[发明专利]隧道挖掘离心模型试验方法

说明书

本发明公开隧道挖掘离心模型试验方法，其中使用了离心模型试验设备和土工离心机，该方法包括如下步骤：安装步骤，其中，将离心模型试验设备安装于土工离心机的回转部；回转转动步骤，其中，使土工离心机的回转部执行回转转动；数据采集步骤，其中，通过检测装置采集与隧道模拟筒周围的模拟土体环境的变形相对应的数据；以及数据处理步骤，其中，对在数据采集步骤中采集到的数据进行分析处理，以获得试验结果。本发明通过土工离心机使模型箱绕转轴回转，使得模型箱内的模拟土体环境中产生离心力，虽然，模型相对实际情况进行缩尺，但是离心力能够补偿土体自重应力的减小，从而使模型具有与实际工程相同的应力场环境，可以模拟与工程一致的变形。

技术领域

本发明涉及一种隧道挖掘离心模型试验方法，具体地涉及用于模拟隧道挖掘时的施工情况的隧道挖掘离心模型试验方法。

背景技术

在修建公路、铁路等的工程中，特别是在修建地铁、海底或江底隧道、铺设通信线缆时，存在大量的隧道挖掘工程。隧道可能要穿过岩质、土质、淤泥等环境。随着地下交通的发展，在隧道开挖过程中，不可避免地会遇到穿越既有建筑或临近隧道的极端情况。新建隧道的施工过程不可避免地会对周围环境产生影响。在不同的土质环境中，挖掘施工产生的影响有很大区别。对于这种极端的工况，还没有可靠的理论计算或数值仿真方法为设计提供参照。

为了保证隧道周围的环境(例如已有的建筑物、隧道、管道等)的安全，在进行挖掘施工之前，需要进行可靠的物理模拟。例如，目前已经存在对隧道挖掘过程的物理模拟。在这种物理模拟中，在模型箱内布置模拟土体环境开展隧道开挖掘施工，然后使用模拟挖掘装置进行挖掘试验。通过试验过程中获得的各种数据，可以得到物理模拟结果。

然而，这种现有的模型箱模拟试验存在很多局限性。

例如，其很难对地铁隧道施工产生的应力和变形进行模拟。通常，地铁等隧道的尺寸很大而且一般位于数十米深的地下或山体内部，隧道周围的土体对隧道壁产生较大的压力。使用上述现有的物理模拟手段时，很难按照真实的大小来模拟隧道施工环境，因而一般会按照比例缩小尺寸后制作包括箱体、模拟挖掘装置等在内的仿真模型。由于尺寸缩小，模型中的土体的自重应力也相应地减小。这就导致了无法还原实际工程中隧道壁周围的应力场环境，而土体为非线性材料，其刚度与所受载荷密切相关，土体内部应力的差异将导致模拟结果失真，难以准确评估隧道施工对土体或既有结构的影响。

发明内容

为解决现有技术中的至少部分技术问题，本发明提供一种隧道挖掘离心模型试验方法，其中使用了离心模型试验设备。该离心模型试验设备能够安装于土工离心机中并进行回转转动，使得离心模型试验设备内的模拟土体环境中产生离心力，由此补偿模型尺寸缩小造成的土体的自重应力减小，从而在缩尺模型试验中获得近似于实际工程的应力场环境，模拟与工程相似的土体或周围建筑的变形。

需要说明的是，在本说明中提到的术语“土工离心机”的含义应当被理解为能够应用于土工试验的各种结构和规格的离心机，而不应当局限于市售的商品或产品名称等。

具体地，本发明包括以下内容。

根据本发明的一个方面，提供一种隧道挖掘离心模型试验方法，其中使用了离心模型试验设备和土工离心机，所述离心模型试验设备包括模型箱，所述模型箱中设置有隧道模拟筒，所述隧道模拟筒设置有外筒和内筒，所述外筒能够相对于所述内筒执行推进移动，模拟隧道开挖施工过程，在所述外筒的推进方向前方设置有检测装置，用于检测所述隧道模拟筒周围的模拟土体环境在所述外筒执行推进移动时的变形，并且在进行试验时，所述检测装置的位置相对于所述模型箱固定；所述方法包括如下步骤：安装步骤，其中，将所述离心模型试验设备安装于所述土工离心机的回转部；回转转动步骤，其中，使所述土工离心机的所述回转部执行回转转动，使得所述离心模型试验设备中产生模拟重力；数据采集步骤，其中，通过所述检测装置，采集与所述隧道模拟筒周围的模拟土体环境在所述外筒执行推进移动时的变形相对应的数据；以及数据处理步骤，其中，对在所述数据采集步骤中采集到的所述数据进行分析处理，以获得试验结果。