CN103076128B - 一种隧道三维应力场模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种隧道三维应力场模拟装置，包括试验箱、千斤顶和液压加载及控制装置，所述的试验箱置于框状的载荷梁中，试验箱的前方设有前载荷板，试验箱的后壁为后载荷板，前载荷板和后载荷板的四周通过拉杆连接，载荷梁的内侧和前载荷板的内表面均固定有千斤顶；载荷梁的底部设有两根纵向的支撑钢轨，前载荷板和后载荷板底部的滑轮与支撑钢轨配合。该装置更好地模拟盾构及矿山法隧道所处地层的三维围岩地应力场，并实现在三维应力场条件下隧道工程的开挖、支护等施工模拟，研究施工对围岩的扰动影响，分析隧道结构在复杂应力场条件下的受力性态，为隧道的设计和施工提供更加可靠的试验依据，从而更好地保证隧道的安全和经济。
Description
技术领域
本发明涉及模拟隧道施工和运营阶段所处围岩三维应力场的模型试验设备。
背景技术
采用隧道三维应力场模拟装置进行隧道施工开挖和结构受力力学特性模型试验，以分析得出隧道开挖地层围岩动态、营运隧道衬砌结构工作性态、破坏特征、安全及耐久性，对隧道的设计和施工提供实验依据，具有十分重要的意义。
现有的隧道应力场模拟系统主要是平面应变模拟系统，通过侧面的加载装置对试验箱中的相似材料进行侧向加载，仅能在一个平面内模拟隧道应力场。通常用于围岩级别和隧道埋深几乎不变的情况，无法模拟绝大多数隧道所处的复杂三维空间应力形态，特别是隧道纵向或者斜向构造应力形态，当然其就更无法模拟隧道施工过程掌子面的力学特性以及洞室结构的空间状态。
目前，国内也有为数不多的三维应力场模拟系统，其设计与模拟的三维应力情形简单，模拟的隧道结构断面形状单一，对铁路、公路、地铁等各种断面形状，各种断面大小的模拟受到极大的限制；与此同时，其能够提供的模拟应力较小，按照相似比换算而得的现场地应力水平不高，对于目前国内普遍存在的长大深埋越岭高应力隧道地应力场的模拟必须缩小模型比尺，导致模型隧道采集的力学参数不同程度地失真；无法模拟富水软弱地层城市地铁联络横通道或者越江跨海隧道的联络横通道冻结辅助工法。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道三维应力场模拟装置，该装置更好地模拟盾构及矿山法隧道所处地层的三维围岩地应力场，并实现在三维应力场条件下隧道工程的开挖、支护等施工模拟，研究施工对围岩的扰动影响，分析隧道结构在复杂应力场条件下的受力性态，为隧道的设计和施工提供更加可靠的试验依据，从而更好地保证隧道的安全和经济。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种隧道三维应力场模拟装置，包括试验箱、千斤顶和液压加载及控制装置，其特征在于：
所述的试验箱置于框状的载荷梁中，试验箱的前方设有前载荷板，试验箱的后壁为后载荷板，前载荷板和后载荷板的四周通过拉杆连接，载荷梁的内侧和前载荷板的内表面均固定有千斤顶；载荷梁的底部设有两根纵向的支撑钢轨，前载荷板和后载荷板底部的滑轮与支撑钢轨配合；
所述的试验箱的具体构成是：试验箱前壁为整体式的钢板，钢板中部设有门洞，门洞上铰接对开的两扇盖板，盖板在门洞中心部位开设有缺口，两扇盖板的缺口共同形成供隧道进出的洞口；试验箱上、下、左、右的侧壁均由一块钢板单元构成或由二至三块宽度相同的沿纵向方向分布的钢板单元构成；不同侧壁间的相邻钢板单元的连接方式是，一钢板单元内壁通过滑轨与短角钢的一边相连，另一钢板单元内壁通过滑轨与短角钢的另一边相连，且短角钢的长度等于钢板单元的宽度；前壁的钢板与侧壁的钢板单元的连接方式是，钢板侧壁通过滑轨与长角钢的一边相连，钢板单元侧壁通过滑轨与长角钢的另一边相连，且长角钢的长度等于钢板对应边的长度；所述的滑轨的行程大于千斤顶的行程。
本发明的工作过程和原理是：
一、隧道开挖过程模拟
根据试验需求确定试验箱钢板单元的组合形式，模拟平面应变状态、准三维应力状态、三维应力状态时，试验箱的上、下、左、右侧壁分别选用单块、两块或三块钢板单元构成。根据模拟的隧道断面形式选用相应洞口形状的前壁钢板，组装好试验箱。再将试验用围岩的相似材料置入试验箱中，并将土压力盒、应变片、位移传感器、温度传感器等传感元器件置入试验箱中。如需要使用冻结法、超前管棚等辅助工法施工时，开合盖板实施冻结管插入或超前管棚施作，从而模拟隧道周边围岩的冻结或管棚效应。随后，液压加载及控制装置根据拟定的加载量和加载顺序控制相应的前壁钢板，上、下、左、右侧钢板单元对应的千斤顶组合出力，直至最终达到所需要模拟的三维初始应力场。在稳定的三维初始应力场条件下进行隧道的开挖作业，并按要求支护；与此同时，根据隧道开挖步序记录测量元器件数据。
最后，根据测量元器件分步记录的数据，即可分析特定条件下隧道开挖、支护等施工过程对相应围岩的扰动影响及围岩的稳定性。
二、营运隧道的力学性能模拟
根据试验需求确定试验箱钢板单元的组合形式，模拟平面应变状态、准三维应力状态、三维应力状态时，试验箱的上、下、左、右侧壁分别选用单块、两块或三块钢板单元构成。根据模拟的隧道断面形式选用相应洞口形状的前壁钢板，组装好试验箱。再将试验用围岩的相似材料和隧道模型置入试验箱中，并将土压力盒、应变片、位移传感器、温度传感器等传感元器件置入试验箱中。随后，液压加载及控制装置根据拟定的加载量和加载顺序控制相应的前壁钢板，上、下、左、右侧钢板单元对应的千斤顶组合出力，直至最终达到所需要模拟的三维应力场，在稳定的三维应力场条件下记录测量元器件数据。
最后，根据测量元器件记录的数据，即可对营运隧道结构的受力形态进行分析，进而对隧道结构的营运状态进行评价。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、各个千斤顶的出力大小、速度单独控制，互无干扰，且行程不小于30cm，并能施加高达1MPa的压力，除能够模拟自重应力场外，还能够模拟各种复杂构造应力场，模拟的围岩应力条件更加丰富、更加真实，采集的数据更加可靠。
二、钢板单元之间、钢板与钢板单元之间的拐角处，采用角钢加滑轨的方式进行连接，保证了钢板和每块钢板单元均能在各自的千斤顶行程范围内自由滑动，使千斤顶的推力能够准确加载于试验箱内的岩土体上，同时使得岩土体不会从试验箱的连接缝隙挤出；
三、通过试验箱钢板单元的不同组合拼装，可进行隧道长度及加载范围的转化，从而实现平面应变场、准三维应力场、三维应力场的自由转换；通过更换不同洞口形式的试验箱前壁钢板，可模拟不同领域、不同断面形状和大小的隧道。
四、开合试验箱前壁钢板上的盖板，配合专用的冻结装置、超前管棚等设备，能够实现隧道周边一定范围场体的地层冻结、加固等辅助工法的模拟，使隧道施工情形模拟更加全面。
五、采用不同的加载方式和开挖顺序模拟，可以得出指定条件下隧道工程的开挖、支护等施工过程对围岩的扰动影响，并判断其稳定性；也可分析营运隧道结构的受力性态、安全性和耐久性，从而更好地保证隧道的安全和经济。
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例去掉前载荷板后的主视结构示意图。
图2是图1中局部A的放大结构示意图。
图3是本发明实施例去掉载荷梁顶部及试验箱上侧壁后的俯视结构示意图。
图4是图2中局部B的放大结构示意图。
具体实施方式
实施例
图1-图4示出，本发明的一种具体实施方式为，一种隧道三维应力场模拟装置，包括试验箱1、千斤顶2和液压加载及控制装置。试验箱1置于框状的载荷梁4中，试验箱1的前方设有前载荷板5，试验箱1的后壁为后载荷板6，前载荷板5和后载荷板6的四周通过拉杆7连接，载荷梁4的内侧和前载荷板5的内表面均固定有千斤顶2；载荷梁4的底部设有两根纵向的支撑钢轨8，前载荷板5和后载荷板6底部的滑轮9与支撑钢轨8配合。
本例的试验箱1的具体构成是：试验箱1前壁为整体式的钢板10，钢板10中部设有门洞11，门洞11上铰接对开的两扇盖板12，盖板12在门洞11中心部位开设有缺口，两扇盖板12的缺口共同形成供隧道进出的洞口13；试验箱1上、下、左、右的侧壁均由一块钢板单元14构成或由二至三块宽度相同的沿纵向方向分布的钢板单元14构成；不同侧壁间的相邻钢板单元14的连接方式是，一钢板单元14内壁通过滑轨17与短角钢16的一边相连，另一钢板单元14内壁通过滑轨17与短角钢16的另一边相连，且短角钢16的长度等于钢板单元14的宽度；前壁的钢板10与侧壁的钢板单元14的连接方式是，钢板10侧壁通过滑轨17与长角钢18的一边相连，钢板单元14侧壁通过滑轨17与长角钢18的另一边相连，且长角钢18的长度等于钢板10对应边的长度；所述的滑轨17的行程大于千斤顶2的行程。
Claims (1)
1.一种隧道三维应力场模拟装置，包括试验箱(1)、千斤顶(2)和液压加载及控制装置，所述的试验箱(1)置于框状的载荷梁(4)中，试验箱(1)的前方设有前载荷板(5)，其特征在于：
试验箱(1)的后壁为后载荷板(6)，前载荷板(5)和后载荷板(6)的四周通过拉杆(7)连接，载荷梁(4)的内侧和前载荷板(5)的内表面均固定有千斤顶(2)；载荷梁(4)的底部设有两根纵向的支撑钢轨(8)，前载荷板(5)和后载荷板(6)底部的滑轮(9)与支撑钢轨(8)配合；
所述的试验箱(1)的具体构成是：试验箱(1)前壁为整体式的钢板(10)，钢板(10)中部设有门洞(11)，门洞(11)上铰接对开的两扇盖板(12)，盖板(12)在门洞(11)中心部位开设有缺口，两扇盖板(12)的缺口共同形成供隧道进出的洞口(13)；试验箱(1)上、下、左、右的侧壁均由一块钢板单元(14)构成或由二至三块宽度相同的沿纵向方向分布的钢板单元(14)构成；不同侧壁间的相邻钢板单元(14)的连接方式是，一钢板单元(14)内壁通过滑轨(17)与短角钢(16)的一边相连，另一钢板单元(14)内壁通过滑轨(17)与短角钢(16)的另一边相连，且短角钢(16)的长度等于钢板单元(14)的宽度；前壁的钢板(10)与侧壁的钢板单元(14)的连接方式是，钢板(10)侧壁通过滑轨(17)与长角钢(18)的一边相连，钢板单元(14)侧壁通过滑轨(17)与长角钢(18)的另一边相连，且长角钢(18)的长度等于钢板(10)对应边的长度；所述的滑轨(17)的行程大于千斤顶(2)的行程。
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