CN107103830B - 隧道开挖模型试验的模拟方法及所用工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隧道开挖模型试验的模拟方法及所用工具，其中所述模拟方法包括组装隧道模型及模拟开挖过程，所述组装隧道模型包括下述步骤：首先，根据隧道形状加工所述的隧道断面定型板，然后在所述隧道断面定型板的各固定槽内分别插入一带芯管柱，各带芯管柱构成与隧道断面形状相同的横向集束，一个带芯管柱的内芯带有第二凹槽的一端突出外管一段距离在外管的另一端形成空腔，相邻的另一带芯管柱的内芯插入所述空腔内，依次拼插接至预定隧道的长度。本发明隧道开挖模型试验的模拟方法，可以精细、真实地模拟多种隧道开挖工法，得到更有指导意义的试验结果，并且经济、便捷、安全。

Description

隧道开挖模型试验的模拟方法及所用工具

技术领域

本发明涉及一种模拟试验方法及该方法所用工具，特别是涉及一种隧道开挖试验模拟方法及工具。

背景技术

隧道施工过程中，需根据不同的地层条件选用合适的开挖工法。为保证施工的安全、经济、合理，需要研究某种开挖工法对目标地层的适用性，掌握目标地层在整个开挖过程中的响应规律，以便制定相应的施工控制措施。对此，学者们常采用数值模型试验和物理模型试验两大类方法。

数值模型试验方法使用有限元或离散元软件，建立数值计算模型，模拟各类地层和隧道开挖过程。

物理模型试验方法分离心机模型试验和重力场(1g)模型试验两种。其中，离心机模型试验是将隧道模型置于离心机中高速旋转，使模型土层获得与原状地层相近的应力场，开挖面采用气囊或液囊模拟加卸荷，或用机械臂模拟隧道开挖。重力场(1g)模型试验则是在常规重力条件下，通过在模型箱中构造模型地层，开挖面采用应力控制、位移控制、微型盾构机等方法模拟开挖。

目前数值模型试验与实际相差较大。数值软件在本构模型选用、边界条件模拟、单元特征等方面与地层实际相差较大，网格划分的精细程度受到计算机能力的限制，特别是很难获得接近真实地层的物理力学参数，从而导致数值模拟的结果无法直接用于工程设计。

现有的物理模型试验设备的缺点如下：离心机试验中，受离心机空间限制，采用气囊、液囊对开挖面进行加卸载，不能真实模拟开挖的过程，所采用的气囊或液囊易破损，且内容介质多有一定毒性，试验过程不安全；采用微型机械手可自动挖土，但试验成本过高。重力场(1g)试验中，采用手动方法难以精细控制挖土，并且对地层扰动过大，进尺增大则很难开挖；应力控制和位移控制法均无法模拟开挖；微型盾构模型则仅能简易模拟盾构法开挖。所有物理模型试验设备虽然可较好地模拟地层情况，但均不能真实模拟不同进尺的全断面开挖，双侧壁导坑法、CD工法、CRD工法、台阶法开挖的分时分步过程，钻爆法施工的瞬时过程，进出洞时管棚支护等实际施工情况。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种隧道断面定型板、带芯管柱及取芯拔管器，采用上述工具可以精细、真实地模拟多种隧道开挖工法，得到更有指导意义的试验结果，并且经济、便捷、安全。

本发明的另一目的是提供一种隧道开挖模型试验的模拟方法，以解决上述现有技术存在的问题，其可以精细、真实地模拟多种隧道开挖工法，得到更有指导意义的试验结果，并且经济、便捷、安全。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种带芯管柱，包括长度相同的外管及内芯，所述外管由弹性材料制成，所述内芯放置于所述外管内腔并且内芯和外管同轴，所述外管内壁设置有第一凹槽，所述内芯外壁设置有第二凹槽。

本发明带芯管柱，其中，所述外管和内芯之间设置有固体润滑油层。

本发明带芯管柱，其中，所述第一凹槽靠近所述外管端部，所述第二凹槽靠近所述内芯端部。

本发明带芯管柱，其中，所述第一凹槽为沿所述外管内壁周向延伸的环形凹槽，所述第二凹槽为沿所述内芯外壁周向延伸的环形凹槽。

本发明带芯管柱，其中，所述外管由弹性塑料制成，所述内芯由硬质、轻质金属制成。

一种隧道断面定型板，包括基层和若干个固定槽，所述基层为薄板状，各所述固定槽均固定于所述基层表面上，所述固定槽内腔用于插入外管。

本发明隧道断面定型板，其中，所述固定槽为空心塑料圆管，所述空心塑料圆管的内径小于外管的外径。

本发明隧道断面定型板，其中，相邻两所述空心塑料圆管之间的圆心距和所述外管的外径相等，所述空心塑料圆管成排布置，相邻两排的所述空心塑料圆管相互交错。

一种取芯拔管器，其中，包括内芯勾取部、外管勾取部及连接于所述内芯勾取部、外管勾取部之间的中间连接部，所述内芯勾取部包括第一套筒、设置于所述第一套筒内壁的一组弹簧钩针及设置于所述第一套筒外壁的用于控制所述弹簧钩针的开关，所述第一套筒安装有所述弹簧钩针的一端内径大于内芯的外径，所述外管勾取部包括第二套筒及固定于所述第二套筒内壁的钩针，所述第二套筒设置有所述钩针的一端外径小于所述外管的内径。

本发明取芯拔管器，其中，所述中间连接部与所述第一套筒、第二套筒之间螺纹连接。

采用上述隧道断面定型板、带芯管柱及取芯拔管器进行隧道开挖模型试验模拟的方法，包括组装隧道模型及模拟开挖过程，所述组装隧道模型包括下述步骤：首先，根据隧道形状加工所述的隧道断面定型板，然后在所述隧道断面定型板的各固定槽内分别插入一带芯管柱，各带芯管柱构成与隧道断面形状相同的横向集束，一个带芯管柱的内芯带有第二凹槽的一端突出外管一段距离在外管的另一端形成空腔，相邻的另一带芯管柱的内芯插入所述空腔内，依次拼插接至预定隧道的长度。

本发明隧道开挖模型试验的模拟方法，其中，所述模拟开挖过程包括下述步骤：根据开挖顺序用取芯拔管器的内芯勾取部的第一套筒套在所述带芯管柱的突出的内芯上，在第一套筒套进内芯的过程中所述弹簧钩针被挤压缩回，随着所述第一套筒前伸，在所述弹簧钩针对准所述第二凹槽时卡入，拉动取芯拔管器将所述内芯拔出，按动开关使所述弹簧钩针缩回，然后，用取芯拔管器的外管勾取部的第二套筒伸入需拔出的外管内，钩针伸入所述外管的第一凹槽内，拉动取芯拔管器，将所述外管取出。

本发明隧道开挖模型试验的模拟方法，其中，在组装隧道模型时，各相邻的所述带芯管柱的外管相切。

本发明隧道开挖模型试验的模拟方法，其中，所述组装隧道模型过程中，在所述隧道断面定型板外侧设置有对隧道断面的外轮廓局部缺失进行补偿的补偿管柱。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：由于本发明隧道开挖模型试验的模拟方法的组装隧道模型中，在隧道断面定型板的各固定槽内分别插入一带芯管柱，各带芯管柱构成与隧道断面形状相同的横向集束，并且两带芯管柱可依次拼插接至预定隧道的长度，隧道断面定型板的形状可根据需要设定，因此可真实模拟任意进尺、任意断面形状的隧道，使试验结果更接近真实、更有指导意义，并且更经济、便捷、无危险。

另外，在模拟开挖过程中，根据开挖顺序用取芯拔管器的内芯勾取部拔出带芯管柱的内芯，用取芯拔管器的外管勾取部拔出外管，操作方便灵活，可模拟全断面开挖、双侧壁导坑法、CD工法、CRD工法、台阶法、钻爆法、进出洞管棚支护法等多种工法的隧道开挖过程，获得更接近实际的地层响应，为开挖工法、支护方式的选择提供依据和指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明带芯管柱的立体结构示意图；

图2为本发明带芯管柱的侧视图；

图3为本发明隧道断面定型板的立体结构示意图；

图4为本发明取芯拔管器的内芯勾取部的结构示意图；

图5为本发明取芯拔管器的外管勾取部的结构示意图；

图6为本发明隧道开挖模型试验的模拟方法中组装隧道模型的过程图；

图7为本发明隧道开挖模型试验的模拟方法中模拟双侧壁导坑法开挖的过程图；

图8为本发明隧道开挖模型试验的模拟方法中模拟三步台阶法开挖的过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明一种带芯管柱，包括长度相同的外管11及内芯12，外管11由弹性塑料制成，内芯12由硬质、轻质金属制成，内芯12放置于外管11内腔并且内芯12和外管11同轴，内芯12与外管11直径上严密嵌套，共同承受载荷，同时表现出与地层一致的骨架效应和变形特性，外管11靠近一端部的内壁设置有第一凹槽111，内芯12靠近一端部的外壁设置有第二凹槽121。带芯管柱分为多种尺寸类型，可根据模型试验的实际要求兼顾精细程度和可操作性，在试验准备阶段预先确定具体尺寸，在同一组试验中，外径较大的作为主体，用于模拟隧道主体，外径较小的作为补偿，用于在断面轮廓缺失部分进行填充，以获得更加精细的隧道断面形状。

外管11和内芯12之间设置有固体润滑油层13，便于抽出内芯12。

第一凹槽111为沿外管11内壁周向延伸的环形凹槽，第二凹槽121为沿内芯12外壁周向延伸的环形凹槽。

一种隧道断面定型板，如图3所示，包括基层21和若干个固定槽22，基层21为薄板状，各固定槽22均位于基层21表面上并且固定槽22和基层21一体成型，基层21和各固定槽22均采用与外管11相同的材料，固定槽22内腔用于插入外管11。

如图3所示，固定槽22为空心塑料圆管，空心塑料圆管的内径小于外管11的外径，相邻两空心塑料圆管之间的圆心距和外管11的外径相等，空心塑料圆管成排布置，相邻两排的空心塑料圆管相互交错，使用时，带芯管柱的外管11挤压入固定槽22内，所有相邻的两带芯管柱的外管11均相切，相邻两排带芯管柱的外管相互交错，这种紧密相切的方式形成的横向集束可以很好的模拟各种开挖工法在断面内形成的曲线临空面。

一种取芯拔管器，如图4、5所示，包括内芯勾取部、外管勾取部及连接于内芯勾取部、外管勾取部之间的中间连接部，内芯勾取部包括第一套筒31、设置于第一套筒31内壁的一组弹簧钩针32及设置于第一套筒31外壁的用于控制弹簧钩针32的开关，第一套筒31安装有弹簧钩针32的一端内径大于内芯12的外径，平时弹簧钩针32处于弹出状态，两针尖的距离小于带芯管柱的内芯12的外径，外管勾取部包括第二套筒33及固定于第二套筒33内壁的钩针34，第二套筒33设置有钩针34的一端外径小于外管11的内径。中间连接部与第一套筒31、第二套筒33之间螺纹连接。

采用上述隧道断面定型板、带芯管柱及取芯拔管器可进行多种工法的隧道开挖模型试验精细模拟，包括但不限于双侧壁导坑法、台阶法、全断面开挖法、CD工法、CRD工法、钻爆法、进出洞管棚支护法等，下面以双侧壁导坑法为例具体说明隧道开挖模型试验精细模拟的方法，该方法包括下述步骤：

(一)制定试验方案，

(二)确定开挖工法，

(三)准备模型模拟材料，

(四)组装隧道模型，具体包括下述步骤：首先，根据隧道形状加工隧道断面定型板，然后在隧道断面定型板的各固定槽22内分别插入一带芯管柱，拼插过程如图6所示，各带芯管柱构成与隧道断面形状相同的横向集束，各相邻的带芯管柱的外管11相切，一个带芯管柱的内芯12带有第二凹槽121的一端突出外管11一段距离在外管11的另一端形成空腔，相邻的另一带芯管柱的内芯12插入所述空腔内，依次拼插接至预定隧道的长度，最后，在隧道断面定型板外侧设置对隧道断面的外轮廓局部缺失进行补偿的补偿管柱，补偿管柱可采用小直径的上述带芯管柱或实心塑料圆柱，

(五)埋置组装好的隧道模型，

(六)分层填土、预压，埋设传感器，

(七)施加外部载荷，

(八)按工法开挖顺序勾取带芯管柱模拟开挖过程，具体包括下述步骤：根据如图7所示开挖顺序用取芯拔管器依次勾取各带芯管柱，勾取各带芯管柱时先用取芯拔管器内芯勾取部的第一套筒31套在带芯管柱的突出的内芯12上，在第一套筒31套进内芯12的过程中弹簧钩针32被挤压缩回，随着第一套筒31前伸，在弹簧钩针32对准第二凹槽121时卡入，拉动取芯拔管器将内芯12拔出，按动开关使弹簧钩针32缩回，然后，用取芯拔管器的外管勾取部的第二套筒33伸入需拔出的外管11内，钩针34伸入外管11的第一凹槽111内，拉动取芯拔管器，将外管11取出，

(九)监测、采集每个开挖步骤过程中的地层响应，并整理、分析数据，撰写试验报告，

(十)试验结束。

当采用本发明隧道开挖模型试验的模拟方法模拟三步台阶工法时，其开挖过程如图8所示。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种隧道开挖模型试验的模拟方法，包括组装隧道模型及模拟开挖过程，其特征在于：应用一种隧道断面定型板和一种取芯拔管器，所述隧道断面定型板包括基层(21)和若干个固定槽(22)，所述基层(21)为薄板状，各所述固定槽(22)均固定于所述基层(21)表面上，所述固定槽(22)内腔用于插入外管(11)；所述固定槽(22)为空心塑料圆管，所述空心塑料圆管的内径小于外管(11)的外径；相邻两所述空心塑料圆管之间的圆心距和所述外管(11)的外径相等，所述空心塑料圆管成排布置，相邻两排的所述空心塑料圆管相互交错；所述取芯拔管器包括内芯勾取部、外管勾取部及连接于所述内芯勾取部、外管勾取部之间的中间连接部，所述内芯勾取部包括第一套筒(31)、设置于所述第一套筒(31)内壁的一组弹簧钩针(32)及设置于所述第一套筒(31)外壁的用于控制所述弹簧钩针(32)的开关，所述第一套筒(31)安装有所述弹簧钩针(32)的一端内径大于内芯(12)的外径，所述外管勾取部包括第二套筒(33)及固定于所述第二套筒(33)内壁的钩针(34)，所述第二套筒(33)设置有所述钩针(34)的一端外径小于所述外管(11)的内径；所述组装隧道模型包括下述步骤：首先，根据隧道形状加工所述的隧道断面定型板，然后在所述隧道断面定型板的各固定槽(22)内分别插入一带芯管柱，各带芯管柱构成与隧道断面形状相同的横向集束，一个带芯管柱的内芯(12)带有第二凹槽(121)的一端突出外管(11)一段距离在外管(11)的另一端形成空腔，相邻的另一带芯管柱的内芯(12)插入所述空腔内，依次拼插接至预定隧道的长度。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖模型试验的模拟方法，其特征在于：所述中间连接部与所述第一套筒(31)、第二套筒(33)之间螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的隧道开挖模型试验的模拟方法，其特征在于：所述模拟开挖过程包括下述步骤：根据开挖顺序用取芯拔管器的内芯勾取部的第一套筒(31)套在所述带芯管柱的突出的内芯(12)上，在第一套筒(31)套进内芯(12)的过程中所述弹簧钩针(32)被挤压缩回，随着所述第一套筒(31)前伸，在所述弹簧钩针(32)对准所述第二凹槽(121)时卡入，拉动取芯拔管器将所述内芯(12)拔出，按动开关使所述弹簧钩针(32)缩回，然后，用取芯拔管器的外管勾取部的第二套筒(33)伸入需拔出的外管(11)内，钩针(34)伸入所述外管(11)的第一凹槽(111)内，拉动取芯拔管器，将所述外管(11)取出。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖模型试验的模拟方法，其特征在于：在组装隧道模型时，各相邻的所述带芯管柱的外管(11)相切。

5.根据权利要求4所述的隧道开挖模型试验的模拟方法，其特征在于：所述组装隧道模型过程中，在所述隧道断面定型板外侧设置有对隧道断面的外轮廓局部缺失进行补偿的补偿管柱。

6.一种采用权利要求1所述的隧道开挖模型试验的模拟方法的一种带芯管柱，其特征在于：包括长度相同的外管(11)及内芯(12)，所述外管(11)由弹性材料制成，所述内芯(12)放置于所述外管(11)内腔并且内芯(12)和外管(11)同轴，所述外管(11)内壁设置有第一凹槽(111)，所述内芯(12)外壁设置有第二凹槽(121)。

7.根据权利要求6所述的带芯管柱，其特征在于：所述外管(11)和内芯(12)之间设置有固体润滑油层(13)。

8.根据权利要求7所述的带芯管柱，其特征在于：所述第一凹槽(111)靠近所述外管(11)端部，所述第二凹槽(121)靠近所述内芯(12)端部。

9.根据权利要求8所述的带芯管柱，其特征在于：所述第一凹槽(111)为沿所述外管(11)内壁周向延伸的环形凹槽，所述第二凹槽(121)为沿所述内芯(12)外壁周向延伸的环形凹槽。

10.根据权利要求9所述的带芯管柱，其特征在于：所述外管(11)由弹性塑料制成，所述内芯(12)由硬质、轻质金属制成。