CN111595606A - 一种隧道模型试验隧洞开挖装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道模型试验隧洞开挖装置及方法，解决了现有技术开挖过程中效率较低、开挖误差大的问题，通用性强，可重复利用，方便安装和拆除，可根据试验需求设定不同的开孔形状和开挖位置，能够完成多种工况。其技术方案为：包括模型试验箱、定向装置和钻孔装置，模型试验箱用于填筑模型试验相似材料，其相对应的两侧分别开设隧道开孔，所述隧道开孔能够通过开孔挡板封堵；定向装置可拆卸安装于模型试验箱一侧的隧道开孔位置，包括若干定位筒；钻孔装置能够穿过所述定位筒，通过旋转钻孔装置实现钻孔开挖。

Description

一种隧道模型试验隧洞开挖装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道模型试验领域，尤其涉及一种隧道模型试验隧洞开挖装置及方法。

背景技术

土木工程领域中，无论是公路隧道还是轨道交通隧道，在施工和运营过程中受地质条件、交通荷载、施工质量等因素的影响不可避免的会产生一系列隧道病害，隧道工程的安全开展和运营需要进行大量的科学研究，隧道模型试验是研究隧道检测技术的重要途径。

目前，隧道模型试验主要是大尺寸的相似模型试验，模型试验需要在尺寸和材料上与实际工程有相同比例的比例尺，通过模型试验模拟隧洞开挖过程监测隧洞开挖过程及后期加载过程中隧道力学参数分析衬砌病害演变规律。隧道模型试验材料较为坚硬，因此试验中隧洞的开挖是十分困难的。发明人发现，目前常规的办法是利用钢铲人工开挖，但由于模型试验材料较为坚硬且工作空间小，在开挖的过程中效率较低，开挖误差大，特别是当进行多次试验时工作量和时间成本过高，并且隧洞的开挖具有一定的时效性，开挖时间过长会严重影响影响试验结果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种隧道模型试验隧洞开挖装置，通用性强，可重复利用，方便安装和拆除，可根据试验需求设定不同的开孔形状和开挖位置，能够完成多种工况。

本发明的第二目的是提供一种隧道模型试验隧洞开挖装置的使用方法，实现隧道模型试验隧洞的标准开挖，减少了试验工作量，提高了试验的准确性和一致性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种隧道模型试验隧洞开挖装置，包括：

模型试验箱，用于填筑模型试验相似材料，其相对应的两侧分别开设隧道开孔，所述隧道开孔能够通过开孔挡板封堵；

定向装置，可拆卸安装于模型试验箱一侧的隧道开孔位置，包括若干定位筒；

钻孔装置，能够穿过所述定位筒，通过旋转钻孔装置实现钻孔开挖。

作为进一步的限定，所述开孔挡板通过档杆固定，所述档杆可拆卸连接于模型试验箱侧面，且档杆的安装位置可调。

作为进一步的限定，所述模型试验箱包括试验箱框架和安装于试验箱框架的透明挡板，相对设置的两个透明挡板开设隧道开孔。

作为进一步的限定，所述定向装置包括支架、安装于支架两侧的定位板，两个定位板之间安装多个定位筒且定位板之间形成镂空结构。所述定位板开设定位孔，定位筒与定位孔可拆卸连接。

作为进一步的限定，所述钻孔装置包括钻杆，钻杆主体具有螺旋挡板，钻杆一端安装旋转把手，旋转把手能够为钻杆提供旋转动力。

本发明的实施例还提供了一种隧道模型试验隧洞开挖装置的使用方法，包括：

根据试验要求设计装置尺寸，加工隧道开孔及定装置的定位孔；

装置安装完成后，在模型试验箱内部分层填筑相似材料；模型试验在填筑过程中利用开孔挡板将模型试验箱两侧的隧道开孔堵住；

相似材料填筑完成后拆除挡板，安装定向装置，通过定位筒固定钻孔装置；

旋转钻孔装置进行钻孔，完成一个位置的钻孔后移动钻孔装置，进行其它位置的钻孔；

钻孔完成后拆除定位装置，利用铁铲进对隧洞进行修整，隧道模型隧洞开挖完成，之后进行模型试验加载。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式的模型试验箱为钢结构框架，采用钢化玻璃挡板，既能提供足够的强度又能方便观察试验过程，模型试验箱结构设计可用于绝大多数隧道模型试验，通用性强，可重复利用；

(2)本发明的一个或多个实施方式的隧道开孔外部设有挡板和挡杆，挡杆通过简单挡板固定，方便安装和拆除；

(3)本发明的一个或多个实施方式的定向装置主要用于开挖过程中定位和定向，装置结构简单方便制作和安装，定向装置与试验箱连接固定方式简单，可适用绝大部分隧道模型试验箱，已有的模型试验箱经过简单改装后也可以利用；

(4)本发明的一个或多个实施方式定位板共内外两层，增加了定向筒的长度，可以提高定位和定向的精度；定位板和定位筒可拆卸，可根据试验需求设定不同的开孔形状和开挖位置，丰富了隧洞开挖定向装置可完成的工况；两个定位板中间镂空，钻孔开挖过程中被挖出的相似材料可通过这个位置转移到模型试验箱外部，方便清理；

(5)本发明的一个或多个实施方式的钻孔装置采用螺旋钻杆，可将模型试验内部相似材料通过旋转运出，钻杆可以精确快速的对隧洞进行钻孔开挖，强度高，使用简便；通过旋转把手人工旋转，相对于电机适用场景更大，且耐用性更高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例的结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例的俯视图；

图3是本发明一个或多个实施例的模型试验箱结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例的定向装置结构示意图；

图5是本发明一个或多个实施例的定向装置内部结构示意图；

图6是本发明一个或多个实施例的钻孔装置结构示意图；

其中，1、模型试验箱，1-1、试验箱框架，1-2、透明挡板，1-3、隧道开孔，1-4、挡杆，1-5、L形挡板，1-6、开孔挡板；2、定向装置，2-1、支架，2-2、定位板，2-3、第一固定螺栓，2-4、定位筒，2-5、第二固定螺栓，1-7、第三固定螺栓；3、钻孔装置，3-1、尖端，3-2、螺旋挡板，3-3、旋转把手。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

开孔挡板，用于封堵隧道开孔的挡板。

实施例一：

下面结合附图1-图6对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种隧道模型试验隧洞开挖装置，包括模型试验箱1、定向装置2和钻孔装置3，模型试验箱1内部可以填筑模型试验相似材料；定向装置2可拆卸连接于模型试验箱1一侧，用于开挖过程中钻孔装置3的定位和定向。

如图3所示，所述模型试验箱1包括试验箱框架1-1和透明挡板1-2，在本实施利中，所述试验箱框架1-1为长方体结构，试验箱框架1-1除顶面的其余五个面分别安装透明挡板1-2，形成无盖的箱体结构；试验箱框架1-1顶部用于填料。所述试验箱框架1-1的尺寸可以根据实际试验要求设定，透明挡板1-2根据试验需求开孔。

所述模型试验箱1可安装模型试验中隧道结构，模拟隧道外部的围岩环境。进一步的，试验箱框架1-1为钢结构框架，透明挡板1-2为有机玻璃板。在本实施例中，将试验箱框架1-1的长宽高设置为2.5×1×2m。

模型试验箱1相对的两侧开设隧道开孔1-3，在材料填筑过程中隧道开孔1-3可用开孔挡板1-6封堵，开孔挡板1-6通过档杆1-4固定。进一步的，所述隧道开孔1-3左、右两侧对称设置纵杆，上、下两侧对称设置横杆；横杆与纵杆之间形成用于安装档杆1-4的固定槽。

所述纵杆侧面间隔设置若干L形挡板1-5，档杆1-4两端通过L形挡板1-5支撑。通过设置多个L形挡板1-5，可调节档杆1-4的安装高度。挡杆1-4通过简单挡板固定，方便安装和拆除。

如图4和图5所示，所述定向装置包括支架2-1、定位板2-2、定位筒2-4，所述支架2-1通过第三固定螺栓1-7安装于模型试验箱1的固定槽位置，所述定位板2-2通过第一固定螺栓2-3安装于支架2-1侧面。定位板2-2可以根据试验要求改装，具有较高的通用性。

所述定位板2-2对应于隧道开孔1-3位置开有定位孔，定位孔内通过第二固定螺栓2-5固定有多个定位筒2-4，定位筒2-4的轴向方向与模型试验箱1侧面垂直。进一步的，所述支架2-1为一侧具有支腿的矩形框结构，支架2-1两侧分别连接定位板2-2，形成内外两层，增加了定向筒2-4的长度，可以提高定位和定向精度。两个定位板2-2中间镂空，钻孔开挖过程中被挖出的相似材料可通过这个位置转移到模型试验箱外部，方便清理。

如图6所示，钻孔装置3包括钻杆，钻杆一端具有尖端3-1，钻杆另一端连接旋转把手3-3。钻杆主体设有螺旋挡板3-2，形成螺旋钻杆，螺旋钻杆最大外径比定位筒2-4内径小1mm。通过操作旋转把手3-3，使钻杆从定位筒2-4进入模型试验箱1内部，同时可将模型试验内部相似材料通过旋转运出，钻杆可以精确快速的对隧洞进行钻孔开挖，强度高、使用简便。移动钻杆位置，使其对应不同定位筒2-4，实现对不同位置的钻孔开挖。

钻孔装置3在隧道模型试验领域中适用性强，隧道模型隧洞开挖效率高、准确度高，不仅大大节约了试验资源还能提高试验的精确度和试验结果的一致性。

实施例二：

隧道模型试验主要包括三个步骤：分层填筑、隧洞开挖和加载监测。模型试验相似材料模拟隧道实际工程中地下围岩状态，相似材料填筑好后开始在模型箱一侧进行隧洞的开挖，隧洞开挖完成后安装隧道衬砌等支护结构；最后根据试验设计进行加载试验，监测模型试验内部各个结构的力学状态。本实施例提供了一种隧道模型试验隧洞开挖装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)试验开始前首先根据试验要求定做模型试验箱1-1，包括试验箱框架1-1尺寸、透明挡板3-2厚度和隧道开孔1-3形状和尺寸。根据模型试验箱1-1尺寸定做定向装置2，确定定位板2-2的开孔形状和位置，要求隧道开孔1-3形状与定位孔形状相同，安装定向装置2后与隧道开孔1-3完全平行。

在定位板2-2开孔内侧安装定位筒2-4，定位筒2-4数量根据试验需求确定。根据定位筒2-4内径尺寸定做钻孔装置3，要求钻杆最大外径比定位筒2-4内径小1mm。装置制作安装完成后进行下一步操作。

(2)将模型试验箱1-1的开孔挡板1-6和挡杆1-4放置于L形挡板1-5内固定好，按照每次20cm的高度填筑相似材料，并分层压实。填筑相似材料到设计高度后进行预加载等试验步骤，相似材料填筑完成后拆除挡杆1-4和开孔挡板1-6，模型试验箱1一侧可进行隧洞的开挖。

(3)安装定向装置2，通过第三固定螺栓1-7将定向装置2安装到模型试验箱1一侧，检查定向装置2是否与隧道开孔1-3对齐，确定位置后将钻杆的尖端3-1插入其中一个定位筒2-4，使顶端顶住相似材料。

在尾部安装旋转把手3-3，通过转动旋转把手3-3带动钻杆转动进行钻孔，被开挖的相似材料会在螺旋挡板3-2的作用下运移到外部。钻至设计深度后拔出钻杆进行下一个定位筒2-4的钻孔，操作步骤相同。全部钻孔完成后取下钻杆，根据试验需要考虑是否拆除定向装置2。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，包括：

模型试验箱，用于填筑模型试验相似材料，其相对应的两侧分别开设隧道开孔，所述隧道开孔能够通过开孔挡板封堵；

定向装置，可拆卸安装于模型试验箱一侧的隧道开孔位置，包括若干定位筒；

钻孔装置，能够穿过所述定位筒，通过旋转钻孔装置实现钻孔开挖。

2.根据权利要求1所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述开孔挡板通过档杆固定，所述档杆可拆卸连接于模型试验箱侧面，且档杆的安装位置可调。

3.根据权利要求2所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述模型试验箱侧面设置多组L型挡板，档杆端部由L型挡板支撑。

4.根据权利要求1所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述模型试验箱包括试验箱框架和安装于试验箱框架的透明挡板，相对设置的两个透明挡板开设隧道开孔。

5.根据权利要求1所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述定向装置包括支架、安装于支架两侧的定位板，两个定位板之间安装多个定位筒且定位板之间形成镂空结构。

6.根据权利要求5所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述定位板开设定位孔，定位筒与定位孔可拆卸连接。

7.根据权利要求5所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述定位筒的轴线方向与模型试验箱垂直。

8.根据权利要求1所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置，其特征在于，所述钻孔装置包括钻杆，钻杆主体具有螺旋挡板，钻杆一端安装旋转把手，旋转把手能够为钻杆提供旋转动力。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置的使用方法，其特征在于，包括：

根据试验要求设计装置尺寸，加工隧道开孔及定装置的定位孔；

装置安装完成后，在模型试验箱内部分层填筑相似材料；

相似材料填筑完成后拆除挡板，安装定向装置，通过定位筒固定钻孔装置；

旋转钻孔装置进行钻孔，完成一个位置的钻孔后移动钻孔装置，进行其它位置的钻孔；

钻孔完成后拆除定位装置，对隧洞进行修整，隧道模型隧洞开挖完成，之后进行模型试验加载。

10.根据权利要求9所述的一种隧道模型试验隧洞开挖装置的使用方法，其特征在于，将定位筒按照模型试验隧洞开挖要求固定于两个定位孔周长位置；模型试验在填筑过程中利用开孔挡板将模型试验箱两侧的隧道开孔堵住。

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