[發明專利]一種室內模擬隧道開挖的實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201510589931.4
• 申請日: 2015-09-16
• 公開（公告）號: CN105136507A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 夏永旭;劉霽;韓興博;陳新棟;唐佳;李廣健;張卜;柴倫磊;侯安民
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于巖土及地下工程中的隧道工程技術領域，具體涉及一種室內模擬隧道開挖的實驗裝置及方法。

背景技術

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，以高速公路和國道為主體的快速交通網絡的建設取得了突飛猛進的進步。山區公路隧道作為高速公路的一個重要組成部分，在日趨注重高速公路環保、經濟和效率的今天起著愈發突出的作用。然而，由于隧道所處的地質條件和工程條件愈發復雜，隧道施工中的問題也愈發突出，因此，利用相似理論為基礎的物理模型試驗分析和研究隧道施工問題顯得尤為重要。

隧道施工中的開挖順序，掘進尺度和支護時間，是影響隧道穩定，施工及運營期間各種工程安全問題的重要考慮因素。不同的開挖方法及施工步驟，會產生不同的隧道圍巖應力重分布，影響著隧道圍巖的穩定，對控制工程成本有較大作用。然而，現階段的模型箱實驗中，尚未有一種簡單準確的模擬真實隧道開挖方法的裝置，能精準控制不同圍巖條件下各種隧道掘進的順序，開挖時間與進尺。為此，迫切需要一種能真實、科學地模擬隧道開挖的試驗方法與設備，為隧道工程的施工及圍巖穩定性分析提供可靠的依據。

發明內容

本發明的目的在于提供一種室內模擬隧道開挖的實驗裝置及方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明準確性良好，結構簡單，操作方便，能夠對隧道掘進的順序、開挖時間與掘進尺度實行精確控制，真實的模擬隧道開挖情況和襯砌受力性能，為隧道工程的施工及圍巖穩定性分析提供可靠的依據。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種室內模擬隧道開挖的實驗裝置，包括用于填裝圍巖相似材料和隧道模型的模型箱，模型箱上貫穿開有用于放置隧道模型的預留開口，隧道模型包括若干并列設置的PVC發泡板，其中，組成隧道模型的PVC發泡板能夠按照真實隧道分部開挖法的不同的開挖部分和開挖順序，依據比例，分割成不同部分，PVC發泡板的正面上設有若干預留孔道，背面上設有若干與預留孔道配合的牽引凹槽，當進行模擬隧道開挖時，隧道模型上設有與牽引凹槽配合且能夠將PVC發泡板拉出模型箱的牽引裝置。

進一步地，模型箱包括調平底座，調平底座上對稱設有兩塊作為模型箱側面的側板，兩塊側板之間設有兩塊分別作為模型箱正面及背面的格柵框架，格柵框架的格柵孔中可拆卸地安裝有面板，預留開口對稱設置在模型箱正面及背面的面板上。

進一步地，所述的預留孔道截面為長方形，截面的長寬比為2:1。

進一步地，牽引凹槽包括以預留孔道截面的形心為圓心，以預留孔道截面的對角線長度為直徑，且以對角線為初始邊的兩個相對的張角為60～65度的扇形凹槽，扇形凹槽的終止邊處設有用于和牽引裝置配合的長方形凹槽，且長方形凹槽的深度大于扇形凹槽深度。

進一步地，牽引裝置包括T型鋼鉤，T型鋼鉤包括鋼鉤通絲螺桿以及設置在鋼鉤通絲螺桿端部的鋼筋，T型鋼鉤穿插設在預留孔道中，且鋼筋能夠沿扇形凹槽轉動并卡在長方形凹槽中。

進一步地，牽引裝置還包括牽引鋼板，牽引鋼板上穿插固定有牽引通絲螺桿，鋼鉤通絲螺桿的自由端穿插設在牽引鋼板上，且通過長方形螺帽固定。

進一步地，鋼筋為光圓鋼筋，其長度大于預留孔道長方形截面的長，小于預留孔道長方形截面的對角線，鋼筋的直徑小于長方形凹槽的深度。

一種室內模擬隧道開挖的實驗方法，包括以下步驟：

步驟一：將模型箱調平；

步驟二：將圍巖相似材料分層填入模型箱內，每層填裝完成后進行振搗壓實，當圍巖相似材料填裝至預留開口時，置入隧道模型，然后繼續填裝圍巖相似材料至設計高度，并振搗壓實；

步驟三：采用牽引裝置將隧道模型需要開挖的部分牽引出來，用以模擬隧道的開挖。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明裝置中隧道模型采用多片PVC發泡板制作而成，其中，組成隧道模型的PVC發泡板能夠按照實際隧道分部開挖法的不同的開挖部分和開挖順序，依據相似比例，分割成不同部分，所以采用本發明可以方便開展各種形狀尺寸與施工方法的隧道開挖過程模擬，本發明裝置中隧道模型與圍巖相似材料均填裝于模型箱中以后才進行模擬開挖，這與隧道實際受力狀況一致。另外本發明能夠對隧道掘進的順序、開挖時間與掘進尺度實行精確控制，真實的模擬隧道開挖情況和襯砌受力性能，為隧道工程的施工及圍巖穩定性分析提供可靠的依據，與實際工程高度符合，準確性良好，結構簡單、操作方便、造價低、便于推廣應用。

進一步地，模型箱由調平底座、側板、格柵框架及面板組成，不僅拆裝方便，而且能夠很好的完成模擬隧道開挖過程。