CN204044148U - 一种离心模型试验用隧道施工模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种离心模型试验用隧道施工模拟装置，其是在模型箱的内腔中填装土体，在土体中水平埋设有隧道模型，隧道模型的端头与土体侧壁对齐并与前盖正对，在隧道模型的外壁上设置有预留变形模拟层；预留变形模拟层是由围着隧道模型外壁铺设的铁丝层以及浇注在铁丝层间隙中的黄油构成，铁丝层的铁丝是沿着隧道模型的轴向排布；本实用新型可以很好的解决试验模型初次加载之后，因土体在强大离心力作用下隧道模型难以取出的难题，并且选择合适铁丝直径来实现隧道不同预留变形量及不同应力释放系数工况的模拟，保证开挖隧道在完成开挖预留变形后，被隧道模型抑制了其继续变形。

Description

一种离心模型试验用隧道施工模拟装置

技术领域

本实用新型属于室内离心模型试验研究技术领域，特别是离心模拟试验用隧道施工模拟装置。

背景技术

离心模型试验技术一直以来是土木工程界的重要研究手段。近几年来随着土工离心试验设备的不断增加，在岩土工程方面运用离心模型试验解决科学难题的成果也不断增加。但是在隧道工程方面，受限于初始应力场还原、隧道开挖、支护、预留变形量及应力释放控制等方面技术难以很好解决，在做隧道施工变形与力学特征等有关研究时往往只能采用室内普通模型试验。但是随着长、大、深隧道工程的不断出现，仅仅依靠一般模型试验已难以解决深埋隧道的重力场问题，这就迫使大家必须依赖离心模型试验来解决这一难题。而要运用离心试验设备首要问题就是解决隧道施工过程中应力场还原、开挖尺寸精度、支护及时性、预留变形量及应力释放等问题。然而，现有离心模型试验隧道开挖模拟的装置，除部分因技术要求较高，在试验过程中难以实现外，目前尚缺乏简单实用的装置来模拟隧道施工，此外，部分设备也存在模拟过程中隧道模型难以取出的问题，整个模拟施工的真实性受限。

发明内容

为了实现离心模型试验中隧道施工全过程的模拟，本实用新型提供了一种能够实现隧道初始应力场还原，真实模拟隧道开挖、支护、预留变形量及应力释放控制等，而且可实现不同开挖长度的模拟，结果准确可靠的离心模型试验用隧道施工模拟装置。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是其包括模型箱，模型箱的前侧壁设有前盖，在模型箱的内腔中填装土体，在土体中水平埋设有隧道模型，隧道模型的一端头与土体侧壁对齐并与模型箱的前盖正对，在隧道模型的外壁上设置有预留变形模拟层；

上述预留变形模拟层是由围着隧道模型外壁铺设的铁丝层以及浇注在铁丝层间隙中的黄油构成，铁丝层的铁丝是沿着隧道模型的轴向排布。

上述隧道模型是由1个或者至少2个单元隧道模型拼接构成。

上述隧道模型是有机玻璃模型。

上述预留变形模拟层的厚度为1～5mm。

本发明的离心模型试验用隧道施工模拟装置，其是利用有机玻璃按照《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)的标准加工成隧道模型，并将隧道模型外壁上设置由铁丝层与黄油组成的预留变形模拟层，能够真实模拟隧道开挖时的工况，实现隧道初始应力场还原，真实模拟隧道开挖、支护、预留变形量及应力释放控制等，并能够灵活选用单元隧道模型的个数进而调整隧道模型的长度，以达到不同开挖长度的模拟，此外，本实用新型采用黄油和密排铁丝形成预留变形模拟层，可以很好的解决试验模型初次加载之后，因土体在强大离心力作用下隧道模型难以取出的难题，并且选择合适铁丝直径来实现隧道不同预留变形量及不同应力释放系数工况的模拟，保证开挖隧道在完成开挖预留变形后，被隧道模型抑制了其继续变形。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1中I的局部放大图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行进一步说明，但是本实用新型不仅限于下述的实施情形。

实施例1

由图1可知，本实施例的离心模型试验用隧道施工模拟装置是由模型箱1、隧道模型2、预留变形模拟层3以及土体4构成。

本实施例的模型箱1是长×宽×高为700mm×500mm×360mm的矩形箱体结构，矩形箱体的前侧壁采用可拆卸的有机玻璃，形成前盖，便于观察与操作，其他侧壁以及顶部、底部均是由钢板材料制成的，在矩形箱体的内腔填装有土体4，参见图2，填土高度达到150mm时，并在土体4上表面挖出2个用于放置隧道模型2并相互平行的凹槽，本实施例的隧道模型2均是采用有机玻璃制成，其水平埋设在土体4中，前端延伸至土体4的前侧壁与土体4侧壁对齐，并与模型箱1的前盖正对。其是由5个单元隧道模型2拼接而成的，每个单元隧道模型2的外轮廓尺寸为宽120mm，高95mm，厚60mm，前后并列拼接成长为300mm的隧道模型2，单元隧道模型2的个数是根据所要模拟隧道的开挖长度来确定的。在隧道模型2的外壁上设置有预留变形模拟层3，该预留变形模拟层3为3mm，其是将直径为3mm的铁丝顺着隧道模型2的轴向在隧道模型2外壁铺设形成铁丝层3-2，在铺设的铁丝间隙中浇注黄油3-1，参见图3，试验模型初次加载之后便于将铁丝取出，同时利用预留变形模拟层3来实现隧道不同预留变形量及不同应力释放系数工况的模拟。

上述离心模型试验用隧道施工模拟装置在使用时按照下述的步骤实施：

首先，将制备好的试验用土按每次填土高度不超过5cm分层填入模型箱1内并夯实，当填土高度达到15cm时，开挖出两个用于放置隧道模型2的凹槽，两个凹槽的间距及纵向长度根据所模拟隧道的双洞净距及掌子面开挖间距来确定；

然后，将隧道模型2的外壁上涂抹一层黄油3-1放置在凹槽内，当填土高度达到模拟埋深时，用直径为3mm的长度和开挖长度同等的铁丝沿隧道模型2周边紧密插入黄油3-1中，使得隧道外层被铁丝紧密包围，铁丝间隙被黄油3-1填充；

然后，将制作好的试验模型放入离心机室逐级施加离心力场到100g，待土体4变形稳定约2小时后停机，使隧道模型2洞周土体4固结，实现初始应力场的还原。

最后，施加重力场结束后，打开模型箱1前盖挨个拔出隧道模型2周边铁丝3-2，取出隧道模型2使得隧道开挖成型，用刮土刀适当修整隧道轮廓让其平顺光滑，再将取出的隧道模型2一一放入开挖洞室内，进行第二次离心加载。这样不仅使隧道在完成开挖预留变形量3mm变形后，被隧道模型2抑制了其继续变形，而且隧道模型2可模拟隧道支护结构的施工。

实施例2

本实施例的模型箱1是由有机玻璃材料制成的长×宽×高为700mm×500mm×360mm的矩形箱体结构，在矩形箱体的内腔填装有土，填土高度达到150mm时在土层上挖出2个用于放置隧道模型2的凹槽，之后加土，即隧道模型2穿过隧道孔延伸至土层中，本实施例的隧道模型2均是采用有机玻璃制成，其是由1个单元隧道模型2构成，该单元隧道模型2的外轮廓尺寸为宽120mm，高95mm，厚280mm。在隧道模型2的外壁上设置有预留变形模拟层3，该预留变形模拟层3是将直径为5mm的铁丝顺着隧道模型2的轴向在隧道模型2外壁铺设形成铁丝层3-2，在铺设的铁丝间隙中浇注黄油3-1。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的隧道模型2均是采用有机玻璃制成，其是由2个单元隧道模型2拼接而成的，每个单元隧道模型2的外轮廓尺寸为宽120mm，高95mm，厚100mm，前后并列拼接成长为200mm的隧道模型2，在隧道模型2的外壁上设置有预留变形模拟层3，该预留变形模拟层3是将直径为1mm的铁丝3-2顺着隧道模型2的轴向在隧道模型2外壁铺设形成铁丝层3-2，在铺设的铁丝间隙中浇注黄油3-1。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

本实用新型的单元隧道模型可以根据实际模拟的隧道开挖长度进行增减，并且铁丝层的铁丝直径大小也可以根据隧道不同预留变形量及不同应力释放系数工况进行选择。

Claims (4)

1.一种离心模型试验用隧道施工模拟装置，包括模型箱(1)，模型箱(1)的前侧壁设有前盖，其特征在于：在模型箱(1)的内腔中填装土体(4)，在土体(4)中水平埋设有隧道模型(2)，隧道模型(2)的一端头与土体(4)侧壁对齐并与模型箱(1)的前盖正对，在隧道模型(2)的外壁上设置有预留变形模拟层(3)；

上述预留变形模拟层(3)是由围着隧道模型(2)外壁铺设的铁丝层(3-2)以及浇注在铁丝层(3-2)间隙中的黄油(3-1)构成，铁丝层(3-2)的铁丝是沿着隧道模型(2)的轴向排布。

2.根据权利要求1所述的离心模型试验用隧道施工模拟装置，其特征在于：所述隧道模型(2)是由1个或者至少2个单元隧道模型(2)拼接构成。

3.根据权利要求1或2所述的离心模型试验用隧道施工模拟装置，其特征在于：所述隧道模型(2)是有机玻璃模型。

4.根据权利要求1所述的离心模型试验用隧道施工模拟装置，其特征在于：所述预留变形模拟层(3)的厚度为1～5mm。