CN105548504A - 模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置 - Google Patents

模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟隧道土体开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，包括固定圆筒和与丝杠配合的内螺纹孔，轴套的外形包括圆台部分；固定圆筒上设有多组通孔，每个通孔内设有一顶杆，顶杆沿通孔滑动；固定圆筒上套装有多个依次相邻的开口弹性环；顶杆的一端与轴套的外表面紧密接触，顶杆的另一端与开口弹性环的内表面紧密接触。本发明拓展了机械式隧道在隧道模型试验方面的应用，因为是三维隧道模型，可以实现隧道逐环的收缩和膨胀，对于实际工程的模拟更加逼真。同时，采用开口弹性环模拟实际管片，保证了试验过程中隧道外轮廓的真圆度，使试验更加精细化，对于模拟隧道开挖及补偿注浆过程的室内模型试验研究具有重要的意义。

Description

模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置
技术领域
本发明涉及一种岩土工程中的试验装置，特别是涉及模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置。
背景技术
随着我国现代化城市建设进度的加快，地下轨道交通建设需求越来越大，发展越来越快，目前地铁隧道建设应用最广泛的方法为盾构法，对于盾构法施工的工程评估和评价，主要可以采用经验公式法、有限元数值模拟、模型试验法，其中模型试验方法具有独特的优点，也具有很大的进步空间。
第一，模型试验是研究盾构隧道施工关键技术非常重要的方法，对于盾构隧道关键技术的研究和验证，通常需要几种方法共同使用相互对比，在地下工程施工这种比较难以进行现场观测和控制的工程领域，有效的模型试验显得尤为重要。
第二，模型试验方法通过一定的简化突出特定要素的影响，可以有效模拟实际工程的真实情况，能够通过试验对比得到有效的数据和实测进行分析，其结果对于对应的实际工程是比较可靠的参考。
现有模型试验隧道装置实现膨胀和收缩的办法共两种：
第一类可以概括为水囊法，即在刚性筒外包乳胶水囊，通过往囊中注水或排水来模拟隧道的膨胀和收缩(国内外采用这类试验装置的实例已有很多)。这种装置虽然原理简单，但在抽水或注水的过程中，尽管体积变化可以通过流量来精确的控制，但抽水或注水过程完成时乳胶囊形状不好控制，很难保证隧道外轮廓仍然是规则的圆形，会对试验结果造成很大影响。
第二类为机械式模型隧道(例如一些日本学者)，原理便是通过抽拉装置内部的锥形芯，控制与锥形芯接触的顶杆的运动来实现隧道的收缩和膨胀，如此隧道膨胀和收缩后的尺寸以及形状都能够精确的控制。然而，为了能够实现隧道膨胀或收缩，该类装置的管片外轮廓不能是一个整体的圆形，而需是一圈由若干块管片布置拼成的，两两之间有间隙的多边形。理论上讲，管片片数越多越能接近真实的圆形，但分割越细加工难度也就越大。此外，上述试验装置仅能实现隧道整体的膨胀和收缩，适用于假定为平面应变问题的二维模型试验，而实际过程中管片的拼装都是逐环进行的，施工过程是三维的，因此该装置的应用受到很大限制。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，可以实现逐环膨胀和收缩的同时能保持外轮廓圆度良好，从而克服了由于现有机械式模型隧道试验装置存在的技术问题而带来的应用局限性。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种模拟隧道土体开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，包括固定圆筒、丝杠和轴套，所述轴套设有与所述丝杠配合的内螺纹孔，所述轴套的外形由轴向相连的圆柱和圆台构成；所述圆柱的表面上设有一轴向凹槽，所述固定圆筒的内壁上设有与该轴向凹槽滑动配合的导向凸起；所述固定圆筒上设有多组通孔，每组通孔由在固定圆筒的同一横截面上径向布置的多个通孔构成，每个通孔内设有一顶杆，所述顶杆沿通孔滑动；所述固定圆筒上套装有多个依次相邻的开口弹性环，开口弹性环的数量与设置在固定圆筒上的多组顶杆的数量相同；所述顶杆的一端与所述轴套的外表面紧密接触，所述顶杆的另一端与所述开口弹性环的内表面紧密接触。
进一步讲，本发明三维模型隧道试验装置中配制有多个轴套，轴套外形的圆柱和圆台的几何尺寸不同。
所述丝杠与所述轴套螺纹连接，所述丝杠上、在远离所述轴套的一端设有摇柄，转动所述摇柄时，所述丝杠带动轴套沿固定圆筒轴向移动，进而通过所述顶杆使得开口弹性环涨开或收缩。
多个开口弹性环的涨开或收缩是相互独立。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明三维模型隧道试验装置，采用开口弹性环代替分片式管片来模拟实际隧道的衬砌环，其中相邻的开口弹性环之间均相互独立，每个开口弹性环的运动状态均由各自环内的顶杆控制，而顶杆的运动轨迹又由沿隧道轴线运动的(具有锥形芯)作用的轴套的形状来决定。因此，如若要实现不同的隧道膨胀或收缩的行为过程时，仅需设计和更换不同形状的轴套即可。整个装置中仅有固定圆筒固定在模型箱上，其他组件均相对于固定圆筒运动。使用本发明三维模型隧道试验装置实现了开口弹性环逐环膨胀和收缩，可更真实的模拟实际隧道开挖和注浆过程。并始终保证隧道外轮廓为圆形，使得试验更加符合真实实际情况。
附图说明
图1为本发明三维模型隧道试验装置的结构分解示意图；
图2为本发明三维模型隧道试验装置的结构示意图。
图中：1-开口弹性环，2-丝杠，3-轴套，31-圆柱，32-圆台，4-顶杆，5-摇柄，6-固定圆筒，7-导向凸起，8-轴向凹糟。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1和图2所示，本发明提出的一种模拟隧道土体开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，包括固定圆筒6、丝杠2和轴套3，所述固定圆筒6固定在模型箱上，所述轴套3设有与所述丝杠2配合的内螺纹孔，所述轴套3的外形由轴向相连的圆柱31和圆台32构成；所述圆柱31的表面上设有一轴向凹槽8，所述固定圆筒6的内壁上设有与该轴向凹槽8滑动配合的导向凸起7；所述固定圆筒6上设有多组通孔，每组通孔由在固定圆筒6的同一横截面上径向布置的多个通孔构成，每个通孔内设有一顶杆4，所述顶杆4沿通孔滑动；所述固定圆筒6上套装有多个依次相邻的开口弹性环1(即至少有一个开口弹性环1)，采用开口弹性环1代替分片式管片来模拟实际隧道的衬砌环，所述开口弹性环为至少一环，可多个组合，开口弹性环1的数量与设置在固定圆筒6上的多组顶杆4的数量相同，多个开口弹性环1的涨开或收缩是相互独立。所述顶杆4的一端与所述轴套3的外表面紧密接触，所述顶杆4的另一端与所述开口弹性环1的内表面紧密接触。所述丝杠2与所述轴套3螺纹连接，所述丝杠2上、在远离所述轴套3的一端设有摇柄5，每一开口弹性环1代表一环模型隧道管片，由于弹性环是开口的，所以可以膨胀和收缩，从而模拟真实隧道开挖过程中产生的土体体积损失以及补偿注浆过程中产生的土体体积补偿。转动所述摇柄5时，所述丝杠2同时旋转并带动轴套3沿固定圆筒6轴向(即隧道轴线)移动，根据轴套3外形上的圆台(即锥形芯)外轮廓形状，所述顶杆4会产生靠近或远离隧道轴线方向的位移，进而通过所述顶杆4使得与之接触的开口弹性环1会产生膨胀或收缩，从而实现隧道逐环的收缩和膨胀，达到三维模型隧道试验的目的。本发明拓展了机械式隧道在隧道模型试验方面的应用，因为是三维隧道模型，可以实现隧道逐环的收缩和膨胀，对于实际工程的模拟更加逼真。同时，采用开口弹性环模拟实际管片，保证了试验过程中隧道外轮廓的真圆度，使试验更加精细化，对于模拟隧道开挖及补偿注浆过程的室内模型试验研究具有重要的意义
本发明中开口弹性环1的运动过程由各自环内的顶杆控制，而顶杆的运动轨迹又由沿隧道轴线运动的锥形芯的形状决定。本发明三维模型隧道试验装置，配制有多个轴套3，轴套3外形的圆柱和圆台的几何尺寸不同，多个不同形状的轴套3均可与所述丝杠2连接。故如若要实现不同的隧道膨胀或收缩行为过程时，仅需设计和更换不同外形几何尺寸(即锥形芯部分)即可。本发明便于操作，试验过程中隧道外轮廓形状和尺寸精细可控，能够满足各种模型隧道膨胀和收缩试验的需要。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，包括固定圆筒(6)、丝杠(2)和轴套(3)，所述轴套(3)设有与所述丝杠(2)配合的内螺纹孔，所述轴套(3)的外形由轴向相连的圆柱(31)和圆台(32)构成；所述圆柱(31)的表面上设有一轴向凹槽(8)，所述固定圆筒(6)的内壁上设有与该轴向凹槽(8)滑动配合的导向凸起(7)；所述固定圆筒(6)上设有多组通孔，每组通孔由在固定圆筒(6)的同一横截面上径向布置的多个通孔构成，每个通孔内设有一顶杆(4)，所述顶杆(4)沿通孔滑动；其特征在于：
所述固定圆筒(6)上套装有多个依次相邻的开口弹性环(1)，开口弹性环(1)的数量与设置在固定圆筒(6)上的多组顶杆(4)的数量相同；所述顶杆(4)的一端与所述轴套(3)的外表面紧密接触，所述顶杆(4)的另一端与所述开口弹性环(1)的内表面紧密接触。
2.根据权利要求1所述模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，其特征在于：配制有多个轴套(3)，轴套(3)外形的圆柱和圆台的几何尺寸不同。
3.根据权利要求1所述模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，其特征在于，所述丝杠(2)与所述轴套(3)螺纹连接，所述丝杠(2)上、在远离所述轴套(3)的一端设有摇柄(5)，转动所述摇柄(5)时，所述丝杠(2)带动轴套(3)沿固定圆筒(6)轴向移动，进而通过所述顶杆(4)使得开口弹性环(1)涨开或收缩。
4.根据权利要求1所述模拟隧道开挖及补偿注浆过程的三维模型隧道试验装置，其特征在于：多个开口弹性环(1)的涨开或收缩是相互独立。
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