CN108872530B - 一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟非对称小净距隧道分部开挖过程的大型模型试验装置，包括模型箱，加载及控制系统，开挖模拟系统和数据监测系统。所述模型箱体外壁由钢结构加载板拼装而成，各加载板之间通过高强度螺栓连接成整体并在外部设置支撑。箱体可实现上部和侧边三个方向加载，通过液压油源系统及加载作动器提供压力。箱体上部设置了加载顶梁，两侧边设置反力墙，通过多个加载作动器和连接杆实现加载过程。所述模型箱内填筑砂土作为地层条件，内置两条气囊‑支护结构模拟非对称小净距隧道。本发明通过控制加载力大小来模拟小净距隧道在不同埋深及不同侧压力情况下的开挖工况，为非对称小净距隧道开挖过程中围岩压力变化及地层变形机理提供更全面认识。
Description
技术领域
本发明属于岩土与地下工程试验技术领域，具体来说，涉及到一种用来模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，可以用来模拟非对称小净距隧道开挖过程中围岩压力及地层位移的规律，从而为隧道设计与施工方案的优化提供借鉴。
背景技术
随着城市地下空间的大规模开发，出现了大量小净距隧道工程，有些是多线并行的小净距隧道群，有些甚至是结构不对称的。而小净距隧道具有结构受力复杂，施工工序繁多，围岩应力变化和支护荷载转换频繁等特点，对隧道施工和运营安全造成极大挑战，同时也对施工安全与隧道结构设计提出更高的标准与要求。因此针对小净距隧道开挖过程中围岩压力等变化的规律性研究无疑能从机理上更科学的解释隧道力学原理，从而为实际小净距隧道工程的建设提供更科学合理的指导。
通过模型试验可以客观真实地模拟隧道开挖过程中围岩压力的变化规律和地层的变形状态。现有的关于隧道开挖过程模拟的模型试验研究大都为单洞隧道开挖试验或连拱隧道开挖试验，部分关于小净距隧道开挖的模型试验研究也往往是针对实际工程进行的，主要还存在以下不足之处：
1、现有模拟小净距隧道开挖的模型试验装置空间较小，受尺寸效应等影响明显，其试验结果往往不能够更加真实地反映实际情况，难以实现大比例尺小净距隧道开挖模型试验的研究。
2、当前小净距隧道开挖模型试验对工程中规律性的问题提炼不够，没有充分利用同一试验平台对不同埋深条件下的小净距隧道开挖过程，尤其是非对称小净距隧道的开挖过程进行系统研究。关注点大都集中在对隧道围岩的破坏模式和破坏机理的研究上，对试验过程中的地层位移关注度亦不够。
本发明研制一整套模拟非对称小净距隧道开挖过程的模型试验平台，包括模型箱，加载及控制系统，开挖模拟系统和数据监测系统。能够实现对均匀地层中不同埋深条件下非对称小净距隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形机理进行模拟研究。
发明内容
本发明利用自主设计的能够模拟均匀地层非对称小净距隧道开挖过程的试验装置，可以获得小净距隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形规律，主要解决了以下技术问题：(1)模拟箱体的简便安装与操作。岩土工程领域的模型试验通常都需要体积比较庞大的模型箱来实现，因此，模型箱的制作与安装往往比较繁琐复杂。本试验模型箱采用1米见方的预制钢结构加载板拼装而成，实现了模型箱的简单拼装与拆卸，不仅操作简易，而且能够回收利用，节约试验成本。(2)不同埋深条件及不同侧压力情况的实现。模型试验箱通过液压油源系统提供压力，同时经液压协调加载控制系统控制加载作动器，为模型箱提供0-2MPa的加载压力，实现了从浅埋到深埋不同埋深条件下的小净距隧道开挖过程的模拟研究。同时，通过改变侧向压力和竖向压力之间大小的比例关系，对不同侧压力条件下的开挖过程进行模拟。(3)双洞隧道开挖过程的精确实现。模型箱内设置两条直径不同的PVC管道模拟非对称小净距隧道支护，两条管道内分别利用半径大小与试验设计隧道半径大小相同的两条圆柱形气囊来模拟隧道开挖，与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，对周围土体扰动程度更小，且能够利用气体压力赋予等效地层压力。(4)围岩压力及变形实时监测。本发明采用自动化应变位移及压力数据采集系统对开挖过程中的围岩压力及地层变形等进行量测，能够实时全程记录模型观测面范围内任意点的压力或位移情况，操作便利、精度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；包括模型箱与地层系统，加载及控制系统，非对称小净距隧道结构模拟系统，隧道开挖模拟系统，地层位移监测系统，土压力监测系统；
模型箱与地层系统，包括钢结构的加载板，侧向的支撑钢管，拉梁，砂土；加载板之间通过螺栓进行连接；
加载及控制系统，包括36只400吨行程的170毫米作动器，连接杆，液压协调加载控制系统；
隧道开挖模拟系统，包括两条不同直径的橡胶气囊，导气管，空气压缩机，气压表，金属法兰，钢管，阀门；
地层位移监测系统，也即接触式位移测量分析系统，包括阵列式位移计，导线，转换器和控制计算机；阵列式位移计按试验设计位置分别监测两条隧道拱顶上部横向土层位移；
土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测隧道衬砌拱顶、拱腰与仰拱位置的土压力；
加载板与加载板之间，加载板与支撑钢管之间，加载板与拉梁之间均通过螺栓进行连接，拼装成长4米，宽3米，高4米，体积为48立方米的模型箱。在模型箱非加载端的侧壁上分别连接九根侧向支撑钢管，支撑钢管一端通过M70*300型T型槽螺栓与T型槽相连，另一端通过M30*80螺栓与非加载端侧壁相连。在非加载端外壁上开3个直径4厘米的孔洞，该孔洞用作出线孔。
非对称小净距隧道结构系统采用两条直径不同的PVC材质的圆形管道模拟，在满足应力相似条件下，通过薄壳理论得到管道设计为厚度10mm。
加载系统中，采用400吨行程为170毫米作动器进行加载，侧向作动器通过连接杆安装在反力墙上，顶部作动器同样通过连接杆安装在模型顶部反力梁上，作动器加载端与模型箱加载板上传力垫块相连。控制系统是72通道液压协调加载控制系统，单通道信号输出分辨率优于0.01Hz，共通过两个测试服务机柜进行控制。
隧道开挖模拟系统中，通过气囊放气来模拟隧道开挖过程。两条气囊采用橡胶材料制成，直径大小分别与圆形管道的大小相同，不加约束时承载力能达到0.2MPa以上，其强度和耐久性均满足试验要求。
与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，利用气囊系统模拟开挖过程能使模型隧道均匀卸载，对周围土体扰动程度更小，而且通过气体压力的作用能够等效赋予地层压力，与传统的试验方法相比，在开挖机理上更符合实际工程。
气囊整体放置在管道内部，每条气囊端部均设置有金属法兰，金属法兰上连接有圆形钢管，圆形钢管再通过塑料导气管与空气压缩机相连，用于给气囊充气。空气压缩机采用常规的活塞式空压机、可提供0.8MPa的最大压力。通过阀门控制放气过程来模拟隧道开挖卸载过程，压力表实时读取气囊内部压力值。
模型箱与地层系统，砂土分20层填入模型箱并夯实，每层填筑高度为20厘米，夯筑时通过控制每层土体的质量来控制夯实密度。
地层变形测量系统，采用阵列式位移计监测土体位移，该系统能够实时全程记录位移计布设范围内任意点三个方向的位移值，操作便利、精度高。
附图说明
图1：一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置正立面图；
图2：一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置侧立面图；
图3：一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置俯视图；
图4：一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置1-1剖面图；
图中：1.抗压钢板，2.加载板，3.高强螺栓，4.传力垫块，5.拉梁，6.侧向支撑钢管，7.T型槽螺栓，8.作动器，9.反力墙，10.砂土，11.PVC管道，12.橡胶气囊，13.PU导气管，14.空气压缩机，15.阀门，16.压力表，17.阵列式位移计，18.出线孔，19.计算机，20.连接杆，21.顶梁，22.液压协调加载控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明：
如图1-4所示即为本发明所采用的核心，即一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，包括模型箱与地层系统，加载及控制系统，非对称小净距隧道结构模拟系统，隧道开挖模拟系统，地层位移监测系统，土压力监测系统。具体操作过程如下：
一、模型箱装配。
首先在模型箱底部铺设抗压钢板1，之后按照加载板2的编号依次安装第一层加载板、第二层加载板、第三层加载板，使用M30*80高强螺栓3将各个加载板2之间进行连接，调整好加载板前面位置使全部加载板前面在一个平面上，使之垂直度、与反力墙面的平行度均符合要求，并且使加载板与相应位置的作动器前面传力垫块4用高强螺栓3可靠连接。在最上排两个方向的加载板上分别安装拉梁5，以增强加载端加载板的整体性。侧向支撑钢管6的一端用高强螺栓固定在非加载端的加载板上，另一端通过M70*300型T型槽螺栓7与T型槽相连，防止试验时加载板倾倒。
二、侧向加载系统安装。
如图3，在两个侧向加载方向各安装12只400吨行程170毫米作动器8，作动器8一端和传力垫块4用高强螺栓3相连，另一端通过连接杆20，用高强螺栓3固定在实验室反力墙9上。
三、均匀地层材料(砂土)填筑。
为减小模型箱内壁与地层材料之间的摩擦，在模型箱内壁贴一层光面自粘墙纸，然后添加地层材料，即砂土10，材料添加时要分层夯实，砂土共分20层填入模型箱并夯实，每层填筑高度为20厘米，夯筑时通过控制每层土体的质量来控制夯实密度。
四、安装非对称小净距隧道开挖系统。
在砂土10填筑到开挖位置时，放置直径不同的两条PVC管道11来模拟小净距隧道的支护结构，PVC管道11内放置两条与管道直径相同的圆柱形橡胶气囊12，圆柱形橡胶气囊12一端安装有法兰及10厘米长圆形钢管，通过塑料导气管13与空气压缩机14相连。塑料导气管13上安装控制阀门15及气压表16，用来控制圆柱形橡胶气囊12充放气及读取圆柱形橡胶气囊12内部气压力值，从而模拟隧道开挖过程。
五、土压力及土体位移监测系统植入。
夯实过程中按照测点设计位置布置土压力监测系统及阵列式位移计17，分别用来监测土层压力和位移。所有传感器的线路通过加载板上的出线孔18引到模型箱外部，传感器数据均通过计算机19进行自动化采集。
六、顶部加载系统安装。
砂土10填筑结束后，直接在砂土上安放顶部加载板2，通过高强螺栓3与12只顶部作动器8相连，作动器8的另一端通过连接杆20与试验室顶梁21相连。作动器全部就位后与液压协调加载控制器22的服务机柜相连。试验时通过液压协调加载控制器22来控制作动器加卸载过程。
七、隧道开挖与数据采集。
首先在非加载情况下用空气压缩机14对气囊12进行充气，充气压力与上部土层重量相平衡。静置，同时运行阵列式位移计监测系统和土压力监测系统。打开阀门对气囊进行放气，模拟隧道开挖卸载过程。试验时，先释放大直径管道内气囊气体压力，待压力表16读数为零后开始释放小直径管道内气囊压力，全部气体释放完全后，小净距隧道的开挖过程结束。
之后控制作动器8对模型箱两个侧面和顶部进行加载，分别施加0.5MPa、1MPa、1.5MPa和2MPa的力，来模拟不同埋深条件下的工程情况。重复充放气过程，来模拟小净距隧道开挖施工，同时对地层变形和压力数据进行实时监测采集。
Claims (5)
1.一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；包括模型箱与地层系统，加载及控制系统，非对称小净距隧道结构模拟系统，隧道开挖模拟系统，地层位移监测系统，土压力监测系统；
模型箱与地层系统，包括钢结构的加载板，侧向的支撑钢管，拉梁，砂土；加载板之间通过螺栓进行连接；
加载及控制系统，包括36只400吨行程为170毫米作动器，连接杆，液压协调加载控制系统；
隧道开挖模拟系统，包括两条不同直径的橡胶气囊，导气管，空气压缩机，气压表，金属法兰，钢管，阀门；
地层位移监测系统，也即接触式位移测量分析系统，包括阵列式位移计，导线，转换器和控制计算机；阵列式位移计按试验设计位置分别监测两条隧道拱顶上部横向土层位移；
土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测隧道衬砌拱顶、拱腰与仰拱位置的土压力；
加载板与加载板之间，加载板与支撑钢管之间，加载板与拉梁之间均通过螺栓进行连接，拼装成长4米，宽3米，高4米，体积为48立方米的模型箱；在模型箱非加载端的侧壁上分别连接九根侧向支撑钢管，支撑钢管一端通过M70*300型T型槽螺栓与T型槽相连，另一端通过M30*80螺栓与非加载端侧壁相连；在非加载端外壁上开3个直径4厘米的孔洞，该孔洞用作出线孔；
非对称小净距隧道结构系统采用两条直径不同的PVC材质的圆形管道模拟，在满足应力相似条件下，通过薄壳理论得到管道设计为厚度10mm；
加载系统中，采用400吨行程为170毫米作动器进行加载，侧向作动器通过连接杆安装在反力墙上，顶部作动器同样通过连接杆安装在模型顶部反力梁上，作动器加载端与模型箱加载板上传力垫块相连；控制系统是72通道液压协调加载控制系统，单通道信号输出分辨率优于0.01Hz，共通过两个测试服务机柜进行控制；
隧道开挖模拟系统中，通过气囊放气来模拟隧道开挖过程；两条气囊采用橡胶材料制成，直径大小分别与圆形管道的大小相同，不加约束时承载力能达到0.2MPa以上，其强度和耐久性均满足试验要求。
2.根据权利要求1所述的一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；气囊整体放置在管道内部，每条气囊端部均设置有金属法兰，金属法兰上连接有圆形钢管，圆形钢管再通过塑料导气管与空气压缩机相连，用于给气囊充气；空气压缩机采用常规的活塞式空压机、可提供0.8MPa的最大压力；通过阀门控制放气过程来模拟隧道开挖卸载过程，压力表实时读取气囊内部压力值。
3.根据权利要求1所述的一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；模型箱与地层系统，砂土分20层填入模型箱并夯实，每层填筑高度为20厘米，夯筑时通过控制每层土体的质量来控制夯实密度。
4.根据权利要求1所述的一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；地层变形测量系统，采用阵列式位移计监测土体位移，该系统能够实时全程记录位移计布设范围内任意点三个方向的位移值。
5.根据权利要求1所述的一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置，其特征在于；具体操作过程如下：
一、模型箱装配；
首先在模型箱底部铺设抗压钢板(1)，之后按照加载板(2)的编号依次安装第一层加载板、第二层加载板、第三层加载板，使用M30*80高强螺栓(3)将各个加载板(2)之间进行连接，调整好加载板前面位置使全部加载板前面在一个平面上，使之垂直度、与反力墙面的平行度均符合要求，并且使加载板与相应位置的作动器前面传力垫块(4)用高强螺栓(3)可靠连接；在最上排两个方向的加载板上分别安装拉梁(5)，以增强加载端加载板的整体性；侧向支撑钢管(6)的一端用高强螺栓固定在非加载端的加载板上，另一端通过M70*300型T型槽螺栓(7)与T型槽相连，防止试验时加载板倾倒；
二、侧向加载系统安装；
在两个侧向加载方向各安装12只400吨行程170毫米作动器(8)，作动器(8)一端和传力垫块(4)用高强螺栓(3)相连，另一端通过连接杆(20)，用高强螺栓(3)固定在实验室反力墙(9)上；
三、均匀地层材料填筑；
为减小模型箱内壁与地层材料之间的摩擦，在模型箱内壁贴一层光面自粘墙纸，然后添加地层材料，即砂土(10)，材料添加时要分层夯实，砂土共分20层填入模型箱并夯实，每层填筑高度为20厘米，夯筑时通过控制每层土体的质量来控制夯实密度；
四、安装非对称小净距隧道开挖系统；
在砂土(10)填筑到开挖位置时，放置直径不同的两条PVC管道(11)来模拟小净距隧道的支护结构，PVC管道11内放置两条与管道直径相同的圆柱形橡胶气囊(12)，圆柱形橡胶气囊(12)一端安装有法兰及10厘米长圆形钢管，通过塑料导气管(13)与空气压缩机(14)相连；塑料导气管(13)上安装控制阀门(15)及气压表(16)，用来控制圆柱形橡胶气囊12充放气及读取圆柱形橡胶气囊(12)内部气压力值，从而模拟隧道开挖过程；
五、土压力及土体位移监测系统植入；
夯实过程中按照测点设计位置布置土压力监测系统及阵列式位移计(17)，分别用来监测土层压力和位移；所有传感器的线路通过加载板上的出线孔(18)引到模型箱外部，传感器数据均通过计算机(19)进行自动化采集；
六、顶部加载系统安装；
砂土(10)填筑结束后，直接在砂土上安放顶部加载板(2)，通过高强螺栓(3)与12只顶部作动器(8)相连，作动器(8)的另一端通过连接杆20与实验室顶梁(21)相连；作动器全部就位后与液压协调加载控制器(22)的服务机柜相连；试验时通过液压协调加载控制器(22)来控制作动器加卸载过程；
七、隧道开挖与数据采集；
首先在非加载情况下用空气压缩机(14)对气囊(12)进行充气，充气压力与上部土层重量相平衡；静置，同时运行阵列式位移计监测系统和土压力监测系统；打开阀门对气囊进行放气，模拟隧道开挖卸载过程；试验时，先释放大直径管道内气囊气体压力，待压力表(16)读数为零后开始释放小直径管道内气囊压力，全部气体释放完全后，小净距隧道的开挖过程结束；
之后控制作动器(8)对模型箱两个侧面和顶部进行加载，分别施加0.5MPa、1MPa、1.5MPa和2MPa的力，来模拟不同埋深条件下的工程情况；重复充放气过程，来模拟小净距隧道开挖施工，同时对地层变形和压力数据进行实时监测采集。
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