一分层沉降标(301)、第二分层沉降标(302)、第三分层沉降标(303)、第四分层沉降标(304)；
第一分层沉降标(301)布设在大型地质模型箱(14)左后侧边水平位置的1/4处，第二分层沉降标(302)布设在大型地质模型箱(14)右后侧边水平位置的1/4处，第三分层沉降标(303)布设在大型地质模型箱(14)左前侧边水平位置的1/4处，第四分层沉降标(304)布设在大型地质模型箱(14)右前侧边水平位置的1/4处，且第一分层沉降标(301)、第二分层沉降标(302)、第三分层沉降标(303)、第四分层沉降标(304)的布设高度均与大型地质模型箱(14)的高度等同。
7.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：测斜井系统(26)包括第一测斜管(2601)、第二测斜管(2602)、第三测斜管(2603)；
第一测斜管(2601)布设在第一建筑模型(1001)右后侧直角与大型地质模型箱(14)右后侧直角之间的中心位置；第二测斜管(2602)布设在第二建筑模型(1002)左后侧直角与大型地质模型箱(14)左后侧直角之间的中心位置；第三测斜管(2603)布设在大型地质模型箱(14)后侧边中心位置并位于淋喷降雨模拟器(28)的前方。
8.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：函数信号发生器(6)内置有电压旋钮(21)、函数信号发生器开关(22)、频率旋钮(23)、函数信号发生器电源(24)；
函数信号发生器开关(22)用于控制函数信号发生器(6)的打开与关闭，电压旋钮(21)用于控制函数信号发生器(6)电压输出的大小，频率旋钮(23)用于控制函数信号发生器(6)频率的输出大小，函数信号发生器电源(24)主要是为函数信号发生器(6)的正常工作提供电源。
9.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：功率放大器(7)内置有功率放大器电源(17)、故障指示灯(18)、功率放大器开关(19)、功率放大器旋钮(20)；
功率放大器开关(19)用于控制功率放大器(7)的开启与关闭，故障指示灯(18)用于显示功率放大器出现的故障，功率放大器旋钮(20)用于控制功率放大器(7)的电压和电流输出，功率放大器电源(17)用于为功率放大器(7)提供电源。
10.根据权利要求1所述的用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，其特征在于：自闭式气体控制器(3401)是一个倒Y形密闭结构，其上端进入溶洞拱形气囊(3403)的内部，其下端通过固定器(33)与输气管(3405)连接；
当地下沼体(3406)在压力作用下通过输气管(3405)进入自闭式气体控制器(3401)时，其上端的倒Y形密闭口会因压力张开释放地下沼体(3406)进入溶洞拱形气囊(3403)的内部，当地下沼体(3406)释放完毕时，其倒Y形密闭口会因压力消失和自行封闭，确保压力恒定。

说明书全文

用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置

技术领域

[0001] 本申请属于运营荷载诱发地面沉降防控技术领域，尤其是涉及一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置。

背景技术

[0002] 随着科技的迅速发展以及城市规划的不断进步，城市轨道交通越来越成为市民出行与生活的最佳选择。城市轨道交通网错综复杂，有的建造在地下，有的建造在地面，有的是多重叠交建造，不管何种建造方式，都经过城市的中心地带，给人们的出行带来极大地的方便。但是经过城市中心的城市轨道交通，具有建筑物密集、人口密集、商业发达等特殊性，而城市轨道交通运营产生的振动是世界公认的七大公害之一，它会引起地基土振陷、沼气泄露致地面沉降、隧道所处地层水位变化、隧道渗漏水、隧道邻近范围的密集建(构)筑物倾斜开裂等，对城市轨道交通的正常运营和使用安全产生重大不良影响。

[0003] 现有的关于城市轨道交通引起的振动研究主要是三种方法，分别是理论分析和数值计算、室内模拟实验以及现场实测实验。理论分析和数值计算过于理论化，城市轨道交通振动是一个涉及多方面的综合性问题，仅通过理论分析很难将各方面因素进行综合考虑；现场实测实验能获得真实的数据，但是由于工程地质条件和周围环境也极为复杂，由于受项目成本和工期的限制，研究的地质因素和环境变量很难多样化，因而获取的研究结论局限性大，且费时费力；室内模拟实验可以模拟现场的各类复杂条件，能真实地模拟城市轨道交通运营环境，能模拟城市轨道交通运营振动荷载对周边环境的影响，是一种成本低、数据真实、结论可靠的实验方法。以上三种方法，现有的研究均没有涉及人工降雨条件下含溶洞沼气地层的城市高密集区，地面高铁运营荷载和地下地铁运营荷载联合作用下诱发地面沉降的防控技术研究，因此，如何有效防控含溶洞沼气地层的高密集区多重运营荷载诱发地面沉降，可以实时掌握城市轨道交通运营的安全性状，为运营期地铁隧道、邻近建(构)筑物的稳定性评估提供科学依据，能有效防控地面沉降灾害的发生。
发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本申请的目的是提供一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，该装置具有能模拟城市高密集区含溶洞的沼气地层、地面沉降监测数据准确可靠、多重运营振动荷载环境逼真、成本低效率高等特点。

[0005] 为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

[0006] 一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，包括位移传感系统、振动传感系统、分层沉降标监测系统、激振系统、运营隧道、函数信号发生器、功率放大器、测振仪、地面沉降监测仪、密集建筑群、隧道上方填土、隧道洞身填土、隧道底部填土、大型地质模型箱、第一输出电缆、第二输出电缆、分层沉降量测井系统、测斜井系统、固定器、气囊式溶洞沼气地层模拟系统、限压板、限压环、自然降雨模拟系统；

[0007] 大型地质模型箱内自下向上依次填装隧道底部填土、隧道洞身填土和隧道上方填土；隧道洞身填土内设置运营隧道；密集建筑群包括第一建筑模型、第二建筑模型，第一建筑模型、第二建筑模型分别设置于隧道上方填土的上表面，以模拟城市高密集区的地表建筑物；

[0008] 隧道洞身填土中设置有两个气囊式溶洞沼气地层模拟系统，均位于运营隧道的外壁上端，且等距离距布设，可以设置在沿运营隧道纵向的1/3、2/3位置处；气囊式溶洞沼气地层模拟系统包括自闭式气体控制器、沼气蛛网状气囊、溶洞拱形气囊、限压口、输气管、地下沼体、气囊卸压后的溶洞；若干沼气蛛网状气囊通过其底部呈蛛网状布设在溶洞拱形气囊上，并与溶洞拱形气囊连通，同时沼气蛛网状气囊的顶部设置限压口，且限压口通过限压环与限压板胶接；溶洞拱形气囊安装在固定器上，固定器与运营隧道的内壁胶接，同时溶洞拱形气囊内部设置自闭式气体控制器，输气管的一端穿过固定器与自闭式气体控制器连接，输气管另一端与外接人工沼气系统连接；

[0009] 自然降雨模拟系统包括淋喷降雨模拟器、流量控制计、旋转杆、水管；淋喷降雨模拟器设置在大型地质模型箱上方，并通过旋转杆与流量控制计连接，流量控制计通过水管与外接水源连接，通过流量控制计控制淋喷降雨模拟器喷淋出的水量大小，通过旋转杆控制淋喷降雨模拟器喷淋的角度；同时，大型地质模型箱的底部开设有排水口，用于排水；

[0010] 激振系统包括第一激振器、第二激振器，且第一激振器、第二激振器的内部中心轴处均设置有激振棒，第一激振器设置于运营隧道的内部中心位置，第二激振器设置于隧道上方填土的上表面并位于第一建筑模型、第二建筑模型之间的中心位置；

[0011] 函数信号发生器通过第一输出电缆与功率放大器连接，功率放大器通过第二输出电缆与第一激振器、第二激振器连接；运营荷载的频率通过函数信号发生器进行输入，并输送至功率放大器，通过功率放大器分别控制第一激振器和第二激振器输出不同振幅和频率的振动，以模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；

[0012] 位移传感系统设置于隧道上方填土上表面及其内部的第一预设位置，并与地面沉降监测仪连接，通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降；

[0013] 振动传感系统设置于隧道上方填土上表面的第二预设位置，用于感应隧道上方填土上表面的第二预设位置的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载；测振仪与振动传感系统连接，用于监测隧道上方填土上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降；

[0014] 分层沉降标监测系统设置于大型地质模型箱内的不同土层埋深处；地面沉降监测仪与分层沉降标监测系统连接，用于监测大型地质模型箱内不同土层埋深处的土体沉降量；

[0015] 测斜井系统设置在大型地质模型箱内，用于量测在大型地质模型箱内任意位置土体的侧向偏移的变化量。

[0016] 进一步，振动传感系统包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器；

[0017] 第一振动传感器布设在大型地质模型箱的地表中心，并位于运营隧道的正上方；第二振动传感器布设在第二建筑模型的前方；第三振动传感器布设在第一建筑模型的前方。

[0018] 在本申请中，测振仪主要监测地铁运营诱发的震动波带来的破坏，监测值主要是加速度、速度。测振仪需要与振动传感系统中的各个振动传感器连接，因为振动传感器主要是把振动信号转换成电信号，测振仪主要是通过对输入信号的处理分析，显示出振动的加速度、速度。

[0019] 进一步，位移传感系统包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器；

[0020] 第一位移传感器布设在紧邻第一建筑模型的右侧中心，第二位移传感器布设在紧邻第二建筑模型的左侧中心，第三位移传感器布设在紧邻第一振动传感器的后侧中心，第四位移传感器布设在紧邻第一建筑模型的前侧中心，第五位移传感器布设在紧邻第二建筑模型的前侧中心；

[0021] 第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器分别与地面沉降监测仪连接，通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土上表面第二预设位置的土体沉降量。

[0022] 进一步，分层沉降量测井系统包括第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管；

[0023] 第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管均埋设在隧道上方填土中，且第一分层沉降管、第二分层沉降管的埋设深度相同，第三分层沉降管、第四分层沉降管的埋设深度相同，同时第一分层沉降管和第二分层沉降管的埋深大于第三分层沉降管、第四分层沉降管的埋深；

[0024] 第一分层沉降管、第四分层沉降管、第三分层沉降管、第二分层沉降管依次位于在大型地质模型箱的前端从右向左的1/5处、2/5处、3/5处、4/5处；

[0025] 第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管主要用于人工校核大型地质模型箱内埋设的土体在多重运营荷载作用下不同位置的整体沉降趋势；通过第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管在不同埋深处的相对沉降差可以判断不同埋深位置土体的沉降量。

[0026] 进一步，位移传感系统包括第六位移传感器、第七位移传感器、第八位移传感器、第九位移传感器；

[0027] 第六位移传感器、第七位移传感器、第八位移传感器、第九位移传感器分别对应设置在第一分层沉降管、第二分层沉降管、第三分层沉降管、第四分层沉降管的底部，并分别与地面沉降监测仪连接，通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土不同埋深位置的土体沉降量。

[0028] 在本申请中，地面沉降监测仪主要是监测地铁循环运营引起的地表土体的沉降，监测值主要是最大沉降、平均沉降。地面沉降监测仪需要与位移传感系统中的各个位移传感器连接，因为位移传感器是将因振动引起的土体位移变化转换为电阻变化，而地面沉降监测仪就是将电阻变化转换成电压变化，再进行放大，然后转换成沉降变形数值。地面沉降监测仪不能单独用于监测，必须与传感器配合使用。

[0029] 进一步，分层沉降标监测系统包括第一分层沉降标、第二分层沉降标、第三分层沉降标、第四分层沉降标；

[0030] 第一分层沉降标布设在大型地质模型箱左后侧边水平位置的1/4处，第二分层沉降标布设在大型地质模型箱右后侧边水平位置的1/4处，第三分层沉降标布设在大型地质模型箱左前侧边水平位置的1/4处，第四分层沉降标布设在大型地质模型箱右前侧边水平位置的1/4处，且第一分层沉降标、第二分层沉降标、第三分层沉降标、第四分层沉降标的布设高度均与大型地质模型箱的高度等同。

[0031] 进一步，测斜井系统包括第一测斜管、第二测斜管、第三测斜管；

[0032] 第一测斜管布设在第一建筑模型右后侧直角与大型地质模型箱右后侧直角之间的中心位置；第二测斜管布设在第二建筑模型左后侧直角与大型地质模型箱左后侧直角之间的中心位置；第三测斜管布设在大型地质模型箱后侧边中心位置并位于淋喷降雨模拟器的前方。

[0033] 进一步，函数信号发生器内置有电压旋钮、函数信号发生器开关、频率旋钮、函数信号发生器电源；

[0034] 函数信号发生器开关用于控制函数信号发生器的打开与关闭，电压旋钮用于控制函数信号发生器电压输出的大小，频率旋钮用于控制函数信号发生器频率的输出大小，函数信号发生器电源主要是为函数信号发生器的正常工作提供电源。

[0035] 进一步，功率放大器内置有功率放大器电源、故障指示灯、功率放大器开关、功率放大器旋钮；

[0036] 功率放大器开关用于控制功率放大器的开启与关闭，故障指示灯用于显示功率放大器出现的故障，功率放大器旋钮用于控制功率放大器的电压和电流输出，功率放大器电源用于为功率放大器提供电源。

[0037] 进一步，自闭式气体控制器是一个倒Y形密闭结构，其上端进入溶洞拱形气囊的内部，其下端通过固定器与输气管连接；

[0038] 当地下沼体在压力作用下通过输气管进入自闭式气体控制器时，其上端的倒Y 形密闭口会因压力张开释放地下沼体进入溶洞拱形气囊的内部，当地下沼体释放完毕时，其倒Y形密闭口会因压力消失和自行封闭，确保压力恒定。

[0039] 进一步，沼气蛛网状气囊的底部与溶洞拱形气囊连接，其结构也可以采用倒Y 形密闭结构，充气原理同自闭式气体控制器。

[0040] 本申请还提供一种用于含溶洞沼气地层的高密集区多重运营荷载诱发地面沉降防控模拟方法：

[0041] 先在大型地质模型箱内自下而上装填隧道底部填土、隧道洞身填土、隧道上方填土，装填时将分层沉降标监测系统、测斜井系统分别埋设在预设的位置，并在隧道洞身填土中设置运营隧道和气囊式溶洞沼气地层模拟系统，在隧道上方填土表面布设密集建筑群，在运营隧道内部和隧道上方填土表面分别安设激振系统，在隧道上方填土的表面根据密集建筑群的布局按一定的距离安设位移传感系统、振动传感系统；并将地面沉降监测仪与位移传感系统、分层沉降标监测系统连接，将测振仪与振动传感系统连接，将功率放大器分别与函数信号发生器、激振系统连接；同时在大型地质模型箱上方设置自然降雨模拟系统；

[0042] 然后利用流量控制计控制淋喷降雨模拟器的降水量以模拟自然降雨环境，利用气囊式溶洞沼气地层模拟系统的阶梯式充气膨胀使沼气蛛网状气囊先充气膨胀后破裂以模拟含溶洞的沼气地层；

[0043] 再通过函数信号发生器采集运营荷载的频率，并输送至功率放大器，通过功率放大器控制激振系统，以输出一定的振幅和频率的振动，模拟地下地铁运营和城市轨道交通运营引起的振动荷载；

[0044] 通过地面沉降监测仪监测隧道上方填土上表面及其内部的第一预设位置土体振动后引发的地面沉降以及大型地质模型箱内不同土层埋深处的土体沉降量，通过测振仪监测隧道上方填土上表面的第二预设位置处城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的地面沉降，通过测斜井系统量测在大型地质模型箱内任意位置土体的侧向偏移的变化量。

[0045] 当模拟含溶洞沼气地层时，大型地质模型箱内部需要自下而上依次回填隧道底部填土、隧道洞身填土，当隧道洞身填土回填完毕，进行隧道上方填土时，气囊式溶洞沼气地层模拟系统须处于充气膨胀状态，其工作流程是：地下沼体通过外部人工沼气系统接入，并通过输气管输送至溶洞拱形气囊，使溶洞拱形气囊处于快速充气膨胀状态，进而将地下沼体继续输送至沼气蛛网状气囊中，使沼气蛛网状气囊膨胀，同时通过自闭式气体控制器控制进入气囊式溶洞沼气地层模拟系统中的地下沼体处于恒压环境，避免进入的地下沼体泄露，并保持沼气蛛网状气囊内压力在限压环恒定的压力范围内，使气囊式溶洞沼气地层模拟系统整体处于充气膨胀状态。当达到这个状态时，在大型地质模型箱内部继续回填隧道洞身填土直至预设的高度，使气囊式溶洞沼气地层模拟系统埋设在隧道洞身填土地层中。

[0046] 为模拟隧道洞身填土地层中的天然溶洞和埋藏的囊状沼气地层，通过自闭式气体控制器控制输气管使地下沼体继续进入溶洞拱形气囊和沼气蛛网状气囊内部，并使进入到沼气蛛网状气囊内的地下沼体超过限压环的恒定压力，致使沼气蛛网状气囊破裂，将地下沼体突然卸压进入密实的隧道洞身填土中，形成天然沼气，与此同时，沼气蛛网状气囊的破裂会致使溶洞拱形气囊中恒定的地下沼体突然卸压，形成气囊卸压后的溶洞，使之成为天然的溶洞。

[0047] 本申请与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：

[0048] (1)本申请具有能同时模拟城市高密集区地上和地下多重运营荷载引起的地面沉降的优点；本申请通过在运营隧道内和密集建筑群附近布设激振系统，通过函数信号发生器、功率放大器模拟地面和地下的多重运营荷载在不同的运营工况下产生的振动荷载，能获得精准的多重运营荷载振动引起的地面沉降数据，能有效防控地面沉降灾害发生。

[0049] (2)本申请具有能模拟地铁运营区含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的影响的优点；本申请通过在城市高密集区地铁运营区域，利用气囊式溶洞沼气地层模拟系统的阶梯式充气膨胀使沼气蛛网状气囊先充气膨胀后破裂以模拟含溶洞的沼气地层，能获得含溶洞的高压沼气地层对地面沉降的分布规律，降低含溶洞高压沼气地层进行地铁施工的风险，降低施工成本。

[0050] (3)本申请具有能模拟降雨环境下城市高密集区运营荷载引起地面沉降的优点；本申请利用流量控制计控制淋喷降雨模拟器的降水量以模拟自然降雨环境，获取不同降雨量的条件下城市高密集区地铁运营引起的地面沉降数据，降低防汛期城市地铁施工引发的各类风险，节约工期，确保地铁施工的安全。
附图说明

[0051] 图1为本申请用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置的主立面示意图。

[0052] 图2为图1的俯视示意图。

[0053] 图3为图2的1-1正剖面示意图。

[0054] 图4为图2的2-2正剖面示意图。

[0055] 图5为图2的3-3正剖面示意图。

[0056] 图6为图3逆时针旋转90°后激振棒未完全伸出时的正剖面工作示意图。

[0057] 图7为图3逆时针旋转90°后激振棒完全伸出时的正剖面工作示意图。

[0058] 图8为函数信号发生器和功率放大器连接示意图。

[0059] 图9为本申请溶洞沼气地层气囊模拟系统充气膨胀时的工作示意图。

[0060] 图10为本申请溶洞沼气地层气囊模拟系统充气破裂后的工作示意图。

[0061] 图11为申请沼气蛛网状气囊顶部的限压口示意图。

[0062] 附图标记说明：

[0063] 1位移传感系统、101第一位移传感器、102第二位移传感器、103第三位移传感器、104第四位移传感器、105第五位移传感器、106第六位移传感器、107 第七位移传感器、108第八位移传感器、109第九位移传感器、2振动传感系统、 201第一振动传感器、202第二振动传感器、203第三振动传感器、3分层沉降标监测系统、301第一分层沉降标、302第二分层沉降标、303第三分层沉降标、304 第四分层沉降标、4激振系统、401第一激振器、402第二激振器、403激振棒、5 运营隧道、6函数信号发生器、7功率放大器、8测振仪、9地面沉降监测仪、
1001 第一建筑模型、1002第二建筑模型、11隧道上方填土、12隧道洞身填土、13隧道底部填土、14大型地质模型箱、15第一输出电缆、16第二输出电缆、17功率放大器电源、18故障指示灯、19功率放大器开关、20功率放大器旋钮、21电压旋钮、22函数信号发生器开关、23频率旋钮、24函数信号发生器电源、2501第一分层沉降管、2502第二分层沉降管、2503第三分层沉降管、2504第四分层沉降管、2601第一测斜管、2602第二测斜管、2603第三测斜管、27排水口、28淋喷降雨模拟器、29流量控制计、30旋转杆、31水管、32固定管、33固定器、34溶洞沼气地层气囊模拟系统、3401自闭式气体控制器、3402蛛网状气囊、3403拱形气囊、3404限压口、
3405输气管、3406地下气体、3407放气后的气囊、35限压板、36限压环。

具体实施方式

[0064] 以下结合附图所示实施例对本申请作进一步的说明。实施例

[0065] 如图1～图11所示，一种用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置，主要包括位移传感系统1、振动传感系统2、分层沉降标监测系统3、激振系统4、运营隧道5、函数信号发生器6、功率放大器7、测振仪8、地面沉降监测仪9、密集建筑群10、隧道上方填土11、隧道洞身填土12、隧道底部填土13、大型地质模型箱14、第一输出电缆15、第二输出电缆16、功率放大器电源17、故障指示灯18、功率放大器开关19、功率放大器旋钮20、电压旋钮
21、函数信号发生器开关22、频率旋钮23、函数信号发生器电源24、分层沉降量测井系统25、测斜井系统26、排水口27、淋喷降雨模拟器28、流量控制计29、旋转杆30、水管31、固定管32、固定器33、气囊式溶洞沼气地层模拟系统34、限压板35、限压环36。

[0066] 位移传感系统1，包括第一位移传感器101、第二位移传感器102、第三位移传感器103、第四位移传感器104、第五位移传感器105。第一位移传感器101、第二位移传感器102、第三位移传感器103、第四位移传感器104、第五位移传感器105均位于隧道上方填土11的面层的预设位置，通过普通电线与地面沉降监测仪9连接，地面沉降监测仪9与外接笔记本电脑通过普通网线连接，以记录指定位置土体振动后引发的地面沉降。

[0067] 振动传感系统2，包括第一振动传感器201、第二振动传感器202、第三振动传感器203。第一振动传感器201、第二振动传感器202、第三振动传感器203均通过普通连接线与测振仪8连接，主要是用于感应地表面的城市轨道交通运营和地下地铁运营引起的振动荷载，以监测预设位置多重运营荷载振动引起的地面沉降。

[0068] 分层沉降标监测系统3，包括第一分层沉降标301、第二分层沉降标302、第三分层沉降标303、第四分层沉降标304。第一分层沉降标301、第二分层沉降标 302、第三分层沉降标303、第四分层沉降标304均通过普通连接线与地面沉降监测仪9连接，主要用于监测大型地质模型箱14内不同土层埋深处的土体沉降量。

[0069] 激振系统4，包括第一激振器401、第二激振器402、激振棒403。第一激振器401、第二激振器402、激振棒403均为圆柱体，激振棒403分别设置于第一激振器401、第二激振器402内部中心轴位置。

[0070] 运营隧道5设在隧道洞身填土12中，主要材料是有机玻璃，呈圆形。

[0071] 函数信号发生器6和功率放大器7通过第一输出电缆15连接，功率放大器7 通过第二输出电缆16分别与第一激振器401、第二激振器402连接。第一激振器 401、第二激振器402的内部中心轴位置均安设激振棒403，第一激振器401安设在运营隧道5的内部中心位置，第二激振器402安设在隧道上方填土11的上表面且位于第一建筑模型1001、第二建筑模型1002之间的中心位置。运营荷载的频率通过函数信号发生器6进行输入，然后输送至功率放大器7，通过功率放大器7分别控制第一激振器401和第二激振器402，以输出不同的振幅和振动频率，以模拟运营荷载产生的振动荷载。

[0072] 密集建筑群10，包括第一建筑模型1001、第二建筑模型1002。第一建筑模型 1001、第二建筑模型1002分别设置于隧道上方填土11表面面层，以模拟城市高密集区的地表建筑物。

[0073] 大型地质模型箱14主要材料是有机玻璃，用于封装隧道上方填土11、隧道洞身填土12、隧道底部填土13。

[0074] 分层沉降量测井系统25，包括第一分层沉降管2501、第二分层沉降管2502、第三分层沉降管2503、第四分层沉降管2504。第一分层沉降管2501、第二分层沉降管2502、第三分层沉降管2503、第四分层沉降管2504主要用于安设大型地质模型箱14内不同土层埋深处的沉降标，以保护地面沉降数据不受外界环境的干扰而产生误差。

[0075] 测斜井系统26，包括第一测斜管2601、第二测斜管2602、第三测斜管2603。第一测斜管2601、第二测斜管2602、第三测斜管2603主要用于量测安设在大型地质模型箱14内任意位置土体的侧向偏移的变化量。

[0076] 气囊式溶洞沼气地层模拟系统34，包括自闭式气体控制器3401、沼气蛛网状气囊3402、溶洞拱形气囊3403、限压口3404、输气管3405、地下沼体3406、气囊卸压后的溶洞
3407。

[0077] 隧道上方填土11、隧道洞身填土12、隧道底部填土13自上而下设于大型地质模型箱14内部，运营隧道5埋置在隧道洞身填土12中，用以模拟运营中的地铁隧道结构。

[0078] 函数信号发生器6内置电压旋钮21、函数信号发生器开关22、频率旋钮23、函数信号发生器电源24。

[0079] 函数信号发生器开关22用于控制函数信号发生器6的打开与关闭，电压旋钮 21用于控制函数信号发生器6电压输出的大小，频率旋钮23用于控制函数信号发生器6频率的输出大小，函数信号发生器电源24主要是为函数信号发生器6的正常工作提供电源。

[0080] 功率放大器7内置功率放大器电源17、故障指示灯18、功率放大器开关19、功率放大器旋钮20。

[0081] 功率放大器开关19用于控制功率放大器7的开启与关闭，故障指示灯18用于显示功率放大器出现的故障，功率放大器旋钮20用于控制功率放大器7的电压和电流输出，功率放大器电源17用于为功率放大器7提供电源。

[0082] 旋转杆30两端分别与淋喷降雨模拟器28、流量控制计29 螺纹连接，流量控制计29用于控制淋喷降雨模拟器28喷淋出的水量大小，旋转杆30可以任意调整角度，便于淋喷降雨模拟器28以任意角度输出喷淋的水量。

[0083] 水管31一端与流量控制计29 螺纹连接，另一端与外接水源连接，用于提供喷淋的水源。

[0084] 固定管32用于固定水管31，避免水管31发生变形。

[0085] 排水口27主要是为大型地质模型箱14提供排水的出口，使渗透进入大型地质模型箱14底部的水量均匀排出。

[0086] 固定器33为中空矩形结构，设置在运营隧道5的内壁，与运营隧道5的内壁胶接。输气管3405一端伸入固定器33后与自闭式气体控制器3401连接，另一端与外接人工沼气系统连接。自闭式气体控制器3401与气囊式溶洞沼气地层模拟系统34连接。

[0087] 自闭式气体控制器3401主要控制进入气囊式溶洞沼气地层模拟系统34中的地下沼体3406处于恒压环境，避免进入的地下沼体3406泄露。

[0088] 沼气蛛网状气囊3402主要是模拟隧道上方填土11地层中的沼气地层，呈蜘蛛网状分布。沼气蛛网状气囊3402的顶部设限压口3404，限压口3404顶部与限压环36胶接，限压板35底端与限压环36胶接。

[0089] 当人工模拟含溶洞沼气地层时，大型地质模型箱14内部需要自下而上依次回填隧道底部填土13、隧道洞身填土12，当隧道洞身填土12回填完毕，进行隧道上方填土11时，气囊式溶洞沼气地层模拟系统34须处于充气膨胀状态，其工作流程是：地下沼体3406接入外部人工沼气气源，接入的地下沼体3406利用输气管3405作为输气通道，通过自闭式气体控制器3401控制地下沼体3406输入到气囊式溶洞沼气地层模拟系统34中，从而使气囊式溶洞沼气地层模拟系统34处于快速充气膨胀状态，此时，进入到气囊式溶洞沼气地层模拟系统34中的地下沼体 3406继续输入至沼气蛛网状气囊3402中，使沼气蛛网状气囊3402膨胀，并保持在限压环36恒定的压力范围内，使气囊式溶洞沼气地层模拟系统34整体处于充气膨胀状态。当达到这个状态时，在大型地质模型箱14内部继续回填隧道洞身填土12直至预设的高度，使气囊式溶洞沼气地层模拟系统34埋设在预设的隧道洞身填土12地层中。

[0090] 为模拟隧道洞身填土12地层中的天然溶洞和埋藏的囊状沼气地层，利用自闭式气体控制器3401继续输入地下沼体3406进入气囊式溶洞沼气地层模拟系统34 内部，使进入到沼气蛛网状气囊3402内的地下沼体3406超过限压环36的恒定压力，致使沼气蛛网状气囊3402破裂，使地下沼体3406突然卸压进入密实的隧道洞身填土12中，形成天然沼气，与此同时，沼气蛛网状气囊3402破裂致使气囊式溶洞沼气地层模拟系统34中恒定的地下沼体3406突然卸压，形成气囊卸压后的溶洞3407，使之成为天然的溶洞。

[0091] 本申请的主要工作原理是：

[0092] 首先在大型地质模型箱14内自下而上回填隧道底部填土13、隧道洞身填土 12，然后将运营隧道5设在隧道洞身填土12上方，然后回填隧道上方填土11并夯实，将激振系统4分别安设在运营隧道5的内部和隧道洞身填土12的表面，将位移传感系统1、振动传感系统2根据密集建筑群10的布局均按一定的距离安设在隧道洞身填土12的表面，同时在大型地质模型箱14回填各层填土时将分层沉降标监测系统3、测斜井系统26分别埋设在预设的位置，然后利用流量控制计29 控制淋喷降雨模拟器28的降水量以模拟自然降雨环境，然后利用气囊式溶洞沼气地层模拟系统34的阶梯式充气膨胀使沼气蛛网状气囊3402先充气膨胀后破裂以模拟含溶洞的沼气地层，进而利用函数信号发生器6、功率放大器7模拟地面和地下的多重运营荷载产生的振动荷载，监测振动荷载对地面沉降的影响以进行全面防控。

[0093] 上述的对实施例的描述是便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。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，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围内。

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用于溶洞沼气地层的多重运营荷载诱发地面沉降防控装置

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