[发明专利]一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置

摘要

一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，属于地下工程试验领域。本发明采用原型砂土作为地层条件，衬砌结构采用满足应力相似的镀锌铁薄壁圆筒，采用非接触式应变位移测量分析系统全程实时观测开挖过程地层变形，采用气囊加载系统模拟隧道不同埋深。模型开洞方式则是采用“先加载后开洞”方式；试验装置可分别对毛洞隧道和加衬砌结构隧道进行不同埋深下开挖过程的模拟。本发明将采用满足应力相似的镀锌铁薄壁圆筒来模拟衬砌结构，以内置水囊系统来模拟开挖过程并对其进行力和变形的量测，分析衬砌结构上的土压力及其在不同埋深下的发展规律。本发明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，为隧道设计与施工提供理论依据。

主权项

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。