CN104297052A - 隧道开挖三维模型实验加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道开挖三维模型实验加载装置，包括加载框架、前挡板、后挡板、以及自平衡反力架，加载框架包括框架柱、移动横梁和上横梁，框架柱内侧面对称安装有若干个侧向液压油缸，移动横梁底部安装有若干个竖向液压油缸，上横梁上安装有起重装置，前挡板包括一块透明有机玻璃挡板和槽钢挡板，有机玻璃挡板上切割有一个孔洞，有机玻璃挡板位于槽钢挡板的内侧；前后挡板外侧分别设有一个以上自平衡反力架，自平衡反力架与前挡板之间设有若干个千斤顶，前挡板上设有千斤顶垫板。本发明可以产生各种不同埋深和地质条件下的岩土体三维应力场，可以实现大、小偏压条件下不同净距及不同断面等复杂条件下的硐室开挖模型实验。

Description

隧道开挖三维模型实验加载装置

技术领域

本发明属于铁路及公路隧道领域，具体地说是涉及一种隧道开挖三维模型实验加载装置。

背景技术

随着铁路及公路等基础设施建设的飞速发展, 越来越多的的铁路及公路需要通过隧道的形式穿越崇山峻岭及江河湖泊，由于各种不同施工场地的条件限制，出现了各种不同类型的隧道，如小径距隧道、连拱隧道和交叉隧道等等，同时也由于各种不同地质条件，隧道的工作环境也存在不同的变化，如大、小偏压隧道等，在不同条件下采用什么样的开挖工法已经引起了工程界的关注。隧道开挖工法不同不仅会直接影响开挖过程中隧道围岩的稳定性以及日后衬砌的工作状态，同时也会影响施工进度和施工安全。因此，在选择施工方案及支护手段之前，必须要深入了解隧道开挖过程所产生的各种问题，而模型实验是最有效的手段之一。

对于隧道开挖模型实验，国内外常用的方法有三维模型实验方法（3D方法）和二维模型实验方法（2D方法）。其中3D方法需要非常大的实验场地和设备，加载过程非常复杂，理论上讲这种实验方法与工程实际情况吻合较好，但实际操作过程很难达到这种效果，特别是大比例三维模型条件下，隧道断面的开挖次序及支护手段很难模拟，实验效果往往不理想；2D方法是建立在一定理论基础上的一种简化实验方法，其理论依据就是隧道在开挖过程中及后续使用过程中，其断面在三维地应力条件下属于平面应变问题，与隧道的实际长度没有直接关系，因此，只要能够模拟出实际的三维地应力场条件，就可以用二维隧道断面模型代替三维隧道模型进行开挖工法模拟、支护方法模拟，是一种高效、经济的实验手段。

为了能够在二维实验模型上实现可控三维地应力场作用，满足隧道开挖过程中围岩的实际应力和变形条件，同时能够模拟各种开挖工法和支护手段，需要建立实验实验加载装置，达到简单、高效经济的实验目的。

发明内容

本发明提供了一种隧道开挖三维模型实验加载装置，不仅体积小、重量轻，而且能够提供可控的三维地应力场，能够模拟隧道开挖过程中隧道围岩的应力场，能够非常方便地模拟各种开挖工法及支护手段。

一种隧道开挖三维模型实验加载装置，所述加载装置包括加载框架、位于加载框架正面的前挡板、位于加载框架背面的后挡板、以及自平衡反力架，所述加载框架包括框架柱、移动横梁和上横梁，移动横梁和上横梁分别与框架柱垂直；所述框架柱包括竖直设置的第一框架柱和第二框架柱，第一框架柱和第二框架柱的内侧面对称安装有若干个侧向液压油缸，所述第一框架柱和第二框架柱的底部分别设有柱脚底板，所述柱脚底板通过第一地脚螺栓安装在混凝土基座上；所述上横梁两端分别与第一框架柱和第二框架柱顶端固定，所述移动横梁设置在第一框架柱和第二框架柱之间且位于上横梁下方；所述移动横梁底部安装有若干个竖向液压油缸，所述上横梁上安装有起重装置，移动横梁顶端设有与该起重装置相配的吊点；所述前挡板包括一块透明有机玻璃挡板和由若干根热轧槽钢组成的槽钢挡板，后挡板由若干根热轧槽钢组成，其中有机玻璃挡板的长度与热轧槽钢的长度相同，高度为单根热轧槽钢高度的倍数，具有一定的厚度，有机玻璃挡板上切割有一个与实验模型横截面形状相同的孔洞，孔洞上设有盖板；有机玻璃挡板和槽钢挡板的两端分别与第一框架柱和第二框架柱通过挡板固定螺栓固接，有机玻璃挡板位于槽钢挡板的内侧；所述前、后挡板外侧分别设有两个自平衡反力架，所述自平衡反力架由方形截面或者圆形截面钢管焊接而成，其上端部通过反力拉杆连接固定，底部通过第二地脚螺栓固定安装在混凝土基座上；所述自平衡反力架与前挡板之间设有若干个千斤顶，所述千斤顶固定设置在自平衡反力架上，所述前挡板上设有千斤顶垫板。

所述框架柱要求具有较大的刚度，在加载过程中不能产生变形，优选为框架钢柱，其内侧面左右对称地安装有若干个侧向液压油缸，能够模拟不同侧压力条件；所述移动横梁要求具有较大的刚度，在加载过程中不能产生变形，底部安装有若干个竖向液压油缸，能够模拟各种竖向压力条件；上横梁上安装有起重装置，可以用于移动横梁的上下位置及岩土体前后挡板的吊装，通过安装在上横梁上的起重装置，所述移动横梁能够沿框架钢柱上下移动，可以满足不同埋深实验条件的需要；切割下来的有机玻璃挡板可以作为盖板在模型开挖前起到挡板的作用；自平衡反力架及千斤顶的设置，可以根据需要约束岩土体前后挡板，限制其位移和变形，在液压油缸加载过程中能够沿实验模型的前后方向对岩土体产生约束作用，从而在岩土体中产生三维应力场。

作为优选，所述自平衡反力架为刚架结构，由方形截面或者圆形截面钢管焊接而成，所述千斤顶为手动液压千斤顶。

作为优选，所述前挡板和后挡板的两端分别通过挡板固定螺栓固定在第一框架柱和第二框架柱上。挡板的两端用挡板固定螺栓固定在框架柱上，中间部分则由自平衡反力架进行固定和约束，在岩土体填充和加载过程中岩土体挡板和自平衡反力架共同工作，限制岩土体沿实验模型的前后方向的位移和变形，从而产生三维应力场；实验人员能够通过透明的有机玻璃挡板准确地观测量硐室围岩的变形。

作为优选，所述有机玻璃挡板的高度为3～4根热轧槽钢的高度之和，有机玻璃挡板的两端上开设有固定螺栓孔。根据隧道或硐室模型的大小和埋深位置，切割有机玻璃挡板，并且按照隧道或硐室的截面形状切割洞口，切割下来的板作为洞口盖板。

作为优选，所述加载框架的内净空尺寸长×宽×高为5000mm×300mm×2000mm。

作为优选，所述框架柱分别由两根第一槽钢通过第一缀板经缀板螺栓固定组合而成，每根槽钢由三块钢板焊接而成，所述第一槽钢内部间隔一定距离设置第一加劲肋。

作为优选，所述移动横梁由两根第二槽钢通过第二缀板经焊接组合而成，每根槽钢由三块钢板焊接而成，所述第二槽钢内部间隔一定距离设置第二加劲肋。所述上横梁由两根槽钢组合而成。

作为优选，所述自平衡反力架设置在前、后挡板跨度的三等分点处，自平衡反力架底部固接有一底座，该底座通过第二地脚螺栓安装在混凝土基座上。

作为优选，所述第一框架柱、第二框架柱与柱脚底板之间分别采用焊接。

本发明可以产生各种不同埋深和地质条件下的岩土体三维应力场，可以实现大、小偏压条件下不同净距及不同断面等复杂条件下的硐室开挖模型实验；该加载装置具有很好的通用性，具有较高的实验效率和经济效益；采用自平衡反力架约束岩土体挡板的位移和变形，可以根据实验条件的要求灵活地设置反力架的数量和安装位置，反力架的刚度大，约束能力更强，适合模拟大埋深高地应力场条件。

附图说明

图1为加载框架的正立面组装示意图；

图2为图1中框架柱的A-A剖面图；

图3为图1中移动横梁B-B横截面图；

图4为有机玻璃挡板的结构示意图；

图5为岩土体填充及挡板安装示意图；

图6为安装完毕的实验加载装置示意图；

图7为自平衡反力架与前、后挡板固定示意图；

图8为隧道或硐室开挖实验过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1～8，一种隧道开挖三维模型实验加载装置，包括加载框架、位于加载框架正面的前挡板、以及位于加载框架背面的后挡板，所述加载框架包括框架柱、移动横梁2和上横梁3，移动横梁2和上横梁3分别与框架柱垂直，所述框架柱包括竖直设置的第一框架柱1-1和第二框架柱1-2，第一框架柱1-1和第二框架柱1-2的内侧面对称安装有若干个侧向液压油缸6，所述第一框架柱1-1和第二框架柱1-2的底部分别设有柱脚底板7，所述柱脚底板7通过第一地脚螺栓8安装在混凝土基座上；所述上横梁3两端分别与第一框架柱1-1和第二框架柱1-2顶端固定，所述移动横梁2设置在第一框架柱1-1和第二框架柱1-2之间且位于上横梁3下方；所述移动横梁2底部安装有若干个竖向液压油缸12，所述上横梁3上安装有起重装置4，移动横梁2顶端设有与该起重装置4相配的吊点5。移动横梁与框架钢柱之间采用的是螺栓连接，需要移动时先用上横梁上的起重装置通过链条或者钢丝绳将其悬挂，然后将移动横梁与框架钢柱之间的螺栓拆除，启动起重装置将移动横梁上下移位至所需位置，最后用螺栓将移动横梁重新固定在框架钢柱上。

所述前挡板包括一块透明有机玻璃挡板18和由若干根热轧槽钢组成的槽钢挡板19，后挡板由若干根热轧槽钢组成，其中有机玻璃挡板18的长度与热轧槽钢的长度相同，高度为单根热轧槽钢高度的倍数，具有一定的厚度，有机玻璃挡板18上开设有固定螺栓孔11，同时切割有一个与实验模型横截面形状相同的孔洞，切割下来的板作为洞口盖板20；有机玻璃挡板18和槽钢挡板19的两端分别与第一框架柱1-1和第二框架柱1-2通过挡板固定螺栓21固接。

所述框架柱要求具有较大的刚度，在加载过程中不能产生变形，所述框架柱分别由两根第一槽钢13通过第一缀板9经缀板螺栓10固定组合而成，所述第一槽钢13由三块钢板焊接而成，所述第一槽钢13内部间隔一定距离设置第一加劲肋14。所述移动横梁由两根第二槽钢15与第二缀板16焊接组合而成，所述第二槽钢15由三块钢板焊接而成，所述第二槽钢15内部间隔一定距离设置第二加劲肋17。所述上横梁3由两根热轧槽钢组合而成。所述第一框架柱1-1、第二框架柱1-2与柱脚底板7之间分别采用焊接。所述加载框架的内净空尺寸长×宽×高为5000mm×300mm×2000mm。

所述框架柱的内侧面左右对称地安装有若干个侧向液压油缸，能够模拟不同侧压力条件；所述移动横梁的底部安装有若干个竖向液压油缸，能够模拟各种竖向压力条件；上横梁上安装有起重装置，可以用于移动横梁的上下位置及岩土体前后挡板的吊装，通过安装在上横梁上的起重装置，所述移动横梁能够沿框架钢柱上下移动，可以满足不同埋深实验条件的需要；切割下来的有机玻璃挡板可以作为盖板在模型开挖前起到挡板的作用；拉杆的设置，可以用来增加挡板的刚度，在液压油缸加载过程中能够沿实验模型的前后方向对岩土体产生约束作用，在岩土体中产生三维应力场。

所述前、后挡板外侧分别设有两个自平衡反力架22，所述前、后挡板外侧的自平衡反力架22上端部通过反力拉杆23连接固定，所述自平衡反力架为刚架结构，所述自平衡反力架22与前挡板之间设有若干个手动液压千斤顶24，所述手动液压千斤顶24固定设置在自平衡反力架上，所述前挡板上设有千斤顶垫板25，手动液压千斤顶24通过千斤顶垫板25作用于前挡板，所述自平衡反力架22设置在前、后挡板跨度的三等分点处，自平衡反力架底部固接有一底座26，该底座26通过第二地脚螺栓27安装在混凝土基座上。

开始实验时，如图5所示，根据隧道或硐室模型的大小和埋深位置，通过起重装置4调整移动横梁2的位置，自下而上安装前挡板中的槽钢挡板19以及与之相对应的后挡板，用挡板固定螺栓21分别将其固定在第一框架柱1-1和第二框架柱1-2上，每安装好一对前后挡板中的槽钢后，用岩土体填充材料28进行填充并夯实。

当到达隧道或硐室模型位置附近时，将有机玻璃挡板18放置在加载装置的前侧，并用挡板固定螺栓21固定在框架钢柱上，用洞口盖板20将洞口盖住，将传感器布置在隧道或硐室模型周围，填充岩土体填充材料28并夯实。继续安装剩余的槽钢挡板19并填充夯实岩土体填充材料28直至达到实验条件所要求的高度为止。

如图6所示，每安装好一道有机玻璃挡板18或槽钢挡板19后，同时采用自平衡反力架22上的手动液压千斤顶24和千斤顶垫板25将其固定，确保在岩土体填充材料夯实过程中各挡板不发生变形和位移。自平衡反力架22的数量和位置可以根据实际情况灵活设置，千斤顶垫板25的大小可以根据实际情况灵活选择。岩土体填充材料的夯实密度应严格按照实验条件进行控制。安装完成后的实验加载装置如图7所示。

如图8所示，开动侧向液压油缸6和竖向液压油缸12对岩土体28同时施加侧向压力和竖向压力，达到实验条件所要求的三向应力条件后进入稳定控制阶段，将洞口盖板20拆除后，可以按照实验目的进行各种开挖工法及衬砌实验，形成隧道或硐室开挖断面29。

Claims (9)

1.一种隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述加载装置包括加载框架、位于加载框架正面的前挡板、位于加载框架背面的后挡板、以及自平衡反力架，所述加载框架包括框架柱、移动横梁和上横梁，移动横梁和上横梁分别与框架柱垂直；所述框架柱包括竖直设置的第一框架柱和第二框架柱，第一框架柱和第二框架柱的内侧面对称安装有若干个侧向液压油缸，所述第一框架柱和第二框架柱的底部分别设有柱脚底板，所述柱脚底板通过第一地脚螺栓安装在混凝土基座上；所述上横梁两端分别与第一框架柱和第二框架柱顶端固定，所述移动横梁设置在第一框架柱和第二框架柱之间且位于上横梁下方；所述移动横梁底部安装有若干个竖向液压油缸，所述上横梁上安装有起重装置，移动横梁顶端设有与该起重装置相配的吊点；所述前挡板包括一块透明有机玻璃挡板和由若干根热轧槽钢组成的槽钢挡板，后挡板由若干根热轧槽钢组成，其中有机玻璃挡板的长度与热轧槽钢的长度相同，高度为单根热轧槽钢高度的倍数，具有一定的厚度，有机玻璃挡板上切割有一个与实验模型横截面形状相同的孔洞，孔洞上设有盖板；有机玻璃挡板和槽钢挡板的两端分别与第一框架柱和第二框架柱通过挡板固定螺栓固接，有机玻璃挡板位于槽钢挡板的内侧；所述前、后挡板外侧分别设有两个自平衡反力架，所述自平衡反力架由方形截面或者圆形截面钢管焊接而成，其上端部通过反力拉杆连接固定，底部通过第二地脚螺栓固定安装在混凝土基座上；所述自平衡反力架与前挡板之间设有若干个千斤顶，所述千斤顶固定设置在自平衡反力架上，所述前挡板上设有千斤顶垫板。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述自平衡反力架为刚架结构，所述千斤顶为手动液压千斤顶。

3.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述前挡板和后挡板的两端分别通过挡板固定螺栓固定在第一框架柱和第二框架柱上。

4.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述有机玻璃挡板的高度为3～4根热轧槽钢的高度之和，有机玻璃挡板上开设有固定螺栓孔。

5.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述加载框架的内净空尺寸长×宽×高为5000mm×300mm×2000mm。

6.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述第一框架柱、第二框架柱分别由两根第一槽钢通过第一缀板经缀板螺栓固定组合而成，每根槽钢由三块钢板焊接而成，所述第一槽钢内部按照一定的间隔设置第一加劲肋。

7.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述移动横梁由两根第二槽钢通过第二缀板经焊接组合而成，每根槽钢由三块钢板焊接而成，所述第二槽钢内部按照一定的间隔设置第二加劲肋。

8.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述自平衡反力架设置在前、后挡板跨度的三等分点处，自平衡反力架底部固接有一底座，该底座通过第二地脚螺栓安装在混凝土基座上。

9.根据权利要求1所述的隧道开挖三维模型实验加载装置，其特征在于：所述第一框架柱、第二框架柱与柱脚底板之间分别采用焊接。