[发明专利]一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置

权利要求书

1.一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱与地层系统、隧道结构模拟系统、隧道开挖模拟系统、地层变形测量系统、土压力监测系统以及地表沉降测量系统；

模型箱与地层系统，包括模型箱框架(1)、亚克力板(2)、隧道孔洞(14)、砂土(15)；亚克力板(2)设置在模型箱框架(1)正面板的中心为长方形，且亚克力板(2)中心开洞；模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱；

隧道开挖模拟系统，包括水囊(4)、针阀、通水胶管、密封带、量筒、压力水泵；水囊排水口(3)通过法兰连接对丝、对丝与针阀连接以控制出水体积；通水胶管两端分别与压力水泵、针阀连接；

地层变形测量系统，也即非接触式应变位移测量分析系统：包括CCD摄相机、图像采集卡、控制计算机；通过拍摄变形前后模型观测面的散斑场，然后进行相关运算得到变形信息；模型观测面即为亚克力板所在面；

地表沉降测量系统，包括百分表，磁性表座；磁性表座固定于模型箱内壁，百分表则固定在磁性表座上；

土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测洞室拱顶与拱腰位置的竖向土压力与侧压力；

其中，模型箱框架在立面四周均采用槽钢与角钢进行加固，经过加固后模型箱框架在最大设计竖向荷载0.2MPa下的侧向变形通过百分表量测不超过0.02mm；

隧道结构模拟系统采用厚度1mm的镀锌铁薄壁圆筒；

地层变形测量系统采用非接触式应变位移测量分析系统，其精度达10μm以上，最高采集频率117HZ；

隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，水囊采用PVC材料制作；

砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，隧道孔洞(14)洞底以下每层20cm，隧道孔洞(14)洞底以上每层10cm，每层表面撒一层石英砂作为标志层(13)以控制土体夯实密度以及便于地层变形量测；

模型箱框架(1)均采用U型槽钢(8)加固；

为方便模型夯筑与土压力监测系统的植入，模型框架(1)后视挡板采用可拆卸式拼装钢板，利用角钢支撑(9)与螺栓连接其拆卸分界线(10)；

在模型箱内壁贴有一层光面自粘墙纸，并涂上一层润滑油脂；

水囊内置于镀锌铁薄壁圆筒内。

2.一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱与地层系统、隧道结构模拟系统、隧道开挖模拟系统、地层变形测量系统、土压力监测系统以及气囊加载系统；

模型箱与地层系统，包括模型箱框架(1)、亚克力板(2)、隧道孔洞(14)、砂土(15)；亚克力板(2)设置在模型箱框架(1)正面板的中心为长方形，且亚克力板(2)中心开洞；模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱；

隧道开挖模拟系统，包括水囊(4)、针阀、通水胶管、密封带、量筒、压力水泵；水囊排水口(3)通过法兰连接对丝、对丝与针阀连接以控制出水体积；通水胶管两端分别与压力水泵、针阀连接；

地层变形测量系统，也即非接触式应变位移测量分析系统：包括CCD摄相机、图像采集卡、控制计算机；通过拍摄变形前后模型观测面的散斑场，然后进行相关运算得到变形信息；模型观测面即为亚克力板所在面；

土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测洞室拱顶与拱腰位置的竖向土压力与侧压力；

气囊加载系统，包括橡胶气囊(11)，通气胶管，精密减压阀，空气压缩机；

其中，模型箱框架在立面四周均采用槽钢与角钢进行加固，经过加固后模型箱框架在最大设计竖向荷载0.2MPa下的侧向变形通过百分表量测不超过0.02mm；

隧道结构模拟系统采用厚度1mm的镀锌铁薄壁圆筒；

地层变形测量系统采用非接触式应变位移测量分析系统，其精度达10μm以上，最高采集频率117HZ；

隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，水囊采用PVC材料制作；

气囊加载系统中，橡胶气囊采用双层设计，内胆采用聚氨酯材料制作，外囊采用PVC材料制作；橡胶气囊(11)在进气口(12)处设计一固定法兰连接不锈钢接口，不锈钢接口通过通气胶管与精密减压阀、空气压缩机连接，利用喉箍将不锈钢接口与通气胶管箍紧避免漏气；

空气压缩机采用活塞式空压机、提供0.8Mpa的最大压力；精密减压阀选用日本SMC公司生产的IR2000/IR2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2％F.s.以内；

砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，隧道孔洞(14)洞底以下每层20cm，隧道孔洞(14)洞底以上每层10cm，每层表面撒一层石英砂作为标志层(13)以控制土体夯实密度以及便于地层变形量测；

模型箱框架(1)均采用U型槽钢(8)加固；

为方便模型夯筑与土压力监测系统的植入，模型框架(1)后视挡板采用可拆卸式拼装钢板，利用角钢支撑(9)与螺栓连接其拆卸分界线(10)；

在模型箱内壁贴有一层光面自粘墙纸，并涂上一层润滑油脂；

水囊内置于镀锌铁薄壁圆筒内。