CN103915030A - 一种具扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，包括模型试验试样，隧道结构模型，加载装置及开挖装置，还包括加载钢架，所述加载钢架由由高强度角钢、高强度连接板、高强螺栓、有机玻璃板组装而成，所述高强度角钢通过高强度连接板及高强螺栓进行对接，所述模型试验试样置于加载钢架内部；所述隧道结构模型位于模型试验试样中部；所述加载装置由反力梁、钢板、分力钢板及液压千斤顶组成；所述开挖装置由轨道梁、支架、电热棒，导线及电源开关组成。本发明具有很强的扩缩功能，解决了试验模型尺寸多样化的要求，准确度高、结构简单、造价低廉，有利于开展地下开挖模拟试验及围岩稳定分析，为地下工程设计与施工提供试验依据。

Description

一种具扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置

技术领域

本发明涉及模型试验装置技术领域，具体涉及一种具扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置。 

背景技术

隧道及地下工程结构在我国基础设施建设中一直具有举足轻重的作用，是改善山岭地区交通状况，加快国家道路、铁路网布局及提高建设里程的关键因素。经过改革开放后几十年的发展，目前隧道工程已经进入埋深厚度大、建设周期短、工程技术复杂等阶段，尤其是随着目前隧道工程的埋深逐渐加大，深部地层应力高，岩体力学性质、岩体结构类型与赋存环境比浅部地层复杂，在目前深部地下工程实践中，出现了大量问题，造成了严重损失。由于受到工程状况、地理条件及技术水平的制约，现场试验仅能作为隧道设计的初步资料整理，对于解释隧道工程中所突出的一些具体问题帮助不大。因此，利用相似理论为基础的物理模型试验是目前研究和分析隧道施工问题的一种重要手段，可以定性的研究隧道工程中围岩变形特性及破裂特征，试验结果能较好的反应真实情况。目前隧道施工模型试验主要通过两种方法来进行：其一是通过超载即“先开洞，后加载”的方法，其二是先加载，然后按照设计好的几何边界采用人工的方式掏挖模型基体。方法一操作简洁，但与深部地下工程或深部隧道围岩的真实应力环境及围岩的力学实际传播过程存在较大的差异，不能反映隧道围岩的真实受力状况。方法二能模拟隧道真实受力状况，但用工具掏挖土体易导致开挖隧道周边土体的坍塌，造成开挖边界与预先设计好的几何边界不相符。目前国内外有关室内模型试验方式大多采用金属钢架与千斤顶的组合结构，进行二维或者三维加载，金属钢架多为整体焊接或锚栓连接，因此制约了试验模型尺寸小于钢架内部尺寸，有一定的局限性。而地下工程结构复杂，围岩对开挖的响应机理还不明确，尺寸效应对于试验结果的影响大小尚需研究。现有的试验装置在功能、操作方式、加载途径等方面已经不能满足工程实际需要，无法为深部地下工程围岩各种超常响应现象机理破解及其稳定处治技术的研究提供依据，因此，迫切需要一种改进的试验装备和方法，能真实、准确、科学的模拟隧道开挖的过程，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析研究提供可靠的依据。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于解决现有隧道开挖室内模型试验装置的不足，而提供一种准确性良好，结构简单，操作方便的具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，包括模型试验试样，隧道结构模型，加载装置及开挖装置，其特征在于：该试验装置还包括加载钢架，所述加载钢架由由高强度角钢、高强度连接板、高强螺栓、有机玻璃板组装而成，所述高强度角钢通过高强度连接板及高强螺栓进行对接，所述模型试验试样置于加载钢架内部；所述隧道结构模型位于模型试验试样的中部；所述加载装置由反力梁、钢板、分力钢板及液压千斤顶组成，所述加载装置分别设置于加载钢架的左、右、上部；所述开挖装置主要由轨道梁、支架、电热棒，导线及电源开关组成，所述轨道梁上设置有转动轴，所述开挖装置设置于加载钢架外部，所述支架固定于轨道梁上，所述支架可以竖直前后移动，通过前后推进使电热棒一端匀速进入开挖面中心，进行隧道开挖模拟，电热棒固定于支架上，可以平行上下移动，通过抬升使电热棒一端对准开挖面中心。 

所述加载钢架前部可以通过弹簧夹固定一面有机玻璃板，模型试验试样位于有机玻璃板后加载钢架内部。 

所述有机玻璃板采用无色透明的玻璃，所述有机玻璃板中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞。 

所述模型试验试样主要由含土、砂、水泥的混合料组成，并通过调整胶体与骨料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。 

所述隧道结构模型由松香按照实际隧道的形状按相似比尺寸浇筑而成。 

所述反力梁焊接于钢板上，钢板卡在钢架的左、右、上部，分力钢板居中置于模型试验试样顶左、右、上部，液压千斤顶设置于反力梁与分力钢板的中间。 

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果： 

1、本发明中加载钢架由高强度角钢、高强度连接板、高强螺栓、有机玻璃板组装而成，每个元件单独设计、单独制作，整体由各个元件组装而成，通过连接板的高强螺栓作用，使上下、前后、左右三个方向的角钢自由收缩，因此整个加载钢架可以任意扩缩成不同大小形状，方便不同尺寸的试验试样进行加载试验。 

2、由于本发明中隧道结构模型利用熔点低，冷却后强度高的松香浇筑而成， 所以采用本发明可以方便开展任何形状及任意尺寸的隧道开挖过程模拟。 

3、隧道结构模型在加载之前置于加载钢架内部，千斤顶通过分力钢板对模型进行加载，反力梁上有固定千斤顶的装置，可以在模型的侧面进行一点及多点加载，灵活性强。 

4、隧道的开挖是通过开挖装置中的电热棒加热松香使之融化来模拟，能模拟分段开挖效果，符合工程实际，避免了开挖振动对周边填料的影响，使开挖边界与预先设计好的几何边界能很好的吻合。 

5、本发明模拟的隧道开挖与实际工程更加符合，准确性良好，结构简单、造价低廉、便于推广应用。 

附图说明

图1为本发明去掉千斤顶及试验试样后的装置结构示意图； 

图2为本发明的试验装置的试验过程纵剖面图； 

图3为本发明的结合图2使用的开挖装置示意图； 

图中：1、高强度角钢；2、高强度连接板；3、高强螺栓；4、有机玻璃板；5、隧道结构模型；6、反力梁；7、钢板；8、分力钢板；9、液压千斤顶；10、轨道梁；11、支架；12、电热棒；13、转动轴；14、导线；15、电源。 

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。 

一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，包括模型试验试样，隧道结构模型5，加载装置及开挖装置，该试验装置还包括加载钢架，所述加载钢架由由高强度角钢1、高强度连接板2、高强螺栓3、有机玻璃板4组装而成，所述高强度角钢1与高强度连接板2结构形式一致，同时单个部件参数也为一致，高强螺栓3主要用于钢架各个节点的连接以及高强度角钢1的扩缩功能，所述模型试验试样置于加载钢架内部；所述隧道结构模型5位于模型试验试样的中部；所述加载装置由反力梁6、钢板7、分力钢板8及液压千斤顶9组成，所述加载装置分别设置于加载钢架的左、右、上部；所述开挖装置主要由轨道梁10、支架11、电热棒12，导线14及电源15开关组成，所述轨道梁10上设置有转动轴13，所述开挖装置设置于加载钢架外部，所述支架11固定于轨道梁10上，所述支架11可以竖直前后移动，通过前后推进使电热棒12一端匀速进入开挖面中心，进行隧道开挖模拟，电热棒12固定于支架11上，可以平行上下移动，通过抬升使电热 棒12一端对准开挖面中心，所述导线14与电源15外接于电热棒12尾部，电热棒12长度20～30mm，支架11高度500mm，可上下最大伸缩量400mm，轨道梁10长度30mm。 

所述加载钢架前部可以通过弹簧夹固定一面有机玻璃板4，模型试验试样位于有机玻璃板4后加载钢架内部。 

所述有机玻璃板4采用无色透明的玻璃，厚度为10-15mm，所述有机玻璃板4中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞，便于安全观测隧道结构模型5周围填料的实时变化及位移情况。 

所述模型试验试样主要由含土、砂、水泥的混合料组成，并通过调整胶体与骨料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。 

所述隧道结构模型5由松香按照实际隧道的形状按相似比尺寸1:50～1:80提前浇筑而成，式样构件在模具中用土、砂、水泥、石膏等混合料按照一定比例制作而成，并采用振动台使之浇筑均匀，当浇筑至设计高度的一半时，将隧道结构模型5稳步放于填料中部，并用细线使之固定，防止在振动过程中沉入试验试样底部，然后按相同的施工方法填筑余下混合料。 

所述反力梁6焊接于钢板7上，钢板7卡在钢架的左、右、上部，分力钢板87居中置于模型试验试样顶左、右、上部，液压千斤顶9均匀固定于反力梁6中部，端部对准分力钢板8表面。反力梁6由钢板7经切割加工而成，两块反力梁6与两块钢板7焊接为一个整体，厚度均为6mm。 

隧道结构模型5由松香按照实际隧道的形状按相似比尺寸1:50～1:80提前浇筑而成，模型试验试样在模具中用土、砂、水泥、石膏等混合料按照一定比例制作而成，并通过调整胶体与骨料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。采用振动台使之浇筑均匀，当浇筑至设计高度的一半时，将隧道结构模型55稳步放于填料中部，并用细线使之固定，防止在振动过程中沉入试验试样底部，然后按相同的施工方法填筑余下混合料。 

具体试验步骤如下： 

1、根据设计规格，将一组高强度角钢1用高强度连接板2及高强螺栓3对接，待一组高强度角钢1对接成型后，节点用高强螺栓3将各组成型后的角钢组装成试验钢架，试验钢架组装完毕之后将焊接为整体的反力梁6与钢板7通过接口卡在试验钢架的上部、左部、右部； 

2、根据相似理论与相似方法，按相似常数1:50～1:80确定隧道模型断面形状、断面尺寸以及结构试样尺寸； 

3、根据开挖隧道截面的形状及尺寸利用松香按照比例尺1:50～1:80浇筑出隧道结构模型5； 

4、在模具中进行试验试样浇筑，将水、水泥、土、砂、石膏按照1:3:6.9:4.7:1.25的配合比进行分层浇筑，每层填筑100～150mm，利用振动台将混合料内部气体释放使之浇筑效果尽量均匀,当施工至填料设计高度(1.0～1.5m)的一半(0.5～0.75m)时，将提前浇筑好的隧道结构模型5放置于混合料中部，并用细线使之固定，防止在浇筑过程中出现位置偏差，同时将测量元件固定在隧道模型四周，同样用细线使之固定，测量元件导线14通过模具预留孔洞使之伸出试样外部，待全部浇筑完毕后将试样表面进行抹平处理，在标准养护室养护48小时后拆模继续养护28天； 

5、将养护完毕后的试验试样放入加载钢架内部，调整钢架与试验试样的距离使之处于钢架中心部位，试验试样的上部、左部、右部放置预先加工好的分力钢板87，将千斤顶尾部与反力梁6相连，千斤顶头部接触到分力钢板87，组装完毕后将有机玻璃板4固定于钢架前部； 

6、加载过程中通过千斤顶读数器进行读数，初始加载采用加载-卸载-再加载循环，每次加载1千牛，共循环三次，正式加载采用分级加载，每级加载10千牛，加载至200千牛时停止加载； 

7、将加电热棒12、支架11、轨道梁10组装成整体，调整电热棒12端头上下位移使之对准隧道模型中心点，调整电热棒12前后位移使之距隧道模型100mm，接通电热棒12电源15，带电热棒12完全加热后通过轨道梁10匀速使电热棒12与松香中心点接触，将隧道模型由外向内逐渐融化，由此模拟隧道的开挖过程； 

8、透过有机玻璃板4观测隧道结构模型5周边土砂石膏混合料的变化情况，并进行详细描述与记录，通过测量元件(应变片、位移计)测试应力及位移情况，并分析隧道围岩的稳定性及二次支护最佳时机，试验完毕。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (6)

1.一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，包括模型试验试样，隧道结构模型(5)，加载装置及开挖装置，其特征在于：该试验装置还包括加载钢架，所述加载钢架由由高强度角钢(1)、高强度连接板(2)、高强螺栓(3)、有机玻璃板(4)组装而成，所述高强度角钢(1)通过高强度连接板(2)及高强螺栓(3)进行对接，所述模型试验试样置于加载钢架内部；所述隧道结构模型(5)位于模型试验试样的中部；所述加载装置由反力梁(6)、钢板(7)、分力钢板(8)及液压千斤顶(9)组成，所述加载装置分别设置于加载钢架的左、右、上部；所述开挖装置主要由轨道梁(10)、支架(11)、电热棒(12)，导线(14)及电源(15)开关组成，所述轨道梁(10)上设置有转动轴(13)，所述开挖装置设置于加载钢架外部，所述支架(11)固定于轨道梁(10)上，电热棒(12)固定于支架(11)上。

2.根据权利要求1所述的一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，其特征在于：所述加载钢架前部可以通过弹簧夹固定一面有机玻璃板(4)，模型试验试样位于有机玻璃板(4)后加载钢架内部。

3.根据权利要求2所述的一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，其特征在于：所述有机玻璃板(4)采用无色透明的玻璃，所述有机玻璃板(4)中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞。

4.根据权利要求1所述的一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，其特征在于：所述模型试验试样主要由含土、砂、水泥的混合料组成，并通过调整胶体与骨料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。

5.根据权利要求1所述的一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，其特征在于：所述隧道结构模型(5)由松香按照实际隧道的形状按相似比尺寸浇筑而成。

6.根据权利要求1所述的一种具有扩缩功能的地下工程掘进模型试验装置，其特征在于：所述反力梁(6)焊接于钢板(7)上，钢板(7)卡在钢架的左、右、上部，分力钢板(8)居中置于模型试验试样顶左、右、上部，液压千斤顶(9)设置于反力梁(6)与分力钢板(8)的中间。