CN110554166A - 一种多用途隧道检测模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途隧道检测模型试验装置及方法，它解决了现有技术中不能实现一个装置满足多种不同试验方法的问题，具有简化试验步骤，能实现综合试验的有益效果，其方案如下：一种多用途隧道检测模型试验装置，包括隧道衬砌模型，隧道衬砌模型呈拱形结构，包括通过支架支撑的二次衬砌件，二次衬砌件外侧支撑有初次衬砌件；围岩模拟箱，能够设于隧道衬砌模型的外侧，围岩模拟箱内能够用于填充填料，且围岩模拟箱内设置若干相同或相异形状的空洞模型；导轨，能够可拆卸设于隧道衬砌模型内侧以模拟铁轨。

Description

一种多用途隧道检测模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是涉及一种多用途隧道检测模型试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

土木工程领域中，无论是公路隧道还是轨道交通隧道，在长期运营过程中受地质条件、交通荷载、施工质量等因素的影响不可避免的会产生一系列隧道损伤，包括隧道衬砌裂缝、错台、渗漏水、掉块、衬砌内部脱空等病害，若这些病害不能及时发现维护会造成较大的工程事故，因此，隧道检测技术成为保障隧道运营安全的重要手段。隧道检测技术的发展和完善需要进行大量的科学研究，隧道检测模型试验是研究隧道检测技术的重要途径，现有的试验条件和试验方法受场地、试验设备等条件约束较大，不能满足多种不同方法的试验，需要对不同的方法有不同的试验装置，现有关于隧道模型试验主要是通过建立超大型模型架构建隧道模型或通过开挖地下空间再填料的方式，不仅工程量巨大其试验可重复性和可靠性也难以保证。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多用途隧道检测模型试验装置，通过建立隧道衬砌模型和围岩模拟箱，通过试验装置可以进行地质雷达隧道检测、数字、红外照相隧道检测和激光扫描隧道检测的综合模型试验，应用得到有效拓展，满足不同的试验方法需求。

一种多用途隧道检测模型试验装置的具体方案如下：

一种多用途隧道检测模型试验装置，包括：

隧道衬砌模型，隧道衬砌模型呈拱形结构，包括通过支架支撑的二次衬砌件，二次衬砌件外侧支撑有初次衬砌件；

围岩模拟箱，能够设于隧道衬砌模型的外侧，围岩模拟箱内能够用于填充填料，且围岩模拟箱内设置若干相同或相异形状的空洞模型，用以模拟在施工及运营期间，隧道衬砌背部围岩由施工或地质问题产生的空洞和脱空病害；

导轨，能够可拆卸设于隧道衬砌模型内侧以模拟铁轨。

上述的模型试验装置，导轨用于模拟铁轨，且根据不同试验进行安装或拆除，通过二次衬砌件模拟隧道中的二次衬砌管片，初次衬砌件模拟隧道中的初次衬砌管片，围岩模拟箱内用于设置不同的填料，以模拟隧道围岩，并通过不同空洞模型的设置，实现不同的试验工况，满足了不同的试验要求。

进一步地，为了便于进行数字、红外照相检测试验，所述二次衬砌件内侧设有裂缝，裂缝设为不同形式，进一步满足不同的试验要求。

进一步地，所述二次衬砌件的外部设置可拆卸的水箱，水箱能够与所述的裂缝相连通，这样可以实现渗漏水工况的模拟，二次衬砌件的外侧设置衬砌件凸起，水箱设置与衬砌件凸起配合的衬砌件卡槽，实现水箱的可拆卸设置。

进一步地，为了实现对隧道管片的模拟，同时对二次衬砌件能够实现调节，所述二次衬砌件包括多块，多块二次衬砌件相互拼接而成，或者，所述的水箱能够与二次衬砌件的拼接缝连通，水箱可通过管路与裂缝或者二次衬砌件的拼接缝连通。

进一步地，为了方便二次衬砌件的安装，每块二次衬砌件设置三层，中间层的其中两侧设置凸起，另两侧设置凹槽，一组凸起与凹槽设于二次衬砌件的对立侧，这样形成榫卯结构。

进一步地，所述隧道衬砌模型通过所述支架固定有底部挡杆、中部挡杆和顶部挡杆，相邻的两根挡杆间隔设定距离，挡杆的长度方向沿着隧道衬砌模型的长度方向设置，且所述的二次衬砌件通过相邻的两挡杆进行支撑。

进一步地，为了便于三维激光扫描试验的进行，所述二次衬砌件与所述中部挡杆或顶部挡杆之间能够设置垫片，从而方便调整二次衬砌件的角度和位置，用于模拟隧道管片衬砌错台、分离等变形工况。

进一步地，所述围岩模拟箱形状与所述隧道衬砌模型的外部形状相适配，围岩模拟箱包括多个能够拼装成框体的木质支架，上下侧的木质支架均与隧道衬砌模型的外部相抵接，木质支架的周侧安装有玻璃挡板，其中侧部的玻璃挡板为可拆卸挡板，通过可拆卸挡板的设置，便于向围岩模拟箱内填充填料。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种多用途隧道检测模型试验装置的试验方法，包括如下内容：

根据试验要求在围岩模拟箱内分层填料，填料过程中在围岩模型箱内部设置不同形状的内部脱空，内部脱空内设置脱空填充物；

根据试验要求是否设立导轨；

利用地质雷达在隧道衬砌模型内侧的对围岩进行不同检测位置和路径的检测扫描，检测完成后关闭地质雷达，导出地质雷达数据；

改变试验要求，重复上述步骤。

一种多用途隧道检测模型试验装置的试验方法，还包括如下内容：

无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件；

在二次衬砌件背部安装水箱，水箱与二次衬砌件内裂缝相通，或水箱与二次衬砌件的拼接缝相通，模拟渗漏水工况；

根据试验要求是否设立导轨；

利用数字相机和红外相机对二次衬砌件内侧进行不同角度和距离拍照，拍照完成后提取图像数据；

或者，

无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件；

根据试验要求是否设立导轨；

利用三维激光扫描仪对二次衬砌件内侧进行不同扫描建模。

通过试验装置的给出，试验方法简单操作，可有效简化实验步骤，提高实验的准确性和一致性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过模型试验装置的设置，导轨用于模拟铁轨，实现模拟轨道交通隧道，无导轨可模拟公路隧道，通过二次衬砌件模拟隧道中的二次衬砌管片，初次衬砌件模拟隧道中的初次衬砌管片，围岩模拟箱内用于设置不同的填料，以模拟隧道围岩，并通过不同内部脱空的设置，达到不同的试验工况，满足了不同的试验要求，提高了试验的准确度。

2)本发明通过整体装置的给出，能够满足不同试验要求，最终多种检测方法在同一个装置上均可实现，不仅大大节约了试验资源，还能提高试验的精确度和试验结果的一致性。

3)本发明通过可拆卸水箱的设置，能够与裂缝或者二次衬砌件的拼接缝连通，实现渗漏水工况的模拟，便于实现数字、红外照相检测试验。

4)本发明通过底部挡杆、中部挡杆和顶部挡杆的设置，不仅方便对二次衬砌件的支撑，而且便于在二次衬砌件与挡杆之间设置垫片，从而方便调整二次衬砌件的角度和位置，用于模拟隧道管片衬砌错台、分离等变形工况。

5)本发明通过二次衬砌件凸起与凹槽的设置，不仅方便二次衬砌件的拼接，高了二次衬砌件拼接稳定性和灵活性，能实现二次衬砌件的更换，且二次衬砌件能够实现调节，增加了模拟试验的工况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中的一种多用途隧道检测模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中隧道衬砌模型外部示意图；

图3为本发明实施例中二次衬砌件示意图；

图4为本发明实施例中围岩模拟箱示意图；

图5为本发明实施例中木质支架开有凹槽结构示意图；

其中，1-1隧道衬砌模型，1-2围岩模拟箱，1-3导轨；2-1混凝土支撑，2-2底部挡杆，2-3顶部支撑，2-4中部支撑，2-5二次衬砌，2-6初次衬砌件，2-7拼接缝,2-8水箱；3-1凸起；4-1木质支架，4-2顶部玻璃挡板，4-3可拆卸玻璃挡板，4-4木质斜撑，4-5空洞模型；5-1凹槽结构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多用途隧道检测模型试验装置，下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种多用途隧道检测模型试验装置，包括隧道衬砌模型1-1，围岩模拟箱1-2和导轨1-3。

其中，隧道衬砌模型1-1呈拱形结构，隧道衬砌模型1-1为全拱形或半拱形，隧道衬砌模型1-1通过支架支撑，支架竖直设置，且隧道衬砌模型1-1的底侧及支架固定于地面。

隧道衬砌模型1-1的支架为设于隧道衬砌模型1-1两侧的混凝土支撑2-1，如图2所示，隧道衬砌模型1-1包括通过两侧支架支撑的底部挡杆2-2、中部挡杆2-4和顶部挡杆2-3，底部挡杆2-2与地面接触，各个挡杆沿着隧道衬砌模型1-1的长度方向设置，中部挡杆2-4可设置有多个，相邻两挡杆之间设置二次衬砌件，如图2所示，二次衬砌件2-5通过挡杆进行支撑，这样二次衬砌件2-5设有三段，分别为通过底部挡杆和中部挡杆支撑的下段、通过两段中部挡杆支撑的中段和通过中部挡杆和顶部挡杆支撑的上段，每一段的二次衬砌件均包括多块，多块二次衬砌件相互拼接而成，二次衬砌件的外侧设置初次衬砌件2-6，初次衬砌件2-6同样包括多片，初次衬砌件和二次衬砌件2-5均有弧形块，初次衬砌件2-6有设定的厚度，通过重力支撑于二次衬砌件2-5表面，二次衬砌件2-5的上下两侧及左右两侧设有“榫卯”结构，每块二次衬砌件设置三层，二次衬砌件中间层的其中两侧设有凹槽，另两侧设有凸起3-1，一组凸起与凹槽设于二次衬砌件的对立侧，以实现相邻两二次衬砌件的拼接，方便相邻两二次衬砌件2-5的安装和固定，初次衬砌件2-6设于二次衬砌件2-5的外侧，并通过二次衬砌件进行支撑。

其中，各个挡杆、二次衬砌件和初次衬砌件均为混凝土结构件。

二次衬砌件2-5内部设有不同形式的裂缝，用于试验，二次衬砌件2-5的外部设置可拆卸的水箱2-8，水箱2-8能够与所述的裂缝或二次衬砌件2-5的拼接缝2-7相连通，这样可以实现渗漏水工况的模拟，二次衬砌件2-5的外侧设置衬砌件凸起，水箱2-8设置与衬砌件凸起配合的衬砌件卡槽，实现水箱的可拆卸设置。

导轨1-3为H型钢，导轨1-3设于隧道衬砌模型1-1中，固定于地面，且导轨1-3设于两侧的混凝土支撑之间，并设于隧道衬砌模型1-1顶部的下方；导轨1-3可根据试验要求调整位置，用于模拟隧道内铁轨。

其中，围岩模拟箱1-2，能够设于隧道衬砌模型1-1的外侧，围岩模拟箱1-2包括构成一个框体形式的多根木质支架4-1，如图4所示，围岩模拟箱1-2的形状与隧道衬砌模型1-1外部形状相适配，围岩模拟箱1-2上侧长于下侧设置，围岩模拟箱1-2高度低于隧道衬砌模型1-1设置，围岩模拟箱1-2中上下两侧的木质支架4-1端部均与隧道衬砌模型1-1抵接，底部一侧通过地面进行支撑，木质支架4-1的周侧设置玻璃挡板，木质支架4-1由胶黏剂进行固定，胶黏剂可提供住够的粘结强度，避免使用金属材料固定影响地质雷达试验结果，设于木质支架4-1顶部的玻璃挡板为顶部玻璃挡板4-2，设于木质支架侧部的挡板为可拆卸玻璃挡板4-3，可拆卸玻璃挡板4-3沿着隧道衬砌模型的长度方向设置，另外两侧的玻璃挡板为侧部玻璃挡板，可拆卸玻璃挡板可进行多次拆卸安装，在木质支架4-1内通过填充不同的材料用于模拟模型试验中不同围岩工况。

另外，为了方便对玻璃挡板的安装，如图5所示，木质支架开有凹槽结构5-1用于安装玻璃挡板，这样玻璃挡板可嵌入木质支架凹槽结构5-1内，方便安装。

装置中通过木质支架、玻璃挡板和混凝土结构件的设置，避免了地质雷达对金属材料的敏感性，提高了地质雷达模拟试验的精确度；可拆卸玻璃挡板4-3包括上下两段，可方便填料和换填，减少模型试验工作时间和工作量。

围岩模拟箱1-2内可设置不同的空洞模型4-5，不同的空洞模型4-5具有不同的形状，在木质支架4-1相对于衬砌模型的外侧设有用于支撑木质支架4-1的木质斜撑4-4，木质斜撑4-4倾斜设置以支撑木质支架4-1，保证填料填充过程中，围岩模拟箱1-2与隧道衬砌模型可靠接触。

该装置使用流程为：首先根据实验需求设计合理的试验尺寸，制作二次衬砌件和初次衬砌件，养护完成后脱模备用。制作相应尺寸和形状的木质支架和玻璃挡板，材料备好后按照整体结构图进行安装拼接。下面分试验类型对试验方法进行具体说明：

1.地质雷达检测试验，该试验需要根据试验工况调整隧道围岩类型，因此需要可换填的围岩模拟箱；

①在安装可拆卸玻璃挡板的过程中，先安装可拆卸玻璃挡板的下半段，并根据试验设计的工况分层填料，填料过程中在围岩模型箱内部设置不同形状的空洞模型4-5，如球形、椭球型、方块形、不规则立体等，设置不同的空洞填充物，如水、泥浆等；

②填料填充到相应高度后安装可拆卸玻璃挡板的上半段，填料过程中，应透过顶部玻璃挡板4-2观察填料情况，避免出现调料出错的情况；

③根据试验要求是否设立导轨1-3，若为公路隧道则不需要导轨，若为轨道交通隧道需安装导轨；

④利用地质雷达在隧道衬砌模型内侧的对围岩进行不同检测位置和路径的检测扫描，检测完成后关闭地质雷达，导出地质雷达数据，得到不同空洞、脱空病害形式与检测数据一一对应关系，为数据标准化和智能识别的研究提供数据基础；

⑤依次拆除可拆卸玻璃挡板将内部填料移除，清理玻璃挡板，一种工况试验结束，不同工况试验可按照上述步骤重复进行。

2.数字、红外照相检测技术模型试验，该试验需要模拟实际隧道衬砌的曲度，特设置裂缝；

①无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件；

②在二次衬砌件背部安装水箱2-8，水箱2-8与二次衬砌件内裂缝相通，或水箱与二次衬砌件的拼接缝2-7相通，模拟渗漏水工况；

③根据试验要求是否设立导轨1-3，若为公路隧道则不需要导轨，若为轨道交通隧道需安装导轨；

④利用数字相机和红外相机对二次衬砌件2-5内侧即对二次衬砌件2-5靠近导轨的侧面进行不同角度和距离拍照，拍照完成后关闭相关设备，提取图像数据，一种工况试验结束，不同工况试验可按照上述步骤重复进行。

3.三维激光扫描检测试验，该试验需要设置隧道衬砌变形，因此要求二次衬砌件可调节；

①无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件，通过中部挡杆和顶部挡杆安装垫片调整二次衬砌件的角度和位置，模拟隧道管片衬砌错台、分离等变形工况；

②根据试验要求是否设立导轨1-3，若为公路隧道则不需要导轨，若为轨道交通隧道需安装导轨；

③利用三维激光扫描仪对二次衬砌件2-5内侧即对二次衬砌件2-5靠近导轨的侧面进行扫描建模，扫描完成后关闭扫描仪，一种工况试验结束，不同工况试验可按照上述步骤重复进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，包括：

隧道衬砌模型，隧道衬砌模型呈拱形结构，包括通过支架支撑的二次衬砌件，二次衬砌件外侧支撑有初次衬砌件；

围岩模拟箱，能够设于隧道衬砌模型的外侧，围岩模拟箱内能够用于填充填料，且围岩模拟箱内设置若干相同或相异形状的空洞模型；

导轨，能够可拆卸设于隧道衬砌模型内侧以模拟铁轨。

2.根据权利要求1所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述二次衬砌件内侧设有裂缝。

3.根据权利要求1所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述二次衬砌件的外部设置可拆卸的水箱，水箱能够与所述的裂缝相连通。

4.根据权利要求3所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述二次衬砌件包括多块，多块二次衬砌件相互拼接而成，所述的水箱能够与二次衬砌件的拼接缝连通。

5.根据权利要求4所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，每块所述二次衬砌件设置三层，中间层的其中两侧设置凸起，另两侧设置凹槽，一组凸起与凹槽设于二次衬砌件的对立侧，以实现相邻两二次衬砌件的拼接。

6.根据权利要求1所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述隧道衬砌模型通过所述支架固定有底部挡杆、中部挡杆和顶部挡杆，相邻的两根挡杆间隔设定距离，挡杆的长度方向沿着隧道衬砌模型的长度方向设置，且所述的二次衬砌件通过相邻的两挡杆进行支撑。

7.根据权利要求6所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述二次衬砌件与所述中部挡杆或顶部挡杆之间能够设置垫片。

8.根据权利要求1所述的一种多用途隧道检测模型试验装置，其特征在于，所述围岩模拟箱形状与所述隧道衬砌模型的外部形状相适配，围岩模拟箱包括多个能够拼装成框体的木质支架，木质支架的周侧安装有玻璃挡板，其中侧部的玻璃挡板为可拆卸挡板。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种多用途隧道检测模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下内容：

根据试验要求在围岩模拟箱内分层填料，填料过程中在围岩模型箱内部设置不同形状的空洞模型，空洞内设置不同填充物；

根据试验要求是否设立导轨；

利用地质雷达在隧道衬砌模型内侧的对围岩进行不同检测位置和路径的检测扫描，检测完成后关闭地质雷达，导出地质雷达数据；

改变试验要求，重复上述步骤。

10.根据权利要求9所述的一种多用途隧道检测模型试验装置的试验方法，其特征在于，还包括如下内容：

无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件；

在二次衬砌件背部安装水箱，水箱与二次衬砌件内裂缝相通，或水箱与二次衬砌件的拼接缝相通，模拟渗漏水工况；

根据试验要求是否设立导轨；

利用数字相机和红外相机对二次衬砌件内侧进行不同角度和距离拍照，拍照完成后提取图像数据；

或者，

无需设置围岩模拟箱和初次衬砌件；

根据试验要求是否设立导轨；

利用三维激光扫描仪对二次衬砌件内侧进行不同扫描建模。