[发明专利]一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种用于研究隧道开挖引起土拱效应的试验装置及方法。

背景技术

随着城市的发展，轨道交通大力发展，地铁上下穿越工程越来越多，呈现出隧道埋深多样化趋势。设计者如何使工程的修建满足安全与经济相互统一的要求，竖向土压力的准确计算起着至关重要的作用。明确土拱效应是解决该问题的关键，即隧道拱顶上方土体有多少压力以荷载的形式传递给支护结构，有多少压力转移到了临近土体？土拱承载体的临界边界是否扩展到地表？

目前用于模拟土拱效应的试验装置只能考虑单线隧道，如何同步考虑多因素影响下土拱效应演变规律是亟待解决的问题，尤其是能实现双线并行隧道开挖引起土拱效应的模拟装置及方法。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置，以及模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法，该试验装置费用低廉、可操作性好、可靠性高，用于研究隧道间距、隧道跨度、分步开挖、覆土深度、地基刚度等因素对隧道开挖引起土拱效应的影响。具体技术方案如下：

一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置，包括无顶盖方形透明模型箱和千斤顶，无顶盖方形透明模型箱包括侧板和底板，其特征在于：对于模型箱的底板进行改造，并设置了挡板(4)和滑落门(5)；模型箱的底板由承重板(1)、可拆卸板(2)、承重板(1)依次无缝相邻组成，可拆卸板(2)的个数至少为1，承重板(1)和可拆卸板(2)的底部均平行设置了方形钢管(3)，方形钢管(3)起到支撑承重板(1)或者可拆卸板(2)的作用；可拆卸板(2)根据预先设定的要模拟的隧道宽度进行拆卸，形成拆除带，用于模拟隧道；拆除带底部四周固定安装四个挡板，形成四周封闭的方形通道；千斤顶推动滑落门(5)在方形通道内上下移动，滑落门(5)的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同。

选用透明模型箱易于拍照与观察箱内土体位移变化。

承重板(1)和可拆卸板(2)均选用亚克力板。

挡板(4)选用亚克力板。

选用表面光滑的亚克力板，有效降低了边界效应。

千斤顶为电动千斤顶。

该装置可以模拟单线隧道、双线隧道以及多线隧道开挖引起的土拱效应，当模拟单线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成一条拆除带；模拟双线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成两条拆除带；模拟多线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成多条拆除带；

一种用于模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法，基于由无顶盖方形透明模型箱、千斤顶、挡板和滑落门组成的试验装置，无顶盖方形透明模型箱包括侧板和底板，底板由承重板、可拆卸板、承重板依次无缝相邻组成，其特征在于包括以下步骤：

1)拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除带L，使拆除带L的宽度等于预设宽度A；

2)在距离拆除带L等于设定间隔宽度的地方继续拆卸可拆卸板，形成拆除带M，使拆除带M的宽度等于预设宽度B；

3)在拆除带L和M底部四周分别固定安装四个挡板，形成两个四周封闭的方形通道；

4)每个方形通道对应一个与方形通道具有相同形状、大小横截面的滑落门，每个滑落门在一个千斤顶的推动下在对应的方形通道内上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应；滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同，用于保证滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。

当模拟多线隧道开挖引起的土拱效应时，可以继续拆除可拆卸板，形成多条拆除带，并在对应的拆除带底部四周分别固定安装四个挡板，形成四周封闭的方形通道；在每个方形通道内每个方形通道对应一个与方形通道具有相同形状、大小横截面的滑落门，每个滑落门在一个千斤顶的推动下在对应的方形通道内上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应；滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同，用于保证滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。

模拟单线隧道开挖引起的土拱效应时，只需拆除可拆卸板，形成一条拆除带即可。

有益效果

本发明所述装置能够模拟单线隧道、双线隧道乃至多线隧道开挖引起的土拱效应，并且成本低廉、可操作性好、可靠性高。本发明所述方法能够研究隧道间距、隧道跨度、分步开挖、覆土深度、地基刚度等因素对双线隧道开挖引起土拱效应的影响。同时也可以扩展至研究多线隧道开挖引起土拱效应的影响。

附图说明

图1：一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置示意图；

图2：底板示意图；