CN108445185A - 一种可开门式多功能隧道开挖模拟三维模型试验台 - Google Patents

一种可开门式多功能隧道开挖模拟三维模型试验台 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，模型试验箱设置侧门、中央隔板和进水管网。侧门可方便开关，同时关闭后采用螺栓与模型箱连接，既便于隧道开挖试验结束后易于围岩的清理，又能保证模型箱整体的刚度。隔板将模型箱分为大小相同的两个小模型箱，可进行大、小两种尺寸的三维隧道开挖模型试验，尤其是可以同时进行两个小尺寸的三维隧道开挖模型试验。围岩填筑完成后可通过进水管网向模型箱内注水，可以将围岩内自由液面控制在试验设计位置。采用该模型箱可完成饱和地层、非饱和地层围岩条件，不同埋深、以及不同开挖面形式等复杂条件下的三维隧道开挖模型试验。

Description

一种可开门式多功能隧道开挖模拟三维模型试验台
技术领域
一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，属于盾构模拟技术领域。
背景技术
地质力学模型试验方法是研究隧道开挖问题的一种行之有效的方法，它能够真实地反映地质条件和工程结构的关系，准确地模拟施工过程和影响，试验结果更加直观，使人们更容易从全局上把握隧道工程整体力学特征、变形趋势和稳定性的特点，从而做出判断。因此，隧道开挖模拟模型试验平台的研究非常必要。Yong-Joo Lee(2006)研制了尺寸为1.058m×0.93m×0.075m(宽×高×厚)的隧道开挖模型试验平台，该平台采用铝棒模拟围岩，以一种特制的变直径装置模拟隧道开挖过程，可用于隧道开挖过程中地层损失对围岩变形和临近建筑物影响的研究；山东大学(2008)研制了可模拟高地应力额隧道开挖模型试验平台，尺寸为4.5m×3.55m×2m(宽×高×厚)，可实现四面加载，最大可模拟埋深2000m，试验台可实现均匀梯级加载，模拟真实的初始地应力场，进行高地应力以及超载破坏模拟试验；北京交通大学(2010)研制了隧道开挖平面应变模型试验平台，尺寸为3m×1.62m×0.3m，可用于进行逐级加载过程中隧道围岩破坏过程的研究；同济大学(2013)研制了平面应变隧道开挖模型试验平台，尺寸为1.6m×1.3m×0.4m(宽×高×厚)，开挖***由四块钢板和内部支撑螺栓组成，通过钢板的拆卸模式隧道的开挖，可用于进行逐级加载过程中隧道围岩破坏过程的研究；北京工业大学(2014)研制了尺寸为1.5m×1.5m×0.4m(宽×高×厚)的隧道开挖模型试验平台，采用气囊模拟隧道开挖的过程，可用于隧道开挖过程中地层损失对围岩变形和临近建筑物影响的研究。上述试验平台都只能模拟二维隧道开挖试验，无法进行隧道开挖过程围岩、结构等的三维时空受力、变形规律的研究。山东大学(2007)研制了新型组合式三维地质力学模型试验台架装置，尺寸为4×3.2m×1.7m(宽×高×厚)，该装置规模较大，尺寸可任意调整，既能进行三维模型试验，又能进行平面模型试验，同时，可模拟岩土工程的实际地形地貌特征；Jong-Ho Shin(2008)，研制了大型三维隧道开挖模拟试验平台，尺寸为3.6m×4m×3.3m，隧道开挖直径可达到1.1m，可实现顶部加载，可进行隧道开工程对围岩和开挖面稳定性的研究；山东大学(2013)研制了海底隧道流固耦合模型试验***，尺寸为3.4m×3m×0.8m，试验***组装方便、密封性好、可视化，模型试验架尺寸及结构可以纵向拓展，可以进行大比尺三维流–固耦合模型试验，可模拟海水深度最大为57m。根据研究的问题不同，近年来，各高校和科研单位已经研制了大量的三维隧道开挖模型试验平台，但隧道开挖试验完成后台架内部的围岩材料很难清理出来，这是这些试验平台的存在一个共同的问题。因此，研制一种既能实现不同条件下隧道开挖模拟，又能方便试验完成后围岩材料清理的多功能模型试验台十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供可一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，既可以进行复杂条件下三维隧道开挖模型试验，又能在试验完成后方便的清理台架内部的围岩材料。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，该模型试验箱由底座(1)、底板(2)、箱壁a(3)、箱壁b(4)、箱壁c(5)、箱壁d(6)五部分组成。箱壁a(3)、箱壁b(4)、箱壁c(5)、箱壁d(6)顺次连接组成长方体结构；箱壁(4)b和箱壁d(6)上分别设置前预留开挖孔(7)和后预留开挖孔(8)。箱壁c(5)由两扇能开关的侧门(9)组成，侧门(9)能绕安装于两侧的合页(10)旋转，从而实现侧门(9)的开关。箱壁c(5)内侧设置一圈钢梁(11)，为保证试验中箱壁c(5)的强度，用高强螺栓(12)将两扇侧门(9)固定在钢梁(11)上。箱壁a(3)和箱壁c(5)的中央位置处安装有隔板(13)，隔板(13)安装后将长方体结构的模型试验箱分成两个大小相同的小模型箱。隔板(13)通过卡槽(14)固定在箱壁a(3)和箱壁c(5)，隔板(13)能够自由拆卸。为保证试验过程中隔板(13)的强度，用螺栓将隔板(13)固定在卡槽(14)上。隔板(13)上设置有开挖孔(16)，开挖孔(16)的直径与前预留开挖孔(7)和后预留开挖孔(8)的直径相等。
模型箱底板(2)上安装有两套独立的进水管网(17、18)，两套独立的进水管网分别对被隔板(13)两个小模型箱内的围岩进行饱和。每套进水管网(17、18)由进水口(19)、总管(20)和支管(21)组成。进水口(19)由箱壁(3)底部引出。支管(21)上每隔100mm设置一对出水孔(22)，两出水孔(22)与支管(21)圆心的连线正交，且对称布置。
进行大模型试验时将隔板(13)拆卸，通过隔板(13)上部的吊装孔(23)用吊车将隔板(13)移出至模型试验箱的外部。进行小模型试验时再将隔板(13)安装在模型试验箱的内部。
侧门(9)与钢梁(11)连接的部位设置密封圈，隔板(13)与卡槽(14)连接的位置也设置密封圈，侧门(9)与钢梁(11)之间的缝隙的位置用密封胶进行密封，使模型试验箱有良好的密封性。侧门(9)上安装透明的有机玻璃，能够观测到模型试验箱内水位的变化。
支管(21)通过钢制卡子(24)固定在模型箱底板(2)上。
本发明的工作过程和工作原理是：
试验开始之前先将两扇门关闭，用螺栓将其固定在钢梁上，同时将前、后开挖孔封闭。若开展大模型试验，将隔板从模型箱内部吊出。先在模型箱底部平铺一层砾石，保证能将底部的进水管道全部覆盖，防止填土过程中管道出水孔堵塞。然后按填土方案向模型箱内部填土，土体内埋有土压力盒、渗压计和位移计，这些传感器均与数据采集及处理装置相连。围岩填筑完成后向模型箱底部的进水管网内注水，控制自由液面达到试验设计的位置。将前开挖孔挡板取下进行隧道开挖，并采集记录各项数据。试验完成后，将侧门的固定螺栓全部取下，打开侧门，将模型箱内部的围岩材料取出。若开展小模型试验，则将隔板安装在模型箱中部，重复上述过程。
本发明的有益效果在于：
(1)本隧道开挖模拟模型试验台可完成饱和地层、非饱和地层围岩条件，不同开挖面形式等复杂条件下的三维隧道开挖模型试验；
(2)本隧道开挖模拟模型试验台可进行大、小两种尺寸的三维隧道开挖模型试验，尤其是可以同时进行两个小尺寸的三维隧道开挖模型试验；
(3)本隧道开挖模拟模型试验台在试验完成后打开侧门，可以方便模型箱内围岩材料的清理。
附图说明
图1是本发明所述隧道开挖模拟模型箱三围视图；
图2是本发明所述隧道开挖模拟模型箱进水管网布置图；
图3是本发明所述进水管网支管出水孔设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步具体描述：
如图1～图3所示，本发明所述一种可开门式多功能隧道开挖模拟三维模型箱
试验开始之前先将两扇侧门(9)关闭，用螺栓(12)将其固定在钢梁(11)上，同时将前、后开挖孔(7、8)封闭。若开展大模型试验，将隔板(13)从模型箱(1)内部吊出。先在模型箱(1)底部平铺一层砾石，保证能将底部的管网(17、18)全部覆盖，防止填土过程中管道出水孔堵塞。然后按填土方案向模型箱内部填土，土体内埋有土压力盒、渗压计和位移计，这些传感器均与数据采集及处理装置相连。围岩填筑完成后向模型箱内部注水，使围岩内自由液面位置达到试验要求。将前开挖孔(7)挡板取下进行隧道开挖，并采集记录各项数据。试验完成后，将侧门的固定螺栓(12)全部取下，打开侧门(9)，将模型箱内部的围岩材料取出。若开展小模型试验，则将隔板(13)安装在模型箱中部卡槽(14)内，并用螺栓固定，重复上述试验过程。若同时开展两个小模型试验，则同时向由隔板(13)分隔成的两小模型箱内填筑围岩，从前、后预留开挖孔(7、8)分别开挖隧道。

Claims (6)

1.一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：该模型试验箱由底座(1)、底板(2)、箱壁a(3)、箱壁b(4)、箱壁c(5)、箱壁d(6)五部分组成；箱壁a(3)、箱壁b(4)、箱壁c(5)、箱壁d(6)顺次连接组成长方体结构；箱壁(4)b和箱壁d(6)上分别设置前预留开挖孔(7)和后预留开挖孔(8)；箱壁c(5)由两扇能开关的侧门(9)组成，侧门(9)能绕安装于两侧的合页(10)旋转，从而实现侧门(9)的开关；箱壁c(5)内侧设置一圈钢梁(11)，为保证试验中箱壁c(5)的强度，用高强螺栓(12)将两扇侧门(9)固定在钢梁(11)上；箱壁a(3)和箱壁c(5)的中央位置处安装有隔板(13)，隔板(13)安装后将长方体结构的模型试验箱分成两个大小相同的小模型箱；隔板(13)通过卡槽(14)固定在箱壁a(3)和箱壁c(5)，隔板(13)能够自由拆卸；为保证试验过程中隔板(13)的强度，用螺栓将隔板(13)固定在卡槽(14)上；隔板(13)上设置有开挖孔(16)，开挖孔(16)的直径与前预留开挖孔(7)和后预留开挖孔(8)的直径相等。
2.根据权利要求1所述的一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：模型箱底板(2)上安装有两套独立的进水管网(17、18)，两套独立的进水管网分别对被隔板(13)两个小模型箱内的围岩进行饱和；每套进水管网(17、18)由进水口(19)、总管(20)和支管(21)组成；进水口(19)由箱壁(3)底部引出；支管(21)上每隔100mm设置一对出水孔(22)，两出水孔(22)与支管(21)圆心的连线正交，且对称布置。
3.根据权利要求1所述的一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：进行大模型试验时将隔板(13)拆卸，通过隔板(13)上部的吊装孔(23)用吊车将隔板(13)移出至模型试验箱的外部；进行小模型试验时再将隔板(13)安装在模型试验箱的内部。
4.根据权利要求1所述的一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：侧门(9)与钢梁(11)连接的部位设置密封圈，隔板(13)与卡槽(14)连接的位置也设置密封圈，侧门(9)与钢梁(11)之间的缝隙的位置用密封胶进行密封，使模型试验箱有良好的密封性；侧门(9)上安装透明的有机玻璃，能够观测到模型试验箱内水位的变化。
5.根据权利要求1所述的一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：支管(21)通过钢制卡子(24)固定在模型箱底板(2)上。
6.根据权利要求1所述的一种可开门式三维隧道开挖模拟模型试验箱，其特征在于：试验开始之前先将两扇门关闭，用螺栓将其固定在钢梁上，同时将前、后开挖孔封闭；若开展大模型试验，将隔板从模型箱内部吊出；先在模型箱底部平铺一层砾石，保证能将底部的进水管道全部覆盖，防止填土过程中管道出水孔堵塞；然后按填土方案向模型箱内部填土，土体内埋有土压力盒、渗压计和位移计，这些传感器均与数据采集及处理装置相连；围岩填筑完成后向模型箱底部的进水管网内注水，控制自由液面达到试验设计的位置；将前开挖孔挡板取下进行隧道开挖，并采集记录各项数据；试验完成后，将侧门的固定螺栓全部取下，打开侧门，将模型箱内部的围岩材料取出；若开展小模型试验，则将隔板安装在模型箱中部，重复上述过程。
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