CN104833537B - 一种模拟隧道施工的相似模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，包括试验台、液压加载装置、数据测试及采集装置和相似模型；液压加载装置设在试验台的外部；相似模型设在试验台的内部；数据测试及采集装置一部分设在试验台内部，另一部分设在试验台外部；本发明实施例不仅能够满足隧道的开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，还能通过自带的监测系统完成数据的采集与分析，对隧道开挖的变形量、支护手段的控制能力、外界动荷载对隧道施工的影响程度进行评价和优化。

Description

一种模拟隧道施工的相似模型试验装置

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种模拟隧道施工的相似模型试验装置。

背景技术

随着国民经济的持续快速发展，地下交通工程正如火如荼，地下工程修建技术也因此国内外工程界研究的热点。在繁忙的交通干道，开通了地下过街通道；为穿越江海，建造了水下隧道；下穿铁路和高速公路时，建造了箱涵通道；在大型机场的改造和扩建中，为不影响飞机的正常起降，穿越机场跑道的地下隧道也在不停航的严格要求下进行建造。为了更好的指导工程的顺利开展，开发了一系列穿越既有建筑物、道路、铁路、河流海峡等的地下工程施工模拟试验装置，但对长大管幕作用机理的模型试验研究还是处于起始阶段，而对考虑动载影响下的管幕预加固浅埋暗挖隧道施工过程模拟的试验装置更是缺乏相关研究。

现有模拟实验装置能够满足隧道的开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，还能通过自带的监测系统完成数据的采集与分析，对隧道开挖的变形量、支护手段的控制能力、外界动荷载对隧道施工的影响程度进行评价和优化

发明内容

本发明实施例为了满足隧道的开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，提供了一种模拟隧道施工的相似模型试验装置。

本发明实施例提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，包括试验台、液压加载装置、数据测试及采集装置和相似模型；所述液压加载装置设在所述试验台的外部；所述相似模型设在所述试验台的内部；所述数据测试及采集装置一部分设在所述试验台内部，另一部分设在所述试验台外部。

进一步地，所述试验台包括试验台架、侧限板、液压加载板、动力输出装置和监测平台；所述液压加载板设在所述试验台架的顶面、左侧面和右侧面；所述侧限板设在所述试验台架的正面和背面；所述动力输出装置设在所述试验台架内部；所述监测平台设在所述动力输出装置上方。

进一步地，所述液压加载装置包括储油箱、油压管、油压泵、加载油缸、电液伺服控制器和信号传输电缆；所述油压泵和电液伺服控制器设在所述储油箱内；所述信号传输电缆第一端连接所述电液伺服控制器，所述信号传输电缆第二端连接所述油压泵；所述油压管的第一端连接所述油压泵，所述油压管的第二端连接所述加载油缸；所述加载油缸设在所述液压加载板上。

进一步地，所述相似模型包括隧道围岩相似模型、地面板相似模型、主隧道相似模型、管幕相似模型和动载荷相似模型；所述隧道围岩相似模型设在所述试验台架内；所述主隧道相似模型设在所述隧道围岩相似模型内；所述管幕相似模型设在所述主隧道相似模型的四周；所述地面板相似模型设在所述管幕相似模型的上方；所述动载荷相似模型设在所述地面板相似模型的上方。

进一步地，所述数据测试及采集装置包括变形传递杆、百分表、应力应变元器件、信号接收器和数据信号传输电缆；所述变形传递杆的第一端设在所述隧道围岩相似模型内；所述变形传递杆通过所述监测平台固定；所述百分表连接所述变形传递杆的第二端；所述应力应变元器件设在所述管幕相似模型和所述主隧道相似模型周围型周围；所述数据信号传输电缆的第一端连接所述信号接收器；所述数据信号传输电缆的第二端连接所述应力应变元器件；所述信号接收器设在所述试验台外部。

进一步地，所述动力输出装置包括电动马达、传动链杆、传力轨道和控制器；所述传力轨道设在所述地面板相似模型的表面；所述电动马达设在所述地面板相似模型的第一端；所述控制器设在所述电动马达上并与所述电动马达电缆连接；所述传动链杆的第一端连接所述电动马达；所述传动链杆的第二端连接所述动荷载相似模型。

进一步地，所述应力应变元器件至少为包括下列中的一个：应变片和土压力盒。

进一步地，所述主隧道相似模型用于模拟实际隧道的支护结构体系，包括水泥、石膏、细砂和水。

进一步地，所述管幕相似模型用于模拟隧道施工的管幕预支护体系，包括硬塑PVC管和石膏。

进一步地，所述加载油缸施加载荷为0-500kN。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例不仅能够满足隧道的开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，还能通过自带的监测系统完成数据的采集与分析，对隧道开挖的变形量、支护手段的控制能力、外界动荷载对隧道施工的影响程度进行评价和优化。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置的结构图；

图2为本发明实施例一提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置的模型装置正面示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置的模型装置立体示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置的模型装置局部示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种模拟隧道施工的相似模型试验装置的动载荷模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，模拟隧道施工的相似模型试验装置的结构图如图1至图5所示，包括试验台、液压加载装置、数据测试及采集装置和相似模型；液压加载装置设在试验台的外部；相似模型设在试验台的内部；数据测试及采集装置一部分设在试验台内部，另一部分设在试验台外部。

在优选方案中，试验台包括试验台架1、侧限板2、液压加载板、动力输出装置和监测平台17；液压加载板设在试验台架1的顶面、左侧面和右侧面；侧限板2设在试验台架1的正面和背面；动力输出装置设在试验台架1内部；监测平台17设在动力输出装置上方。

在优选方案中，液压加载装置包括储油箱8、油压管、油压泵9、加载油缸16、电液伺服控制器和信号传输电缆；油压泵9和电液伺服控制器设在储油箱8内；信号传输电缆第一端连接电液伺服控制器，信号传输电缆第二端连接油压泵9；油压管的第一端连接油压泵9，油压管的第二端连接加载油缸16；加载油缸16设在液压加载板上。

在优选方案中，相似模型包括隧道围岩相似模型3、地面板相似模型4、主隧道相似模型5、管幕相似模型44和动载荷相似模型10；隧道围岩相似模型3设在试验台架1内；主隧道相似模型5设在隧道围岩相似模型内；管幕相似模型4设在主隧道相似模型5的四周；地面板相似模型4设在管幕相似模型4的上方；动载荷相似模型10设在地面板相似模型4的上方。

在优选方案中，数据测试及采集装置包括变形传递杆14、百分表18、应力应变元器件、信号接收器20和数据信号传输电缆19；变形传递杆14的第一端设在隧道围岩相似模型3内；变形传递杆14通过监测平台17固定；百分表18连接变形传递杆14的第二端；应力应变元器件设在管幕相似模型4和主隧道相似模型5周围；数据信号传输电缆19的第一端连接信号接收器20；数据信号传输电缆19的第二端连接应力应变元器件；信号接收器20设在试验台外部。

在优选方案中，动力输出装置包括电动马达12、传动链杆11、传力轨道和控制器；传力轨道设在地面板相似模型4的表面；电动马达12设在地面板相似模型4的第一端；控制器设在电动马达12上并与电动马达12电连接；传动链杆11的第一端连接电动马达12；传动链杆11的第二端连接动荷载相似模型。

在优选方案中，应力应变元器件至少为包括下列中的一个：应变片和土压力盒。

在优选方案中，主隧道相似模型5用于模拟实际隧道的支护结构体系，包括水泥、石膏、细砂和水。

在优选方案中，管幕相似模型4用于模拟隧道施工的管幕预支护体系，包括硬塑PVC管和石膏。

在优选方案中，加载油缸16施加载荷为0-500kN。

在优选方案中，隧道围岩相似模型3填充于试验台架1内，通过侧限板2和试验台架1完成定型与固结，主隧道相似模型5和管幕相似模型6按施工过程内嵌于围岩的相似材料内部。

试验台架1，用于容纳隧道围岩相似模型并提供近似边界条件，用于固定模型装置，它由设计尺寸的钢板、钢管、型钢焊接而成。

隧道围岩相似模型3，用于模拟实际隧道施工中的隧道围岩情况，它是一种能够同时满足围岩容重、泊松比和弹性模量要求的围岩相似材料，可由铁矿粉、细木屑、粘土等常用模型试验基本材料通过土工试验按照相似准则确定材料及配比。

侧限板2，用于围岩相似材料回结定型时提供前后面的边界条件，它由PP板按设计尺寸切割而成。

地面板相似模型4，用于模拟隧道开挖影响区的硬化地面，它由水泥石膏砂浆制作而成，覆盖于隧道围岩相似模型顶面。

主隧道相似模型5，用于模拟实际隧道的支护结构体系，它是一种能够同时满足支护体系单轴抗压强度和弹性模量要求的隧道支护相似材料，可由水泥、石膏、细砂和水进行模拟，其配比按照相似准则通过单轴抗压试验进行确定。

管幕相似模型6，用于模拟隧道施工的管幕预支护体系，它是一种既能满足试验模型几何尺寸要求，又能满足抗弯刚度要求的管幕相似模型，可由硬塑PVC管、石膏进行模拟，按照相似准计算确定。硬塑PVC管属低弹性模量的材料，在满足模型几何相似的同时，在硬塑PVC管中填充适量配比的石膏，满足管幕相似模型的抗弯刚度要求。

动荷载相似模型和动载荷动力装置组成动荷载加载系统，用于模拟隧道施工时的外界动荷载影响源。

动荷载相似模型10的质量荷载的作用位置及类型与外界动荷载源满足模型相似准则。

应变片，用于监测管幕相似模型和主隧道相似模型的应变，它是由日本共和KYOWA生产的KFW-5-120型号应变片。

土压力盒，用于监测围岩相似材料与主隧道相似模型的接触应力。

传动链杆11，用于连接动载荷动力装置7和动荷载相似模型10，通过电动马达12提供的动力，牵引动荷载相似模型10，它是一根带有均匀刻槽方钢杆。

电动马达12与传动链杆11通过齿轮咬合作用。

控制装置，用于控制电动马达的转速，从而间接控制动荷载相似模型产生的动荷载的大小。

液压加载装置，用于提供近似边界条件所需的静荷载，同时用于完成围岩相似材料的固结。

加载油缸16，用于对围岩相似材料进行加载，位于试验台架上部的加载油缸16竖向加载；位于试验台架两侧面的加载油缸16水平加载。

竖向的加载油缸16含有4个加载油缸。

水平的加载油缸16含有4个加载油缸，分别为左侧2个加载油缸和右侧2个加载油缸。

加载油缸，用于提供各方向试验模型所需荷载，每个加载油缸最大可施加载荷为500kN。

储油箱8，用于为加载油缸提供油压，它由一个铁箱和油压泵9组成。

铁箱，用于储存液压油，尺寸为1m×1m×1m。

油压泵9，用于提取液压油并产生油压。

油压管，用于将油压泵9产生的油压传递到加载油缸16。

加载板，用于将加载油缸产生的荷载均匀地传递到围岩相似材料的模型试样上。

电液伺服控制器，用于对静荷载加载系统进行计算机控制，实现电液伺服控制加载，保证荷载作用点的精确定位，将力的精度控制在1％，包括电液伺服控制器、计算机和电液伺服控制软件。

信号传输电缆，用于将电液伺加载控制系统产生的指令信息传递给静荷载加载控制系统。

百分表18，用于监测围岩相似材料3模拟的地表沉降量、管幕相似模型6的沉降量，它们固定于试验台上部，通过变形传递杆14与变形监测部位相连。

变形传递杆14，用于将变形监测点处的变形传递给百分表18，传递围岩相似材料模拟3的地表沉降变形量的变形传递杆14均布于试验台上部，传递管幕相似模型沉降变形量的变形传递杆14在制作围岩相似材料6时提前在设计位置预埋。

信号接收器20，用于接收百分表18、动载荷相似模型的数据信号，它是由河北秦皇岛市北戴河兰德科技有限公司生产的BZ2205C程控电阻静态应变仪。

数据信号传输电缆19，用于将百分表18、动载荷相似模型采集到的数据信息传递给信号接收器20。

监测平台17用于固定百分表18，监测平台17由木质三合板制作而成。

工作原理：

根据相似模型试验理论确定隧道围岩相似模型3、地面板相似模型4、主隧道相似模型5、管幕相似模型6和动荷载相似模型10；将隧道围岩相似模型3碾压筛选后按确定的配合比均匀混合后放入到试验台架1内，并在设计位置预埋管幕相似模型6、应力应变测试元器件13、变形传递杆14；在隧道围岩相似模型3的前后两面安装侧限板2，通过电液伺服控制器15控制加载油缸16对隧道围岩相似模型3进行加载固结，达到设计要求；拆下试验台架1的顶板，在隧道围岩相似模型3顶面用石膏砂浆做好地面板相似模型4；待上步中的地面模型板3硬化达到设计强度后在地面模型板3上安放动荷载相似模型和传动链杆11，同时将电动机12装在试验台架的设计位置；在试验模型上部搭设监测平台17；将百分表18固定在监测平台17上，与对应的变形传递杆14相连；将应力应变测试元器件13通过数据信号传输电缆19与信号接收器20连接；检查百分表18、动荷载相似模型工作的正常情况并测读各监测元器件的初始读数；进行主隧道区域的开挖，同时通过控制装置控制电动马达12的转速，实现动荷载相似模型对试验模型的动荷载加载；随主隧道区域的开挖，按设计施工工序进行主隧道的支护；整个试验模型在隧道浅埋暗挖施工过程模拟中，模型试验数据测试及采集装置随时完成各物理量的测试及数据采集。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例不仅能够满足隧道的开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，还能通过自带的监测系统完成数据的采集与分析，对隧道开挖的变形量、支护手段的控制能力、外界动荷载对隧道施工的影响程度进行评价和优化。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的模拟隧道施工的相似模型试验装置，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

包括试验台、液压加载装置、数据测试及采集装置和相似模型；

所述液压加载装置设在所述试验台的外部；

所述相似模型设在所述试验台的内部；

所述数据测试及采集装置一部分设在所述试验台内部，另一部分设在所述试验台外部；

所述试验台包括试验台架、侧限板、液压加载板、动力输出装置和监测平台；

所述液压加载板设在所述试验台架的顶面、左侧面和右侧面；

所述侧限板设在所述试验台架的正面和背面；

所述动力输出装置设在所述试验台架内部；

所述监测平台设在所述动力输出装置上方。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述液压加载装置包括储油箱、油压管、油压泵、加载油缸、电液伺服控制器和信号传输电缆；

所述油压泵设在所述储油箱内；

所述电液伺服控制器设在所述储油箱的箱壁外侧；

所述信号传输电缆第一端连接所述电液伺服控制器，所述信号传输电缆第二端连接所述油压泵；

所述油压管的第一端连接所述油压泵，所述油压管的第二端连接所述加载油缸；

所述加载油缸设在所述液压加载板上。

3.根据权利要求2所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述相似模型包括隧道围岩相似模型、地面板相似模型、主隧道相似模型、管幕相似模型和动载荷相似模型；

所述隧道围岩相似模型设在所述试验台架内；

所述主隧道相似模型设在所述隧道围岩相似模型内；

所述管幕相似模型设在所述主隧道相似模型的四周；

所述地面板相似模型设在所述管幕相似模型的上方；

所述动载荷相似模型设在所述地面板相似模型的上方。

4.根据权利要求3所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述数据测试及采集装置包括变形传递杆、百分表、应力应变元器件、信号接收器和数据信号传输电缆；

所述变形传递杆的第一端设在所述隧道围岩相似模型内；

所述变形传递杆通过所述监测平台固定；

所述百分表连接所述变形传递杆的第二端；

所述应力应变元器件设在所述管幕相似模型和所述主隧道相似模型周围型周围；

所述数据信号传输电缆的第一端连接所述信号接收器；

所述数据信号传输电缆的第二端连接所述应力应变元器件；

所述信号接收器设在所述试验台外部。

5.根据权利要求4所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述动力输出装置包括电动马达、传动链杆、传力轨道和控制器；

所述传力轨道设在所述地面板相似模型的表面；

所述电动马达设在所述地面板相似模型的第一端；

所述控制器设在所述电动马达上并与所述电动马达电缆连接；

所述传动链杆的第一端连接所述电动马达；

所述传动链杆的第二端连接所述动荷载相似模型。

6.根据权利要求5所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述应力应变元器件至少为包括下列中的一个：应变片和土压力盒。

7.根据权利要求6所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述主隧道相似模型用于模拟实际隧道的支护结构体系，包括水泥、石膏、细砂和水。

8.根据权利要求7所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述管幕相似模型用于模拟隧道施工的管幕预支护体系，包括硬塑PVC管和石膏。

9.根据权利要求8所述的模拟隧道施工的相似模型试验装置，其特征在于，

所述加载油缸施加载荷为0-500kN。