CN214844044U - 一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，包括基体、模拟隧道、模拟衬砌和载荷组件；基体用于模拟隧道盾构环境；模拟隧道开设在基体内，用于模拟盾构开凿的隧道；模拟衬砌设置在模拟隧道的外边缘与基体之间，用于模拟盾构隧道的隧道衬砌；模拟衬砌包括内层衬砌和外层衬砌，内层衬砌与外层衬砌可拆卸连接，内层衬砌包括若干内层衬块，外层衬砌包括若干外层衬块；载荷组件设置在基体的外侧。本实用新型结构简单，安装拆卸方便，内层衬块和外层衬块能多次重复利用，无需重复制作，省时省力，降低了试验成本，提高了试验效率。

Description

一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置

技术领域

本实用新型涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置。

背景技术

盾构开凿的隧道由于基层超挖未回填、混凝土浇捣不密实等原因，普遍存在衬砌与基层接触不密实甚至局部脱空的现象。这些形状、位置、大小各异的壁后空洞，容易造成衬砌结构的应力集中、裂缝发展，甚至引起局部剥离掉块的严重安全事故，影响隧道的正常使用寿命，也影响使用人群的生命财产安全。

由于衬砌背后空洞的产生位置及形状不易预测和观察，影响对隧道衬砌背后空洞的发现和及时修补；而模型试验具有边界条件明确、响应量测直观、衬砌及基层相似材料特性可控等优点，已成为研究和解决隧道工程中衬砌背后空洞问题的一种重要手段。在模型试验装置平台上，将衬砌壁后特定位置处的基层局部挖除或局部填充柔性材料，就能实现对衬砌壁后空洞的模拟，进而研究壁后空洞条件下衬砌结构的受力特性。但由于壁后空洞的几何特征复杂，若要细致研究不同位置、不同大小的壁后空洞对衬砌结构受力特征的影响，则需要不断重复上述试验，对不同位置和不同形状的壁后空洞进行研究。而基于现有的模型试验装置，都需要重新浇筑基层，并将特定位置处的基层局部挖除或填充柔性材料来模拟壁后空洞，这无疑是一项费时、费力、费成本的工作，严重影响是试验的效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，包括基体、模拟隧道、模拟衬砌和载荷组件；

基体，用于模拟隧道盾构环境；

模拟隧道，所述模拟隧道开设在所述基体内，所述模拟隧道用于模拟盾构开凿的隧道；

模拟衬砌，所述模拟衬砌设置在所述模拟隧道的外边缘与所述基体之间，用于模拟盾构隧道的隧道衬砌；

所述模拟衬砌包括内层衬砌和外层衬砌，所述内层衬砌与所述外层衬砌可拆卸连接，所述内层衬砌用于模拟盾构隧道的隧道衬砌，所述外层衬砌用于模拟隧道衬砌后的空洞；

所述内层衬砌包括若干内层衬块，任意相邻的所述内层衬块之间设置有紧固装置，所述外层衬砌包括若干外层衬块；

载荷组件，所述载荷组件设置在所述基体的外侧，用于向模拟隧道施加载荷。

优选的，所述载荷组件包括若干反力支撑壁，若干所述反力支撑壁设置在所述基体的外侧，所述反力支撑壁朝向所述基体的一侧固定有若干加载装置，所述加载装置的输出端与所述基体固接。

优选的，若干所述加载装置阵列分布在所述反力支撑壁上。

优选的，所述内层衬块包括内层本体，所述内层本体的两端分别固定有第一凸块和第二凸块，所述第一凸块朝向外层衬砌的一侧开设有第一凹坑，所述第二凸块朝向模拟隧道的一侧开设有第二凹坑，所述第一凸块与相邻的所述内层衬块的所述第二凹坑可拆卸连接，所述第二凸块与相邻的所述内层衬块的所述第一凹坑可拆卸连接。

优选的，所述第一凸块上开设有第一螺孔，所述第二凸块上开设有第二螺孔，所述第一螺孔与相邻的所述内层衬块的所述第二螺孔相对设置，所述第一螺孔和所述第二螺孔内可拆卸连接有所述紧固装置。

优选的，所述第一螺孔贯穿所述第一凸块，所述第二螺孔不贯穿所述第二凸块。

优选的，所述外层衬块包括外层本体，所述外层本体的一端固定有榫头，所述外层本体的另一端开设有榫槽，所述榫头与相邻的所述外层衬块的所述榫槽可拆卸连接。

优选的，所述榫头为T型。

本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型公开一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，本装置通过在基体内开设模拟隧道，用于模拟正常盾构开凿的隧道，模拟隧道的外缘设置有包括内层衬砌和外层衬砌的模拟衬砌，其中内层衬砌用于模拟盾构隧道的隧道衬砌，外层衬砌用以模拟隧道衬砌背后的空洞，同时内层衬砌对外层衬砌起到支撑作用，防止外层衬砌掉落；内层衬砌由若干内层衬块组成，外层衬砌由若干外层衬块组成，方便安装拆卸；使用时，将外层衬砌的部分外层衬块拆除，即可模拟不同形状、不同规格的空洞，可重复使用，多次进行试验，便于观察研究；基体外设置有载荷装置，用于模拟正常隧道在使用时受到的外力影响，研究在有空洞的情况下隧道的受力及受力后的影响。本实用新型结构简单，安装拆卸方便，内层衬块和外层衬块能重复利用，无需重复制作，省时省力，降低了试验成本，提高了试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置结构示意图；

图2为本实用新型隧道衬砌结构示意图；

图3为图2中A的局部放大图；

图4为图2中B的局部放大图；

图5为本实用新型内层衬块三维视图；

图6为本实用新型外层衬块三维视图；

其中，1-基体，2-模拟隧道，3-内层衬砌，4-外层衬砌，5-反力支撑壁，6-加载装置，7-内层衬块，8-外层衬块，71-内层本体，72-第一凸块，73-第二凸块，74-紧固装置，75-第一凹坑，76-第二凹坑，77-第一螺孔，78-第二螺孔，81-外层本体，82-榫头，83-榫槽。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1-6，本实用新型提供一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，包括基体1、模拟隧道2、模拟衬砌和载荷组件；

基体1，用于模拟隧道的盾构环境；

模拟隧道2，模拟隧道2开设在基体1内，模拟隧道2用于模拟盾构开凿的隧道，模拟隧道2的截面为圆形，与现有的盾构机的盾构截面相同；

模拟衬砌，模拟衬砌设置在模拟隧道2的外边缘与基体1之间，用于模拟盾构隧道的隧道衬砌，模拟衬砌的外边缘紧贴基体1，用来模拟盾构隧道外侧的加强结构，即隧道衬砌，为模拟隧道2提供足够的支撑强度，防止模拟隧道2塌陷；

模拟衬砌包括内层衬砌3和外层衬砌4，内层衬砌3与外层衬砌4可拆卸连接，内层衬砌3用于模拟盾构隧道的隧道衬砌，外层衬砌4用于模拟隧道衬砌后的空洞，空洞的产生一般都是紧贴隧道衬砌的背后，因此将模拟衬砌分成内层衬砌3与外层衬砌4，其中内层衬砌3与隧道衬砌的作用相同，外层衬砌4模拟隧道衬砌背后的空洞，使用时将外层衬砌4的一部分去除，即可产生空洞，若需要模拟的空洞的深度超出外层衬砌4的厚度，可挖除基体1靠近模拟位置的一部分，试验完成后进行回填，内层衬块7的材质与隧道的隧道衬砌相同，制作时制成预制模型；

内层衬砌3包括若干内层衬块7，任意相邻的内层衬块7之间设置有紧固装置74，外层衬砌4包括若干外层衬块8，将内层衬砌3与外层衬砌4都分成若干个部分，便于拆卸安装，能进行多次重复利用；

载荷组件，载荷组件设置在基体1的外侧，用于向基体1和模拟隧道2施加载荷，载荷组件用于模拟真实隧道正常使用过程中的各方向受力，以及研究隧道产生空洞的前提下受力后的力学分布及结构破坏特性。

进一步优化方案，载荷组件包括若干反力支撑壁5，若干反力支撑壁5设置在基体1的外侧，反力支撑壁5朝向基体1的一侧固定有若干加载装置6，加载装置6的输出端与基体1固接，加载装置6固定在反力支撑壁5上，输出端与基体1固接，用于向基体1施加载荷，反力支撑壁5用于支撑加载装置6。

进一步优化方案，若干加载装置6阵列分布在反力支撑壁5上。

进一步优化方案，内层衬块7包括内层本体71，内层本体71的两端分别固定有第一凸块72和第二凸块73，第一凸块72朝向外层衬砌4的一侧开设有第一凹坑75，第二凸块73朝向模拟隧道2的一侧开设有第二凹坑76，第一凸块72与相邻的内层衬块7的第二凹坑76可拆卸连接，第二凸块73与相邻的内层衬块7的第一凹坑75可拆卸连接，相邻的内层衬块7的第一凸块72与第二凹坑76可拆卸连接，第二凸块73相邻的内层衬块的第一凹坑75可拆卸连接，使相邻的内层衬块7存在相互交叠的部分，方便于紧固装置74固定。

进一步优化方案，第一凸块72上开设有第一螺孔77，第二凸块73上开设有第二螺孔78，第一螺孔77与第二螺孔78相对设置，紧固装置74设置在第一螺孔77和第二螺孔78内，第一螺孔77贯穿第一凸块72，第二螺孔78不贯穿第二凸块73。使用时将第一螺孔77对准相邻内层衬块7的第二螺孔78，然后将紧固装置74拧入螺孔内，即可将相邻的内层衬块7固定牢固，拆卸时，取下紧固装置74即可分开内层衬块7。

进一步优化方案，外层衬块8包括外层本体81，外层本体81的一端固定有榫头82，外层本体81的另一端开设有榫槽83，榫头82与相邻的外层衬块8的榫槽83可拆卸连接，榫头82为T型，使用时外层衬块8的榫头82卡入相邻的外层衬块8的榫槽83内，即可完成组装，方便快捷，可重复使用；T型的榫头82卡接更牢固。

使用方法：使用本装置时，首先到待模拟的盾构隧道处测量隧道四周土体的性质，然后根据测得的性质制作基体1，基体1的材质及硬度与待测隧道四周的土体性质相同。

在基体1内开凿模拟隧道2，为提高模拟的相似度，可选用小型盾构机进行开凿；然后在开凿好的模拟隧道2四周由外向内依次安装外层衬砌4和内层衬砌3，安装外层衬砌4时，依次将外层衬块8的榫头82卡入相邻的外层衬块8的榫槽83内即可完成，安装内层衬砌3时，使相邻的内层衬块7的第一凸块72与第二凹坑76重合，第二凸块73与另一个相邻的内层衬块7的第一凹坑75重合，使第一螺孔77正对另一个内层衬块7的第二螺孔78，再将紧固装置74拧紧入螺孔内，然后依次推进，在内层衬砌3的支撑下外层衬砌4也被卡紧在内层衬砌3与基体1之间；然后在基体1的四周设置反力支撑壁5，反力支撑壁5要求与地面或者试验基台固定，防止施加载荷时反力支撑壁5移动影响实验结果，最后在反力支撑壁5与基体1之间安装加载装置6，加载装置6的输出端朝向基体1。

试验时，首先开启加载装置6，对基体1施加一定的载荷并进行记录；使用声波或其他测量设备在模拟隧2内向四周测量，测量模拟隧道2的形变量及没有空洞时的超声或其他探测结果；然后关闭加载装置6及测量设备，然后选取一个或几个位置为模拟空洞位置，拧下紧固装置74，然后依次取下内层衬块7，再取下相对位置的外层衬块8，若外层衬块8的厚度小于需要模拟的空洞的深度，可以挖除一部分基体1，然后在将内层衬块7复原，即可完成盾构隧道衬砌背后空洞的模拟。

再次开启加载装置6，调节相同的载荷向基体1施加，然后再次使用声波或其他测量设备在模拟隧2内向四周测量，测量模拟隧道2的形变量及存在空洞时的超声或其他探测结果，并对其进行记录。

重复上述试验，根据记录的结果分析产生空洞时的形变变化规律以及存在空洞时候超声波或其他测量装置的测量结果，分析产生空洞时的变形规律以及超声探测规律，作为实际隧道衬砌背后空洞的检测依据，及时发现空洞并进行修补，降低空洞引起的事故几率，提高隧道的使用寿命，保护人群的生命财产安全。

本实用新型结构简单，安装拆卸方便，内层衬块7和外层衬块8能多次重复利用，无需重复制作，省时省力，降低了试验成本，提高了试验效率，为隧道衬砌背后空洞的发现提供理论支持，提醒工作人员及时进行修补，降低空洞引起的事故几率，提高隧道的使用寿命，保护人群的生命财产安全。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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实用新型，而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实用新型的限制。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：包括基体(1)、模拟隧道(2)、模拟衬砌和载荷组件；

基体(1)，用于模拟隧道(2)盾构环境；

模拟隧道(2)，所述模拟隧道(2)开设在所述基体(1)内，所述模拟隧道(2)用于模拟盾构开凿的隧道；

模拟衬砌，所述模拟衬砌设置在所述模拟隧道(2)的外边缘与所述基体(1)之间，用于模拟盾构隧道的隧道衬砌；

所述模拟衬砌包括内层衬砌(3)和外层衬砌(4)，所述内层衬砌(3)与所述外层衬砌(4)可拆卸连接，所述内层衬砌(3)用于模拟盾构隧道的隧道衬砌，所述外层衬砌(4)用于模拟隧道衬砌后的空洞；

所述内层衬砌(3)包括若干内层衬块(7)，任意相邻的所述内层衬块(7)之间设置有紧固装置(74)，所述外层衬砌(4)包括若干外层衬块(8)；

载荷组件，所述载荷组件设置在所述基体(1)的外侧，用于向模拟隧道(2)施加载荷。

2.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述载荷组件包括若干反力支撑壁(5)，若干所述反力支撑壁(5)设置在所述基体(1)的外侧，所述反力支撑壁(5)朝向所述基体(1)的一侧固定有若干加载装置(6)，所述加载装置(6)的输出端与所述基体(1)固接。

3.根据权利要求2所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：若干所述加载装置(6)阵列分布在所述反力支撑壁(5)上。

4.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述内层衬块(7)包括内层本体(71)，所述内层本体(71)的两端分别固定有第一凸块(72)和第二凸块(73)，所述第一凸块(72)朝向外层衬砌(4)的一侧开设有第一凹坑(75)，所述第二凸块(73)朝向模拟隧道(2)的一侧开设有第二凹坑(76)，所述第一凸块(72)与相邻的所述内层衬块(7)的所述第二凹坑(76)可拆卸连接，所述第二凸块(73)与相邻的所述内层衬块(7)的所述第一凹坑(75)可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述第一凸块(72)上开设有第一螺孔(77)，所述第二凸块(73)上开设有第二螺孔(78)，所述第一螺孔(77)与相邻的所述内层衬块(7)的所述第二螺孔(78)相对设置，所述第一螺孔(77)和所述第二螺孔(78)内可拆卸连接有所述紧固装置(74)。

6.根据权利要求5所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述第一螺孔(77)贯穿所述第一凸块(72)，所述第二螺孔(78)不贯穿所述第二凸块(73)。

7.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述外层衬块(8)包括外层本体(81)，所述外层本体(81)的一端固定有榫头(82)，所述外层本体(81)的另一端开设有榫槽(83)，所述榫头(82)与相邻的所述外层衬块(8)的所述榫槽(83)可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的模拟盾构隧道衬砌背后空洞的试验装置，其特征在于：所述榫头(82)为T型。

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