CN108896744A - 一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法。该试验装置包括布置在试验平台上的透明模型箱，以及成像装置和隧道开挖模型。所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管和隧道模型。所述透明模型箱内填筑透明土。所述透明土将隧道开挖模型位于透明模型箱内的部分埋没。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。依次牵引各积木模块移动。该装置的试验方法包括设计试验方案、制作透明模型箱、将隧道模型放入透明弹性薄膜管、配制透明土和试验等步骤。该装置可模拟隧道三台阶七步开挖法开挖的变形规律，找到在保证施工安全的前提下经济高效的开挖尺寸。

Description

一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其 试验方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，具体涉及一种隧道变形破坏可视化模型实验装置。

背景技术

随着经济的快速发展，我国隧道工程得到了前所未有的发展机遇，包括公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、城市地铁等各种隧道工程。与此同时，不同的隧道施工方法也相接出现，隧道三台阶七步开挖法是其中之一。

隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。其技术特点相较传统的方法具有显著的优势：

(1)施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。

(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

(3)适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

(4)在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。

(5)当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械施工，利于施工工序转换。

然而在隧道施工方法工程快速创新的同时，诸多挑战也会随之出现。其中不同的隧道施工方法在实施过程中的隧道变形破坏问题备受瞩目。

隧道的变形破坏问题是围岩性质、外部荷载和边界条件都十分复杂的三维问题。目前数学力学方法只能为一些形状简单和边界条件简化的隧道工程提供解析解，而且解析解仍需现场实测数据和模型试验的验证。较多分析性结论来自现场实测、数值分析和模型试验。其中模型试验由于是物理模型实体，在满足相似原理的前提下不仅能较真实直观的反应实际工况中的应力场和位移场的变化情况，而且可以避开复杂的数学力学推导。

传统的室内模型试验只能观测模型的宏观变形和边界区域的变化规律，而模型内部的变形特征无法直接观测。可视化的模型试验使模型内部变化清晰明了地呈现出来，更容易全面把握模型试验的整体变形及稳定性特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的透明模型箱，以及成像装置和隧道开挖模型。

所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。

所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管和隧道模型。所述透明弹性薄膜管贯穿透明模型箱。所述透明弹性薄膜管的一端与透明模型箱的内壁紧接，另一端伸出透明模型箱箱外。

所述隧道模型包括若干个积木模块。所述积木模块包括上台阶弧形导坑模块、中台阶边帮模块、下台阶边帮模块、隧道底板模块和核心土模块。所述积木模块均为柱体。所述积木模块的一侧底面上设置凸起头，另一侧底面上设置供凸起头***的凹槽孔。相同积木模块沿纵深方向通过凸起头与凹槽孔的插接配合连接在一起。各积木模块按次序拼合为一个圆柱体。所述透明弹性薄膜管和隧道模型嵌套在一起。

所述透明模型箱内填筑透明土。所述透明土将隧道开挖模型位于透明模型箱内的部分埋没。

所述成像装置包括布置在透明模型箱外侧的两台激光发射器和两台CCD工业相机。

试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。依次牵引各积木模块移动。两台CCD工业相机同步摄取变形前后散斑切面。调整激光发射器的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。利用数字图像处理技术分析切面图片。

进一步，所述积木模块的凸起头上还设置有挂孔。所述透明模型箱外侧布置有抽取架。所述抽取架包括高度调整装置、转动装置、螺纹杆和抽取弯勾。

所述转动装置包括后置固定板、螺纹套筒和齿轮。所述后置固定板和齿轮上开设有圆孔。所述后置固定板和齿轮分别套设固定在螺纹套筒的两端。

所述螺纹杆一端固定连接抽取弯勾，另一端旋入螺纹套筒中。

所述高度调整装置包扩底座、固定框架和活动板。所述活动板的板面上开设有供螺纹套筒穿过的孔。所述固定框架包括顶梁、地梁和竖直布置的两个侧柱。所述底座布置在地梁下方。所述侧柱相对的一侧设置有竖向导轨。所述顶梁、地梁和侧柱组成一个封闭框架。所述活动板的板端通过导轨固定连接在这个封闭框架之中。

工作时，活动板可沿竖向导轨上下移动，以升降转动装置的位置，进而调整抽取弯勾的高度。所述抽取弯勾勾住待抽取积木模块的挂孔。转动齿轮，齿轮带动螺纹套筒及后置固定板整体旋转。螺纹套筒原位回转,螺纹杆沿螺纹套筒内的螺纹旋转并前后水平移动,带动抽取弯勾移动，缓慢均速地抽取积木模块。

进一步，所述透明弹性薄膜管的外壁上沿轴向具有刻度标记。

进一步，所述积木模块采用轻质木料制得。积木模块之间涂抹有润滑油。

进一步，所述上台阶模块为一个整体模块。所述中台阶边帮模块包括中台阶左边帮模块和中台阶右边帮模块。所述下台阶边帮模块包括下台阶左边帮模块和下台阶右边帮模块。所述核心土模块包括上台阶核心土模块、中台阶核心土模块和下台阶核心土模块。

进一步，所述透明模型箱采用有机玻璃制得。透明土采用白油和正十二烷的混合液与玻璃砂配置而成。

本发明还公开一种关于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)设计试验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸及埋深。

2)按设计尺寸制作透明模型箱和各积木模块。

3)将积木模块拼接为隧道模型。将隧道模型放入透明弹性薄膜管中，并安置透明弹性薄膜管。

4)在透明模型箱的内腔中配制透明土至设计高度。

5)布置并调整激光发射器和CCD工业相机。

6)待透明土散斑场稳定后，使用CCD工业相机进行拍摄。调整激光发射器的水平位置和高度，以获取不同位置处的透明土切面图像。

7)按开挖顺序依次抽出对应位置的积木模块。其中，每开挖一步循环一次激光位置。

8)保存图片，关闭激光发射器，整理试验器材。

9)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道开挖周围土体的三维位移场。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.有序抽取不同积木模块可以模拟隧道三台阶七步开挖法开挖的变形规律；

B.试验模型处于可视化环境中，并借助PIV技术有效克服了传统隧道模型试验只能获得宏观变形和边界区域变形的缺点。实验过程中隧道的内部变形规律均可通过PIV技术获取；

C.改变透明弹性薄膜管的刚度可模拟隧道开挖从无衬砌到有衬砌状态下的变形规律；

D.可模拟不同开挖深度的变形规律，用以找到在保证施工安全的前提下经济高效的开挖尺寸。

附图说明

图1为试验装置结构示意图；

图2为抽取架结构示意图；

图3为隧道模型结构示意图；

图4为积木模块结构示意图；

图5为上台阶核心土模块结构示意图；

图6为高度调整装置示意图。

图中：所述透明模型箱1、抽取架2、高度调整装置201、底座2011、固定框架2012、活动板2013、转动装置202、后置固定板2021、螺纹套筒2022、齿轮2023、螺纹杆203、抽取弯勾204、激光发射器3、CCD工业相机4、透明弹性薄膜管5、上台阶弧形导坑模块6、中台阶边帮模块7、中台阶左边帮模块701、中台阶右边帮模块702、下台阶边帮模块8、下台阶左边帮模块801、下台阶右边帮模块802、隧道底板模块9、核心土模块10、上台阶核心土模块1001、中台阶核心土模块1002、下台阶核心土模块1003。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面。施工工序为：环向开挖上部弧形导坑；左、右侧中台阶开挖；左、右侧下台阶开挖；开挖上、中、下台阶预留核心土；隧底开挖。

参见图1，本实施例公开一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的透明模型箱1，以及成像装置和隧道开挖模型。

所述透明模型箱1整体为一个矩形箱体。所述透明模型箱1包括底板和4块侧面板，侧面板和底板的接缝处具有止水条。所述4块侧面板依次标记为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。

参见图2，所述透明模型箱1的第一侧板外侧布置有抽取架2。所述积木模块的凸起头上还设置有挂孔。所述透明模型箱1外侧布置有抽取架2。所述抽取架2包括高度调整装置201、转动装置202、螺纹杆203和抽取弯勾204。

所述转动装置202包括后置固定板2021、螺纹套筒2022和齿轮2023。所述后置固定板2021和齿轮2023上开设有圆孔。所述后置固定板2021和齿轮2023分别套设固定在螺纹套筒2022的两端。所述后置固定板2021可防止套筒旋出过长并维持抽取架2前后重量的平衡以防向前向下偏心。

所述螺纹杆203一端固定连接抽取弯勾204，另一端旋入螺纹套筒2022中。所述螺纹套筒2022与螺纹杆203之间涂抹有润滑油。

参见图6，所述高度调整装置201包扩底座2011、固定框架2012和活动板2013。所述活动板2013的板面上开设有供螺纹套筒2022穿过的孔。所述固定框架2012包括顶梁、地梁和竖直布置的两个侧柱。所述底座2011布置在地梁下方。所述侧柱相对的一侧设置有竖向导轨。所述顶梁、地梁和侧柱组成一个封闭框架。所述活动板2013的板端通过导轨固定连接在这个封闭框架之中。

所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管5和隧道模型。所述透明弹性薄膜管5的外壁上沿轴向具有刻度标记，以观察每块开挖过程中不同进尺的周围土体的变化。所述透明弹性薄膜管5贯穿透明模型箱1。所述透明弹性薄膜管5的一端与第三侧板的内壁紧接，另一端伸出第一侧板外。

参见图3，所述隧道模型由积木模块拼装而成。其中，所述积木模块根据实际生产中三台阶七步开挖法的开挖作业面形式设置，包括上台阶弧形导坑模块6、中台阶边帮模块7、下台阶边帮模块8、隧道底板模块9和核心土模块10。

参见图4，所述核心土模块10包括上台阶核心土模块1001、中台阶核心土模块1002和下台阶核心土模块1003。所述上台阶核心土模块1001、中台阶核心土模块1002和下台阶核心土模块1003均为梯形柱体。所述上台阶核心土模块1001、中台阶核心土模块1002和下台阶核心土模块1003的截面为等腰梯形。

所述上台阶弧形导坑模块6整体为一个弓形柱。这个弓形柱包括顶、底面和2个侧面。所述积木模块的顶面上设置凸起头，底面上设置有供另一个上台阶弧形导坑模块6的凸起头***的凹槽孔。所述积木模块的凸起头上还设置有挂孔。所述弓形柱的2个侧面包括一个平面和一个圆弧曲面。弓形柱在平面侧面上去除掉一个梯形柱体，形成通常设置的滑轨。所述上台阶核心土模块1001可嵌入滑轨中，与上台阶弧形导坑模块6拼合为一个完整的弓形柱。

所述中台阶边帮模块7包括中台阶左边帮模块701和中台阶右边帮模块702。所述中台阶左边帮模块701和中台阶右边帮模块702均为一个曲面体，包括顶、底面和4个侧面。所述曲面体的4个侧面中，包括3个平面和1个弧形曲面。这个弧形曲面的投影积聚为圆弧。工作时，所述中台阶左边帮模块701、中台阶右边帮模块702与中台阶核心土模块1002可拼合为一个直边椭圆形柱体。这个柱体的截面为直边椭圆形(即矩形的两条对边被两条相同的圆弧代替，新围成图形的面积大于原矩形面积)。所述中台阶左边帮模块701和中台阶右边帮模块702远离中台阶核心土模块1002的一侧为弧形曲面。

所述下台阶边帮模块8包括下台阶左边帮模块801和下台阶右边帮模块802。隧道底板边部同属于下台阶。工作时，下台阶左边帮模块801、下台阶右边帮模块802、下台阶核心土模块1003和隧道底板模块9拼合为一个弓形柱。

参见图5，相同积木模块沿纵深方向通过凸起头与凹槽孔的插接配合连接在一起。各积木模块按次序拼合为一个圆柱体。值得说明的是，附图5中，积木模块沿纵深方向错开显示是为了使积木模块的位置关系更清晰。所述积木模块采用轻质木料制得。积木模块之间涂抹有润滑油，以减少开挖过程中的摩擦力以避免摩擦导致的影响。所述透明弹性薄膜管5和隧道模型嵌套在一起。

所述透明模型箱1内填筑透明土。所述透明模型箱1采用有机玻璃制得。透明土采用白油和正十二烷的混合液与玻璃砂配置而成。所述透明土将隧道开挖模型位于透明模型箱1内的部分埋没。

所述成像装置包括布置在透明模型箱1外侧的两台激光发射器3和两台CCD工业相机4。所述两台激光发射器3分别布置在透明模型箱1的上方和第二侧板外侧。所述两台CCD工业相机4分别布置在透明模型箱1的上方和第三侧板外侧。

试验时，两台激光发射器3发射激光，在透明土内形成一个平行于透明弹性薄膜管5的散斑场和一个垂直于透明弹性薄膜管5的斑场。所述两个散斑场均垂直于水平面。活动板2013沿竖向导轨上下移动，以升降转动装置202的位置，进而调整抽取弯勾204的高度。所述抽取弯勾204勾住待抽取积木模块的挂孔。转动齿轮2023，齿轮2023带动螺纹套筒2022及后置固定板2021整体旋转。螺纹套筒2022原位回转,螺纹杆203沿螺纹套筒2022内的螺纹旋转并前后水平移动,带动抽取弯勾204移动，缓慢均速地抽取积木模块。依次牵引各积木模块移动。调整激光发射器3的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。在整个隧道开挖模拟过程中，通过CCD工业相机4捕捉透明土颗粒在实验过程中的运动轨迹和分布图像，再使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到所需参数分布特征。

本实施例可实现模型的三维变形和强度等问题的可视化研究，为研究隧道开挖引起围岩的变形规律和破坏机理提供了有效的技术支撑。人工合成的透明土材料具有与真实土体相似的物理力学性质，且具备良好的透明度。PIV技术可以精确地测量土体的位移场。基于透明土实验材料的隧道模型试验有助于我们全面了解隧道开挖变形发展规律，为优化隧道设计和施工方案提供可靠的科学依据。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)设计试验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸及埋深。

2)按设计尺寸制作透明模型箱1和各积木模块。

3)将积木模块拼接为隧道模型。将隧道模型放入透明弹性薄膜管5中，并安置透明弹性薄膜管5。

4)在透明模型箱1的内腔中配制透明土至设计高度。

5)布置并调整激光发射器3和CCD工业相机4。

6)待透明土散斑场稳定后，使用CCD工业相机4进行拍摄。调整激光发射器3的水平位置和高度，以获取不同位置处的透明土切面图像。

7)按开挖顺序依次抽出对应位置的积木模块。其中，每开挖一步循环一次激光位置。抽取积木模块的顺序依次为上台阶弧形导坑模块6、中台阶左边帮模块701、中台阶右边帮模块702、下台阶左边帮模块801、下台阶右边帮模块802、隧道底板模块9、上台阶核心土模块1001、中台阶核心土模块1002和下台阶核心土模块1003,以模拟“三台阶七步开挖法”。

8)保存图片，关闭激光发射器3，整理试验器材。

9)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道开挖周围土体的三维位移场。

值得说明的是，通过改变透明弹性薄膜管5的刚度可以模拟隧道开挖从无衬砌到有衬砌状态下的变形规律。通过制作不同规格的上台阶弧形导坑模块6、中台阶边帮模块7、下台阶边帮模块8、隧道底板模块9和核心土模块10，可以模拟不同开挖深度的变形规律，用以找到在保证施工安全的前提下经济高效的开挖尺寸。

Claims (7)

1.一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：包括布置在试验平台上的透明模型箱(1)，以及成像装置和隧道开挖模型；

所述透明模型箱(1)整体为一个矩形箱体；

所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管(5)和隧道模型；所述透明弹性薄膜管(5)贯穿透明模型箱(1)；所述透明弹性薄膜管(5)的一端与透明模型箱(1)的内壁紧接，另一端伸出透明模型箱(1)箱外；

所述隧道模型包括若干个积木模块；所述积木模块包括所述上台阶弧形导坑模块(6)、中台阶边帮模块(7)、下台阶边帮模块(8)、隧道底板模块(9)和核心土模块(10)。所述积木模块均为柱体；所述积木模块的一侧底面上设置凸起头，另一侧底面上设置供凸起头***的凹槽孔；相同积木模块沿纵深方向通过凸起头与凹槽孔的插接配合连接在一起；各积木模块按次序拼合为一个圆柱体；所述透明弹性薄膜管(5)和隧道模型嵌套在一起；

所述透明模型箱(1)内填筑透明土；所述透明土将隧道开挖模型位于透明模型箱(1)内的部分埋没；

所述成像装置包括布置在透明模型箱(1)外侧的两台激光发射器(3)和两台CCD工业相机(4)；

试验时，两台激光发射器(3)在透明土内部形成两个散斑切面；依次牵引各积木模块移动；两台CCD工业相机(4)同步摄取变形前后散斑切面；调整激光发射器(3)的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成；利用数字图像处理技术分析切面图片。

2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：所述积木模块的凸起头上还设置有挂孔；所述透明模型箱(1)外侧布置有抽取架(2)；所述抽取架(2)包括高度调整装置(201)、转动装置(202)、螺纹杆(203)和抽取弯勾(204)；

所述转动装置(202)包括后置固定板(2021)、螺纹套筒(2022)和齿轮(2023)；所述后置固定板(2021)和齿轮(2023)上开设有圆孔；所述后置固定板(2021)和齿轮(2023)分别套设固定在螺纹套筒(2022)的两端；

所述螺纹杆(203)一端固定连接抽取弯勾(204)，另一端旋入螺纹套筒(2022)中；

所述高度调整装置(201)包扩底座(2011)、固定框架(2012)和活动板(2013)；所述活动板(2013)的板面上开设有供螺纹套筒(2022)穿过的孔；所述固定框架(2012)包括顶梁、地梁和竖直布置的两个侧柱；所述底座(2011)布置在地梁下方；所述侧柱相对的一侧设置有竖向导轨；所述顶梁、地梁和侧柱组成一个封闭框架；所述活动板(2013)的板端通过导轨固定连接在这个封闭框架之中；

工作时，活动板(2013)可沿竖向导轨上下移动，进而调整抽取弯勾(204)的高度；所述抽取弯勾(204)勾住待抽取积木模块的挂孔；转动齿轮(2023)，齿轮(2023)带动螺纹套筒(2022)及后置固定板(2021)整体旋转；螺纹套筒(2022)原位回转,螺纹杆(203)沿螺纹套筒(2022)内的螺纹旋转并前后水平移动,带动抽取弯勾(204)移动，缓慢均速地抽取积木模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明弹性薄膜管(5)的外壁上沿轴向具有刻度标记。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：所述积木模块采用轻质木料制得；积木模块之间涂抹有润滑油。

5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：所述上台阶模块(6)为一个整体模块；所述中台阶边帮模块(7)包括中台阶左边帮模块(701)和中台阶右边帮模块(702)；所述下台阶边帮模块(8)包括下台阶左边帮模块(801)和下台阶右边帮模块(802)；所述核心土模块(10)包括上台阶核心土模块(1001)、中台阶核心土模块(1002)和下台阶核心土模块(1003)。

6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明模型箱(1)采用有机玻璃制得；透明土采用白油和正十二烷的混合液与玻璃砂配置而成。

7.一种关于权利要求1所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计试验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸及埋深；

2)按设计尺寸制作透明模型箱(1)和各积木模块；

3)将积木模块拼接为隧道模型；将隧道模型放入透明弹性薄膜管(5)中，并安置透明弹性薄膜管(5)；

4)在透明模型箱(1)的内腔中配制透明土至设计高度；

5)布置并调整激光发射器(3)和CCD工业相机(4)；

6)待透明土散斑场稳定后，使用CCD工业相机(4)进行拍摄；调整激光发射器(3)的水平位置和高度，以获取不同位置处的透明土切面图像；

7)按开挖顺序依次抽出对应位置的积木模块；其中，每开挖一步循环一次激光位置；

8)保存图片，关闭激光发射器(3)，整理试验器材；

9)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道开挖周围土体的三维位移场。