[发明专利]一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置

说明书

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，可以模拟地铁隧道开挖过程中围岩压力及地层变形规律，为隧道开挖过程中围岩压力变化及地层变形机理提供科学的认识，为隧道设计与施工方案的优化提供理论依据。

背景技术

随着经济社会的发展和进步，城市轨道交通也得到迅速发展，尤以城市地铁最为显著。而城市地铁大都跨越建筑物密集、人口集中的城区，施工过程中的地层变形对既有建筑物或构筑物的安全以及人们正常的生产生活有着不可避免的影响。且随着科学技术和经济的发展，地铁隧道工程的建设将呈现井喷式发展，对施工安全与隧道结构设计亦会提出更高的标准与要求，使设计与施工更先进化和经济化；而针对隧道开挖过程中围岩压力变化的规律性研究无疑能从机理上更科学的认识和解释隧道力学原理，从而为实际地铁工程建设提供更科学合理的指导，适应时代的要求。

现有的关于隧道开挖过程模拟的模型试验研究大都为以岩石介质为主山岭隧道。部分关于城市地铁隧道的模型试验研究也往往是针对实际地铁工程进行的，一方面所进行的模型试验对工程中规律性的问题提炼不够；另一方面没有采用同一试验研究平台对不同地质不同埋深条件下的地铁隧道开挖过程进行系统研究，且大都关注于隧道围岩的破坏模式和破坏机理研究，对试验过程中的地层变形关注度亦不够。本发明研制一整套模拟隧道开挖过程的模型试验平台，包括模型箱、隧道开挖模拟系统、隧道结构模拟系统以及气囊加载系统。能够实现对均匀地层中不同埋深条件下隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形机理进行模拟研究。

发明内容

本发明方法利用自主研发的能够模拟均匀地层地铁隧道开挖过程中围岩压力与地层变形规律研究的试验装置，可以获得地铁隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形规律，主要解决了以下技术问题：(1)开挖过程的精确实现。本装置利用半径大小与试验设计隧道半径大小相同的圆柱形水囊来模拟隧道开挖，与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，洞室形状更规整，对周围土体扰动程度更小；且能够利用压力水泵或压力水头赋予等效地层压力。(2)不同埋深条件的实现。考虑模型夯筑以及模型箱安装的方便性，模型箱高度设计为1.5m，在高度限制下我们发明了能够提供气囊压力气囊加载系统，在精密减压阀的控制下能提供0-0.4MPa的气囊压力，实现了从超浅埋到深埋的不同埋深条件下的隧道开挖过程的模拟研究。(3)模拟装置的简便安装于操作。岩土工程领域的模拟试验通常都需要体积比较庞大的模拟装置来实现，因此，模型装置的制作、安装与操作往往比较复杂。本装置采用模型箱框架与亚克力板作为拼装材料，实现了模拟装置的简单拼装与拆卸，不仅操作简易，而且能够回收利用，节省试验成本。(4)地层变形的全场实时观测。本发明方法采用非接触式应变位移测量分析系统对开挖过程中的地层变形进行量测和分析，能够实时全程记录模型观测面范围内任意点的位移，操作便利、精度高。

本发明方法的主要技术关键是将模型箱框架(1)与亚克力板(2)拼装成模型箱后，将模拟均匀地层的砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，期间将隧道开挖模拟系统与土压力监测系统在试验设计位置处植入。对于浅埋隧道开挖工况，在模型表面处安装地表沉降量测系统；对于深埋隧道开挖工况，在模型表面处安装气囊加载系统。在地层变形测量系统就位运行后启动隧道开挖模拟系统，通过连接水囊排水口的针阀控制流量来模拟整个开挖过程。在开挖过程中利用非接触式应变位移测量分析系统全场实时记录模型观测面范围内的地层变形信息。

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、地表沉降测量系统、土压力监测系统、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；

地表沉降测量系统，包括百分表，磁性表座；