CN111380760A - 一种隧道***开挖模型试验***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道***开挖模型试验***及方法，包括：模型箱：用于放置相似材料，顶部敞口设置，相对的两个第一箱壁设置有水平加载件，用于向相似材料施加水平载荷，顶部敞口位置处能够设置箱盖，箱盖底面设置有竖向加载件，用于向相似材料施加竖向载荷，另外两个相对的第二箱壁设置有开孔；监测元件：用于埋设在模型箱内的相似材料内部；开挖件：包括电火花***件及开挖工具；喷射件：用于向开挖的隧道模型内壁喷射支护材料，本发明的试验***能够模拟真实的隧道***施工环境，对研究***施工对周围建筑物影响具有参考意义。
Description
技术领域
本发明涉及地下岩体施工技术领域，具体涉及一种隧道***开挖模型试验***及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
随着经济迅速发展，车流量剧增，城市轨道交通的不断扩展，超大断面小净距隧道的数量逐年上升，且受线路和埋深等的限制，相邻隧道断面越来越大，距离越来越近，而围岩等级越来越差，给现场施工带来极大的施工难度和安全风险。由于工程条件的限制，这些隧道有很大一部分需要采用***方法进行开挖，***产生的震动效应有可能危及到周围建筑物的安全。发明人发现，如何预测和控制***震动效应以保障建筑物的安全，已成为当前隧道工程和***工程界亟待解决的一项重要课题。因此,研究隧道***对地表建筑物的影响是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种隧道***开挖模型试验***，能够有效研究隧道***及开挖对岩体的影响，为保证建筑物的安全具有参考作用，
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种隧道***开挖模型试验***，包括：
模型箱：用于放置相似材料，顶部敞口设置，相对的两个第一箱壁设置有水平加载件，用于向相似材料施加水平载荷，顶部敞口位置处能够设置箱盖，箱盖底面设置有竖向加载件，用于向相似材料施加竖向载荷，另外两个相对的第二箱壁设置有开孔，用于对模型箱内部的相似材料进行开挖；
监测元件：用于埋设在模型箱内的相似材料内部，用于检测相似材料的位移、应力、应变、压力信息；
开挖件：用于开挖隧道模型，包括电火花***件及开挖工具，电火花***件用于对相似材料进行***破碎，开挖工具用于挖出破碎的相似材料；
喷射件：用于向开挖的隧道模型内壁喷射支护材料。
第二方面，本发明的实施例提供了一种超大断面小净距***开挖模型试验***的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：在模型箱内分层铺设相似材料，相似材料铺设过程中，在设定位置埋设监测元件，相似材料铺设完成后，利用水平加载件和竖向加载件对相似材料施加设定的水平载荷和竖向载荷；
步骤2：通过模型箱第二箱壁的开口及透明亚克力板的通孔，在相似材料中开挖两条条隧道模型，两条隧道模型同步开挖，开挖过程中，采用分步开挖，每步开挖首先利用电火花***件对相似材料进行破碎，然后利用开挖工具挖出破碎的相似材料，形成隧道模型，最后在隧道内搭建拱架并利用喷射件在隧道模型内壁喷射支护材料，拱架对隧道模型内壁进行支撑，隧道模型开挖过程中，利用监测元件实时监测相似材料的位移、应力、应变及压力信息。
本发明的有益效果：
本发明的模型试验***，能够通过电火花***件、开挖工具及喷射件有效模拟隧道的开挖及支护的施工过程，利用水平加载件和竖向加载件模拟围岩所受的外部载荷，真实的模拟的隧道的现场施工环境，同时利用监测元件能够实时采集隧道模型开挖过程中相似材料的位移、应变、应力等信息，为研究隧道开挖对建筑物的影响提供了参考数据，弥补了隧道***开挖模型试验领域的不足。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1整体结构主视图；
图3为本发明实施例1整体结构俯视图；
图4为本发明实施例2土压力盒分布示意图；
图5为本发明实施例2电阻式应变砖分布示意图；
图6为本发明实施例2光纤光栅位移传感器分布示意图；
图7为本发明实施例2隧道模型开挖顺序示意图；
其中，1.第一箱壁部，2.连接部，3.第二箱壁，4.水平液压千斤顶，5.第一连接杆，6.第一连接件，7.水平推板，8.底座，9.箱盖，10.竖向液压千斤顶，11.第二连接杆，12.第二连接件，13.竖向推板，14.透明亚克力板，15.通孔，16.土压力盒，17.隧道模型，18.电阻式应变砖，19.光纤光栅位移传感器，20.拱架，21.三角形连接件,22.中岩墙位置。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
正如背景技术所介绍的，目前隧道工程和***工程如何预测和控制***震动效应对建筑物影响成为亟待解决的一项重要课题，目前缺少相关的试验设备，针对上述问题，本申请提出了一种隧道***开挖模型试验***。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-3所示，所示，一种隧道***开挖模型试验***，包括：模型箱、箱盖、监测元件、开挖件和喷射件。
所述模型箱顶部敞口设置，用于放置相似材料，包括底座8及焊接固定在底座四个边缘处的四个箱壁，四个箱壁分别为相对设置的两个第一箱壁及另外两个相对设置的第二箱壁。
所述第一箱壁包括第一箱壁部1，所述第一箱壁部包括呈矩形设置的四块第一钢板，四块第一钢板内部设置有多个垂直交叉设置的竖向钢板和横向钢板。位于下部的第一钢板与底座焊接固定，两个竖向设置的第一钢板外侧面均焊接有两个连接部2，连接部包括三个水平钢板及三个竖直钢板，水平钢板与第二箱壁焊接固定。
所述第二箱壁3包括呈矩形分布的四个第二钢板，位于下部的第二钢板与底座焊接固定，四个第二钢板内部设置有多个垂直交叉设置的纵向钢板和横向钢板。
第一箱壁及第二箱壁采用此种设置，形成多个出现孔，方便相似材料内部埋设的监测元件的线路引出。
两个所述第一箱壁内侧面的前后两侧边缘处均设置有六个水平加载件，所述水平加载件采用100吨的水平液压千斤顶4，所述水平液压千斤顶与第一连接杆5的一端固定连接，第一连接杆的另一端与第一连接件6固定连接，所述第一连接件包括与第一连接杆固定连接的第一固定板，第一固定板与多个梯形板的一端固定连接，多个梯形板的另一端与水平推板7固定连接。
水平液压千斤顶能够通过水平推板向相似材料施加均匀的载荷。
可以理解的是，在其他一些实施例中，所述水平加载件可采用液压缸、直线电机或电动推杆等元件，只要能够输出水平载荷即可。
所述箱盖9能够封闭模型箱的顶部敞口，包括四块呈矩形分布的第三钢板，四块第三钢板内部设置有多个垂直交叉设置的纵向钢板和横向钢板。所述箱盖下表面四个角处还通过螺栓可拆卸的连接有三角形连接件21，所述三角形连接件能够通过螺栓与第二箱壁可拆卸连接，实现箱盖与模型箱的可拆卸连接，所述箱盖下表面前后边缘处均设置有六个竖向加载件，所述竖向加载件采用100吨的竖向液压千斤顶10，所述竖向液压千斤顶与第二连接杆11的一端固定连接，第二连接杆的另一端与第二连接件12固定连接，所述第二连接件与竖向推板13固定连接，所述第二连接件与第一连接件的结构相同，在此不进行详细叙述。
竖向加载件能够通过竖向推板对相似材料施加均匀的竖向载荷。
可以理解的是，在其他一些实施例中，所述竖向加载件可采用液压缸或直线电机或电动推杆，只要能够输出竖向载荷即可。
可以理解的是，所述水平加载件和竖向加载件可以设置为其他数量，满足加载需求即可。
两个所述第一箱壁上开设有同轴设置的矩形的开口，且第一箱壁的内侧面固定有透明亚克力板14，所述透明亚克力板上开设有多个与待开挖隧道模型断面形状相匹配的通孔15，本实施例中，所述通孔设置两个，且通孔形状和高度相同，两个通孔间距为通孔宽度的2/3。
所述监测元件包括光纤光栅位移传感器、电阻式应变砖及土压力盒。
所述光纤光栅传感器至少埋设五个，光纤光栅传感器固定在柔性测丝上，柔性测丝位于护管内部，护管用于埋设在相似材料中，所述柔性测丝采用柔性金属丝。所述光纤光栅传感器能够通过光栅数据采集仪与外部控制器连接，相似材料发生位移时，柔性测丝能够移动，柔性测丝带动光栅光纤传感器将位移信号转化为光信号，通过光栅数据采集仪转化为数字信号传输给控制器，本实施例中，所述数据采集仪采用多点高速程控静态应变采集分析仪。
所述电阻式应变砖包括单面电阻式应变砖及三面电阻式应变砖，单面电阻式应变砖用来实时监测隧道模型开挖时相似材料单面三向的应力和应变的变化，三面电阻式应变砖用来实时监测隧道模型开挖时中岩墙应力和应变的变化。电阻式应变砖是由相似材料通过等比例换算然后进行压实而来的正方体结构。本实施例中，所述正方体结构尺寸为3cmX3cmX3cm，单面电阻式应变砖在其一个表面上粘贴三向应变片，三面电阻式应变砖则以一个角为顶点，围绕顶点的三个表面每个表面粘贴一个三向应变片。所述电阻式应变砖与外部控制器连接，能够将采集的应力、应变信息传输给外部控制器。
所述土压力盒为量程为1Mpa，外形尺寸为16mm厚度为4.8mm的BW型土压力盒，用于检测相似材料的压力。所述土压力盒与外部控制器连接，能够将采集的压力信息传输给外部控制器。
所述开挖件用于开挖隧道模型，包括电火花***件及开挖工具，电火花***件用于对相似材料进行***破碎，开挖工具用于挖出破碎的相似材料；
本实施例中，所述电火花***件采用TS-ZY1000D便携式的电火花震源，能够通过电极高压脉冲放电进而产生***，击碎相似材料，而且还能控制脉冲放电能量从而达到控制相似材料的***效果，这种***模拟方式不仅安全有效，而且动力模拟效果可控。
所述开挖工具采用洛阳铲。
所述喷射件包括浆液泵，所述浆液泵的进液口通过管路与浆液箱连接，所述浆液箱用于盛装支护材料，所述浆液泵的出液口通过浆液管与喷头连接，浆液泵能够驱动浆液箱内的支护材料经过浆液管和喷头按照设定压力喷出，将支护材料喷射至开挖的隧道模型内壁上，对隧道模型进行喷射支护。
实施例2：
本实施例公开了一种隧道***开挖模型试验***的方法：包括以下步骤：
步骤1：在模型箱内分层铺设相似材料，相似材料铺设过程中，在设定位置埋设监测元件；
相似材料制备时，按照围岩的相似材料配比，分别精确称量各种原材料，首先将作为骨料的重晶石粉、砂、碳酸钙加入搅拌机，搅拌均匀后，加入胶结剂水泥、氯化石蜡及调节剂硅油，并加入设定量的水，搅拌后得到实验用的相似材料。
制备好的相似材料采用分层调节的方式逐层铺设在模型箱内部，每层填筑高度为10厘米。
相似材料分层铺设过程中，在设定位置布置监测元件。
其中，在距离隧道模型开挖起点20cm和30cm的两处分别设置两个断面，在所述的两个断面处布置监测元件。
本实施例中，土压力盒16的布置如图4所示，在隧道模型拱顶沿竖直方向布置三个土压力盒，在隧道模型17拱底正下方布置一个土压力盒，在隧道一侧布置两个土压力盒，因为本实施例中，两个隧道模型对称设置，因此土压力盒布置在隧道模型一侧即可。
本实施例中，所述电阻式应变砖18的布置如图5所示，在两个隧道模型对称线位置(即中岩墙位置22)处布置两个上下分布的电阻式应变砖，该处的电阻式应变砖采用三面电阻式应变砖，其余电阻式应变砖采用单面电阻式应变砖，隧道拱底与侧边墙交界位置外周设置两个电阻式应变砖，且两个电阻式应变砖设置在两个隧道模型之间，所述隧道模型拱底位置下方设置一个电阻式应变砖。由于两个隧道模型对称设置，因此电阻式应变砖布置在隧道模型一侧即可。
本实施例中，所述光纤光栅位移传感器19精度为1um，多个光纤光栅位移传感器的布置如图6所示，两个隧道模型拱底位置均布置光纤光栅位移传感器，两个隧道模型之间对称线位置布置一个光纤光栅位移传感器，隧道模型拱顶与两个隧道模型相互靠近的侧边墙交界位置均布置一个光纤光栅位移传感器，其中一个隧道模型远离另一个隧道模型的侧边墙位置布置一根光纤光栅传感器。
所有监测元件的线路通过模型箱的出线孔统一引出并连接外部控制器等设备。
当相似材料填筑至设定位置时，对埋设的光纤光栅位移传感器、土压力盒及电阻式应变砖进行编号记录，埋设时注意监测元件上部土体的夯实。
相似材料填筑完成后，对其进行室温养护，待相似材料的强度达到设定要求后，将监测元件连接应变采集仪等外部数据采集设备。
在其他一些实施例中，监测元件也可布置在隧道模型断面的其他位置，根据试验要求进行设置即可。
步骤2：通过模型箱第二箱壁的开口及透明亚克力板的通孔，在相似材料中开挖两条条隧道模型17，所述隧道模型用于模拟双向八车道隧道，两条隧道模型同步开挖，开挖过程中，采用分步开挖，每步开挖包括以下步骤：
步骤a：对隧道模型掌子面中心部位利用电火花震源进行***，将相似材料击碎。
步骤b：利用洛阳铲对破碎的相似材料进行开挖，开挖顺序如图7所示，隧道模型截面分为A、B、C、D、E、F、G七个区域，按照A-B-C-D-E-F-G的顺序进行开挖。
步骤c：每一步隧道开挖完成后，对隧道内壁利用喷射件喷射支护材料，选取快干石膏作为支护材料，其凝固时间在7分钟以内，水灰比采用1:1.15，支护材料的喷射厚度为4mm。
支护材料喷射前，搭建预先加工好的拱架20，然后对支护材料进行喷射，所述拱架用于支撑隧道模型内壁，且拱架的外侧面粘结压力盒和应变片，测量拱架与隧道模型内壁的接触压力和拱架的自身应力。
隧道模型开挖过程中，利用监测元件实时监测相似材料的位移、应变及压力信息。
本实施例中，每步开挖记录开始与结束时间，方便后期数据分析，开挖采用连续开挖，避免中间间隔过久围岩产生变化。
本实施例的试验***，能够准确有效的模拟隧道施工的真实现场环境，得到相似材料的压力、应变和应力信息，进而为研究隧道***对周围建筑物影响提供参考数据。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，包括：
模型箱：用于放置相似材料，顶部敞口设置，相对的两个第一箱壁设置有水平加载件，用于向相似材料施加水平载荷，顶部敞口位置处能够设置箱盖，箱盖底面设置有竖向加载件，用于向相似材料施加竖向载荷，另外两个相对的第二箱壁设置有开孔，用于对模型箱内部的相似材料进行开挖；
监测元件：用于埋设在模型箱内的相似材料内部，用于检测相似材料的位移、应力、应变、压力信息；
开挖件：用于开挖隧道模型，包括电火花***件及开挖工具，电火花***件用于对相似材料进行***破碎，开挖工具用于挖出破碎的相似材料；
喷射件：用于向开挖的隧道模型内壁喷射支护材料。
2.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述第一箱壁的内侧面还贴合固定有透明亚克力板，透明亚克力板设置有多个与待开挖隧道模型断面形状相匹配的通孔。
3.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述第一箱壁的两侧边缘均设置有多个水平加载件，所述水平加载件采用水平液压千斤顶，所述水平液压千斤顶与第一连接杆的一端连接，第一连接杆的另一端固定有水平推板，水平液压千斤顶能够通过水平推板对相似材料施加水平载荷。
4.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述箱盖底面的前后边缘处均固定有多个竖向加载件，所述竖向加载件采用竖向液压千斤顶，所述竖向液压千斤顶与第二连接杆的一端固定连接，第二连接杆的另一端与竖向推板固定连接，竖向液压千斤顶能够通过竖向推板向相似材料施加竖直向下的载荷。
5.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述监测元件包括与外部控制器连接的光纤光栅位移传感器、电阻式应变砖及土压力盒，所述光纤光栅位移传感器用于检测相似材料的位移，电阻式应变砖用于检测相似材料的应力、应变，土压力盒用于检测相似材料产生的压力。
6.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述电火花***件采用电火花震源，能够通过电极高压脉冲放电，击碎相似材料。
7.如权利要求1所述的一种隧道***开挖模型试验***，其特征在于，所述喷射件包括浆液泵，所述浆液泵与能够盛放支护材料浆液的浆液箱连接，浆液泵还与浆液管连接，浆液管端部设置有喷头，浆液泵能够驱动浆液箱内的支护材料经浆液管和喷头喷出，对开挖的隧道模型进行支护。
8.一种权利要求1-7任一项所述的隧道***开挖模型试验***的方法，包括以下步骤：
步骤1：在模型箱内分层铺设相似材料，相似材料铺设过程中，在设定位置埋设监测元件，相似材料铺设完成后，利用水平加载件和竖向加载件对相似材料施加设定的水平载荷和竖向载荷；
步骤2：通过模型箱第二箱壁的开口及透明亚克力板的通孔，在相似材料中开挖两条条隧道模型，两条隧道模型同步开挖，开挖过程中，采用分步开挖，每步开挖首先利用电火花***件对相似材料进行破碎，然后利用开挖工具挖出破碎的相似材料，形成隧道模型，最后在隧道内搭建拱架并利用喷射件在隧道模型内壁喷射支护材料，拱架对隧道模型内壁进行支撑，隧道模型开挖过程中，利用监测元件实时监测相似材料的位移、应力、应变及压力信息。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，相似材料设置多个断面，每个断面埋设监测元件。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述隧道模型开挖两条，两条隧道模型的断面形状相同，且高度相同，监测元件布置在断面的一侧部。
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