[發(fā)明專利]一種可模擬降雨的非接觸式隧道開挖物理模型及試驗方法

有效

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• 申請日: 2019-06-11
• 公開（公告）號: CN110275008B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃昕;姚劍
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 吳文濱

本發(fā)明涉及一種可模擬降雨的非接觸式隧道開挖物理模型及試驗方法，模型包括隧道分段開挖模擬裝置、可控式降雨模擬裝置及試塊全表面位移場觀測裝置；試驗方法包括：1)制備蠟塊層并修剪排列得到蠟塊；2)填土并將蠟塊置于土體中部；3)搭建試塊全表面位移場觀測裝置及可控式降雨模擬裝置；4)采用長桿挖掘機(jī)構(gòu)模擬隧道開挖；5)利用試塊全表面位移場觀測裝置觀測土體位移變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提高了隧道分段分步開挖工序模擬的可行性和真實性，解決了降雨模擬中降雨量和降雨方式的控制及穩(wěn)定性問題，提高了試塊全表面位移變形場的觀測分析的精確度；本發(fā)明可實現(xiàn)多次重復(fù)利用，具有適用范圍廣，試驗步驟簡單高效等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理模型試驗方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可模擬降雨的非接觸式隧道開挖物理模型及試驗方法。

背景技術(shù)

物理模型試驗是研究隧道科學(xué)的一個重要手段，目前已有一個成熟、完整的試驗系統(tǒng)，包括模型試驗設(shè)備、模型材料、試驗加載方法與量測技術(shù)等各部分，是在地下工程中常用的試驗方法。物理模型由于是真實的物理實體，當(dāng)它在基本滿足相似原理的條件下，能避開數(shù)學(xué)和力學(xué)上的困難，真實、全面、直觀、準(zhǔn)確地反映隧道開挖過程中圍巖支護(hù)體系各方面的變化和影響，使人們更容易全面把握巖體工程的整體受力特征、變形趨勢及穩(wěn)定性特點。一方面可以與數(shù)學(xué)模型相互驗證.另一方面也為發(fā)現(xiàn)一些新的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，為建立新的計算理論和數(shù)學(xué)模型提供重要的依據(jù)。

目前，在物理模型試驗系統(tǒng)各部分中主流的隧道開挖方法有機(jī)械掘進(jìn)法、直接開挖法、熔蠟法等。機(jī)械掘進(jìn)法主要針對圓形隧道，且很多時候筒狀掘進(jìn)機(jī)構(gòu)會對已經(jīng)開挖的圍巖有一定的約束作用；直接開挖法需要人接近試塊操作，對儀器觀測有一定影響，并且較難保持隧道縱向軸線平直和開挖斷面規(guī)整；熔蠟法則效率較低，花費時間較長，且熔蠟方向不易控制。傳統(tǒng)降雨模擬則在水流流量控制和降雨模式、降雨穩(wěn)定性上需要加強(qiáng)考慮。傳統(tǒng)的模型試驗位移變形多采用位移測量儀來進(jìn)行監(jiān)測，其便于獲得某幾個關(guān)鍵節(jié)點的參數(shù)，但得不到模型試塊整體的位移場，因此，具備全場和局部變形測量、非接觸測量、對場地要求不高、實現(xiàn)簡單、應(yīng)用范圍廣等特點的數(shù)字圖像處理法(DIC)和粒子圖像測速法(PIV)等依靠高清圖像分析全場位移變形的技術(shù)被引入模型試驗觀測中。DIC高清圖像處理技術(shù)又叫數(shù)字散斑處理法，需要在觀測面布置大量的散斑，散斑的質(zhì)量決定了分析精度；而PIV高清圖像處理技術(shù)則不需要布置散斑，操作更加簡單，更容易實現(xiàn)。

物理模型試驗由各部分模塊化的組成一個試驗系統(tǒng)，每個部分模塊的優(yōu)化和創(chuàng)新都會對試驗整體產(chǎn)生積極影響，降雨方法、開挖方法和位移變形觀測方法能夠獨立的組成一個模型試驗系統(tǒng)，也能作為整體模塊加入模型試驗系統(tǒng)。隨著模型試驗要求工況越來越復(fù)雜化、非常規(guī)化，模擬降雨對隧道位移的影響，模擬非圓形隧道的開挖，更全面的觀測位移變形數(shù)據(jù)成為新的需求，也是優(yōu)化模型試驗系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)一種能夠模擬非圓形隧道開挖過程，模擬可控可調(diào)節(jié)式降雨過程，并全面觀測模型位移變形場的試驗方法具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可模擬降雨的非接觸式隧道開挖物理模型及試驗方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種可模擬降雨的非接觸式隧道開挖物理模型，包括隧道分段開挖模擬裝置、可控式降雨模擬裝置及試塊全表面位移場觀測裝置，所述的隧道分段開挖模擬裝置包括土體、設(shè)置于土體中的蠟塊以及與蠟塊相適配的長桿挖掘機(jī)構(gòu)。

針對非圓形隧道分段分步開挖過程模擬困難問題，采用隧道分段開挖模擬裝置模擬實際隧道分段開挖過程；針對可控可調(diào)節(jié)式降雨過程模擬困難問題，采用可控式降雨模擬裝置模擬不同的降雨條件；針對模型觀測分析精度較低問題，采用試塊全表面位移場觀測裝置觀測在模擬隧道開挖過程中，隧道分段開挖模擬裝置中圍巖支護(hù)體系——土體的變化情況。

采用蠟塊模擬待挖掘隧道部分土體，并用長桿挖掘機(jī)構(gòu)對蠟塊進(jìn)行開挖，模擬實際開挖過程。蠟塊的軸向方向與開挖方向相一致，蠟塊的軸向總厚度與土體的填土深度及所模擬隧道長度相一致。