CN219369431U - 隧道开挖模拟实验模型箱及隧道开挖模拟系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及隧道以及地下工程施工试验技术领域，具体涉及一种隧道开挖模拟实验模型箱及隧道开挖模拟系统，隧道开挖模拟实验模型箱包括顶部开口底部封闭的箱体，箱体包括箱底、骨架结构和与骨架结构连接的侧壁，侧壁包括双层框架结构，双层框架结构的夹层中适于容纳围合板，且各侧壁上还设有横向插销道和纵向插销道，横向插销道与纵向插销道中均适于容纳插销，插销包括能够调节模拟隧道间距的调位插销组和能够构成模拟隧道断面的断面插销组；且围合板与双层框架结构的夹层配合以及插销与横向插销道和纵向插销道配合后，能够使得侧壁形成为整体结构。本申请的隧道开挖模拟实验模型箱具有易于进行实验准备且模拟情形多的技术效果。

Description

隧道开挖模拟实验模型箱及隧道开挖模拟系统

技术领域

本申请涉及隧道及地下工程施工试验技术领域，尤其是涉及一种隧道开挖模拟实验模型箱，此外，还涉及一种隧道开挖模拟系统。

背景技术

模型试验可以模拟各种相对复杂的边界条件，能较全面而又形象地呈现工程结构与相关岩土体共同作用下的应力和变形机制、破坏机理、形态及失稳阶段的全貌。

长期以来，模型试验方法一直是研究解决大型复杂隧道工程课题的重要手段。

公告号为CN115507808A的中国专利，公布了一种模拟临近隧道施工条件下既有隧道受力变形特性的试验装置及方法，其中涉及的试验装置也是试验箱的形式，但是，其在模拟不同的隧道分布的形式时，需要对试验箱的整体进行拆卸重组，实验准备过程繁琐且耗时长，此外，其能够模仿的隧道的分布形式较少。

有鉴于此，需要提供一种隧道开挖模拟实验模型箱。

实用新型内容

为了改善上述的缺陷，本申请提供一种隧道开挖模拟实验模型箱。

本申请第一方面所提供的一种隧道开挖模拟实验模型箱采用如下的技术方案。

一种隧道开挖模拟实验模型箱，包括顶部开口底部封闭的箱体，所述箱体包括箱底、骨架结构和与所述骨架结构连接的侧壁，所述侧壁包括双层框架结构，所述双层框架结构的夹层中适于容纳围合板，且各所述侧壁上还设有横向插销道和纵向插销道，所述横向插销道与所述纵向插销道中均适于容纳插销，所述插销包括能够调节模拟隧道间距的调位插销组和能够构成模拟隧道断面的断面插销组；且所述围合板与所述双层框架结构的夹层配合以及所述插销与所述横向插销道和所述纵向插销道配合后，能够使得所述侧壁形成为整体结构。

通过采用上述技术方案，在横向插销道和纵向插销道上插置一对或多对的断面插销组，并通过调位插销组来调节各对断面插销组之间的左右间距或是上下间距，能够实现多个隧道在同一平面内或者整个空间上平行开挖的模拟、隧道之间倾斜相交或是垂直，以及隧道倾斜向上或是倾斜向下布置等状态的模拟，能够应用于多种工况的隧道开挖模拟实验，在切换不同的隧道布置状态时，只需要对断面插销组以及调位插销组进行不同形式的组合即可实现，从而避免了每种不同的工况在进行实验前都要对应的设计一个不同的模型箱所造成的资源浪费，且能够使得实验前的准备时间更短，实用性更强。

具体地，所述骨架结构包括多根立柱以及多根横梁，各所述立柱的一端与所述箱底连接，且相邻的两根所述立柱上远离所述箱底的一端之间连接有所述横梁。

通过采用上述技术方案，能够对箱体以及侧壁起到良好的支撑连接作用。

具体地，各所述侧壁上的左上方、左下方、右上方以及右下方均设有一个所述双层框架结构，以在左右两侧的所述双层框架结构之间形成贯穿于所述侧壁的高度方向的所述纵向插销道，并在上下两侧的所述双层框架结构之间形成贯穿于所述侧壁的宽度方向的所述横向插销道。

通过采用上述技术方案，使得横向插销道以及纵向插销道均是处于侧壁的中部，从而便于实现模拟出的向左上、左下、右上或右下倾斜延伸的隧道，模拟效果更好。

具体地，各所述双层框架结构包括内框板、外框板、连接所述内框板与所述外框板的连接板以及用于承托所述围合板的限位板；位于所述横向插销道的上侧的所述双层框架结构经由所述内框板与所述立柱以及所述横梁连接，位于所述横向插销道的下侧的所述双层框架结构经由所述内框板与所述立柱连接，并经由所述连接板与所述箱底连接；所述双层框架结构中靠近所述立柱的一侧设有适于所述围合板接触的板材进出口，且所述板材进出口处设有适于开合的封口装置；所述限位板设置在所述双层框架结构上靠近所述横向插销道与所述纵向插销道的一侧，且所述限位板上设有贯穿于该限位板的长度方向的限位槽。

通过采用上述技术方案，能够便于向双层框架结构中插置围合板。并能够对围合板进行有效的限位，防止围合板从双层框架结构中脱出。

具体的，所述插销上相对设置的一对侧边上设有贯穿于该侧边的长度方向的凸起结构，所述凸起结构的宽度与所述限位槽的宽度一致；所述围合板为钢化玻璃板，且所述围合板上与所述横向插销道以及所述纵向插销道相配合的一侧上均设有贯穿于该侧的长度方向的凹槽，所述凹槽的宽度与所述限位槽的宽度一致，且所述凸起结构的凸起高度与凹槽的深度一致。

通过采用上述技术方案，能够便于实现插销与围合板以及双层框架结构之间的配合连接，从而便于将隧道开挖模拟实验模型箱装配到位，防止后续填充到隧道开挖模拟实验模型箱内的填料漏出。

具体地，所述断面插销组中成对配合的设置有左半圆插销和右半圆插销，所述左半圆插销与所述右半圆插销相配合，以形成模拟隧道的断面；且所述调位插销组包括至少两种长度的调位插销；所述断面插销组包括配合后所形成的模拟隧道的断面为圆形的地铁隧道断面插销组和配合后所形成的模拟隧道断面为马蹄形的山岭隧道断面插销组，且所述地铁隧道断面插销组包括至少两种尺寸的断面的地铁隧道半圆插销，所述山岭隧道断面插销组包括至少两种断面尺寸的山岭隧道半圆插销。

通过采用上述技术方案，能够模拟不同截面形状的隧道，更具有实用性。

进一步地，还包括加固组件，所述加固组件包括加固杆；所述箱底上还设有沿所述侧壁的外壁面布置的多个底部插接孔，各所述横梁上均设有顶部插接孔；所述加固杆的一端插接于所述插接孔中，另一端插接于对应的所述顶部插接孔中，且所述加固杆能够与所述侧壁的外壁面相抵接。

通过采用上述技术方案，能够对侧壁进行进一步的限位加固，使得后续在向隧道开挖模拟实验模型箱中加入填充物时，不易出现填充物将侧壁挤压形变，导致最终的试验结果不准的情况。

本申请第一方面所提供的一种隧道开挖模拟系统采用如下的技术方案。

一种隧道开挖模拟系统，包括：

上述技术方案中所述的隧道开挖模拟实验模型箱，用于模拟隧道待开挖的围岩；

隧道开挖模拟装置，用于模拟开挖后的隧道；

地表沉降检测装置，用于检测模型箱内填料的上表面的沉降数值；

压力加载装置，用于对模型箱内的填料加载；

土压力检测装置，用于测量模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处的径向压力与环向压力；

隧道破坏模式监测装置，用于记录所述隧道开挖模拟实验模型箱内填料的破坏过程；

隧道结构模拟装置，用于模拟已建隧道。

通过采用上述技术方案，隧道开挖模拟实验模型箱、隧道开挖模拟装置和压力加载装置，能够实现多种工况的隧道开挖的模拟，且通过地表沉降检测装置、土压力检测装置、隧道破坏模式监测装置和隧道结构模拟装置对实验过程进行监测以及对关键实验数据进行测量和记录，使得设计人员可以根据实验所得数据推断实际施工方案是否安全可行。

具体地，所述隧道开挖模拟装置包括橡胶气囊、通气胶管、减压阀和空气压缩机；所述橡胶气囊为圆柱形气囊且其外径与模拟隧道的洞径一致；所述隧道开挖模拟装置通过所述减压阀控制所述橡胶气囊排气减压以实现所述模拟隧道的开挖；

所述地表沉降检测装置包括位移传感器，所述位移传感器固定于横杆上，所述横杆固定于所述用于隧道开挖模拟实验模型箱的顶部；或

所述地表沉降检测装置为设置于所述隧道开挖模拟实验模型箱的侧壁上的纸质量尺；

所述压力加载装置包括反力架和加载装置，所述压力加载装置与所述填料的上表面间放置有硬质板；

所述土压力检测装置包括土压力盒和静态数据采集仪；所述土压力盒与所述静态数据采集仪电连接；所述土压力盒放置于所述模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处；

所述隧道破坏模式监测装置包括摄像装置；

所述隧道结构模拟装置包括塑料管，且所述塑料管上贴有应变片，所述塑料管内放置有百分表。

通过采用上述技术方案，能够实现对试验数据的采集。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、通过在横向插销道和纵向插销道上插置一对或多对的断面插销组，并通过调位插销组来调节各对断面插销组之间的左右间距或是上下间距，能够实现多个隧道在同一平面内或者整个空间上平行开挖的模拟、隧道之间倾斜相交或是垂直，以及隧道倾斜向上或是倾斜向下布置等状态的模拟，够应用于多种工况的隧道开挖模拟实验，在切换不同的隧道布置状态时，只需要对断面插销组以及调位插销组进行不同形式的组合即可实现，从而避免了每种不同的工况在进行实验前都要对应的设计一个不同的模型箱所造成的资源浪费，且能够使得实验前的准备时间更短，实用性更强；

2、通过隧道开挖模拟实验模型箱、隧道开挖模拟装置和压力加载装置，实现了多种工况的隧道开挖的模拟，并通过地表沉降检测装置、土压力检测装置、隧道破坏模式监测装置和隧道结构模拟装置对实验过程进行监测以及对关键实验数据进行测量和记录，使得设计人员可以根据实验所得数据推断实际施工方案是否安全可行。

附图说明

图1是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的立体示意图（不包括调位插销组和断面插销组）。

图2是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的正视图（包括调位插销组和断面插销组）。

图3是图2中A-A方向的剖视图。

图4是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的围合板的立体结构示意图。

图5是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种调位插销组的立体结构示意图。

图6是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种断面插销组的立体结构示意图。

图7是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的地铁隧道断面插销组的正视图。

图8是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的山岭隧道断面插销组的正视图。

图9是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种单洞地铁隧道的模拟示意图。

图10是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的另一种单洞地铁隧道的模拟示意图。

图11是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种竖直方向平行开挖的模拟示意图。

图12是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第二种竖直方向平行开挖的模拟示意图。

图13是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第三种竖直方向平行开挖的模拟示意图。

图14是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种下穿隧道开挖的模拟示意图。

图15是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第二种下穿隧道开挖的模拟示意图。

图16是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第三种下穿隧道开挖的模拟示意图。

图17是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的一种上穿隧道开挖的模拟示意图。

图18是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第二种上穿隧道开挖的模拟示意图。

图19是本申请的隧道开挖模拟实验模型箱中的第三种上穿隧道开挖的模拟示意图。

图20是本申请的隧道开挖模拟系统的结构示意图。

附图标记：1、箱底；2、骨架结构；21、立柱；22、横梁；3、侧壁；31、双层框架结构；311、内框板；312、外框板；313、连接板；314、限位板；3141、限位槽；315、板材进出口；32、围合板；33、横向插销道；34、纵向插销道；41、调位插销组；42、断面插销组；421、地铁隧道断面插销组；422、山岭隧道断面插销组；5、加固杆；61、反力架；62、加载装置；63、硬质板。

具体实施方式

以下结合附图1-20对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开了一种隧道开挖模拟实验模型箱。

参照图1和图2，一种隧道开挖模拟实验模型箱，其包括顶部开口底部封闭的箱体，该箱体包括箱底1、骨架结构2和与骨架结构2连接的侧壁3，侧壁3上包括双层框架结构31，在双层框架结构31的夹层中适于容纳围合板32，且各侧壁3上还设有横向插销道33和纵向插销道34，横向插销道33与纵向插销道34中均适于容纳插销，插销至少包括能够调节模拟隧道间距的调位插销组41，以及能够构成模拟隧道断面的断面插销组42；且围合板32与双层框架结构31的夹层配合以及插销与横向插销道33和纵向插销道34配合后，能够使得侧壁3形成为整体结构，从而在后续向隧道开挖模拟实验模型箱中填充了填料之后，侧壁3与填料能够用于模拟围岩结构，而在横向插销道33和纵向插销道34上插置一对或多对的断面插销组42，并通过调位插销组41来调节各对断面插销组42之间的左右间距或是上下间距，能够实现多个隧道在同一平面内或者空间上平行开挖的模拟、隧道之间倾斜相交或是垂直，以及隧道倾斜向上或是倾斜向下延伸等状态的模拟，能够应用于多种工况的隧道开挖模拟实验，且在切换不同的隧道布置状态时，只需要对断面插销组42以及调位插销组41进行不同形式的组合即可实现，从而避免了每种不同的工况在进行实验前都要对应的设计一个不同的模型箱所造成的资源浪费，且能够使得实验前的准备时间更短，实用性更强。

参照图1，在本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的一种实施例中，骨架结构2可具体设置为包括多根立柱21以及多根横梁22，各立柱21的一端与箱底1连接，且相邻的两根立柱21上远离箱底1的一端之间连接有横梁22，以图1所示的隧道开挖模拟实验模型箱为例，骨架结构2可设置为包括四根立柱21以及四根横梁22，从而将隧道开挖模拟实验模型箱设置长方体结构，立柱21以及横梁22均可以是方口钢管，并以焊接的形式实现连接，且箱底1可以是钢板，且立柱21与钢板之间也可以以焊接的方式进行连接，从而使得隧道开挖模拟实验模型箱具有坚固的骨架结构2，不易产生形变。

进一步地，参照图1和图2，在本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的一种实施例中，各侧壁3上的左上方、左下方、右上方以及右下方均设有一个双层框架结构31，以在左右两侧的双层框架结构31之间形成贯穿于侧壁3的高度方向的纵向插销道34，并在上下两侧的双层框架结构31之间形成贯穿于侧壁3的宽度方向的横向插销道33，从而能够使得横向插销道33以及纵向插销道34均是处于侧壁3的中部（横向插销道33沿水平方向延伸，并处于侧壁3的竖直高度方向的中部，纵向插销道34沿竖直方向延伸，并处于侧壁3的横向宽度方向的中部），从而便于实现模拟出的向左上、左下、右上或右下倾斜延伸的隧道，模拟出的情况更多，模拟效果更好。

基于上述的侧壁3结构的布置，会使得横向插销道33以及纵向插销道34的交汇处的双层框架结构31缺少支撑，从而在向隧道开挖模拟实验模型箱中填充了填料后，填料的重量以及后续的实验过程中向填料施加的载荷，容易使得双层框架结构31上靠近横向插销道33以及纵向插销道34的交汇处的部分出现向隧道开挖模拟实验模型箱的外侧形变凸出的情况，从而会导致试验出现偏差，因此，需要对该部分进行加强，具体地，如图1和3所示，可进一步设置加固组件，该加固组件包括加固杆5；在箱底1上还设有沿侧壁3的外壁面布置的多个底部插接孔，各个横梁22上均设有顶部插接孔，使得加固杆5的一端能够插接于插接孔中，另一端能够插接于对应的顶部插接孔中，且加固杆5能够与侧壁3的外壁面相抵接，例如，如图1所示，每个侧壁3对应设置两个底部插接孔，且底部插接孔设置在侧壁3的宽度的三等分点处，对应的横梁22上也设有两个顶部插接孔，且顶部插接孔设置在横梁22的长度的三等分点处（需要注意的是横梁22的长度可设置为与侧壁3的宽度一致），使得两个加固杆5的一端插接于插接孔中，另一端能够插接于对应的顶部插接孔中，且两个加固杆5与侧壁3的外壁面相抵接，从而能够在后续在向隧道开挖模拟实验模型箱中加入填充物时，不易出现侧壁3被挤压形变，导致最终的试验结果不准的情况。

具体地，参照图2和图3，在本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的一种实施例中，各双层框架结构31可设置为包括内框板311、外框板312、连接内框板311与外框板312的连接板313以及用于承托围合板32的限位板314；具体地，位于横向插销道33的上侧的双层框架结构31经由内框板311与立柱21以及横梁22连接，位于横向插销道33的下侧的双层框架结构31经由内框板311与立柱21连接，并经由连接板313与箱底1连接，内框板311、外框板312、连接内以及限位板314均可设置为钢板，且连接方式均可选择焊接，以保证双层框架结构31本身的强度以及其与骨架结构2以及箱底1之间连接的可靠性，以减少隧道开挖模拟实验模型箱出现严重形变的可能性。

双层框架结构31中靠近立柱21的一侧设有适于围合板32接触的板材进出口315，且板材进出口处设有适于开合的封口装置（图中未示出），以在围合板32完全插入到双层框架结构31的夹层后，将封口装置闭合锁紧，具体地，封口装置的一种优选结构为：在双层框架结构31两侧的内框板311和外框板312上各自焊接一个环套结构，且内框板311的环套结构设有内螺纹结构，在装好钢化玻璃后，可向环套中插入一根螺栓，然后拧紧螺母即可，该设计结构简单易于操作；限位板314设置在双层框架结构31上靠近横向插销道33与纵向插销道34的一侧，且在限位板314上设有贯穿于该限位板314的长度方向的限位槽3141；上述设计能够保证围合板32稳固的固定在夹层中不易脱出，以减少围合板32脱出导致箱内的填料漏出使得实验失败的情况。

具体地，参照图4和图5，在本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的一种实施例中，插销上相对设置的一对侧边上设有贯穿于该侧边的长度方向的凸起结构，凸起结构的宽度与限位槽3141的宽度一致；围合板32可优选为钢化玻璃板，以便于在后续的试验过程中，对隧道开挖模拟实验模型箱内的情况进行观察，且围合板32上与横向插销道33以及纵向插销道34相配合的一侧上均设有贯穿于该侧的长度方向的凹槽，当然，可以理解的是，如图5所示，例如，若是插置在纵向插销道34中的插销的一侧需要与横向插销道33相配合，则该插销上与横向插销道33相匹配的一侧也需要设有相应的凹槽，以能够通过该凹槽与横向插销道33中的插销相配合，且上述的凹槽的宽度与限位槽3141的宽度（也即是与凸起结构的宽度）一致，凸起结构的凸起高度与凹槽的深度一致，当然还可以进一步优选为凸起结构的凸起高度为凹槽的深度与限位板314的厚度值和，从而能够便于实现插销与围合板32以及双层框架结构31之间的配合连接，并在将隧道开挖模拟实验模型箱装配到位后，能够防止后续填充到隧道开挖模拟实验模型箱内的填料漏出。

进一步地，参照图6，在本申请的隧道开挖模拟实验模型箱的一种实施例中，断面插销组42中成对配合的设置有左半圆插销和右半圆插销，左半圆插销与右半圆插销相配合，以形成模拟隧道的断面；调位插销组41包括至少两种长度的调位插销；如图7和图8所示，断面插销组42包括配合后所形成的模拟隧道的断面为圆形的地铁隧道断面插销组421和配合后所形成的模拟隧道断面为马蹄形的山岭隧道断面插销组422，且地铁隧道断面插销组421包括至少两种尺寸的断面的地铁隧道半圆插销，山岭隧道断面插销组422包括至少两种断面尺寸的山岭隧道半圆插销，调位插销组41中包括至少两种长度的调位插销可以便于调节模拟隧道的隧道口之间的间距；半圆插销组中包括能够形成不同隧道断面的插销组，且每种形成不同隧道断面的插销组中都包括至少两种断面尺寸，能够满足对不同隧道断面的隧道模拟以及不同相似比下的隧道模拟。

基于上述的隧道开挖模拟实验模型箱，其可模拟的工况及其对应的优选模拟方法如下：

第一种，根据被模拟的隧道的断面形状，选择与之相对应的半圆插销组，如选择配合后所形成的模拟隧道的断面为圆形的地铁隧道半圆插销组以模拟地铁隧道的开发；选择配合后所形成的模拟隧道断面为马蹄形的山岭隧道半圆插销组以模拟山岭隧道的开挖，在选定隧道断面形式后，按照相似比选择不同断面尺寸的半圆插销，以模拟不同相似比下模拟隧道的开挖。此处需要强调的是，隧道开挖模拟实验模型箱内的填料为相似材料（即是与需要施工的位置处的围岩相类似的材料），相似材料的配比需要根据实验的相似比决定，在相似比改变时，相似材料的配比也需要改变。

第二种，单孔隧道的开挖，如图9和10所示，是不同深度的单孔隧道的开挖模拟。

第三种，横向或纵向的多条隧道并行设置的模拟，如图11至13所示，在隧道开挖模拟实验模型箱的纵向插销道34中设置至少两对半圆插销，各对半圆插销间的纵向间距通过调位插销进行调整，以实现及竖直方向上的不同隧道间距的双洞隧道或着多孔隧道群的模拟开挖；或者在隧道开挖模拟实验模型箱的横向插销道33中设置至少两对半圆插销，各对半圆插销间的横向间距通过调位插销进行调整，以实现水平方向上的不同隧道间距的双洞隧道或着多孔隧道群的模拟开挖。

需要注意的是，以上三种工况只利用横向插销道33或只利用到纵向插销道34，若只利用横向插销道33而不涉及纵向插销道34即可完成模型试验，则纵向插销道34需要用调位插销进行封挡，若只利用纵向插销道34而不涉及横向插销道33即可完成模型试验，则横向插销道33需要用调位插销进行封挡；另外，隧道开挖模拟实验模型箱的尺寸应根据多孔隧道群开挖的工况来制作，所以隧道开挖模拟实验模型箱对于前两种只进行单洞开挖的工况来说，其尺寸较大，所以在进行试验时，需填充的相似材料也过多，容易造成浪费，所以在考虑边界效应的情况下，可以利用木板将隧道开挖模拟实验模型箱隔出足以准确完成试验的空间，以此来减少填料的浪费。

第四种，上跨隧道的模拟，如图14至19所示，在横向插销道33上设置已建隧道，已建隧道可以是以上三种工况中的任意一种，在纵向插销道34上设置待开挖隧道，待开挖隧道与已建隧道间的纵向距离由调位插销进行调节，如图14至16所示，若待开挖隧道在已建隧道的下方，则可以实现下穿隧道的模拟开挖；如图17至19所示，若待开挖隧道在已建隧道的上方，则可以实现上跨隧道的模拟开挖；采用该种设计方式时，由于已建隧道的下部空间很大，在考虑边界效应的条件下可以采用垫块来减少下部空间，防止填料的浪费；需要注意的是，若已建隧道为单洞隧道，且待开挖隧道为上跨隧道时，可以在纵向插销道34上设置已建隧道，在横向插销道33上设置待开挖隧道，这样可以充分利用下部空间，减少相似材料的浪费。

第五种，相交隧道的模拟，基于上述的上跨隧道的模拟，上下层的隧道除了平行布置，还可以呈一定的角度进行斜交布置，在模拟该类的隧道分布情况时，可在纵向插销道34上模拟上跨或者下穿的隧道，并在横向插销道33上设置与上跨或者下穿的隧道斜交的隧道，例如，在某一横向插销道33的左侧设置断面插销组42，在相对应的另一横向插销道33的右侧设置断面插销组42，从而使得斜交的隧道时从左到右倾斜，以实现与上跨或者下穿隧道的斜交。

特别地，基于上述的隧道开挖模拟实验模型箱的结构设计，使得模拟隧道的一端可设置在某一侧壁3的纵向插销道34上，模拟隧道的另一端可设置在与上述的侧壁3相邻或相对设置的侧壁3的横向插销道33上，从而使得模拟隧道能够以左上、左下或是右上、右下的方向延伸，且与侧壁3之间的夹角的调节情况更多，从而能够模拟出更多的隧道的姿态。

本申请实施例还公开了一种隧道开挖模拟系统。

参照图20，一种隧道开挖模拟系统，包括：

上述技术方案中的隧道开挖模拟实验模型箱，用于模拟隧道待开挖的围岩；

隧道开挖模拟装置，用于模拟开挖后的隧道；

地表沉降检测装置（图中未示出），用于检测模型箱内填料的上表面的沉降数值；

压力加载装置，用于对模型箱内的填料加载；

土压力检测装置（图中未示出），用于测量模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处的径向压力与环向压力；

隧道破坏模式监测装置（图中未示出），用于记录隧道开挖模拟实验模型箱内填料的破坏过程；

隧道结构模拟装置（图中未示出），用于模拟已建隧道。

具体地，在本申请的隧道开挖模拟系统的一种实施例中，隧道开挖模拟装置包括橡胶气囊、通气胶管、减压阀和空气压缩机；其中橡胶气囊可以是为圆柱形气囊且其外径与模拟隧道的洞径一致；该隧道开挖模拟装置通过减压阀控制橡胶气囊排气减压以实现模拟隧道的开挖；

地表沉降检测装置包括位移传感器，位移传感器固定于横杆上，横杆固定于隧道开挖模拟实验模型箱的顶部；或

地表沉降检测装置为设置于隧道开挖模拟实验模型箱的侧壁3上的纸质量尺；在被模拟的隧道的埋深较浅，不需要利用压力加载装置进行加载时，则可采用位移传感器来测量，在被模拟的隧道的埋深较深，需要利用压力加载装置进行加载时，由于位移传感器不便于布置，所以采用纸质量尺进行测量；

如图20所示，压力加载装置包括反力架61和加载装置62，压力加载装置与填料的上表面间放置有硬质板63，硬质板63可以使得模型箱内的填料受力均匀避免应力集中；

土压力检测装置包括微型土压力盒和静态数据采集仪；微型土压力盒与静态数据采集仪电连接；微型土压力盒放置于模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处，且能够监测拱顶与拱腰处的径向压力信息与环向压力信息，并将所测得的径向压力信息与环向压力信息传递至静态数据采集仪；

隧道破坏模式监测装置包括摄像装置，该摄像装置设置为间隔拍摄模式，并能够全程记录模拟隧道开挖时填料的破坏过程；

隧道结构模拟装置包括聚氯乙烯管，聚氯乙烯管能够模拟衬砌，且聚氯乙烯管上贴有应变片，聚氯乙烯管的管道内放置有百分表；应变片能够测量应变和应力的变化，百分表能够测量模拟衬砌的变形程度。

利用本申请进行隧道开挖模拟实验的实验过程如下：

首先，将钢化玻璃插入到夹层中后闭合连接装置实现钢化玻璃的固定，按照实验所要模拟的工况将调位插销和半圆插销布置在所需位置，并按照相似比配比相似材料，为了进一步确保密闭性，钢化玻璃与双层框架结构31之间的空隙还可以用泡沫胶填充。

随后，固定好隧道开挖模拟实验模型箱，同时将隧道开挖模拟实验模型箱内清理干净后，在隧道开挖模拟实验模型箱的内壁上涂一层洗洁精，以减小围岩体材料在变形和破坏时与钢化玻璃的摩擦力，并将相似材料按落雨法自密实分层加入到隧道开挖模拟实验模型箱内，在此过程中在规定位置埋设好压力盒以及内置气囊，并且将压力盒、静态数据采集及电脑三者连接和调试好，记录好初始读数，其中气囊在填料过程中应保持圆柱形。

然后，当相似材料装料结束后，安装摄像装置，并检查拍摄位置是否合理，拍摄图片是否清晰；在隧道开挖模拟实验模型箱顶部安装位移传感器，或是在隧道开挖模拟实验模型箱的外侧壁3设置纸质量尺，检查初始数据并记录好实验数据。

最后，控制隧道开挖模拟装置模拟隧道开挖，并记录好隧道开挖后的各项数据；并整理分析所得数据，得出实验结论。

本申请实施例的隧道开挖模拟实验模型箱的实施原理为：在横向插销道33和纵向插销道34上插置一对或多对的断面插销组42，并通过调位插销组41来调节各对断面插销组42之间的左右间距或是上下间距，能够实现多个隧道在同一平面内或者整个空间上平行开挖的模拟、隧道之间倾斜相交或是垂直，以及隧道倾斜向上或是倾斜向下布置等状态的模拟，能够应用于多种工况的隧道开挖模拟实验，在切换不同的隧道布置状态时，只需要对断面插销组42以及调位插销组41进行不同形式的组合即可实现，从而避免了每种不同的工况在进行实验前都要对应的设计一个不同的模型箱所造成的资源浪费，且能够使得实验前的准备时间更短，实用性更强。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于，包括顶部开口底部封闭的箱体，所述箱体包括箱底（1）、骨架结构（2）和与所述骨架结构（2）连接的侧壁（3），所述侧壁包括双层框架结构（31），所述双层框架结构（31）的夹层中适于容纳围合板（32），且各所述侧壁上还设有横向插销道（33）和纵向插销道（34），所述横向插销道（33）与所述纵向插销道（34）中均适于容纳插销，所述插销包括能够调节模拟隧道间距的调位插销组（41）和能够构成模拟隧道断面的断面插销组（42）；且所述围合板（32）与所述双层框架结构（31）的夹层配合以及所述插销与所述横向插销道（33）和所述纵向插销道（34）配合后，能够使得所述侧壁形成为整体结构。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：所述骨架结构（2）包括多根立柱（21）以及多根横梁（22），各所述立柱（21）的一端与所述箱底（1）连接，且相邻的两根所述立柱（21）上远离所述箱底（1）的一端之间连接有所述横梁（22）。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：各所述侧壁（3）上的左上方、左下方、右上方以及右下方均设有一个所述双层框架结构（31），以在左右两侧的所述双层框架结构（31）之间形成贯穿于所述侧壁（3）的高度方向的所述纵向插销道（34），并在上下两侧的所述双层框架结构（31）之间形成贯穿于所述侧壁（3）的宽度方向的所述横向插销道（33）。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：各所述双层框架结构（31）包括内框板（311）、外框板（312）、连接所述内框板（311）与所述外框板（312）的连接板（313）以及用于承托所述围合板（32）的限位板（314）；位于所述横向插销道（33）的上侧的所述双层框架结构（31）经由所述内框板（311）与所述立柱（21）以及所述横梁（22）连接，位于所述横向插销道（33）的下侧的所述双层框架结构（31）经由所述内框板（311）与所述立柱（21）连接，并经由所述连接板（313）与所述箱底（1）连接；所述双层框架结构（31）中靠近所述立柱（21）的一侧设有适于所述围合板（32）接触的板材进出口（315），且所述板材进出口（315）处设有适于开合的封口装置；所述限位板（314）设置在所述双层框架结构（31）上靠近所述横向插销道（33）与所述纵向插销道（34）的一侧，且所述限位板（314）上设有贯穿于该限位板（314）的长度方向的限位槽（3141）。

5.根据权利要求4所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：所述插销上相对设置的一对侧边上设有贯穿于该侧边的长度方向的凸起结构，所述凸起结构的宽度与所述限位槽（3141）的宽度一致；所述围合板（32）为钢化玻璃板，且所述围合板（32）上与所述横向插销道（33）以及所述纵向插销道（34）相配合的一侧上均设有贯穿于该侧的长度方向的凹槽（321），所述凹槽（321）的宽度与所述限位槽（3141）的宽度一致，且所述凸起结构的凸起高度与凹槽（321）的深度一致。

6.根据权利要求5所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：所述断面插销组（42）中成对配合的设置有左半圆插销和右半圆插销，所述左半圆插销与所述右半圆插销相配合，以形成模拟隧道的断面；且所述调位插销组（41）包括至少两种长度的调位插销；所述断面插销组（42）包括配合后所形成的模拟隧道的断面为圆形的地铁隧道断面插销组（421）和配合后所形成的模拟隧道断面为马蹄形的山岭隧道断面插销组（422），且所述地铁隧道断面插销组（421）包括至少两种尺寸的断面的地铁隧道半圆插销，所述山岭隧道断面插销组（422）包括至少两种断面尺寸的山岭隧道半圆插销。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的隧道开挖模拟实验模型箱，其特征在于：还包括加固组件，所述加固组件包括加固杆（5）；所述箱底（1）上还设有沿所述侧壁的外壁面布置的多个底部插接孔，各所述横梁（22）上均设有顶部插接孔；所述加固杆（5）的一端插接于所述插接孔中，另一端插接于对应的所述顶部插接孔中，且所述加固杆（5）能够与所述侧壁的外壁面相抵接。

8.一种隧道开挖模拟系统，其特征在于：包括：

权利要求1至7中任一项所述的隧道开挖模拟实验模型箱，用于模拟隧道待开挖的围岩；

隧道开挖模拟装置，用于模拟开挖后的隧道；

地表沉降检测装置，用于检测模型箱内填料的上表面的沉降数值；

压力加载装置，用于对模型箱内的填料加载；

土压力检测装置，用于测量模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处的径向压力与环向压力；

隧道破坏模式监测装置，用于记录所述隧道开挖模拟实验模型箱内填料的破坏过程；

隧道结构模拟装置，用于模拟已建隧道。

9.根据权利要求8所述的隧道开挖模拟系统，其特征在于：所述隧道开挖模拟装置包括橡胶气囊、通气胶管、减压阀和空气压缩机；所述橡胶气囊为圆柱形气囊且其外径与模拟隧道的洞径一致；所述隧道开挖模拟装置通过所述减压阀控制所述橡胶气囊排气减压以实现所述模拟隧道的开挖；

所述地表沉降检测装置包括位移传感器，所述位移传感器固定于横杆上，所述横杆固定于所述隧道开挖模拟实验模型箱的顶部；或

所述地表沉降检测装置为设置于所述隧道开挖模拟实验模型箱的侧壁上的纸质量尺；

所述压力加载装置包括反力架（61）和加载装置（62），所述压力加载装置与所述填料的上表面间放置有硬质板（63）；

所述土压力检测装置包括土压力盒和静态数据采集仪；所述土压力盒与所述静态数据采集仪电连接；所述土压力盒放置于所述模拟隧道的洞室拱顶与拱腰处；

所述隧道破坏模式监测装置包括摄像装置；

所述隧道结构模拟装置包括塑料管，且所述塑料管上贴有应变片，所述塑料管内放置有百分表。