CN114459789A - 一种多个隧道共建试验模型装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多个隧道共建试验模型装置与试验方法，本方案通过在系统框架内设置岩土体，然后以压力传感单元、位移计作为应力变形监测系统、多个摄像单元作为摄像系统、多组施压组件作为施压系统、钻机配合移动机构作为机械手开挖系统等等，令其在以岩土体作为主载体的岩土体模拟系统进行隧道挖掘模拟，通过本发明能够精细化、可视化地获取临近地下洞室结构及围岩系统相互作用行为，并对获取的洞室、围岩应力场、位移场进行深入分析，便于深入探索隧道相互影响的力学机理，为合理施工顺序的提出提供技术支撑及理论依据。

Description

一种多个隧道共建试验模型装置与试验方法

技术领域

本发明涉及工程模拟装置领域，尤其涉及一种多个隧道共建试验模型装置与试验方法。

背景技术

随着地面建筑密度越来越高，地面可利用空间越来越小，人们逐渐将目光转向了地下。目前，为了满足经济建设及城市发展需求，大量一二线城市在地下修建了大量地下建筑结构，如地铁隧道、铁路或公路隧道、综合管廊、地下停车场等，由于地下空间的密集开发，不可避免引发各种复杂的结构相互作用及环境问题等，如地表下沉、周边建筑倾斜及开裂、管线破裂等现象，这些已经成为城市现代化建设中亟待解决的问题。而未充分摸清多个洞室的施工力学特性及环境影响情况，未采用科学合理的施工顺序或施工方法等是导致群洞施工引发系列环境问题的根本所在。因此研究城市地下空间开发中多隧共建相互作用及环境影响问题是一个重要的研究课题。

工程实践中，地铁隧道、公路隧道、综合管廊隧道等平行或上下交叉、斜交修建已成常态，由于各隧道的使用功能、断面形式、地层条件及环境特点等不尽相同，故采用的隧道施工方法及产生的施工力学特性不尽相同。而且是临近洞室，施工中必然存在开挖工法、支护措施、开挖顺序等优化问题，使得施工对隧道、围岩及环境的影响降到最低，因此进行考虑相邻群洞隧道施工过程的试验研究、开展力学性状分析并优化施工方案显得尤为关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种模拟可靠、实施便利且操作灵活，数据参考性佳的多个隧道共建试验模型装置与试验方法。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种多个隧道共建试验模型装置，其包括：

试验框架，为箱型框架结构，其箱型框架结构内形成试验模拟区；

岩土体，设置在试验框架内且一端，其一端面朝向试验框架另一端；

施压组件，为多组且分别与岩土体水平两侧和上端面对应，所述施压组件一端与岩土体表面相抵，另一端与试验框架固定连接，将岩土体固定在试验框架内；

钻机，设置在岩土体与试验框架另一端之间，所述钻机具有钻头，该钻头朝向岩土体的一端面；

移动机构，设置在试验框架上端且通过连接件与钻机连接，令钻机被悬吊于试验框架内，且由移动机构辅助移动钻机；

摄像单元，为多个且呈阵列布设在试验框架的另一端，所述摄像单元的影像摄取端朝向岩土体一端面。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述施压组件包括：

钢面板，为多块且与岩土体上端面和水平两侧一一对应，并固定设置在与岩土体上端面或水平两侧相对的试验框架侧面；

顶撑单元，为多组且每组顶撑单元与一块钢面板对应，所述顶撑单元包括呈阵列布设的多个液压油缸，多个液压油缸的主体固定在钢面板上，其活塞杆与岩土体相抵，将岩土体固定在试验框架内。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述移动机构包括平移组件和升降组件，所述平移组件设置在钻机上方的试验框架上，所述升降组件与平移组件连接，所述钻机通过连接件与升降组件连接，且由平移组件带动升降组件和钻机在岩土体和试验框架另一端之间平移，由升降组件带动钻机升降。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述连接件为万向旋转轴。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述摄像单元为多个可变焦摄像机，其呈阵列布设在试验框架的另一端，所述试验框架通过夹持组件与摄像单元固定连接。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述夹持组件包括：

第一安装板，为一对且相对设置，其设有延伸至长度方向两端的腰型槽；

第二安装板，为多个且相互平行设置，第二安装板的两端分别通过锁紧螺栓配合螺母可拆卸锁附固定在一对第一安装板上；

夹持单元，为多个且滑动连接在第二安装板上，所述夹持单元与摄像单元一一对应并对应夹持连接。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述夹持单元包括：

第一连接板，为匚形结构，其匚形结构内的下侧设有第一软垫；

第一螺栓，其螺杆端由第一连接板的上侧螺纹穿入到第一连接板的匚形结构内；

第一夹板，上端面通过转动连接件与第一螺栓穿入到第一连接板的匚形结构内的端末转动连接，第一连接板的下端面设有第二软垫且第一软垫和第二软垫之间形成用于夹持摄像单元的夹持区；

第二连接板，固定在第一连接板远离其开口侧的侧面上，所述第二安装板为匚形板，其匚形下侧设有第一滑槽，其匚形上侧设有第二滑槽，所述第二连接板穿入到第二安装板的匚形结构内；

第二螺栓，其螺杆端由第二滑槽穿入到第二安装板的匚形结构内且与第二连接板上端面螺纹连接，将第二连接板滑动约束于第二安装板的匚形结构内；

第二夹板，设置在第二连接板与第二安装板的匚形结构下侧之间；

拉杆，一端由第一滑槽穿入到第二安装板的匚形结构内且与第二夹板固定连接，另一端外露在第二安装板外；

弹簧，套设在拉杆穿入到第二安装板内的端部且分别与第二夹板和第二安装板相抵，使第二夹板将第二连接板抵接约束在第二安装板的匚形结构内。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述第二夹板的上端面还设有第三软垫。

作为一种较优的实施选择，优选的，本方案还包括：

压力传感单元，为多个且预埋设置在岩土体内，其用于感应岩土体受钻机开挖时的内部压力变化。

位移计，为多个且设置在岩土体表面，其用于感应岩土体受钻机开挖时的位移距离。

基于上述方案，本发明还提供一种多个隧道共建试验模型装置的试验方法，其包括上述所述的多个隧道共建试验模型装置，所述试验方法包括如下步骤：

S01、模型装样：按预设研究需要，将从工程现场获取的岩土体，然后将其分层装入到模型箱内，再通过静置、碾压、对其进行外观整理和成型，同时，将压力传感单元预埋其中，继而使其达到预设规格后，再置于模型框架内；

S02、试验监测系统布设：按预设条件和要求将位移计布设在成型至预设规格的岩土体表面，安装摄像单元，使其布设于预设位置；

S03、模型加载，按预设要求，通过施压组件对岩土体加载不同的压力，模拟岩土体在不同地层压力或载荷作用情况；

S04、启动钻机，通过移动机构带动钻机的钻头对岩土体进行开挖模拟，同时通过压力传感单元、位移计和摄像单元进行监测；

S05、获取钻机对岩土体开挖过程中的围岩应力场、位移场和地表沉降数据，将其作为分析隧道之间、隧道和围岩之间作用行为。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案通过在系统框架内设置岩土体，然后以压力传感单元、位移计作为应力变形监测系统、多个摄像单元作为摄像系统、多组施压组件作为施压系统、钻机配合移动机构作为机械手开挖系统等等，令其在以岩土体作为主载体的岩土体模拟系统进行隧道挖掘模拟，通过本发明能够精细化、可视化地获取临近地下洞室结构及围岩系统相互作用行为，并对获取的洞室、围岩应力场、位移场进行深入分析，便于深入探索隧道相互影响的力学机理，为合理施工顺序的提出提供技术支撑及理论依据。再则，我国是世界上隧道和地下工程规模最大、情况最复杂、发展最迅速的国家之一。在这种大背景下，受地形、地质与线形等条件限制，隧道净距越来越小，使得实际工程中出现了大量群洞隧道的工程实例，相互影响是多孔隧道区别于分离式隧道的本质所在。对于邻近洞室施工效应相互叠加产生“群洞效应”，从而使隧道的施工力学特征及时空效应变得更加复杂。本发明技术对广泛存在的小净距、立体交叉的群洞隧道技术优化具有很强的指导意义，应用前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明模型装置的简要实施结构示意图；

图2是本发明模型装置的夹持组件的简要实施结构示意图之一；

图3是本发明模型装置的夹持组件的简要实施结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本方案一种多个隧道共建试验模型装置，其包括：

试验框架1，为箱型框架结构，其箱型框架结构内形成试验模拟区；

岩土体7，设置在试验框架1内且一端，其一端面朝向试验框架1另一端；

施压组件，为多组且分别与岩土体7水平两侧和上端面对应，所述施压组件一端与岩土体7表面相抵，另一端与试验框架1固定连接，将岩土体7固定在试验框架1内；

钻机5，设置在岩土体7与试验框架1另一端之间，所述钻机5具有钻头，该钻头朝向岩土体7的一端面；

移动机构，设置在试验框架1上端且通过连接件与钻机5连接，令钻机5被悬吊于试验框架1内，且由移动机构辅助移动钻机5；

摄像单元2，为多个且呈阵列布设在试验框架1的另一端，所述摄像单元2的影像摄取端朝向岩土体一端面。

其中，本方案中，所述施压组件包括：

钢面板9，为多块且与岩土体7上端面和水平两侧一一对应，并固定设置在与岩土体7上端面或水平两侧相对的试验框架1侧面；

顶撑单元6，为多组且每组顶撑单元与一块钢面板9对应，所述顶撑单元包括呈阵列布设的多个液压油缸，多个液压油缸的主体固定在钢面板9上，其活塞杆与岩土体7相抵，将岩土体7固定在试验框架1内。

本方案中，所述移动机构包括平移组件4和升降组件8，所述平移组件4设置在钻机5上方的试验框架1上，所述升降组件8与平移组件4连接，所述钻机5通过连接件3与升降组件8连接，且由平移组件带动升降组件8和钻机5在岩土体7和试验框架1另一端之间平移，由升降组件8带动钻机5升降；作为一种较优的实施选择，优选的，所述连接件3为万向旋转轴，该万向转轴可以实现360度旋转的旋转轴，而本方案的平移组件4、升降组件8和旋转轴(可以为多自由度的机械手)及钻机均为市销已有产品，将其布设在试验框架1中，即可通过控制器(远程试验终端，例如：膝上式电脑、平板电脑或台式电脑)进行工作控制即可。

本方案中，所述摄像单元2为多个可变焦摄像机，其呈阵列布设在试验框架1的另一端，所述试验框架通过夹持组件与摄像单元2固定连接；优选的，所述夹持组件包括：

第一安装板211，为一对且相对设置，其设有延伸至长度方向两端的腰型槽2111；

第二安装板212，为多个且相互平行设置，第二安装板212的两端分别通过锁紧螺栓2121配合螺母可拆卸锁附固定在一对第一安装板211上；

夹持单元213，为多个且滑动连接在第二安装板212上，所述夹持单元213与摄像单元2一一对应并对应夹持连接；优选的，所述夹持单元213包括：

第一连接板2131，为匚形结构，其匚形结构内的下侧设有第一软垫2139；

第一螺栓2138，其螺杆端由第一连接板2131的上侧螺纹穿入到第一连接板2131的匚形结构内；

第一夹板2137，上端面通过转动连接件21381与第一螺栓2138穿入到第一连接板2131的匚形结构内的端末转动连接，第一连接板2131的下端面设有第二软垫21371且第一软垫2139和第二软垫21371之间形成用于夹持摄像单元2的夹持区；

第二连接板2132，固定在第一连接板2131远离其开口侧的侧面上，所述第二安装板212为匚形板，其匚形下侧设有第一滑槽2123，其匚形上侧设有第二滑槽2122，所述第二连接板2132穿入到第二安装板212的匚形结构内；

第二螺栓2133，其螺杆端由第二滑槽2122穿入到第二安装板212的匚形结构内且与第二连接板2132上端面螺纹连接，将第二连接板2132滑动约束于第二安装板212的匚形结构内；

第二夹板2134，设置在第二连接板2132与第二安装板212的匚形结构下侧之间；

拉杆214，一端由第一滑槽2123穿入到第二安装板212的匚形结构内且与第二夹板2134固定连接，另一端外露在第二安装板外；

弹簧2136，套设在拉杆214穿入到第二安装板212内的端部且分别与第二夹板2134和第二安装板212相抵，使第二夹板2134将第二连接板2132抵接约束在第二安装板212的匚形结构内，在该方案下，只需通过拉动拉杆214，使弹簧2136压缩，即可解除对第二连接板2132的抵接约束，此时，操作人员即可通拉动第一连接板2131，便可进行平移夹持单元213，而拉杆214亦可沿第一滑槽2123进行滑动，通过释放拉杆，即可重新将第二连接板2132重新抵接固定在第二安装板212上。

为了能更好地与第二连接板2132进行解除配合，本方案中，优选的，所述第二夹板2134的上端面还设有第三软垫2135。

本方案中，作为一种优选方案，本方案还包括：

压力传感单元，为多个且预埋设置在岩土体7内，其用于感应岩土体受钻机开挖时的内部压力变化。

位移计，为多个且设置在岩土体7表面，其用于感应岩土体受钻机5开挖时的位移距离。

基于上述方案，本发明还提供一种多个隧道共建试验模型装置的试验方法，其包括上述所述的多个隧道共建试验模型装置，所述试验方法包括如下步骤：

S01、模型装样：按预设研究需要，将从工程现场获取的岩土体，然后将其分层装入到模型箱内，再通过静置、碾压、对其进行外观整理和成型，同时，将压力传感单元预埋其中，继而使其达到预设规格后，再置于模型框架内；

S02、试验监测系统布设：按预设条件和要求将位移计布设在成型至预设规格的岩土体表面，安装摄像单元，使其布设于预设位置；

S03、模型加载，按预设要求，通过施压组件对岩土体加载不同的压力，模拟岩土体在不同地层压力或载荷作用情况；

S04、启动钻机，通过移动机构带动钻机的钻头对岩土体进行开挖模拟，同时通过压力传感单元、位移计和摄像单元进行监测；

S05、获取钻机对岩土体开挖过程中的围岩应力场、位移场和地表沉降数据，将其作为分析隧道之间、隧道和围岩之间作用行为。

作为一种模拟实例，在上述实施结构形式下，其实施过程如下：

(1)模型装样。根据研究需要，从工程现场获取岩土体并进行装样。岩土体分层装入模型箱，并通过静置、碾压等工序依次装样，直至达到预定高度。

(2)监测系统布设。监测系统主要由土压力盒、位移计和高倍数摄影系统等组成。土压力盒布设在岩土体内部，可在装样过程中进行埋置，以监测围岩应力变化情况。位移计可布置在岩土体表面及中岩墙等部位，以监测地表沉降及中岩墙变形情况。高倍数摄影系统固定于系统框架上，如图1所示，摄影机可以沿框架上的滑轨进行移动，根据研究需要从不同角度获取洞口段开挖的实际情况。在洞口立面绘制正方形网格，以便通过高清图像识别技术分析洞口段变形情况，并可直观分析岩土体变形及开裂情况。

(3)模型加载。根据研究需要，通过千斤顶加压系统及顶部钢板给岩土体加载以便模拟不同地层压力或荷载作用情况。施压系统中，油压千斤顶固定于顶端的底座上，可以通过调节底座位置调整施压位置，也可以根据研究需要施加均布荷载、集中荷载和偏压荷载；钢面板作为岩土体隔板置于岩土体两侧，以约束岩土体水平方向变形。

(4)隧道开挖。机械臂可在系统框架中设置的水平轨道和垂直轨道中自由移动，360°转动轴调节钻头以及钻头机械臂的位置与角度，起自动、精准调节开挖位置的作用。开挖钻头数量可根据隧道数量进行灵活设置，开挖钻头连接可伸缩开挖机械臂，用于模拟公路隧道、地铁隧道或管廊隧道等的开挖施工。

(5)对获取围岩的应力场、位移场及地表沉降等数据进行分析，探讨隧道之间、隧道与围岩等相互作用行为。改变工况进行下一组试验。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，其包括：

试验框架，为箱型框架结构，其箱型框架结构内形成试验模拟区；

岩土体，设置在试验框架内且一端，其一端面朝向试验框架另一端；

施压组件，为多组且分别与岩土体水平两侧和上端面对应，所述施压组件一端与岩土体表面相抵，另一端与试验框架固定连接，将岩土体固定在试验框架内；

钻机，设置在岩土体与试验框架另一端之间，所述钻机具有钻头，该钻头朝向岩土体的一端面；

移动机构，设置在试验框架上端且通过连接件与钻机连接，令钻机被悬吊于试验框架内，且由移动机构辅助移动钻机；

摄像单元，为多个且呈阵列布设在试验框架的另一端，所述摄像单元的影像摄取端朝向岩土体一端面。

2.如权利要求1所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述施压组件包括：

钢面板，为多块且与岩土体上端面和水平两侧一一对应，并固定设置在与岩土体上端面或水平两侧相对的试验框架侧面；

顶撑单元，为多组且每组顶撑单元与一块钢面板对应，所述顶撑单元包括呈阵列布设的多个液压油缸，多个液压油缸的主体固定在钢面板上，其活塞杆与岩土体相抵，将岩土体固定在试验框架内。

3.如权利要求1所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述移动机构包括平移组件和升降组件，所述平移组件设置在钻机上方的试验框架上，所述升降组件与平移组件连接，所述钻机通过连接件与升降组件连接，且由平移组件带动升降组件和钻机在岩土体和试验框架另一端之间平移，由升降组件带动钻机升降。

4.如权利要求3所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述连接件为万向旋转轴。

5.如权利要求1所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述摄像单元为多个可变焦摄像机，其呈阵列布设在试验框架的另一端，所述试验框架通过夹持组件与摄像单元固定连接。

6.如权利要求5所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述夹持组件包括：

第一安装板，为一对且相对设置，其设有延伸至长度方向两端的腰型槽；

第二安装板，为多个且相互平行设置，第二安装板的两端分别通过锁紧螺栓配合螺母可拆卸锁附固定在一对第一安装板上；

夹持单元，为多个且滑动连接在第二安装板上，所述夹持单元与摄像单元一一对应并对应夹持连接。

7.如权利要求6所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述夹持单元包括：

第一连接板，为匚形结构，其匚形结构内的下侧设有第一软垫；

第一螺栓，其螺杆端由第一连接板的上侧螺纹穿入到第一连接板的匚形结构内；

第一夹板，上端面通过转动连接件与第一螺栓穿入到第一连接板的匚形结构内的端末转动连接，第一连接板的下端面设有第二软垫且第一软垫和第二软垫之间形成用于夹持摄像单元的夹持区；

第二连接板，固定在第一连接板远离其开口侧的侧面上，所述第二安装板为匚形板，其匚形下侧设有第一滑槽，其匚形上侧设有第二滑槽，所述第二连接板穿入到第二安装板的匚形结构内；

第二螺栓，其螺杆端由第二滑槽穿入到第二安装板的匚形结构内且与第二连接板上端面螺纹连接，将第二连接板滑动约束于第二安装板的匚形结构内；

第二夹板，设置在第二连接板与第二安装板的匚形结构下侧之间；

拉杆，一端由第一滑槽穿入到第二安装板的匚形结构内且与第二夹板固定连接，另一端外露在第二安装板外；

弹簧，套设在拉杆穿入到第二安装板内的端部且分别与第二夹板和第二安装板相抵，使第二夹板将第二连接板抵接约束在第二安装板的匚形结构内。

8.如权利要求7所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，所述第二夹板的上端面还设有第三软垫。

9.如权利要求1至8之一所述的多个隧道共建试验模型装置，其特征在于，其还包括：

压力传感单元，为多个且预埋设置在岩土体内，其用于感应岩土体受钻机开挖时的内部压力变化。

位移计，为多个且设置在岩土体表面，其用于感应岩土体受钻机开挖时的位移距离。

10.一种多个隧道共建试验模型装置的试验方法，其特征在于，其包括权利要求9所述的多个隧道共建试验模型装置，所述试验方法包括如下步骤：

S01、模型装样：按预设研究需要，将从工程现场获取的岩土体，然后将其分层装入到模型箱内，再通过静置、碾压、对其进行外观整理和成型，同时，将压力传感单元预埋其中，继而使其达到预设规格后，再置于模型框架内；

S02、试验监测系统布设：按预设条件和要求将位移计布设在成型至预设规格的岩土体表面，安装摄像单元，使其布设于预设位置；

S03、模型加载，按预设要求，通过施压组件对岩土体加载不同的压力，模拟岩土体在不同地层压力或载荷作用情况；

S04、启动钻机，通过移动机构带动钻机的钻头对岩土体进行开挖模拟，同时通过压力传感单元、位移计和摄像单元进行监测；

S05、获取钻机对岩土体开挖过程中的围岩应力场、位移场和地表沉降数据，将其作为分析隧道之间、隧道和围岩之间作用行为。

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