CN114199686A - 运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，包括：隧道衬砌模型浇筑系统，其用于浇筑成型衬砌并在衬砌上形成空洞和裂缝；隧道围岩浇筑系统，其用于浇筑成型围岩，所述围岩预留衬砌放置空间；隧道埋深加载系统，其用于对围岩顶部加压；隧道围压加载系统，其用于对围岩外周加压；汽车荷载模拟系统，其用于对衬砌底部进行冲击；监测系统，其包括应变片、土压力传感器、监测仪和裂缝观测仪。本发明还公开了一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验方法。本发明结构简单，操作便捷，能进行病害隧道衬砌缺陷预制、公路隧道地应力和运营公路隧道汽车荷载模拟，可应用于公路隧道多种工况，准确性高，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及公路隧道模型试验技术领域。更具体地说，本发明涉及运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置及方法。
背景技术
公路隧道所穿越山体的工程地质和水文地质条件复杂多变，加上隧道建设技术和运营水平等方面的原因，公路隧道建成运营后，随着运营时间的积累，公路隧道病害问题日益突出，运营隧道的渗漏水、衬砌空洞、衬砌裂缝、路面开裂、基地下沉、底鼓、冻害等病害越来越多。其中衬砌空洞和衬砌裂缝是隧道中最常见的病害情况，也是诱发隧道其他病害发生的主要原因。近年来，国内外许多学者对隧道衬砌空洞和裂缝的研究主要采用理论分析、数值模拟以及模型试验，其中，采用模型试验并结合相似理论可以更客观真实的反映实际隧道在不同衬砌空洞和裂缝情况下隧道衬砌结构的受力特征。
现有的公路隧道病害研究模型试验往往只考虑地应力作用下病害隧道的静力特性，运营公路隧道的车辆荷载也是一个影响衬砌稳定性的重要因素，往往在研究中被忽略。在地应力模拟中，往往忽略深度影响下的围岩压力，千斤顶和气囊加载对围岩施加的作用力无法准确模拟深度影响下的围岩压力变化。公路隧道病害研究模型试验往往集中在衬砌背后围岩的缺陷中，对衬砌空洞以及裂缝的研究较少，且对于预制衬砌空洞和裂缝的尺寸往往缺乏一个较为准确地控制措施。
发明内容
本发明的一个目的是提供运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置及方法，结构简单，操作便捷，能进行病害隧道衬砌缺陷预制、公路隧道地应力和运营公路隧道汽车荷载模拟，可应用于公路隧道多种工况，准确性高，应用范围广泛。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，包括：
隧道衬砌模型浇筑系统，其用于浇筑成型衬砌并在衬砌上形成空洞和裂缝，所述衬砌底部还浇筑一层隧道底板；
隧道围岩浇筑系统，其用于浇筑成型围岩，所述围岩预留衬砌放置空间；
隧道埋深加载系统，其用于对围岩顶部按照设定的隧道埋深模拟预定值加压；
隧道围压加载系统，其用于对围岩外周按照设定的隧道围压模拟预定值加压；
汽车荷载模拟系统，其用于对衬砌底部的隧道底板按照设定的时间和冲击力进行冲击；
监测系统，其包括应变片、土压力传感器、监测仪和裂缝观测仪，所述应变片在衬砌内壁的不同位置均设置，所述土压力传感器在衬砌外周的围岩不同位置均设置，多个应变片和多个土压力传感器均通过数据线连接外部的监测仪，所述裂缝观测仪用于观察衬砌裂缝变化。
优选的是，所述隧道衬砌模型浇筑系统包括：
模板底板，其上表面内凹形成内外两个类环形卡槽；
弧形模板，其设置多块且多块弧形模板组合形成内外两个类环形模板并通过下端恰好配合固定于所述模板底板的两个卡槽中，内外相对的弧形模板的上端通过多块钢板搭接后再通过螺栓固定，相邻的弧形模板通过设置凸起和凹槽匹配组合，所述弧形模板上对应设置有多个插口；
衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块，其均设置多个且配合设置于多个插口中，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块均设置为沿插口水平移动至多块弧形模板组成的内外两个类环形模板内部，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上均设置有刻度，其起点距离所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的侧边距离为所述弧形模板的厚度；
微型震动器，其在多块弧形模板组合形成的外侧类环形模板上间隔设置多个。
优选的是，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上均设置有竖向贯通的长条形通道，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块通过夹具固定水平移动后的位置，所述夹具为一对L型板，其分别固定于所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的上下表面，所述L型板具有与所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上长条形通道相对应贯通的长条形通道，其内通过螺栓插入后固定。
优选的是，所述隧道埋深加载系统包括反力架、液压千斤顶和加载板，所述反力架为固定的门型结构且位于所述围岩的正上方，所述液压千斤顶在所述反力架的横梁上间隔设置多个，多个液压千斤顶的下端连接至所述加载板上，所述加载板紧抵所述围岩顶部。
优选的是，所述隧道围岩浇筑系统包括模型箱，其为顶部开口的箱体结构，所述模型箱内浇筑围岩并在四周预留隧道围压加载系统加压的空间，所述衬砌设置于围岩内部预留的空间中，所述模型箱位于所述反力架之间，所述模型箱上预留数据线引出孔洞。
优选的是，所述隧道围压加载系统包括：
门架，其为门型结构并位于所述反力架的侧边，所述门架的其中一侧立柱上设置有竖向的刻度，一对立柱相对的侧面设置有一对内凹的滑道；
水箱，其内装满水，所述水箱位于一对立柱之间，所述水箱相对的一对侧面固定有一对滑块，其分别配合于一对滑道中竖向滑动；
滑轮，其沿所述门架上设置多个，多个滑轮上依次绕设钢索，所述钢索的一端连接固定于门架上的伺服电机，另一端连接所述水箱的顶部中心；
弹性水囊，其设置于所述围岩与所述模型箱的内壁之间，所述弹性水囊通过水管与所述水箱连通，所述模型箱顶部还固定设置有固定板，其用于固定连接弹性水囊并限制所述弹性水囊的竖向变化。
优选的是，所述汽车荷载模拟系统包括：
支撑架，其在所述模型箱的两侧均设置，所述支撑架固定设置且包括一对竖向的连接杆；
承载钢板，其在所述衬砌内部设置有一对；
支撑杆，其在所述衬砌的两侧均设置一对，每一侧的一对支撑杆两端分别连接对应的所述承载钢板和连接杆；
气动冲击锤，其固定于所述承载钢板上并设置为对所述隧道底板冲击；
电动充气泵，其通过气管连接气动冲击锤并提供冲击动力。
优选的是，所述应变片粘贴于衬砌内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置，轴向间距10cm；预埋在围岩中的土压力传感器设置在距衬砌内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置10cm处，环向间距15cm。
本发明还提供了一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验方法，包括如下步骤：
步骤一：确定相似比，根据相似比确定衬砌和围岩相似材料配比；
步骤二：根据试验设计尺寸制作模型箱，并在模型箱前后侧板上预留与衬砌大小一致的孔洞，并在模型箱顶部预留多个螺栓孔；
步骤三：制作反力架，并在反力架上安装液压千斤顶；
步骤四：制作带有刻度的门架，安装在反力架一侧，反力架上固定滑轮和伺服电机，并通过钢索连接伺服电机，绕设滑轮，最终固定连接水箱，水箱位于门架之间，且水箱两侧的滑块配合安装于滑道中；
步骤五：制作承载钢板，并在承载钢板上根据气动冲击锤的数量预留孔位，在承载钢板底部和两端均预留螺栓孔，制作支撑架和支撑杆；
步骤六：制作具有卡槽的模板底板，然后按照编号安装弧形模板，并在弧形模型内安装衬砌钢筋，通过钢板和螺栓固定内外的弧形模板顶部；
步骤七：根据试验要求，调整衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的位置，并通过夹具进行固定，在弧形模板之间倒入步骤一确定的衬砌相似材料配比的衬砌相似材料，开启微型震动器；
步骤八：待衬砌材料初凝后，脱模，并在衬砌底部浇筑隧道底板，待衬砌强度达到设定要求后，在衬砌的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置粘贴应变片，连接数据线，通监测仪预测试，确保应变片监测数据效果良好；
步骤九：在模型箱内根据步骤一确定的围岩相似材料配比浇筑围岩，围岩中预埋土压力传感器，达到预设厚度后，将步骤八中的衬砌放置于围岩预留的空间中，并将数据线从模型箱预留孔中引出，再次填充围岩相似材料至设计位置；
步骤十：在围岩和模型箱之间放置弹性水囊，将固定板通过螺栓固定在模型箱顶部，将弹性水囊通过水管与水箱连通，在围岩顶部放置加载板，将固定好液压千斤顶的反力架放置在围岩正上方；
步骤十一：将气动冲击锤安装于承载钢板上并放置于衬砌中，再通过支撑杆固定在支撑架上，将气动冲击锤通过气管与气锤控制箱连接，并连接好电动充气泵；
步骤十二：启动液压千斤顶，待压力至预定值，启动伺服电机提升水箱，确保水箱内水位达到预定值；根据不同工况，调整气动冲击锤的输出功率，记录应变片和压力传感器的数据，待气动冲击锤的作用时间达到试验要求后，停止气动冲击锤作用，并将其拆出，通过裂缝观测仪观察隧道衬砌裂缝的发展变化情况。
优选的是，步骤一具体为：根据“相似三定理”，采用弹塑性方程式和量纲分析方法，确定几何相似比、弹性模量相似比、容重相似比、泊松比、摩擦角、抗压强度相似比，制作不同配比的标准石膏和围岩相似材料试块，通过试块测定选出满足相似比的石膏和围岩相似材料配比，即为衬砌和围岩相似材料配比。
本发明至少包括以下有益效果：
1.本发明的模型试验装置及试验方法可以实现通过确定合理相似比例尺从而建立相应的物理试验模型，对不同试验原型进行简化分析，实现了对不同工程实际的适应性。
2.本发明模型试验装置采用弹性水囊对围岩加压的方式，考虑了围岩深度影响下的围岩深度变化，更加准确地模拟了实际公路隧道所处的地应力环境，通过伺服电机的牵引以及门架上的刻度能更好的控制水压的数值。
3.本发明模型试验装置中的隧道衬砌浇筑模型采用可拆卸的弧形模板拼装而成，方便加工制作，也简化了后面的脱模工作，安装在弧形模板上的微型平板震动器能很好的起到振捣密实的作用，确保衬砌质量达到预期质量。
4.本发明模型试验装置中的衬砌裂缝控制块和衬砌空洞控制块通过安装位置的调整，以及深入衬砌模具中的距离，可准确得到不同位置和不同深度的空洞和裂缝的衬砌模型。
5.本发明模型试验装置中的气动冲击锤通过支撑架固定在衬砌的隧道底板上方，通过气压驱动，经过气锤控制箱的控制，可以实现不同数量不同大小的汽车荷载对隧道作用效果的模拟。
6.本发明模型试验装置中采用应变片和土压力传感器对衬砌和围压在汽车荷载作用下的动态反应做实时观测，通过裂缝观测仪对裂缝在试验过程中发生的扩展现象进行详细观察。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1本发明运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置结构示意图；
图2为本发明弹性水囊位置系统示意图；
图3为本发明隧道衬砌模型浇筑系统示意图；
图4为本发明隧道衬砌模型浇筑系统中模板底板示意图；
图5为本发明隧道衬砌模型浇筑系统中衬砌裂缝控制块示意图；
图6为本发明隧道衬砌模型浇筑系统中衬砌空洞控制块示意图；
图7为本发明隧道衬砌模型浇筑系统中弧形模板示意图；
图8为本发明汽车荷载模拟系统示意图；
图9为本发明监测系统示意图。
附图标记：
1-模板底板；2-弧形模板；3-衬砌裂缝控制块；4-衬砌空洞控制块；5-夹具；6-衬砌；7-钢板；8-螺栓；9-微型震动器；10-卡槽；11-反力架；12-液压千斤顶；13-加载板；14-门架；15-刻度；16-滑轮；17-钢索；18-滑块；20-伺服电机；21-水箱；22-滑道；23-水管；24-固定板；26-电动充气泵；27-气锤控制箱；28-围岩；29-支撑架；32-气管；33-承载钢板；34-支撑杆；35-气动冲击锤；36-隧道底板；37-弹性水囊；38-模型箱；39-应变片；40-土压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至9所示，本发明提供一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，包括：
隧道衬砌模型浇筑系统，其用于浇筑成型衬砌6并在衬砌6上形成空洞和裂缝，所述衬砌6底部还浇筑一层隧道底板36；
隧道围岩浇筑系统，其用于浇筑成型围岩28，所述围岩28预留衬砌6放置空间；
隧道埋深加载系统，其用于对围岩28顶部按照设定的隧道埋深模拟预定值加压；
隧道围压加载系统，其用于对围岩28外周按照设定的隧道围压模拟预定值加压；
汽车荷载模拟系统，其用于对衬砌6底部的隧道底板36按照设定的时间和冲击力进行冲击；
监测系统，其包括应变片39、土压力传感器40、监测仪和裂缝观测仪，所述应变片39在衬砌6内壁的不同位置均设置，所述土压力传感器40在衬砌6外周的围岩28不同位置均设置，多个应变片39和多个土压力传感器40均通过数据线连接外部的监测仪，所述裂缝观测仪用于观察衬砌6裂缝变化。
在上述技术方案中，通过各个系统的配合，模拟并检测运营公路隧道衬砌病害演化规律。隧道衬砌模型浇筑系统和隧道围岩浇筑系统分别用于制作衬砌6和围岩28，形成模拟的隧道，再将衬砌6放置于围岩28中，隧道埋深加载系统和隧道围压加载系统用于对隧道围岩28进行模拟加压，汽车荷载模拟系统用于模拟隧道内部的受力情况，在隧道衬砌6及围岩28内均设置有检测点，通过监测仪获取各检测点的不同数据，然后再通过裂缝观测仪观察隧道衬砌6裂缝情况，从而本申请的装置即为运营公路隧道衬砌6病害演化规律的模型试验装置，通过模拟实际隧道的病害化，获取对应的数据，得到模拟病害化规律，对实际的隧道检测具有重要意义。
在另一种技术方案中，如图3至7所示，所述隧道衬砌模型浇筑系统包括：
模板底板1，其上表面内凹形成内外两个类环形卡槽10，如图4所示；
弧形模板2，其设置多块且多块弧形模板2组合形成内外两个类环形模板并通过下端恰好配合固定于所述模板底板1的两个卡槽10中，内外相对的弧形模板2的上端通过多块钢板7搭接后再通过螺栓8固定，相邻的弧形模板2通过设置凸起和凹槽匹配组合，所述弧形模板2上对应设置有多个插口，如图3和图7所示；
衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3，其均设置多个且配合设置于多个插口中，所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3均设置为沿插口水平移动至多块弧形模板2组成的内外两个类环形模板内部，所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3上均设置有刻度15，其起点距离所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3的侧边距离为所述弧形模板2的厚度，如图5和图6所示；
微型震动器9，其在多块弧形模板2组合形成的外侧类环形模板上间隔设置多个。
在上述技术方案中，模板底板1采用刚度较大且厚度不少于2cm的钢材制成，模板底板1上的卡槽10是为了固定弧形模板2的位置，从而在内部形成衬砌6浇筑空间，卡槽10的深度和尺寸与弧形模板2下部的凸起部分相匹配，根据衬砌6的形状设置多个弧形模板2，相匹配的相邻的弧形模板2通过设置凸起和凹槽进行匹配组合后放入至卡槽10中形成整体的内外两个类环形模板，弧形模板2上部预留螺栓8孔，通过可拆卸钢板7和螺栓8固定。一种具体实施方式中，通过焊接固定在外侧弧形模板2上的微型震动器9一共6个，在拱顶以及两侧拱脚分别设置2个，轴向间距为20cm，在浇筑过程中通过微型震动器9的振动来确保浇筑质量；通过夹具5固定在弧形模板2上的衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3，衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3固定在外侧弧形模板2的拱顶、拱肩、拱腰和拱脚等位置，轴向间距20cm。衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3根据需要模拟的空洞及裂缝大小设置通过插口插入至弧形模板2内部的距离，插入后通过观察刻度15确认空洞及裂缝的大小和深度，观察刻度15时只能在外层观察，因此衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3的插入端侧边与刻度15的起点之间预留的距离为弧形模板2的厚度。
内外两层弧形模板2的弧度根据试验设计确定，采用厚度不小于1cm的硬质钢材加工；弧形模板2内外两层一共18块模板，弧形模板2一侧预留深度不小于1cm的凹型卡槽10，另外一侧为预留凸起，两块相邻弧形模板2采用凸起和凹槽咬合设计，对每块弧形模板2进行编号，方便安装；弧形模板2内外两侧顶部通过厚度不小于0.5cm的钢板7采用可拆卸螺栓8固定，螺栓8孔预留在模弧形板顶部，严格控制衬砌6厚度符合设计要求。
在另一种技术方案中，所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3上均设置有竖向贯通的长条形通道，所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3通过夹具5固定水平移动后的位置，所述夹具5为一对L型板，其分别固定于所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3的上下表面，所述L型板具有与所述衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3上长条形通道相对应贯通的长条形通道，其内通过螺栓8插入后固定。
在上述技术方案中，通过夹固定在弧形模板2上的衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3，一对L型板分别固定于弧形模板2上的插口上下开口处，衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3插入并调整好插入尺寸后，通过在长条形通道中插入恰好匹配的螺栓8，然后通过螺母固定即可实现衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3的固定。
在另一种技术方案中，如图1所述，所述隧道埋深加载系统包括反力架11、液压千斤顶12和加载板13，所述反力架11为固定的门型结构且位于所述围岩28的正上方，所述液压千斤顶12在所述反力架11的横梁上间隔设置多个，多个液压千斤顶12的下端固定连接至所述加载板13上，所述加载板13紧抵所述围岩28顶部。
在上述技术方案中，反力架11采用钢架制成，满足为液压千斤顶12提供反力的要求。固定液压千斤顶12的反力架11包括位于围岩28两侧的立柱以及围岩28顶部的横梁，一种具体实施方式中，液压千斤顶12的数量一共4个与相应的液压泵组固定在围岩28上方；与围岩28上部接触的加载板13采用厚度不小于2cm的钢板制作，将液压千斤顶12的集中作用力转化为均布荷载施加在围岩28上，实现对围岩28的埋深加载。
在另一种技术方案中，如图2所示，所述隧道围岩浇筑系统包括模型箱38，其为顶部开口的箱体结构，所述模型箱38内浇筑围岩28并在四周预留隧道围压加载系统加压的空间，所述衬砌6设置于围岩28内部预留的空间中，所述模型箱38位于所述反力架11之间，所述模型箱38上预留数据线引出孔洞。
在上述技术方案中，围岩28在模型箱38内部浇筑，与模型箱38固定连接为一体，模型箱38上预留数据线引出孔洞是为了引出应变片39与土压力传感器40的数据线。
在另一种技术方案中，如图1和图2所示，所述隧道围压加载系统包括：
门架14，其为门型结构并位于所述反力架11的侧边，所述门架14的其中一侧立柱上设置有竖向的刻度15，一对立柱相对的侧面设置有一对内凹的滑道22；
水箱21，其内装满水，所述水箱21位于一对立柱之间，所述水箱21相对的一对侧面固定有一对滑块18，其分别配合于一对滑道22中竖向滑动；
滑轮16，其沿所述门架14上设置多个，多个滑轮16上依次绕设钢索17，所述钢索17的一端连接固定于门架14上的伺服电机20，另一端连接所述水箱21的顶部中心；
弹性水囊37，其设置于所述围岩28与所述模型箱38的内壁之间，所述弹性水囊37通过水管23与所述水箱21连通，所述模型箱38顶部还固定设置有固定板24，其用于固定连接弹性水囊37并限制所述弹性水囊37的竖向变化。
在上述技术方案中，通过伺服电机20的提升作用，驱动钢索17在滑轮16上滑动，实现伸缩，可以提升水箱21的高度，通过门架14上的刻度15能准备控制水箱21内水位的高度，从而水箱21内的水通过水管23为紧贴围岩28四周的弹性水囊37提供随深度逐渐增加的压力，固定板24采用厚度不小于2cm的钢板制作，通过预留在模型箱38顶部的螺栓8孔固定弹性水囊37，同时固定板24还向内延伸至弹性水囊37的正上方，以在竖向上阻挡弹性水囊37至模型箱38外。水箱21采用一定厚度的透明材料制成。伺服电机20通过绕过滑轮16的钢索17提升水箱21的高度，达到预定高度后固定，并通过门架14上的刻度15来准确测量水箱21内水位高度。滑块18和滑道22的设置保证了水箱21只能沿着竖向上下移动，保证了水箱21的竖向位移。
在另一种技术方案中，如图1和图8所示，所述汽车荷载模拟系统包括：
支撑架29，其在所述模型箱38的两侧均设置，所述支撑架29固定设置且包括一对竖向的连接杆；
承载钢板33，其在所述衬砌6内部设置有一对；
支撑杆34，其在所述衬砌6的两侧均设置一对，每一侧的一对支撑杆34两端分别连接对应的所述承载钢板33和连接杆；
气动冲击锤35，其固定于所述承载钢板33上并设置为对所述隧道底板36冲击；
电动充气泵26，其通过气管32连接气动冲击锤35并提供冲击动力。
在上述技术方案中，气动冲击锤35作用于隧道底板36上，气动冲击锤35的数量根据试验需要而定，设置为左右两排，根据气动冲击锤35的数量和大小在承载钢板33预留一定数目的圆形孔洞，气动冲击锤35穿过圆形孔洞，下端通过螺栓8固定于承载钢板33上，采用厚度不小于4cm钢板制作，承载钢板33通过支撑杆34固定，支撑杆34固定于支撑架29的连接杆上，支撑杆34采用直径不小于2cm钢杆制作，支撑架29对称放置在模型箱38前后，支撑架29的连接杆及承载钢板33均设置有螺纹，支撑杆34上也设置有螺纹，通过螺纹连接固定。还设置有气锤控制箱27，其通过气管32连接电动充气泵26和气动冲击锤35，通过气锤控制箱27并经过气管32为气动冲击锤35提供动力的电动充气泵26功率满足为所有气动冲击锤35提供风力的要求。通过气锤控制箱27控制气动冲击锤35作用效果。
在另一种技术方案中，如图9所示，所述应变片39粘贴于衬砌6内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置，轴向间距10cm，在缺陷位置可以适当加密；预埋在围岩28中的土压力传感器40设置在距衬砌6内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置10cm处，环向间距15cm。
本发明还提供一种运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验方法，一种具体的实施例中，包括如下步骤：
步骤一：合理研究对象公路隧道与周围岩28土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取合适的材料作为衬砌6和围岩28的相似材料，且材料各物理量应符合相似关系的要求。根据“相似三定理”，采用弹塑性方程式和量纲分析方法，确定相似比如下：几何相似比CL＝50，弹性模量相似比CE＝50，容重相似比Cγ＝1，泊松比、摩擦角相似比Cμ＝Cφ＝1，抗压强度相似比Cs＝1。衬砌6相似材料采用石膏和水配制，围岩28相似材料采用重晶石、石英砂、石膏对围岩28进行相似模拟。制作不同配比的标准石膏和围岩28相似材料试块，在常温下养护规定时间后，测定试块的抗压强度、密度、弹性模量和泊松比等物理参数。根据测定结果，选出满足相似比的石膏和围岩28相似材料配比，即为衬砌6和围岩28相似材料配比。
步骤二：选取衬砌6最大宽度为11.76m的公路隧道为研究对象，为了消除隧道断面的空间效应对围岩28应力场的影响，制作长4.8m，宽1.5m，高度2.5m。尺寸模型箱38，在模型箱38前后板上预留一定的孔洞，在模型箱38上部预留一定的螺栓8孔。为方便观察，模型箱38前后两侧采用2cm的透明亚克力板制作，并在隧道衬砌6位置预留和衬砌6大小一致的孔洞。
步骤三：制作反力台架，反力台架高3m，采用钢材制作，在模型箱38上部安装。将4台液压千斤顶12以及液压泵组以固定在反力架11上。
步骤四：制作带有刻度15和滑道22的门架14，高度4m，采用钢材制作，安装在模型箱38左侧。将多个滑轮16依次固定在门架14上。水箱21大小为40cm×30cm×40cm，左右两侧采用钢板制作，并安装滑块18，前后两侧采用透明亚克力板制作。钢索17直径2cm，一端固定在水箱21上，一端绕过滑轮16固定在伺服电机20上。
步骤五：制作长1.5m，宽10cm，厚4cm的承载钢板33，一共两块，在承载钢板33上根据气动冲击锤35的尺寸预留6个孔位，在底部和两端预留螺栓8孔。支撑杆34采用直径2cm的钢筋制作，两端预制10cm螺纹。支撑架29高1m，由底板和立柱组成，在立柱上预留略大于2cm的圆形孔洞，在模型箱38前后对称放置。
步骤六：采用2cm钢板制作模板底板1，模板底板1略大于衬砌6断面，在模板底板1上制作弧形卡槽10，弧形卡槽10深1cm，共两层，且弧度与衬砌6一直。采用1cm钢板制作长为45cm的两层弧形模板2，弧形模板2根据位置进行编号，并按照编号安装在模板底板1上，弧形模板2之间通过卡槽10咬合。采用铁丝制作衬砌6钢筋，制作完成放置在两层弧形模板2之间，拧紧钢板上的螺栓8固定住弧形模板2的顶部。
步骤七：拧松夹具5，调整拱顶处衬砌空洞控制块4和衬砌6裂缝控制块3的位置，使其深入0.5cm，并通过夹具5进行固定。在两层弧形模板2之间倒入步骤一的衬砌6相似材料，开启焊接固定在外侧弧形模板2上的微型震动器9。
步骤八：待衬砌6材料初凝后，进行脱模，在衬砌6底部浇筑一定厚度的隧道底板36，并采用烘干机对隧道衬砌6进行烘干处理，共浇筑两段衬砌6。待衬砌6强度达到预定后，按照设计要求在衬砌6的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚等位置粘贴应变片39，轴向间距10cm，连接数据线，通监测仪预测试，确保应变片39监测数据效果良好。
步骤九：在模型箱38浇筑围岩28相似材料，分层夯实，交界面做刮毛处理，每层厚度不超过5cm。达到预定厚度后，将浇筑好的两段衬砌6放置在围岩28材料的指定位置，应变片39的数据线通过模型箱38一侧的预留孔洞引出。土压力传感器40预埋在衬砌6外侧距拱顶、拱肩、拱腰、拱脚等位置10cm处，将数据线从模型箱38一侧引出，环向间距15cm，填充围岩28相似材料至模型箱38表面位置。
步骤十：在围岩28和模型箱38之间放置弹性水囊37，将固定板24通过螺栓8固定在模型箱38顶部，将弹性水囊37通过水管23与水箱21连通，在围岩28顶部放置加载板13，将固定好液压千斤顶12的反力架11放置在设计位置。
步骤十一：将气动冲击锤35安装在承载钢板33上并放置于衬砌6中，通过支撑杆34固定在支撑架29上，将气动冲击锤35通过气管32与气锤控制箱27连接，并连接好电动充气泵26。
步骤十二：启动液压千斤顶12，待压力至隧道埋深模拟预定值，启动伺服电机20提升水箱21，确保箱内水位达到预定值。根据不同工况，调整气动冲击锤35的输出功率，记录应变片39和土压力传感器40的数据。待气动冲击锤35的作用时间达到试验要求后，停止气动冲击锤35作用，并将其拆出，通过裂缝观测仪观察隧道衬砌6裂缝的发展变化情况。
步骤十三：重复步骤七，调整拱顶或拱肩或拱腰或拱脚处的衬砌空洞控制块4和衬砌裂缝控制块3的位置，使其深入不同位置，例如1cm或1.5cm或2cm后，重复剩下步骤进行试验。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，包括：
隧道衬砌模型浇筑系统，其用于浇筑成型衬砌并在衬砌上形成空洞和裂缝，所述衬砌底部还浇筑一层隧道底板；
隧道围岩浇筑系统，其用于浇筑成型围岩，所述围岩预留衬砌放置空间；
隧道埋深加载系统，其用于对围岩顶部按照设定的隧道埋深模拟预定值加压；
隧道围压加载系统，其用于对围岩外周按照设定的隧道围压模拟预定值加压；
汽车荷载模拟系统，其用于对衬砌底部的隧道底板按照设定的时间和冲击力进行冲击；
监测系统，其包括应变片、土压力传感器、监测仪和裂缝观测仪，所述应变片在衬砌内壁的不同位置均设置，所述土压力传感器在衬砌外周的围岩不同位置均设置，多个应变片和多个土压力传感器均通过数据线连接外部的监测仪，所述裂缝观测仪用于观察衬砌裂缝变化。
2.如权利要求1所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述隧道衬砌模型浇筑系统包括：
模板底板，其上表面内凹形成内外两个类环形卡槽；
弧形模板，其设置多块且多块弧形模板组合形成内外两个类环形模板并通过下端恰好配合固定于所述模板底板的两个卡槽中，内外相对的弧形模板的上端通过多块钢板搭接后再通过螺栓固定，相邻的弧形模板通过设置凸起和凹槽匹配组合，所述弧形模板上对应设置有多个插口；
衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块，其均设置多个且配合设置于多个插口中，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块均设置为沿插口水平移动至多块弧形模板组成的内外两个类环形模板内部，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上均设置有刻度，其起点距离所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的侧边距离为所述弧形模板的厚度；
微型震动器，其在多块弧形模板组合形成的外侧类环形模板上间隔设置多个。
3.如权利要求2所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上均设置有竖向贯通的长条形通道，所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块通过夹具固定水平移动后的位置，所述夹具为一对L型板，其分别固定于所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的上下表面，所述L型板具有与所述衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块上长条形通道相对应贯通的长条形通道，其内通过螺栓插入后固定。
4.如权利要求1所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述隧道埋深加载系统包括反力架、液压千斤顶和加载板，所述反力架为固定的门型结构且位于所述围岩的正上方，所述液压千斤顶在所述反力架的横梁上间隔设置多个，多个液压千斤顶的下端连接至所述加载板上，所述加载板紧抵所述围岩顶部。
5.如权利要求4所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述隧道围岩浇筑系统包括模型箱，其为顶部开口的箱体结构，所述模型箱内浇筑围岩并在四周预留隧道围压加载系统加压的空间，所述衬砌设置于围岩内部预留的空间中，所述模型箱位于所述反力架之间，所述模型箱上预留数据线引出孔洞。
6.如权利要求5所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述隧道围压加载系统包括：
门架，其为门型结构并位于所述反力架的侧边，所述门架的其中一侧立柱上设置有竖向的刻度，一对立柱相对的侧面设置有一对内凹的滑道；
水箱，其内装满水，所述水箱位于一对立柱之间，所述水箱相对的一对侧面固定有一对滑块，其分别配合于一对滑道中竖向滑动；
滑轮，其沿所述门架上设置多个，多个滑轮上依次绕设钢索，所述钢索的一端连接固定于门架上的伺服电机，另一端连接所述水箱的顶部中心；
弹性水囊，其设置于所述围岩与所述模型箱的内壁之间，所述弹性水囊通过水管与所述水箱连通，所述模型箱顶部还固定设置有固定板，其用于固定连接弹性水囊并限制所述弹性水囊的竖向变化。
7.如权利要求1所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述汽车荷载模拟系统包括：
支撑架，其在所述模型箱的两侧均设置，所述支撑架固定设置且包括一对竖向的连接杆；
承载钢板，其在所述衬砌内部设置有一对；
支撑杆，其在所述衬砌的两侧均设置一对，每一侧的一对支撑杆两端分别连接对应的所述承载钢板和连接杆；
气动冲击锤，其固定于所述承载钢板上并设置为对所述隧道底板冲击；
电动充气泵，其通过气管连接气动冲击锤并提供冲击动力。
8.如权利要求1所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置，其特征在于，所述应变片粘贴于衬砌内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置，轴向间距10cm；预埋在围岩中的土压力传感器设置在距衬砌内壁的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置10cm处，环向间距15cm。
9.运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：确定相似比，根据相似比确定衬砌和围岩相似材料配比；
步骤二：根据试验设计尺寸制作模型箱，并在模型箱前后侧板上预留与衬砌大小一致的孔洞，并在模型箱顶部预留多个螺栓孔；
步骤三：制作反力架，并在反力架上安装液压千斤顶；
步骤四：制作带有刻度的门架，安装在反力架一侧，反力架上固定滑轮和伺服电机，并通过钢索连接伺服电机，绕设滑轮，最终固定连接水箱，水箱位于门架之间，且水箱两侧的滑块配合安装于滑道中；
步骤五：制作承载钢板，并在承载钢板上根据气动冲击锤的数量预留孔位，在承载钢板底部和两端均预留螺栓孔，制作支撑架和支撑杆；
步骤六：制作具有卡槽的模板底板，然后按照编号安装弧形模板，并在弧形模型内安装衬砌钢筋，通过钢板和螺栓固定内外的弧形模板顶部；
步骤七：根据试验要求，调整衬砌空洞控制块和衬砌裂缝控制块的位置，并通过夹具进行固定，在弧形模板之间倒入步骤一确定的衬砌相似材料配比的衬砌相似材料，开启微型震动器；
步骤八：待衬砌材料初凝后，脱模，并在衬砌底部浇筑隧道底板，待衬砌强度达到设定要求后，在衬砌的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚位置粘贴应变片，连接数据线，通监测仪预测试，确保应变片监测数据效果良好；
步骤九：在模型箱内根据步骤一确定的围岩相似材料配比浇筑围岩，围岩中预埋土压力传感器，达到预设厚度后，将步骤八中的衬砌放置于围岩预留的空间中，并将数据线从模型箱预留孔中引出，再次填充围岩相似材料至设计位置；
步骤十：在围岩和模型箱之间放置弹性水囊，将固定板通过螺栓固定在模型箱顶部，将弹性水囊通过水管与水箱连通，在围岩顶部放置加载板，将固定好液压千斤顶的反力架放置在围岩正上方；
步骤十一：将气动冲击锤安装于承载钢板上并放置于衬砌中，再通过支撑杆固定在支撑架上，将气动冲击锤通过气管与气锤控制箱连接，并连接好电动充气泵；
步骤十二：启动液压千斤顶，待压力至预定值，启动伺服电机提升水箱，确保水箱内水位达到预定值；根据不同工况，调整气动冲击锤的输出功率，记录应变片和压力传感器的数据，待气动冲击锤的作用时间达到试验要求后，停止气动冲击锤作用，并将其拆出，通过裂缝观测仪观察隧道衬砌裂缝的发展变化情况。
10.如权利要求9所述的运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验方法，其特征在于，步骤一具体为：根据“相似三定理”，采用弹塑性方程式和量纲分析方法，确定几何相似比、弹性模量相似比、容重相似比、泊松比、摩擦角、抗压强度相似比，制作不同配比的标准石膏和围岩相似材料试块，通过试块测定选出满足相似比的石膏和围岩相似材料配比，即为衬砌和围岩相似材料配比。
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