CN204944860U - 一种室内模拟隧道开挖的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内模拟隧道开挖的实验装置，包括用于填装围岩相似材料和隧道模型的模型箱，模型箱上贯穿开有用于放置隧道模型的预留开口，隧道模型包括若干并列设置PVC发泡板，其中，组成隧道模型的PVC发泡板能够按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据比例，分割成不同部分，PVC发泡板的正面上设有若干预留孔道，背面上设有若干与预留孔道配合的牵引凹槽，当进行模拟隧道开挖时，隧道模型上设有能够将PVC发泡板拉出模型箱的牵引装置。本实用新型准确性良好，结构简单，能够对隧道掘进的顺序、开挖时间与掘进尺度实行精确控制，真实的模拟隧道开挖情况和衬砌受力性能，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。

Description

一种室内模拟隧道开挖的实验装置

技术领域

本实用新型属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种室内模拟隧道开挖的实验装置。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的快速发展，以高速公路和国道为主体的快速交通网络的建设取得了突飞猛进的进步。山区公路隧道作为高速公路的一个重要组成部分，在日趋注重高速公路环保、经济和效率的今天起着愈发突出的作用。然而，由于隧道所处的地质条件和工程条件愈发复杂，隧道施工中的问题也愈发突出，因此，利用相似理论为基础的物理模型试验分析和研究隧道施工问题显得尤为重要。

隧道施工中的开挖顺序，掘进尺度和支护时间，是影响隧道稳定，施工及运营期间各种工程安全问题的重要考虑因素。不同的开挖方法及施工步骤，会产生不同的隧道围岩应力重分布，影响着隧道围岩的稳定，对控制工程成本有较大作用。然而，现阶段的模型箱实验中，尚未有一种简单准确的模拟真实隧道开挖方法的装置，能精准控制不同围岩条件下各种隧道掘进的顺序，开挖时间与进尺。为此，迫切需要一种能真实、科学地模拟隧道开挖的试验方法与设备，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种室内模拟隧道开挖的实验装置，以克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型准确性良好，结构简单，操作方便，能够对隧道掘进的顺序、开挖时间与掘进尺度实行精确控制，真实的模拟隧道开挖情况和衬砌受力性能，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种室内模拟隧道开挖的实验装置，包括用于填装围岩相似材料和隧道模型的模型箱，模型箱上贯穿开有用于放置隧道模型的预留开口，隧道模型包括若干并列设置的PVC发泡板，其中，组成隧道模型的PVC发泡板能够按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据比例，分割成不同部分，PVC发泡板的正面上设有若干预留孔道，背面上设有若干与预留孔道配合的牵引凹槽，当进行模拟隧道开挖时，隧道模型上设有与牵引凹槽配合且能够将PVC发泡板拉出模型箱的牵引装置。

进一步地，模型箱包括调平底座，调平底座上对称设有两块作为模型箱侧面的侧板，两块侧板之间设有两块分别作为模型箱正面及背面的格栅框架，格栅框架的格栅孔中可拆卸地安装有面板，预留开口对称设置在模型箱正面及背面的面板上。

进一步地，所述的预留孔道截面为长方形，截面的长宽比为2:1。

进一步地，牵引凹槽包括以预留孔道截面的形心为圆心，以预留孔道截面的对角线长度为直径，且以对角线为初始边的两个相对的张角为60～65度的扇形凹槽，扇形凹槽的终止边处设有用于和牵引装置配合的长方形凹槽，且长方形凹槽的深度大于扇形凹槽深度。

进一步地，牵引装置包括T型钢钩，T型钢钩包括钢钩通丝螺杆以及设置在钢钩通丝螺杆端部的钢筋，T型钢钩穿插设在预留孔道中，且钢筋能够沿扇形凹槽转动并卡在长方形凹槽中。

进一步地，牵引装置还包括牵引钢板，牵引钢板上穿插固定有牵引通丝螺杆，钢钩通丝螺杆的自由端穿插设在牵引钢板上，且通过长方形螺帽固定。

进一步地，钢筋为光圆钢筋，其长度大于预留孔道长方形截面的长，小于预留孔道长方形截面的对角线，钢筋的直径小于长方形凹槽的深度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型装置中隧道模型采用多片PVC发泡板制作而成，其中，组成隧道模型的PVC发泡板能够按照实际隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据相似比例，分割成不同部分，所以采用本实用新型可以方便开展各种形状尺寸与施工方法的隧道开挖过程模拟，本实用新型装置中隧道模型与围岩相似材料均填装于模型箱中以后才进行模拟开挖，这与隧道实际受力状况一致。另外本实用新型能够对隧道掘进的顺序、开挖时间与掘进尺度实行精确控制，真实的模拟隧道开挖情况和衬砌受力性能，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据，与实际工程高度符合，准确性良好，结构简单、操作方便、造价低、便于推广应用。

进一步地，模型箱由调平底座、侧板、格栅框架及面板组成，不仅拆装方便，而且能够很好的完成模拟隧道开挖过程。

进一步地，在PVC发泡板背面设置牵引凹槽，牵引凹槽包括扇形凹槽和长方形凹槽，牵引装置包括T型钢钩，T型钢钩端部的钢筋能够滑过扇形凹槽并卡在长方形凹槽中，如此采用T型钩钩取隧道不同部分的PVC发泡板模拟分布开挖的隧道，用不同的板厚度模拟隧道掘进尺度，使隧道的开挖情况更加符合实际。

附图说明

图1是本实用新型的模型箱结构示意图；

图2是本实用新型的隧道模型制造时的结构示意图；

图3是本实用新型的PVC发泡板背面结构示意图；

图4是PVC发泡板背面的牵引凹槽中挖出部分A的结构示意图；

图5是本实用新型的PVC发泡板正面结构示意图；

图6是本实用新型的连接杆结构示意图；

图7是本实用新型的T型钢钩结构示意图；

图8是本实用新型的牵引装置结构示意图。

其中，1、调平底座；2、格栅框架；3、侧板；4、面板；5、预留开口；6、PVC发泡板；7、EPE珍珠棉板；8、固定钢板；9、预留孔道；10、牵引凹槽；11、连接通丝螺杆；12、长方形螺帽；13、钢钩通丝螺杆；14、钢筋；15、T型钢钩；16、牵引通丝螺杆；17、牵引钢板；18、PVC发泡板编号。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

参见图1至图7，一种室内模拟隧道开挖的实验装置，包括模型箱，围岩相似材料，隧道模型，牵引装置等。

模型箱包括玻璃面板、格栅框架2、侧板3及调平底座1，调平底座1上对称设置两块侧板3，两块侧板3之间连接两块格栅框架2，玻璃面板设置在格栅框架2的格栅孔中，格栅框架2构成模型箱的骨架结构，玻璃面板构成了模型箱的面板。在模型箱两侧的玻璃面板上，对称设有略大于隧道模型截面的预留开口5，模型箱用于装填围岩相似材料及隧道模型，模型箱两块侧板3之间的距离应大于隧道模型直径的6倍，模型箱前后两玻璃板之间的距离应大于0.5米，如此能够消除模型箱周围边界四个面的竖向摩擦力，真实模拟实际隧道开挖时隧道和围岩的受力状况。

围岩相似材料主要由石膏、石灰、重晶石和水拌和而成，通过调整各种材料的配合比能够模拟不同等级的隧道围岩。

隧道模型包括并列设置的若干PVC发泡板6，在制备隧道模型时，首先将并列设置若干PVC发泡板6，然后分别在两端各设置一块EPE珍珠棉板7，PVC发泡板6和EPE珍珠棉板7共同组成板型模具，在板型模具的两端各设置一块固定钢板8，在板型模具和固定钢板8上设置若干预留孔道9，在预留孔道9中贯穿设置连接杆，形成隧道模型装置，PVC发泡板6的平面形状和尺寸依据实际隧道截面尺寸和开挖方法按照相似比确定，PVC发泡板6的厚度则由实际隧道每循环掘进尺度按照相似比确定，PVC发泡板6的总厚度应略小于玻璃面板上两预留开口5之间的距离；PVC发泡板6两端的EPE珍珠棉板7的平面尺寸略大于PVC发泡板6，大小与模型箱上的预留开口5大小相当，厚度略大于模型箱玻璃面板厚度，用以防止填充围岩相似材料过程中细小填料从缝隙落下，组成隧道模型的PVC发泡板6按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据相似比例，分割成不同部分，并按照实际隧道的开挖顺序和时间间隔依次钩取，在本实施方式中，PVC发泡板6分为模拟隧道开挖上台阶的PVC发泡板和模拟隧道开挖下台阶的PVC发泡板。

每片PVC发泡板在开挖方向上均设有PVC发泡板编号18，PVC发泡板编号18包括有字母和数字，其中字母代表模型试验中模拟真实隧道分部开挖的不同的开挖部分，数字从1开始依次编号，用以试验过程中定位当前开挖部分在全隧道中所处的位置，并精准控制不同开挖部分之间的开挖进尺差值。本例中，可以让模拟隧道开挖上台阶的PVC发泡板超前模拟隧道开挖下台阶的PVC发泡板若干块，并固定数字差值不变，用以模拟实际隧道中的上台阶超前下台阶固定距离的隧道台阶法开挖方式。

每片PVC发泡板在雕刻衬砌形状同时需雕刻长细比为2:1长方形的预留孔道9，并保证不同PVC发泡板上相同位置的预留孔道9能够连成一排用于放置连接杆，预留孔道9的数量和位置要结合隧道模型的受力和平面尺寸的大小进行确定。

每片PVC发泡板6在设置预留孔道9的同时，在开挖方向反向的PVC发泡板6的表面，预留开挖用的牵引凹槽10。牵引凹槽10由两部分组成，一部分是以预留孔道9截面形心为圆心，预留孔道9截面对角线长度为直径，预留孔道9截面对角线为初始边的两个相对的张角为60～65度的扇形凹槽，扇形凹槽的终止边处设有用于和牵引装置配合的长方形凹槽，且长方形凹槽的深度大于扇形凹槽深度。

连接杆由长于板型模具厚度的连接通丝螺杆11和具有相同规格的若干长方形螺帽12组成，用以模拟不同的隧道长度。长方形螺帽12的外缘尺寸与预留孔道9的截面大小一致，内缘直径与连接通丝螺杆11直径相同。长方形螺帽12旋于连接通丝螺杆11上，长方形螺帽12的数量由PVC发泡板6总厚度和单个长方形螺帽12的厚度确定，使长方形螺帽12总厚度大于或等于PVC发泡板6的总厚度，小于PVC发泡板6和EPE珍珠棉板7的总厚度。

为保证开挖过程中PVC发泡板6受力均匀，防止由于受力不均出现倾斜，影响隧道的最终开挖轮廓和受力形态，本实用新型设置了开挖用的牵引装置，牵引装置包括T型钢钩15、牵引钢板17和相互配合使用的牵引通丝螺杆16及长方型螺帽12。

T型钢钩15是一根钢钩通丝螺杆13焊接于一根较短尺寸的光圆钢筋中间而成，为避免T型钢钩15在开挖隧道过程中对PVC发泡板6产生额外的附加弯矩，不利于隧道的开挖。光圆钢筋的长度应大于预留孔道9长边的长度，小于预留孔道9对角线长度；光圆钢筋的直径应小于PVC发泡板6背面长方形凹槽的深度。

牵引钢板17的平面形状和尺寸依据实际隧道截面尺寸和开挖方法按照相似比确定。牵引钢板17的数量，应与每循环隧道的开挖步数相同。牵引钢板17上应预留开口，开口位置及大小与预留孔道9一致，T型钢钩15的光圆钢筋端卡在PVC发泡板6背面的长方形凹槽中后，其自由端穿过此预留开口，并通过长方形螺帽12横向固定，此外，在牵引钢板17各开口中间位置，应预留牵引通丝螺杆13的孔道，牵引通丝螺杆13通过此孔道与牵引钢板17固定，模拟隧道开挖时，仅需拖拽牵引通丝螺杆13即可模拟隧道开挖。

下面对本实用新型的操作过程做进一步详细描述：

1)首先调平模型箱，保证模型箱的水平；

2)按照实际隧道形状依据相似比例在玻璃面板上切割预留开口5，并用双面胶将可拆卸玻璃面板粘贴于模型箱格栅框架2上。

3)按照实际隧道形状、开挖方法和掘进尺度，依据相似比例，确定隧道每个开挖部分每片PVC发泡板的平面尺寸和厚度。依据模具的受力、平面尺寸的大小和长方形螺帽的几何参数，在每片PVC发泡板中预留一定数目的预留孔道9，此外，还需在PVC发泡板6的背面为牵引装置中的T型钢钩15预留扇形凹槽和长方形凹槽。

4)选择长度大于隧道模型总厚度的连接通丝螺纹杆11，将相同规格的长方形螺帽12串于连接通丝螺纹杆11之上，长方形螺帽12的数目由隧道模型总厚度和每个长方形螺帽的厚度决定，由此制成了连接杆。

5)用连接杆将各部分开挖的PVC发泡板6和洞口附近EPE珍珠棉板7串联，并将隧道各部分模具用固定钢板8和外侧的螺帽固定，防止在填料过程中模拟隧道各部分的模具相互滑动。

6)将围岩相似材料分层填入模型箱中，围岩相似材料由石膏、石灰、重晶石和水拌合而成，每层填筑厚度依据围岩相似材料设计总高度和围岩相似材料初凝时间而定。每层装填完成后进行振捣压实,当施工至预留开口5的位置时，将隧道模型装置放置于围岩相似材料中间，将压力盒和应变片预留在合适位置后继续装填压实至设计高度。

7)为模拟隧道开挖前的初始地应力，隧道开挖前应观察应变片和压力盒读数，待读数稳定后，围岩相似材料固结完成后，再进行隧道模型的开挖。首先将隧道模型装置中固定钢板8外侧的螺帽旋开，取下固定钢板8，洞口附近EPE珍珠棉板7以及连接杆。

8)将牵引通丝螺杆16穿入牵引钢板17预留孔洞中1～2cm，用螺母将其固定。接着，将T型钢钩15从隧道模型欲开挖部分的PVC发泡板6上的预留孔道9中伸入，到需要掘进进尺处旋转，直至T型钢钩15前端的光圆钢筋卡入PVC发泡板6背面的长方形凹槽中，并将T型钢钩15的尾端用长方形螺帽12固定于牵引钢板17之上，组成了隧道开挖的牵引装置。

9)拖拽牵引通丝螺杆16，将隧道需要开挖部分的模具牵引出，模拟隧道的开挖。两次开挖时间的时间差由实际隧道的开挖时间依据相似比例换算得到，便于精准模拟真实的隧道开挖情况。

Claims (7)

1.一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，包括用于填装围岩相似材料和隧道模型的模型箱，模型箱上贯穿开有用于放置隧道模型的预留开口(5)，隧道模型包括若干并列设置的PVC发泡板(6)，其中，组成隧道模型的PVC发泡板(6)能够按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据比例，分割成不同部分，PVC发泡板(6)的正面上设有若干预留孔道(9)，背面上设有若干与预留孔道(9)配合的牵引凹槽(10)，当进行模拟隧道开挖时，隧道模型上设有与牵引凹槽(10)配合且能够将PVC发泡板(6)拉出模型箱的牵引装置。

2.根据权利要求1所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，模型箱包括调平底座(1)，调平底座(1)上对称设有两块作为模型箱侧面的侧板(3)，两块侧板(3)之间设有两块分别作为模型箱正面及背面的格栅框架(2)，格栅框架(2)的格栅孔中可拆卸地安装有面板(4)，预留开口(5)对称设置在模型箱正面及背面的面板(4)上。

3.根据权利要求1所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，所述的预留孔道(9)截面为长方形，截面的长宽比为2:1。

4.根据权利要求3所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，牵引凹槽(10)包括以预留孔道(9)截面的形心为圆心，以预留孔道(9)截面的对角线长度为直径，且以对角线为初始边的两个相对的张角为60～65度的扇形凹槽，扇形凹槽的终止边处设有用于和牵引装置配合的长方形凹槽，且长方形凹槽的深度大于扇形凹槽深度。

5.根据权利要求4所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，牵引装置包括T型钢钩(15)，T型钢钩(15)包括钢钩通丝螺杆(13)以及设置在钢钩通丝螺杆(13)端部的钢筋(14)，T型钢钩(15)穿插设在预留孔道(9)中，且钢筋(14)能够沿扇形凹槽转动并卡在长方形凹槽中。

6.根据权利要求5所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，牵引装置还包括牵引钢板(17)，牵引钢板(17)上穿插固定有牵引通丝螺杆(15)，钢钩通丝螺杆(13)的自由端穿插设在牵引钢板(17)上，且通过长方形螺帽(12)固定。

7.根据权利要求5所述的一种室内模拟隧道开挖的实验装置，其特征在于，钢筋(14)为光圆钢筋，其长度大于预留孔道(9)长方形截面的长，小于预留孔道(9)长方形截面的对角线，钢筋(14)的直径小于长方形凹槽的深度。