CN108362864B - 一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置，所述试验装置包括：试验台、隧道开挖模拟装置和数据测试及采集装置。试验台可通过中隔板分为两部分；隧道开挖模拟装置根据试验研究目的不同可以选择安装隧道开挖面模拟装置或隧道开挖卸载模拟装置；数据测试和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，用以检测试验过程中土体的实时位移和压应力；本发明可通过前进或后退开挖面板来模拟开挖面主动或被动失稳模式，还可通过气囊卸载来模拟隧道的开挖过程，具有组装灵活、操作简单、观测方便的优点，可同时进行三维模型试验和平面模型试验，节约试验空间与时间资源。

Description

一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置

技术领域

本发明涉及隧道工程试验仪器。更具体地，涉及一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置。

背景技术

随着经济的持续快速发展，地下交通发展日益繁荣，地下工程修建过程的安全性一直以来都是国内外研究的热点。尤其是在城市环境中的地下工程，由于人口密集、地表建筑密集以及地下管线存在，地下工程施工过程中的安全性显得更为重要。隧道开挖面稳定性以及隧道开挖过程中地层变形的控制是保证隧道工程施工安全的关键。

室内模型试验作为一种研究隧道支护结构以及围岩力学响应规律的手段，通过在模型上的试验所获得的某些规律再回推到原型上，从而获得对原型的规律性认识。尤其是对于一些特殊地层，如节理、断层等地质因素或水囊、地层空洞等特殊地层结构，在不必建立复杂岩土体本构关系的情况下，通过试验即可得到定性或定量的结论。

室内模型试验对地下工程的研究起着重要作用，近年来许多机构都有设计出一些室内模型台架。但由于通常室内模型试验耗时长，一次试验后因填充模型材料耗时费力，通常不会全部清理出试验台架，一组试验通常需要长期占用试验台架数天甚至数周的时间。且大多试验台架功能单一、笨重、占用空间大。

发明内容

为解决上述至少之一的技术问题，本发明提供一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置，可以对隧道开挖面稳定性和隧道开挖过程进行模拟，且能同时进行三维模型试验和平面模型试验，操作方便，组装灵活，提高实验室空间利用率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置，所述试验装置包括：试验台、隧道开挖模拟装置和数据测试及采集装置；

所述试验台为顶部开口的矩形箱体，包括钢板底座及安装于所述钢板底座上的四个侧部；所述侧部包括正面钢板、位于所述正面钢板两侧的侧面高强玻璃板、及与所述正面钢板相对的背面高强玻璃板；

所述钢板底座上包括有两个与所述背面高强玻璃板平行设置的预留凹槽；

所述试验台还包括有两个中隔高强玻璃板；所述中隔高强玻璃板对应于所述预留凹槽安装；

所述背面高强玻璃板和中隔高强玻璃板可拆卸安装；具体根据试验需求选择安装；

所述正面钢板、中隔高强玻璃板及背面高强玻璃板的相同高度的中间位置设有圆形开口；所述正面钢板靠近下边缘处设有出料口；

所述试验台还包括有位于所述试验台内部的监测平台。

优选地，所述试验台还包括设置于所述钢板底座四个顶角处的竖向钢立柱；所述侧部相对应的边缘与所述竖向钢立柱连接。

优选地，所述正面钢板与所述钢板底座和竖向钢立柱焊接连接；

优选地，所述侧面高强玻璃板和背面高强玻璃板的边缘均安装有高强铝合金连接杆件，且通过螺栓与所述钢板底座和竖向钢立柱连接；所述中隔高强玻璃板的上下边缘安装有高强铝合金连接杆件，下边缘的高强铝合金连接杆件安装于所述钢板底座的预留凹槽中，上边缘的高强铝合金连接杆件通过螺栓与两侧的侧面高强玻璃板的上边缘高强铝合金连接杆件连接。

优选地，所述试验台还包括有安装于所述钢板底座下方的支撑脚轮。能实现试验台的灵活移动以及固定安放。

优选地，所述背面高强玻璃板和中隔高强玻璃板均包括上下两块。以便在实验过程中方便添装相似材料。

优选地，所述隧道开挖模拟装置包括隧道开挖面模拟装置；

所述隧道开挖面模拟装置包括隧道模型一、活塞、反力架、压力盒、测角器、转动把手和力值显示控制仪；所述测角器包括表盘和指针；所述隧道模型一和活塞通过所述圆形开口设置于试验台内部；所述反力架、压力盒、测角器和转动把手设置于试验台外部；所述隧道模型一通过螺栓固定安装在正面钢板内侧；所述活塞位于隧道模型一内部；所述反力架通过螺栓固定安装在正面钢板外侧；所述压力盒的一端与活塞的杆件连接，另一端与转动把手的杆件连接；所述测角器的表盘固定在反力架上，测角器的指针固定在转动把手的杆件上；所述压力盒与力值显示控制仪连接，用于实现开挖面受力的实时监控。

优选地，所述隧道开挖模拟装置还包括隧道开挖卸载模拟装置；

所述隧道开挖卸载模拟装置包括隧道模型二、减压阀和空气压缩机；所述隧道模型二为多个并联圆柱体气囊，柱体中心留有圆形空间；所述空气压缩机用于提供空气及压力给所述减压阀；所述减压阀与所述空气压缩机相连，通过调节所述减压阀，使输出给所述圆柱气囊的空气压力达到预定压力；所述圆柱体气囊与所述减压阀相连，通过调节所述气压阀，减小所述圆柱气囊的空气压力，可达到控制应力释放率的效果，以模拟隧道的开挖过程中的围岩应力释放。

优选地，所述转动把手每转1圈，所述测角器转动360°，所述活塞移动1mm。

优选地，所述数据测试及采集装置包括位移传感器、位移数据采集仪、土压力计、土压力数据采集仪、位移图像处理装置和计算机；所述位移传感器固定安装于所述监测平台上；所述位移数据采集仪的第一端连接所述位移传感器，第二端连接所述计算机；所述土压力计设在所述隧道模型一或隧道模型二周围；所述土压力数据采集仪的第一端连接所述土压力计，第二端连接所述计算机；所述位移数据采集仪、土压力数据采集仪和计算机设在所述试验台外部；所述位移图像处理装置，通过高清数码连续拍摄获得土体变形图像，再通过软件后处理获得土体变形数据。

本发明的有益效果如下：

相对于现有技术中，本发明具有如下有益效果：

第一、本发明不仅能够通过活塞的移动模拟隧道开挖面的失稳，还能通过分块气囊的逐块卸载模拟隧道的动态开挖过程，并通过监测系统完成对试验数据采集与分析，对地层的变形、围岩的应力状态和地表沉降进行评价分析。

第二、本发明通过分块气囊模拟了隧道逐步开挖的围岩应力释放过程，可对隧道动态施工过程对围岩的影响进行监测分析。

第三、本发明通过台架中隔高强玻璃板的拆卸组合，可同时进行两组三维模型试验或一组三维、一组平面模型试验；实现了多功能组合。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明试验台的结构图。

图2为本发明隧道开挖面模拟装置示意图。

图3为本发明隧道开挖卸载模拟装置示意图。

图中：1、钢板底座，2、正面钢板，3、侧面高强玻璃板，4、背面高强玻璃板，5、中隔高强玻璃板Ⅰ，6、中隔高强玻璃板Ⅱ，7、竖向钢立柱，8、高强铝合金连接杆件，9、铝合金杆件，10、监测平台，11、出料口，12、支撑脚轮，13、隧道模型一，14、活塞，15、反力架，16、测角器，17、转动把手，18、压力盒，19、气囊，20、空气压缩机，21、减压阀。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

模型试验装置包括试验台、隧道开挖模拟装置和数据测试及采集装置；其中，试验台用于盛放试验模型。隧道开挖模拟装置包括隧道开挖面模拟装置和隧道开挖卸载模拟装置，隧道开挖面模拟装置用于研究隧道开挖面支护压力过大或过小时，开挖面失稳破坏模式，揭示开挖面极限支护力，隧道开挖卸载模拟装置用于研究隧道动态施工过程地层的动态响应；可根据实验研究目的不同选择安装。数据测试及采集装置用于监测试验过程中试验模型的实时位移和压应力。

下面对以上三部分逐一说明。

试验台

参照图1，所述试验台为顶部开口的矩形箱体，包括钢板底座1及安装于所述钢板底座1上的四个侧部；所述侧部包括正面钢板2、位于所述正面钢板2两侧的侧面高强玻璃板3、及与所述正面钢板2相对的背面高强玻璃板4；

所述钢板底座1上包括有两个与所述背面高强玻璃板4平行设置的预留凹槽；

所述试验台还包括有两个中隔高强玻璃板，分别为中隔高强玻璃板Ⅰ5和中隔高强玻璃板Ⅱ6；所述中隔高强玻璃板对应于所述预留凹槽安装；

所述背面高强玻璃板4和中隔高强玻璃板可拆卸安装；

所述正面钢板2、中隔高强玻璃板及背面高强玻璃板4的相同高度的中间位置设有圆形开口；所述正面钢板靠近下边缘处设有出料口11；

所述试验台还包括有位于所述试验台内部的监测平台10。

在本优选实施例中，所述试验台还包括设置于所述钢板底座1四个顶角处的竖向钢立柱7；所述侧部相对应的边缘与所述竖向钢立柱7连接。所述正面钢板2与所述钢板底座1和竖向钢立柱7焊接连接；所述侧面高强玻璃板3和背面高强玻璃板4的边缘均安装有高强铝合金连接杆件8，且通过螺栓与所述钢板底座1和竖向钢立柱7连接；所述中隔高强玻璃板的上下边缘安装有高强铝合金连接杆件8，下边缘的高强铝合金连接杆件安装于所述钢板底座1的预留凹槽中，上边缘的高强铝合金连接杆件通过螺栓与两侧的侧面高强玻璃板3的上边缘高强铝合金连接杆件连接。监测平台10通过铝合金杆件9与试验台顶部高强铝合金连接杆件连接。

在本优选实施例中，所述试验台还包括有安装于所述钢板底座1下方的支撑脚轮12，本优选实施例中共有8个。能实现试验台的灵活移动以及固定安放。所述背面高强玻璃板4和中隔高强玻璃板均包括上下两块。以便在实验过程中方便添装相似材料。

试验台的具体安装过程为：

先将2个侧面高强玻璃板3安装固定在试验台架上，所述试验台架为焊接在一起的钢板底座1、正面钢板2和竖向钢立柱7，中隔高强玻璃板Ⅰ5、中隔高强玻璃板Ⅱ6和背面高强玻璃板4根据试验需要选择安装：若只需进行三维模型试验，则根据试验尺寸需要安装中隔高强玻璃板Ⅰ5或中隔高强玻璃板Ⅱ6或背面高强玻璃板4，试验在正面钢板2与高强玻璃板之间进行5(或6或4)；若只需进行平面模型试验，则安装中隔高强玻璃板Ⅱ6和背面高强玻璃板4，试验在两玻璃板之间进行；若需同时进行三维和平面模型试验，则安装背面高强玻璃板4和中隔高强玻璃板Ⅱ6(中隔高强玻璃板Ⅰ5根据三维模型尺寸决定是否安装)。

需要说明的是，中隔高强玻璃板Ⅰ5、中隔高强玻璃板Ⅱ6和背面高强玻璃板4均分为上下两块，在添装相似材料之前，所需安装的高强玻璃板只安装下半部分，随着添装相似材料的过程，再安装上半部分，这样便于分层铺装相似材料，并夯实达到要求密度。

相似材料添装完毕后，根据相似材料顶部的高度，调整监测平台10高度并固定在台架顶部。

隧道开挖模拟装置

所述隧道开挖模拟装置包括隧道开挖面模拟装置和隧道开挖模拟装置，隧道开挖面模拟装置和隧道开挖卸载模拟装置是两个独立的装置，不能同时使用，具体根据试验研究目的选择进行安装，下面分别进行说明。

参照图2，在相似材料模型材料添装前，隧道开挖面模拟装置通过圆形开口固定安装于正面钢板上，其中隧道模型一13固定在正面钢板2的内侧，其内径与圆形开口相同，安装位置与圆形开口对应；反力架15固定在正面钢板2的外侧，活塞14安装在隧道模型13内部，测角器16安装在反力架15上，转动把手17与测角器16连接，压力盒18安装在活塞杆件与转动把手杆件之间。在相似材料模型材料添装达到隧道所在高度时，将活塞14位置调整到隧道模型前端，相似材料模型材料添装完毕后，通过转动把手17可控制活塞14的移动，即可实现开挖面的不同失稳破坏模式的模拟。

参照图3，隧道开挖卸载模拟装置中隧道模型二为多个并联圆柱体气囊19，是针对传统整体式气囊无法模拟隧道动态施工过程、人工开挖具有危险性，其突出的特点是稳定、安全、卸载过程可控、能实现隧道的动态开挖。隧道模型气囊19采用预埋的方式，在相似材料添装到一定高度时通过空气压缩机20将充气完毕的隧道模型埋入。试验过程中通过减压阀21调节气囊19内的气压实现气囊卸载开挖。

数据测试及采集装置

所述数据测试及采集装置包括位移传感器、位移数据采集仪、土压力计、土压力数据采集仪、位移图像处理装置和计算机。

所述位移传感器固定于监测平台10上，一端与相似材料上表面接触，另一端连接位移数据采集仪，位移数据采集仪与计算机连接，用于记录所述位移传感器检测获取的实时位移。

所述土压力计安装于模型试验相似材料内部，在填埋相似材料到预定检测位置时，安放土压力计，并与土压力数据采集仪连接，土压力数据采集仪与电脑连接，用于记录所述土压力计检测获取的实时压应力。

所述位移图像处理装置安装于试验台外部，用于记录相似材料位移，通过配套软件得出相似材料位移值。

本发明具体操作方式描述如下：

1、试验前准备工作：准备相似模型材料、各种传感与器件等辅助材料、试验所需各种工具，检查各试验仪器是否正常。

2、试验台组装：根据试验目的组装试验台架玻璃板，中隔高强玻璃板或背面高强玻璃板只安装下半部分。

3、相似材料添装与数据测试及采集装置安装：当进行隧道开挖面稳定性模拟试验时，先逐层添装相似材料并按密度要求压实，添装材料高度达到隧道设置高度时将隧道开挖面模拟装置固定在试验台正面钢板上并将活塞移动至隧道模型前端，然后继续添装相似材料并安装土压力计，材料添装完毕后安装位移传感器于监测平台上；当进行隧道开挖模拟试验时，先逐层添装相似材料并按密度要求压实，添装材料高度达到隧道设置高度时将充气完毕的气囊隧道模型安装在相似材料中，然后继续添装相似材料并安装土压力计，材料添装完毕后安装位移传感器于监测平台上。

传感器安装完毕后，稳定一段时间(根据相似材料调整，一般需要24小时)后，架设位移图像处理装置在试验台外部，将各传感器与对应数据采集仪连接，数据采集仪与家算计连接，开启相应数据采集软件。

4、隧道模型试验：当进行隧道开挖面稳定性模拟试验时，缓慢转动把手，按一定速度使活塞前进(后退)，从而开挖面支护压力逐渐增大(减小)；当进行隧道开挖模拟试验时，通过减压阀逐个缓慢减小并联圆柱体气囊内的气压，模拟隧道动态开挖过程。

5、数据处理：试验过程中土压力计和位移传感器所采集的数据在计算机上能够实时显示，并以电子表格的形式储存于计算机中。位移图像处理装置所采集的数据以图形的形式储存于计算机中并可通过相应软件进行数据处理、绘制位移矢量图和应变云图。

以上为本发明所提供的一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置的具体实施方式，以上实施例的说明只是用于帮助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 (7)

1.一种多功能组合式隧道开挖相似模型试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：试验台、隧道开挖模拟装置和数据测试及采集装置；

所述试验台为顶部开口的矩形箱体，包括钢板底座及安装于所述钢板底座上的四个侧部；所述侧部包括正面钢板、位于所述正面钢板两侧的侧面高强玻璃板、及与所述正面钢板相对的背面高强玻璃板；

所述钢板底座上包括有两个与所述背面高强玻璃板平行设置的预留凹槽；

所述试验台还包括有两个中隔高强玻璃板；所述中隔高强玻璃板对应于所述预留凹槽安装；

所述背面高强玻璃板和中隔高强玻璃板可拆卸安装；

所述正面钢板、中隔高强玻璃板及背面高强玻璃板的相同高度的中间位置设有圆形开口；所述正面钢板靠近下边缘处设有出料口；

所述试验台还包括有位于所述试验台内部的监测平台；

所述隧道开挖模拟装置包括隧道开挖面模拟装置；

所述隧道开挖面模拟装置包括隧道模型一、活塞、反力架、压力盒、测角器、转动把手和力值显示控制仪；所述测角器包括表盘和指针；所述隧道模型一和活塞通过所述圆形开口设置于试验台内部；所述反力架、压力盒、测角器和转动把手设置于试验台外部；所述隧道模型一通过螺栓固定在正面钢板内侧；所述活塞位于隧道模型一内部；所述反力架通过螺栓固定安装在正面钢板外侧；所述压力盒的一端与活塞的杆件连接，另一端与转动把手的杆件连接；所述测角器的表盘固定安装在反力架上，测角器的指针固定在转动把手的杆件上；所述压力盒与力值显示控制仪连接，用于实现开挖面受力的实时监控；

所述隧道开挖模拟装置还包括隧道开挖卸载模拟装置；

所述隧道开挖卸载模拟装置包括隧道模型二、减压阀和空气压缩机；所述隧道模型二为多个并联圆柱体气囊，柱体中心留有圆形空间；所述空气压缩机用于提供空气及压力给所述减压阀；所述减压阀与所述空气压缩机相连，通过调节所述减压阀，使输出给所述圆柱体气囊的空气压力达到预定压力；所述圆柱体气囊与所述减压阀相连，通过调节所述减压阀，减小所述圆柱体气囊的空气压力，可达到控制应力释放率的效果，以模拟隧道的开挖支护过程；

所述数据测试及采集装置包括位移传感器、位移数据采集仪、土压力计、土压力数据采集仪、位移图像处理装置和计算机；所述位移传感器固定安装于所述监测平台上；所述位移数据采集仪的第一端连接所述位移传感器，第二端连接所述计算机；所述土压力计设在所述隧道模型一或隧道模型二周围；所述土压力数据采集仪的第一端连接所述土压力计，第二端连接所述计算机；所述位移数据采集仪、土压力数据采集仪和计算机设在所述试验台外部；所述位移图像处理装置，通过高清数码连续拍摄获得土体变形图像，再通过软件处理后获得土体变形数据。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验台还包括设置于所述钢板底座四个顶角处的竖向钢立柱；所述侧部相对应的边缘与所述竖向钢立柱连接。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述正面钢板与所述钢板底座和竖向钢立柱焊接连接。

4.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述侧面高强玻璃板和背面高强玻璃板的边缘均安装有高强铝合金连接杆件，且通过螺栓与所述钢板底座和竖向钢立柱连接；所述中隔高强玻璃板的上下边缘安装有高强铝合金连接杆件，下边缘的高强铝合金连接杆件安装于所述钢板底座的预留凹槽中，上边缘的高强铝合金连接杆件通过螺栓与两侧的侧面高强玻璃板的上边缘高强铝合金连接杆件连接。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验台还包括有安装于所述钢板底座下方的支撑脚轮。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述背面高强玻璃板和中隔高强玻璃板均包括上下两块。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述转动把手每转1圈，所述测角器转动360°，所述活塞移动1mm。