CN110275008B - 一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法，模型包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置；试验方法包括：1)制备蜡块层并修剪排列得到蜡块；2)填土并将蜡块置于土体中部；3)搭建试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置；4)采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖；5)利用试块全表面位移场观测装置观测土体位移变化。与现有技术相比，本发明提高了隧道分段分步开挖工序模拟的可行性和真实性，解决了降雨模拟中降雨量和降雨方式的控制及稳定性问题，提高了试块全表面位移变形场的观测分析的精确度；本发明可实现多次重复利用，具有适用范围广，试验步骤简单高效等优点。

Description

一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法

技术领域

本发明属于物理模型试验方法技术领域，涉及一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法。

背景技术

物理模型试验是研究隧道科学的一个重要手段，目前已有一个成熟、完整的试验系统，包括模型试验设备、模型材料、试验加载方法与量测技术等各部分，是在地下工程中常用的试验方法。物理模型由于是真实的物理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真实、全面、直观、准确地反映隧道开挖过程中围岩支护体系各方面的变化和影响，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。一方面可以与数学模型相互验证.另一方面也为发现一些新的力学现象和规律，为建立新的计算理论和数学模型提供重要的依据。

目前，在物理模型试验系统各部分中主流的隧道开挖方法有机械掘进法、直接开挖法、熔蜡法等。机械掘进法主要针对圆形隧道，且很多时候筒状掘进机构会对已经开挖的围岩有一定的约束作用；直接开挖法需要人接近试块操作，对仪器观测有一定影响，并且较难保持隧道纵向轴线平直和开挖断面规整；熔蜡法则效率较低，花费时间较长，且熔蜡方向不易控制。传统降雨模拟则在水流流量控制和降雨模式、降雨稳定性上需要加强考虑。传统的模型试验位移变形多采用位移测量仪来进行监测，其便于获得某几个关键节点的参数，但得不到模型试块整体的位移场，因此，具备全场和局部变形测量、非接触测量、对场地要求不高、实现简单、应用范围广等特点的数字图像处理法(DIC)和粒子图像测速法(PIV)等依靠高清图像分析全场位移变形的技术被引入模型试验观测中。DIC高清图像处理技术又叫数字散斑处理法，需要在观测面布置大量的散斑，散斑的质量决定了分析精度；而PIV高清图像处理技术则不需要布置散斑，操作更加简单，更容易实现。

物理模型试验由各部分模块化的组成一个试验系统，每个部分模块的优化和创新都会对试验整体产生积极影响，降雨方法、开挖方法和位移变形观测方法能够独立的组成一个模型试验系统，也能作为整体模块加入模型试验系统。随着模型试验要求工况越来越复杂化、非常规化，模拟降雨对隧道位移的影响，模拟非圆形隧道的开挖，更全面的观测位移变形数据成为新的需求，也是优化模型试验系统的一个挑战。因此，研发一种能够模拟非圆形隧道开挖过程，模拟可控可调节式降雨过程，并全面观测模型位移变形场的试验方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置，所述的隧道分段开挖模拟装置包括土体、设置于土体中的蜡块以及与蜡块相适配的长杆挖掘机构。

针对非圆形隧道分段分步开挖过程模拟困难问题，采用隧道分段开挖模拟装置模拟实际隧道分段开挖过程；针对可控可调节式降雨过程模拟困难问题，采用可控式降雨模拟装置模拟不同的降雨条件；针对模型观测分析精度较低问题，采用试块全表面位移场观测装置观测在模拟隧道开挖过程中，隧道分段开挖模拟装置中围岩支护体系——土体的变化情况。

采用蜡块模拟待挖掘隧道部分土体，并用长杆挖掘机构对蜡块进行开挖，模拟实际开挖过程。蜡块的轴向方向与开挖方向相一致，蜡块的轴向总厚度与土体的填土深度及所模拟隧道长度相一致。

作为优选的技术方案，所述的土体的端面设计成正四边形，规整的端面有利于模型的定量观测。

作为优选的技术方案，所述的隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置可与一般模型试验其它部分相结合，以提高模型的应用范围。

进一步地，所述的蜡块包括多个沿开挖方向依次设置的蜡块层。蜡块每一蜡块层的厚度与模拟分段开挖每一步的进尺深度相一致。

作为优选的技术方案，所述的蜡块与蜡块层可采用不同的形状及厚度，以满足不同隧道形式及试验要求，以适用于各种圆形隧道及非圆形隧道分段的开挖模拟。

作为优选的技术方案，所述的蜡块层可采用如下方法制备：将熔化的蜡液倒入底面平整的容器中，液面高度与进尺深度相等，冷却，待蜡块层硬化至成形稍软，将蜡块取出并按隧道外轮廓进行修整，用平整重物轻压，保证蜡块前后面保持平整。

进一步地，所述的长杆挖掘机构包括长杆电烙铁及长杆耙子，所述的长杆电烙铁包括长杆及设置于长杆一端的电烙铁。采用长杆电烙铁通过高温切割使蜡块熔化，从而将小蜡块从大蜡块上逐层切割分离，实现精确快速地分段开挖；每层蜡块按隧道分部开挖工序逐一切割出相应小蜡块，当小蜡块与大蜡块脱离不受力后，使用长杆耙子远距离轻轻将其耙出，从而实现分部开挖；同时长杆的使用可以避免影响模型观测，达到非接触式挖掘的效果。

作为优选的技术方案，所述的电烙铁选择直头、弯头等多种形式，切割顺序由分部开挖工序自由选择，可用于各种隧道分部开挖的模拟。

进一步地，所述的可控式降雨模拟装置包括设置于土体外部的喷淋支架及设置于喷淋支架上的喷淋机构，所述的喷淋机构包括位于土体上方的喷头以及设置于喷头与外部水源之间的输水管路。外部水源通过输水管路向喷头供水，并通过喷头向土体喷淋，模拟降雨过程。

作为优选的技术方案，所述的喷头上设有喷头控制组件，喷头控制组件包括调节开关及球形连接头。调节开关可采用与市面上花洒转换开关相同的开关部件，用于调控出水方式，球形连接头用于控制喷头的喷淋方向，分别用于模拟不同降雨类型及降雨方向。

进一步地，所述的输水管路包括与外部水源连接的主水管、分水部件及多个分支水管，所述的主水管通过分水部件分别与多个分支水管连接，所述的分支水管与相应喷头连接。设置多个喷头使得喷淋范围以尽可能覆盖整个土体，从而更加贴近实际降雨效果。

作为优选的技术方案，所述的每一个喷头至主输水管之间每一支路上，相应配件的数量及类型相同，所述的相应每一段分支水管长度相一致，以尽可能保证每条支路上的水流量相同，进而使得每个喷头的出水量相同。

作为优选的技术方案，所述的分水部件可以采用铜制三通管，所述的喷头连接件采用铜制直角管接头，采用铜制设备以保证设备的耐腐蚀性。

作为优选的技术方案，所述喷淋机构可包含多个串联的三通阀，以增加末端的喷头数量，增强喷淋均匀程度。

作为优选的技术方案，所述的主水管上设有流量调节组件，所述的流量调节组件包括流量计及流量阀，流量计用于实时监测流量，并通过流量阀调节流量，从而实现模拟降雨量的定量调控。

作为优选的技术方案，所述的流量计采用液体涡轮流量计，以保证实时流量监测控制的精确性。

进一步地，所述的喷淋支架包括底座、可拆卸设置于底座上的竖撑及可拆卸设置于竖撑上的横撑，所述的横撑上设置有多个卡扣，所述的分支水管与喷头之间设有喷头连接件，所述的卡扣与喷头连接件可拆卸连接。喷淋支架用于支撑喷淋机构，以保证喷淋机构的稳定性，并通过卡扣稳固连接喷头，从而增强喷淋效果的稳定性。

作为优选的技术方案，所述的底座、竖撑及横撑由不锈钢方管焊接而成，轻便可靠。

作为优选的技术方案，所述的底座、竖撑及横撑通过设置于各部件上的嵌套头嵌套连接，结构简单，方便拆卸搬运。

作为优选的技术方案，所述的卡扣在横撑上的分布采用等间距分布，使得喷头可以均匀的分布在横撑上，使得土体上的喷淋效果更加均匀，更贴近实际降雨效果，提高模拟降雨的真实性。

进一步地，所述的试块全表面位移场观测装置包括设置于土体上的多个靶点及设置于土体外并与靶点相适配的相机，所述的相机与靶点相对设置，并能清楚连续拍摄采集靶点的位移情况及土体的变形情况，采用靶点作为模型的观测基准点和分析控制点，并通过相机记录，以监测隧道开挖过程中土体的变化情况，从而准确记录开挖过程对土体产生的影响。

作为优选的技术方案，所述的相机设置于支座上，以提高装置稳定性，减少分析测量误差，增强土体变化情况定量分析结果的可靠性。

作为优选的技术方案，采用基于粒子图像测速法的数字照相量测分析软件PhotoInfor软件对相机记录的照片进行分析处理，以得到靶点位移的定量分析结果，以反映土体的变化情况。

进一步地，所述的靶点设置于土体端面的角点并构成正四边形角点，更加有效地协助相机拍摄记录隧道挖掘过程中土体的变化情况。

一种基于可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型的试验方法，包括以下步骤：

1)制备蜡块层并修剪排列得到蜡块。蜡块层的厚度为模拟分段开挖每一步的进尺深度，蜡块的外形及轴向总厚度与模拟隧道外轮廓及隧道长度相一致。

2)在蜡块四周填筑土体，并使蜡块位于土体中部。

3)搭建与土体相适配的试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置。具体为在土体端面的角点设置靶点，并在靶点对面设置支座与相机；搭建喷淋支架与喷淋装置，通过启动或关闭喷淋装置以模拟雨天或晴天的开挖条件，通过流量计实时监测流量，通过流量阀调节流量，通过喷头控制组件控制喷头出水方式及出水方向，模拟不同降雨条件。

4)采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖。操作长杆电烙铁切割蜡块，采用长杆耙子收集切割下的蜡块。

5)利用试块全表面位移场观测装置观测土体位移变化。相机拍摄记录试验过程靶点的位置变化。配合基于粒子图像测速法的数字照相量测分析软件，定量分析隧道挖掘过程土体表面的位移情况。

作为优选的技术方案，所述的土体可取自待施工场地，以增强模型的可靠性。

作为优选的技术方案，所述的步骤2)中土体的填筑可采用如下方法：沿竖直方向填筑部分土体，并使其达到设计要求密度；在土体上中间位置放置蜡块，确保蜡块不因下方土体松动而在竖直方向上发生移动；在蜡块左右两侧及上侧对称填筑土体，并使其达到设计要求密度，以确保蜡块不左右移动，保证试验过程中模型的稳定性。

进一步地，在进行步骤4)之前，启动可控式降雨模拟装置，并调节流量调节组件和喷头控制组件模拟不同降雨条件。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明基于原有物理模型试验方法，利用模块化思维、图像处理技术和常见生活用品对其中关键的开挖模拟、降雨模拟、位移变形场观测进行改进，极大的增加了试验可实施性、便捷性。该方法三个部分相互匹配、互不干扰，既能单独作为模型试验系统，又能作为独立部分加入模型试验系统，极大的提高了模型试验的模拟质量；

2)本发明在非圆形隧道开挖模拟方面实现了对周围围岩扰动小，隧道规整，分段分步开挖工序明显，开挖过程方便可行，更好的实现了对隧道开挖的模拟，操作简单可行，极大的提高了开挖模拟的质量；

3)本发明在降雨模拟方面实现了降雨流量和模式控制，同时确保降雨过程更加稳定，提高了降雨模拟的可控性；

4)本发明在观测方面实现了较为简单的全场面位移变形场观测，简便易行；

5)本发明可实现多次重复利用，并适用于多种情况，适用范围广，依靠常见用品组合而成，节省材料，节约试验成本，且试验步骤简单高效，尤其是开挖步骤，大大缩短了隧道开挖模拟的时间。

附图说明

图1为本发明中的隧道分段开挖模拟装置的结构示意图；

图2为本发明中的纵向分块蜡块的结构示意图；

图3为本发明中的降雨模拟装置的结构示意图；

图4为本发明中的蜡块分部开挖过程中，在切割状态下的结构示意图；

图5为本发明中的蜡块分部开挖过程中，在挖掘状态下的结构示意图；

图6为本发明中的试块全表面位移场观测装置的结构示意图；

图7为本发明中的底座结构示意图；

图8为本发明中的竖撑结构示意图；

图9为本发明中的横撑结构示意图；

图中标记说明：

1—蜡块、2—喷头、3—喷头连接件、4—分支水管、5—分水部件、6—流量调节组件、7—横撑、8—竖撑、9—底座、10—长杆、11—电烙铁、12—靶点、13—长杆耙子、14—相机、15—支座、16—卡扣、17—嵌套头、18—土体、19—主水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置，隧道分段开挖模拟装置包括土体18、设置于土体18中的蜡块1以及与蜡块1相适配的长杆挖掘机构。

采用隧道分段开挖模拟装置模拟实际隧道分段开挖过程，采用可控式降雨模拟装置模拟不同的降雨条件，采用试块全表面位移场观测装置观测在模拟隧道开挖过程中，隧道分段开挖模拟装置中围岩支护体系——土体18的变化情况。

采用蜡块1模拟待挖掘隧道部分土体18，并用长杆挖掘机构对蜡块1进行开挖，模拟实际开挖过程。蜡块1的轴向方向与开挖方向相一致，蜡块1的轴向总厚度与土体18的填土深度及所模拟隧道长度相一致。

土体18的端面设计成正四边形，规整的端面有利于模型的定量观测。

如图2所示的蜡块1包括多个沿开挖方向依次设置的蜡块层。蜡块1每一蜡块层的厚度与模拟分段开挖每一步的进尺深度相一致。

蜡块2与蜡块层可采用不同的形状及厚度，以满足不同隧道形式及试验要求，以适用于各种圆形隧道及非圆形隧道分段的开挖模拟。

蜡块层可采用如下方法制备：将熔化的蜡液倒入底面平整的容器中，液面高度与进尺深度相等，冷却，待蜡块层硬化至成形稍软，将蜡块取出并按隧道外轮廓进行修整，用平整重物轻压，保证蜡块前后面保持平整。

长杆挖掘机构包括长杆电烙铁及长杆耙子13，长杆电烙铁包括长杆10及设置于长杆10一端的电烙铁11。如图4所示，采用长杆电烙铁通过高温切割使蜡块1 熔化，从而将小蜡块从大蜡块上逐层切割分离，实现精确快速地分段开挖；如图5 所示，每层蜡块1按隧道分部开挖工序逐一切割出相应小蜡块，当小蜡块与大蜡块脱离不受力后，使用长杆耙子13远距离轻轻将其耙出，从而实现分部开挖；同时长杆10的使用可以避免影响模型观测，达到非接触式挖掘的效果。

电烙铁11选择直头、弯头等多种形式，切割顺序由分部开挖工序自由选择，可用于各种隧道分部开挖的模拟。

如图1所示的可控式降雨模拟装置包括设置于土体18外部的喷淋支架及设置于喷淋支架上的喷淋机构，如图3所示的喷淋机构包括位于土体18上方的喷头2 以及设置于喷头2与外部水源之间的输水管路。外部水源通过输水管路向喷头2 供水，并通过喷头2向土体18喷淋，模拟降雨过程。

喷头2上设有喷头控制组件，喷头控制组件包括调节开关及球形连接头。调节开关可采用与市面上花洒转换开关相同的开关部件，用于调控出水方式，球形连接头用于控制喷头2的喷淋方向，分别用于模拟不同降雨类型及降雨方向。

输水管路包括与外部水源连接的主水管19、分水部件5及多个分支水管4，主水管19通过分水部件5分别与多个分支水管4连接，分支水管4与相应喷头2连接。设置多个喷头2使得喷淋范围以尽可能覆盖整个土体18，从而更加贴近实际降雨效果。

每一个喷头2至主输水管19之间每一支路上，相应配件的数量及类型相同，相应每一段分支水管4长度相一致，以尽可能保证每条支路上的水流量相同，进而使得每个喷头2的出水量相同。

分水部件5可以采用铜制三通管，喷头连接件3采用铜制直角管接头，采用铜制设备以保证设备的耐腐蚀性。

所述喷淋机构可包含多个串联的三通阀，以增加末端的喷头2数量，增强喷淋均匀程度。

主水管19上设有流量调节组件6，流量调节组件6包括流量计及流量阀，流量计用于实时监测流量，并通过流量阀调节流量，从而实现模拟降雨量的定量调控。

流量计采用液体涡轮流量计，以保证实时流量监测控制的精确性。

喷淋支架包括如图7所示的底座9、可拆卸设置于底座9上的如图8所示的竖撑8及可拆卸设置于竖撑8上的如图9所示的横撑7，横撑7上设置有多个卡扣16，分支水管4与喷头2之间设有喷头连接件3，卡扣16与喷头连接件3可拆卸连接。喷淋支架用于支撑喷淋机构，以保证喷淋机构的稳定性，并通过卡扣16稳固连接喷头2，从而增强喷淋效果的稳定性。

底座9、竖撑8及横撑7由不锈钢方管焊接而成，轻便可靠。

底座9、竖撑8及横撑7通过设置于各部件上的嵌套头17嵌套连接，结构简单，方便拆卸搬运。

卡扣16在横撑7上的分布采用等间距分布，使得喷头2可以均匀的分布在横撑7上，使得土体18上的喷淋效果更加均匀，更贴近实际降雨效果，提高模拟降雨的真实性。

如图6所示的试块全表面位移场观测装置包括设置于土体18上的多个靶点12 及设置于土体18外并与靶点12相适配的相机14，相机14与靶点12相对设置，并能清楚连续拍摄采集靶点12的位移情况及土体18的变形情况，采用靶点12作为模型的观测基准点和分析控制点，并通过相机记录，以监测隧道开挖过程中土体 18的变化情况，从而准确记录开挖过程对土体18产生的影响。

相机14设置于支座15上，以提高装置稳定性，减少分析测量误差，增强土体 18变化情况定量分析结果的可靠性。

采用基于粒子图像测速法PIV的数字照相量测分析软件PhotoInfor软件对相机记录的照片进行分析处理，以得到靶点12位移的定量分析结果，以反映土体18 的变化情况。

靶点12设置于土体18端面的角点并构成正四边形角点，更加有效地协助相机 14拍摄记录隧道挖掘过程中土体18的变化情况。

一种基于可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型的试验方法，包括以下步骤：

1)制备蜡块层并修剪排列得到蜡块1；蜡块层的厚度为模拟分段开挖每一步的进尺深度，蜡块1的外形及轴向总厚度与模拟隧道外轮廓及隧道长度相一致。

2)在蜡块1四周填筑土体18，并使蜡块1位于土体18中部。

3)搭建与土体18相适配的试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置；具体为在土体18端面的角点设置靶点12，并在靶点12对面设置支座15与相机14；搭建喷淋支架，通过嵌套头17连接底座9、竖撑8及横撑7；搭建喷淋装置，通过主水管19连接外部水源，安装流量调节组件实时监测并调节流量，通过分水部件5分出若干分支水管4，分支水管4端头通过喷头连接件3与喷头2相连；并通过喷头连接件3与横撑7上的卡扣16将喷头2连接至喷淋支架上。

通过启动或关闭喷淋装置以模拟雨天或晴天的开挖条件，通过流量计实时监测流量，通过流量阀调节流量，通过喷头控制组件控制喷头出水方式及出水方向，模拟不同降雨条件。

4)采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖；操作长杆电烙铁切割蜡块，采用长杆耙子收集切割下的蜡块；

5)利用试块全表面位移场观测装置观测土体18位移变化。相机拍摄记录试验过程靶点12的位置变化。配合基于粒子图像测速法(PIV)的数字照相量测分析软件，定量分析隧道挖掘过程土体表面的位移情况。

土体18可取自待施工场地，以增强模型的可靠性。

步骤2)中土体18的填筑可采用如下方法：沿竖直方向填筑部分土体18，并使其达到设计要求密度；在土体18上中间位置放置蜡块1，确保蜡块1不因下方土体18松动而在竖直方向上发生移动；在蜡块1左右两侧及上侧对称填筑土体18，并使其达到设计要求密度，以确保蜡块1不左右移动，保证试验过程中模型的稳定性。

在进行步骤4)之前，启动可控式降雨模拟装置，并调节流量调节组件和喷头控制组件模拟不同降雨条件。

实施例2：

本发明操作流程如下：

第一步：根据试验要求决定分段开挖每一步的进尺深度，确定为定制蜡块层厚度；

第二步：将蜡熔化为液体，倒入底面平整的容器中，蜡液深度为所确定的蜡块层厚度，而后冷却；

第三步：待蜡块层硬化至成形稍软状态，取出并按隧道外轮廓进行修剪，修剪完成以后放置在平整面上，用平整重物轻压，保证蜡块层前后面保持平整，堆叠蜡块层组成纵向分块的蜡块1；

第四步：试块填筑，当填筑到隧道开挖位置，将蜡块1放入隧道相应位置替代土体18，而后再填筑隧道左右侧及上方土体18；

第五步：搭建管线系统，主水管19连接外部水源，安装流量调解组件6观测并调节实时流量，通过分水部件5分出若干分支水管4，分支水管4端头通过喷头连接件3与喷头2相连；

第六步：搭建支架系统，支架用不锈钢方管焊接而成，由两个底座9、两个竖撑8、一个横撑7组成，各部件通过方管缺口嵌套17连接，横撑7上等距离焊接卡扣16；

第七步：将喷头2上方喷头连接件3固定在卡扣16上，转动球形连接头使得喷头2调整至合适的角度，并通过调节开关调节出水方式；

第八步：将土体18的端面作为模型观测面，在该模型观测面表面布置靶点12 同时构成正四边形角点，作为观测基准点和分析控制点，测量正四边形各边长，记录数据；

第九步：布置相机14，保证光线良好且模型观测面干净整洁，调整支座15和相机14参数使其把靶点和模型拍摄清楚；

第十步：设置相机14连续拍照，试验后选择适宜照片利用数字照相量测软件PhotoInfor软件分析处理；

第十一步：隧道开挖，将电烙铁11固定在长杆10顶端，人通过长杆10远距离操作，以避免对模型观测的影响，通过电烙铁11逐层切割蜡块1，实现分段开挖，切割每层蜡块1时，按隧道分步开挖工序逐一切割出相应小块蜡块，当小块蜡块与大蜡块1脱离不受力后，用长杆耙子13远距离轻轻将其耙出，从而实现分步开挖。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，该模型包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置，所述的隧道分段开挖模拟装置包括土体(18)、设置于土体(18)中的蜡块(1)以及与蜡块(1)相适配的长杆挖掘机构；

所述的蜡块(1)包括多个沿开挖方向依次设置的蜡块层，所述的蜡块层的厚度为模拟分段开挖每一步的进尺深度，所述的蜡块(1)的外形及轴向总厚度与模拟隧道外轮廓及隧道长度相一致；

所述的长杆挖掘机构包括长杆电烙铁及长杆耙子(13)，所述的长杆电烙铁包括长杆(10)及设置于长杆(10)一端的电烙铁(11)。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，所述的可控式降雨模拟装置包括设置于土体(18)外部的喷淋支架及设置于喷淋支架上的喷淋机构，所述的喷淋机构包括位于土体(18)上方的喷头(2)以及设置于喷头(2)与外部水源之间的输水管路。

3.根据权利要求2所述的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，所述的输水管路包括与外部水源连接的主水管(19)、分水部件(5)及多个分支水管(4)，所述的主水管(19)通过分水部件(5)分别与多个分支水管(4)连接，所述的分支水管(4)与相应喷头(2)连接。

4.根据权利要求3所述的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，所述的喷淋支架包括底座(9)、可拆卸设置于底座(9)上的竖撑(8)及可拆卸设置于竖撑(8)上的横撑(7)，所述的横撑(7)上设置有多个卡扣(16)，所述的分支水管(4)与喷头(2)之间设有喷头连接件(3)，所述的卡扣(16)与喷头连接件(3)可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，所述的试块全表面位移场观测装置包括设置于土体(18)上的多个靶点(12)及设置于土体(18)外并与靶点(12)相适配的相机(14)。

6.根据权利要求5所述的一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型，其特征在于，所述的靶点(12)设置于土体(18)的端面并构成正四边形角点。

7.一种基于如权利要求1至6任一项所述的可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)制备蜡块层并修剪排列得到蜡块(1)；

2)在蜡块(1)四周填筑土体(18)，并使蜡块(1)位于土体(18)中部；

3)搭建与土体(18)相适配的试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置；

4)采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖；

5)利用试块全表面位移场观测装置观测土体(18)位移变化。

8.根据权利要求7所述的一种基于可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型的试验方法，其特征在于，在进行步骤4)之前，启动并调节可控式降雨模拟装置。

Images