CN117848848A - 用于模型试验的散体隧道融模开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，包括：计算出所需的石蜡的质量；将石蜡融化，并将融化后的石蜡倒入隧道模具中，并在融化后的石蜡中布设加热电阻丝；拆除隧道模具，将凝固后的石蜡取出；计算出所需的围岩材料的质量，并根据围岩材料制备出围岩；将凝固后的石蜡放置在围岩内的指定位置；利用加热电阻丝将凝固后的石蜡融化，并监测和记录围岩的变形破坏情况。通过本发明提供的技术方案，以优化现有技术中的散体隧道融模开挖方法。

Description

用于模型试验的散体隧道融模开挖方法

技术领域

本发明涉及隧道模型试验技术领域，具体而言，涉及一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法。

背景技术

交通隧道等基础设施的需求不断增加。隧道由于修建于地下，因地质作用和人为工程活动可能引起一系列工程地质灾害，如突水突泥、围岩坍塌、地面塌陷等，造成巨大人员伤亡和财产损失。目前，国内外在隧道理论方面的研究已经趋于成熟，但是真正结合现场实际隧道情况来看，仍然存在许多实际问题，所以单纯的理论研究存在一定不足。

隧道模型试验是研究隧道科学的一个重要手段。模型试验具有还原度高、测量精度高、可操作性强等优点而被广泛用于研究城市深埋地铁隧道在外部荷载作用下变形的时空演化规律。然而，模型试验过程中如何形成目标形状和尺寸的隧道一直是困扰实验人员的难题，尤其对于冰碛土、碎石土、粗粒土等散体介质的隧道，普通的开挖方法很容易造成围岩扰动进而造成隧道塌方，因此开发一种操作简单、技术可靠、效果良好的适用于地质力学模型试验的散体隧道开挖方法具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，以优化现有技术中的散体隧道融模开挖方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，包括：计算出所需的石蜡的质量；将石蜡融化，并将融化后的石蜡倒入隧道模具中，并在融化后的石蜡中布设加热电阻丝；拆除隧道模具，将凝固后的石蜡取出；计算出所需的围岩材料的质量，并根据围岩材料制备出围岩；将凝固后的石蜡放置在围岩内的指定位置；利用加热电阻丝将凝固后的石蜡融化，并监测和记录围岩的变形破坏情况。

进一步地，在融化后的石蜡中布设加热电阻丝包括：

加热电阻丝为多个，相邻两个加热电阻丝之间的距离为10-20cm。

进一步地，根据围岩材料制备出围岩包括：

围岩包括普通岩层和散体岩层；

将围岩材料混合成的普通岩层、散体岩层搅拌均匀，并倒入模型箱；

将普通岩层、散体岩层锤击至设计密实度。

进一步地，将普通岩层、散体岩层锤击包括：

利用夯锤每次锤击的厚度为5-10cm。

进一步地，监测和记录围岩的变形破坏情况包括：

在加热电阻丝融化石蜡的过程中，通过传感器组件测量并记录围岩的位移和应变指标。

进一步地，传感器组件包括土压力盒、加速度计、光栅应变计和位移计，土压力盒用于测量围岩的内应力；加速度计用于测量围岩的加速度；光栅应变计用于测量围岩表面的应变；位移计用于测量围岩的位移。

进一步地，将石蜡融化包括：

将石蜡放置在加热锅中，利用电磁炉将石蜡完全融化。

进一步地，计算出所需的石蜡的质量包括：

根据隧道的空间体积和石蜡密度，计算出所需的石蜡的质量，并按照所需的石蜡质量的1.3倍称取。

进一步地，计算出所需的围岩材料的质量包括：

根据隧道的围岩尺寸和密度，计算出所需的围岩材料的质量。

进一步地，隧道模具包括第一模具和第二模具，第一模具和第二模具通过紧固件连接，第一模具和第二模具连接后形成容纳腔，容纳腔用于容纳融化后的石蜡。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，包括：计算出所需的石蜡的质量；将石蜡融化，并将融化后的石蜡倒入隧道模具中，并在融化后的石蜡中布设加热电阻丝；拆除隧道模具，将凝固后的石蜡取出；计算出所需的围岩材料的质量，并根据围岩材料制备出围岩；将凝固后的石蜡放置在围岩内的指定位置；利用加热电阻丝将凝固后的石蜡融化，并监测和记录围岩的变形破坏情况。采用该方案，通过将预制和隧道相同形状的石蜡替代开挖体，且在石蜡中预先埋入加热电阻丝；试验过程中将石蜡埋入隧道相应的位置；当需要进行隧道开挖时，给加热电阻丝通电使石蜡融化完成隧道开挖。本方案的散体隧道融模开挖方法，可以对现有的机械开挖方法进行优化，从而达到了提高模型试验精度和成功率的目的。

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。在附图中：

图1示出了本发明的实施例提供的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法的流程图；

图2示出了本发明的实施例提供的隧道模具的结构示意图；

图3示出了图2中隧道模具的侧视图；

图4示出了图1中凝固后的石蜡的结构示意图；

图5示出了本发明的实施例提供的围岩和石蜡的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、石蜡；

20、隧道模具；21、第一模具；22、第二模具；

30、围岩；

40、加热电阻丝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明的实施例提供了一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，包括：

计算出所需的石蜡10的质量；

将石蜡10融化，并将融化后的石蜡10倒入隧道模具20中，并在融化后的石蜡10中布设加热电阻丝40；

拆除隧道模具20，将凝固后的石蜡10取出；

计算出所需的围岩材料的质量，并根据围岩材料制备出围岩30；

将凝固后的石蜡10放置在围岩30内的指定位置；

利用加热电阻丝40将凝固后的石蜡10融化，并监测和记录围岩30的变形破坏情况。

采用该方案，通过将预制和隧道相同形状的石蜡10替代开挖体，且在石蜡10中预先埋入加热电阻丝40；试验过程中将石蜡10埋入隧道相应的位置；当需要进行隧道开挖时，给加热电阻丝40通电使石蜡10融化完成隧道开挖。本方案的散体隧道融模开挖方法，可以对现有的机械开挖方法进行优化，从而达到了提高模型试验精度和成功率的目的。

在本方案中，隧道模具20采用壁厚为1cm的轻质钢材制作而成，该钢材具有质量轻、热稳定性好等优点。以拱形隧道为例，隧道模具20由第一模具21和第二模具22两部分组成，其中第一模具21和第二模具22由紧固螺栓固定；当需要制作隧道填充体时，将隧道模具20的螺栓拧紧形成一个隧道形状的内部空间；将融化的液体石蜡10倒入该隧道模具20，待石蜡10冷却后将螺栓拆掉，然后将隧道模具20的第一模具21和第二模具22分开，取出制作好的隧道石蜡10模型。

在本实施例中，在融化后的石蜡10中布设加热电阻丝40包括：

加热电阻丝40为多个，相邻两个加热电阻丝40之间的距离为10-20cm。

采用上述设置方式，将相邻两个加热电阻丝40之间的距离设置在10-20cm，这样能够快速将石蜡10融化，提高了试验效率。

具体地，根据围岩材料制备出围岩30包括：

围岩30包括普通岩层和散体岩层；

将围岩材料混合成的普通岩层、散体岩层搅拌均匀，并倒入模型箱；

将普通岩层、散体岩层锤击至设计密实度。

如此设置，可以利用围岩材料混合成的普通岩层、散体岩层搅拌均匀，并倒入模型箱进行普通岩层、散体岩层的制备；随后将普通岩层、散体岩层锤击至设计密实度，以达到实际所需的强度。

需要说明的是：普通岩层通常采用石灰、石膏、河沙和水混合而成，散体岩层通常采用石灰、级配砾石、河沙和水混合而成，其比例通过前期强度试验测定而确定。

其中，将普通岩层、散体岩层锤击包括：

利用夯锤每次锤击的厚度为5-10cm。

在本方案中，可以利用夯锤每次锤击的厚度为5-10cm，这样能够使得普通岩层、散体岩层充分混合，且分层更加夯实。

具体地，监测和记录围岩30的变形破坏情况包括：

在加热电阻丝40融化石蜡10的过程中，通过传感器组件测量并记录围岩30的位移和应变指标。

在本实施例中，可以在加热电阻丝40融化石蜡10的过程中，利用传感器组件测量并记录围岩30的位移和应变指标，以达到试验的目的，为实际隧道开挖提供理论数据支持。

其中，传感器组件包括土压力盒、加速度计、光栅应变计和位移计，土压力盒用于测量围岩30的内应力；加速度计用于测量围岩30的加速度；光栅应变计用于测量围岩30表面的应变；位移计用于测量围岩30的位移。

采用上述设置方式，设置土压力盒可以测量围岩30的内应力；设置加速度计可以测量围岩30的加速度；设置光栅应变计可以测量围岩30表面的应变；设置位移计可以测量围岩30的位移。

在本方案中，将石蜡10融化包括：

将石蜡10放置在加热锅中，利用电磁炉将石蜡10完全融化。

这样能够快速将石蜡10进行融化，其中，电磁炉的功率大于2000W。

具体地，计算出所需的石蜡10的质量包括：

根据隧道的空间体积和石蜡10密度，计算出所需的石蜡10的质量，并按照所需的石蜡10质量的1.3倍称取。

这样便于通过石蜡10制作开挖隧道。

在本实施例中，计算出所需的围岩材料的质量包括：

根据隧道的围岩30尺寸和密度，计算出所需的围岩材料的质量。

这样能够根据实际情况，进行备料。

在本方案中，隧道模具20包括第一模具21和第二模具22，第一模具21和第二模具22通过紧固件连接，第一模具21和第二模具22连接后形成容纳腔，容纳腔用于容纳融化后的石蜡10。

设置第一模具21和第二模具22，便于制作石蜡10的隧道模型。

利用本方案的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其具体步骤如下：

1、根据隧道的空间体积和石蜡密度，计算所需石蜡的质量；按照1.3倍所需量称取固体石蜡，用于后续试验。

2、使用大功率电磁炉(大于2000W)和加热锅融化固体石蜡，将固体石蜡加热至完全融化。

3、将隧道模具刷洗干净并拧紧螺栓，并将融化的液体石蜡倒入模具。此时注意在液体石蜡中均匀等间距(10～20cm)布设加热电阻丝，然后常温下静置至液体石蜡完全凝固。

4、拆除隧道模具，将固态的隧道石蜡模型取出，并将隧道模具刷洗干净用于下次试验。

5、根据隧道围岩各层的几何尺寸及密度，计算并称量各层所需相似材料的质量，根据相似材料配比配好混合料(普通岩层通常采用石灰、石膏、河沙和水混合而成，散体岩层通常采用石灰、级配砾石、河沙和水混合而成，其比例通过前期强度试验测定而确定)；采用小型搅拌机将混合料搅拌均匀，将称量好的水均匀喷洒至搅拌机后再次搅拌均匀。

6、将搅拌均匀的湿料倒入模型箱，采用专门加工的小型夯锤击实至设计密实度，为保证击实效果，每次锤击的厚度控制在5-10cm，混合料分层夯实。在此围岩模型制作过程中，在设定位置放置步骤4取出的隧道石蜡模型；如果隧道需要分部开挖，则将不同位置的石蜡模型按开挖次序放置，并在相邻石蜡模型之间用隔热铝箔进行分割。

7、重复步骤6直至模型达到设计的高度，完成模型铺设。将模型自然风干用于下一步试验。

8、开始进行隧道开挖试验。接通石蜡块中加热电阻丝将隧道石蜡模型融化，形成隧道地质力学模型，融模过程中通过各传感器(土压力盒、加速度计、光栅应变计、位移计)记录隧道围岩的变形破坏情况，变形破坏情况根据位移和应变指标来确定。注意，如果需要进行隧道的分部开挖试验，则需要依次按次序融化相应的隧道石蜡模型，实现隧道的分部开挖。

9、试验完成后，拆除相应的试验模型，收取加热电阻丝，妥善放置各试验设备用于下次试验。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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)

1.一种用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，包括：

计算出所需的石蜡(10)的质量；

将所述石蜡(10)融化，并将融化后的所述石蜡(10)倒入隧道模具(20)中，并在融化后的所述石蜡(10)中布设加热电阻丝(40)；

拆除所述隧道模具(20)，将凝固后的所述石蜡(10)取出；

计算出所需的围岩材料的质量，并根据所述围岩材料制备出围岩(30)；

将凝固后的所述石蜡(10)放置在所述围岩(30)内的指定位置；

利用所述加热电阻丝(40)将凝固后的所述石蜡(10)融化，并监测和记录所述围岩(30)的变形破坏情况。

2.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，在融化后的所述石蜡(10)中布设加热电阻丝(40)包括：

所述加热电阻丝(40)为多个，相邻两个所述加热电阻丝(40)之间的距离为10-20cm。

3.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，根据所述围岩材料制备出所述围岩(30)包括：

所述围岩(30)包括普通岩层和散体岩层；

将所述围岩材料混合成的所述普通岩层、所述散体岩层搅拌均匀，并倒入模型箱；

将所述普通岩层、所述散体岩层锤击至设计密实度。

4.根据权利要求3所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，将所述普通岩层、所述散体岩层锤击包括：

利用夯锤每次锤击的厚度为5-10cm。

5.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，监测和记录所述围岩(30)的变形破坏情况包括：

在所述加热电阻丝(40)融化所述石蜡(10)的过程中，通过传感器组件测量并记录所述围岩(30)的位移和应变指标。

6.根据权利要求5所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，所述传感器组件包括土压力盒、加速度计、光栅应变计和位移计，所述土压力盒用于测量所述围岩(30)的内应力；所述加速度计用于测量所述围岩(30)的加速度；所述光栅应变计用于测量所述围岩(30)表面的应变；所述位移计用于测量所述围岩(30)的位移。

7.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，将所述石蜡(10)融化包括：

将所述石蜡(10)放置在加热锅中，利用电磁炉将所述石蜡(10)完全融化。

8.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，计算出所需的石蜡(10)的质量包括：

根据隧道的空间体积和石蜡(10)密度，计算出所需的所述石蜡(10)的质量，并按照所需的所述石蜡(10)质量的1.3倍称取。

9.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，计算出所需的围岩材料的质量包括：

根据隧道的所述围岩(30)尺寸和密度，计算出所需的所述围岩材料的质量。

10.根据权利要求1所述的用于模型试验的散体隧道融模开挖方法，其特征在于，所述隧道模具(20)包括第一模具(21)和第二模具(22)，所述第一模具(21)和所述第二模具(22)通过紧固件连接，所述第一模具(21)和所述第二模具(22)连接后形成容纳腔，所述容纳腔用于容纳融化后的所述石蜡(10)。