[發明專利]一種模擬特大斷面變截面城市隧道開挖的試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202110490474.9
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113311107A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 楊文波;曾文浩;彭雪峰;胡恩來;張粒;方勇;常蓉;戴武;黎萬寶;王棋;嚴偉;王赫挺;蘇燕中;劉忠智
• 申請（專利權）人: 四川公路橋梁建設集團有限公司;西南交通大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01B5/02;G01B5/30
• 代理公司: 鄭州龍騰盛世專利代理事務所(普通合伙) 41174
• 代理人: 郭廣全

本發明公開了一種模擬特大斷面變截面城市隧道開挖的試驗裝置及方法，包括由鋼板組裝成的頂端開口的模型箱、液壓加載器、銅制環狀支護、銅制固定架、位移及應變監測系統。本試驗裝置可以通過改變模型箱兩端開口處蓋板的隧道斷面形狀大小，實現大斷面、變截面等隧道的開挖；可以改變傳力墊塊的形狀和加載大小達到模擬不同建筑荷載的效果；通過設計固定裝置調整環向支撐間距以及斷面形狀大小，達到便捷模擬現場施工支護情況的受力及變形情況，實現變截面、支護環間距可調的功能。

技術領域

本發明涉及隧道施工試驗技術領域，特別是一種模擬特大斷面變截面城市隧道開挖的試驗裝置及方法。

背景技術

在城市中修建隧道經常會出現下穿城市建筑群的情況，在城市隧道施工過程中,由于巖土體的應力釋放,導致隧道圍巖應力發生變化,進而導致地層變形和地表沉降，可能會引起建筑的不均勻沉降。隧道開挖受到地表建筑群的限制，研究城市隧道開挖過程中巖土體的位移和應力變化是城市隧道研究的關鍵問題。目前主要的研究方法是現場監測、數值模擬和模型試驗。由于巖土體自身復雜的應力應變關系和工程中多變的地層條件,模型試驗通過相似比模擬實際工程地層條件,成為研究隧道開挖過程中應力場變化規律和位移變化規律的重要手段。目前關于隧道開挖的模型試驗箱越來越多，功能越來越完善，但是大部分模擬開挖設計方法都比較單一，不能很好的模擬不同截面隧道開挖過程。城市中特大斷面隧道，分岔隧道，小凈距隧道、變截面隧道日益增加，因此迫切需要一種模擬在城市建筑群下，能實現大斷面、變截面等隧道開挖的模型箱裝置及方法。

發明內容

本發明的目的是要解決現有技術中存在的不足，提供一種模擬特大斷面變截面城市隧道開挖的試驗裝置及方法。

為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：

本發明的第一個目的是要提供一種模擬特大斷面變截面城市隧道開挖的試驗裝置，包括由鋼板組裝成的頂端開口的模型箱，所述模型箱的前端面和后端面的鋼板中心下部對稱開設有方形孔，所述模型箱內填滿有夯實的實驗用土壤；

所述模型箱左右兩側的前端面和后端面分別安裝有連接鋼板，所述連接鋼板頂端延伸至模型箱頂端上方，左右兩側的兩個連接鋼板之間分別固定有滑動底座鋼板，兩個滑動底座鋼板下端面之間設有兩條相互平行的頂梁，所述頂梁的兩端滑動裝配在兩個滑動底座鋼板上以沿著滑動底座鋼板長度方向滑動，每條所述頂梁下方豎直設置一個及一個以上的液壓加載器，液壓加載器頂端滑動裝配在頂梁上以沿著頂梁長度方向滑動；

兩個方形孔之間的實驗用土壤中按照相同間隔設置有若干用于模擬隧道支護的銅制環狀支護，相鄰的銅制環狀支護之間通過銅制固定架連接；

還包括位移及應變監測系統，所述位移及應變監測系統包括不銹鋼管、尼龍線、土壓力計、應變片、百分表、應變采集儀和計算機；所述鋼管孔徑為2cm，每個銅制環狀支護的左右兩端分別連接一條尼龍線，每一條尼龍線穿過一條鋼管，鋼管的一端靠近銅制環狀支護一側固定在實驗用土壤中、另一端貫穿模型箱的左端面或右端面延伸至模型箱外，每一條尼龍線的另一端穿過對應的鋼管延伸至模型箱外后連接百分表；所述土壓力計固定于銅制環狀支護上方的實驗用土壤中，應變片固定在銅制環狀支護上，所述土壓力計和應變片通過數據傳輸線連接至模型箱外的應變采集儀和計算機。

進一步地，所述連接鋼板寬度方向的兩側上端面分別開設有第一滑槽，所述頂梁的端部固定有兩排滑動裝配在第一滑槽內的第一滑輪；所述頂梁寬度方向的兩側上端面分別開設有第二滑槽，所述液壓加載器頂端兩側固定有兩排滑動裝配在第二滑槽內的第二滑輪。

進一步地，所述液壓加載器包括加載轉盤、傳力伸縮裝置和傳力墊塊，所述傳力伸縮裝置頂端轉動連接在加載轉盤底部，所述傳力墊塊頂端固定在傳力伸縮裝置的底部，所述加載轉盤上設有壓力表。

進一步地，所述銅制固定架包括兩個鉸連接的銅桿，銅桿的端部連接有套置于銅制環狀支護上的套筒，銅桿的鉸接端也連接有套置于相鄰的銅制環狀支護上的套筒。

進一步地，所述銅制環狀支護由4-6個銅片通過多孔小型螺栓連接成的環狀結構。