一种隧道开挖室内模型试验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型，加载装置及开挖装置，所述模型箱由地槽与有机玻璃板组成，有机玻璃板通过凹槽固定于地槽开口的一面，所述模型箱内填充有模型试验填料；所述隧道结构模型采用松香材料根据实际隧道截面按照相似比尺寸浇筑而成，设置于模型箱的中部；所述加载装置主要由反力梁、钢板和液压千斤顶组成，设置于模型箱的顶部；所述开挖装置主要由电热丝、导线及电源开关组成，电热丝设置于隧道结构模型中。本发明方便开展形状及尺寸的隧道开挖过程模拟，开挖边界与预先设计好的几何边界能很好的吻合，模拟的隧道开挖与实际工程更加符合，本发明结构简单、操作方便、造价低、便于推广应用。
【专利说明】一种隧道开挖室内模型试验装置
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程【技术领域】，具体涉及一种隧道开挖室内模型试验装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国公路大规模的发展并向山区延伸，隧道在线路中所占的比例越来越高，隧道施工过程中的问题也越来越凸出，利用相似理论为基础的物理模型试验是目前研究和分析隧道施工问题的一种重要手段。目前隧道施工模型试验主要通过两种方法来进行:其一是通过超载即“先开洞，后加载”的方法，其二是先加载，然后按照设计好的几何边界采用人工的方式掏挖土体。方法一试验操作方便，但是不能反映隧道围岩的真实受力状况，方法二能模拟隧道真实受力状况，但用工具掏挖土体易导致开挖隧道周边土体的坍塌，造成开挖边界与预先设计好的几何边界不相符。另一方面，由于操作不便，现有的模型试验基本忽略了初期支护的作用，这违背了实际工程中采用的新奥法设计原理，这样采集的试验数据缺乏科学性和准确性。为此，迫切需要一种能真实、科学地模拟隧道开挖的试验方法与设备，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。
【发明内容】
[0003]为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种准确性良好，结构简单，操作方便，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据的隧道开挖室内模型试验
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[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型，加载装置及开挖装置，所述模型箱由地槽与有机玻璃板组成，地槽一面设置有开口，开口的两端设置有凹槽，有机玻璃板通过凹槽固定于地槽开口的一面，所述模型箱内填充有模型试验填料；
[0005]所述隧道结构模型根据实际隧道截面按照相似比尺寸浇筑而成，所述隧道结构模型设置于模型箱的中部，所述隧道结构模型采用松香材料制成；
[0006]所述加载装置主要由反力梁、钢板和液压千斤顶组成，设置于模型箱的顶部，所述反力梁通过锚固螺栓固定在地槽上部，钢板设置于模型试验填料顶部，液压千斤顶设置于反力梁与钢板之间；
[0007]所述开挖装置主要由电热丝、导线及电源开关组成，电热丝设置于隧道结构模型中，电源开关串联在导线上并设置于模型箱外侧。
[0008]所述有机玻璃板为无色透明玻璃。
[0009]所述有机玻璃板中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞。
[0010]所述模型试验填料主要由土料和石料组成，通过调整土料和石料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。
[0011]所述电热丝编织成直径小于隧道结构模型的圆环等间距设置于隧道结构模型中。[0012]所述地槽侧面设置有导线孔，导线通过导线孔将电热丝与电源开关相连接。
[0013]所述电热丝采用镍铬材料制成。
[0014]所述反力梁采用工字钢加工而成。
[0015]本发明所采用的技术方案具有以下有益效果:
[0016]1、由于本发明中隧道结构模型利用熔点低，冷却后强度高的松香浇筑而成，所以采用本发明可以方便开展形状及尺寸的隧道开挖过程模拟。
[0017]2、隧道结构模型在加载之前置于隧道模型箱之中，这与隧道实际受力状况一致，隧道的开挖是通过电热丝加热融化来模拟，避免了开挖振动对周边填料的影响，使开挖边界与预先设计好的几何边界能很好的吻合。
[0018]3、在模拟开挖过程中，松香的加热融化将使隧道周边的填料粘附一层薄松香，这层松香可以模拟实际隧道开挖后的喷射混凝土支护，这使模型试验更接近实际工程中的新奥法设计原理。
[0019]4、本发明模拟的隧道开挖与实际工程更加符合，准确性良好，结构简单、操作方便、造价低、便于推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的装置结构示意图；
[0021]图2为本发明的隧道结构模型示意图；
[0022]图中:1、地槽；2、有机玻璃板；3、模型试验填料；4、隧道结构模型；5、反力梁；6、钢板；7、液压千斤顶；8、电热丝；9、导线；10、电源开关；11、凹槽；12、孔洞；13、导线孔；14、
锚固螺栓。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0024]一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型4，加载装置及开挖装置，所述模型箱由地槽I与有机玻璃板2组成，地槽I 一面上设置有开口，开口的两端设置有凹槽11，有机玻璃板2通过凹槽11固定于地槽I开口的一面，有机玻璃板2厚度为10?15mm，且无色透明，在有机玻璃板2中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞12，便于观测隧道结构模型周围填料的实时变化及位移情况。
[0025]所述模型箱内填充有模型试验填料3，所述模型试验填料3主要由土料和石料组成，通过调整土料和石料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩，土料和石料的混合料中石料的含量为10%?70%。
[0026]所述开挖装置主要由电热丝8、导线9及电源开关10组成，所述电热丝8编织成直径小于隧道结构模型4的圆环等间距设置于隧道结构模型4中，电源开关10串联在导线9上并设置于模型箱外侧；所述电热丝8采用镍铬材料制成。
[0027]所述隧道结构模型4采用松香材料根据实际隧道截面按照相似比尺寸1:50?1:80浇筑而成，模型箱中分层填筑土料和石料并夯实，模型试验填料3设计高度为1.5?2m,当施工至模型试验填料3设计高度的一半时，将隧道结构模型4放于模型试验填料3中部，并用导线9通过地槽I侧面的导线孔13将电热丝8和电源开关10相连，形成一个闭合电路；然后按相同的施工方法填筑余下土料和石料。
[0028]所述加载装置主要由反力梁5、钢板6和液压千斤顶7组成，设置于模型箱的顶部，所述反力梁5由工字钢参照地槽I的宽度(I?1.2m)加工而成，两根反力梁5通过锚固螺栓14固定在地槽I上部，厚度为12?14mm的钢板6设置于模型试验填料3顶部，液压千斤顶7设置于反力梁5与钢板6之间；
[0029]具体试验步骤如下:
[0030]1、首先参照设计隧道结构断面尺寸，按相似比尺寸1:50?1:80确定隧道结构模型4的直径及模型箱尺寸，然后砌筑地槽1，并通过凹槽11将有机玻璃板2固定于地槽I的开口一侧，通过锚固螺栓14将反力梁5固定在地槽I的上部；
[0031]2、根据开挖隧道截面的形状及尺寸利用松香按照1:50?1:80浇筑出隧道结构模型4，浇筑前将电热丝8编织成直径小于隧道结构模型4的圆环并等间距放置在隧道结构模型4中；
[0032]3、将模型试验填料3分层填入模型箱装置中，模型试验填料3由土料和石料组成，其中石料质量的含量为10%?70%，每层填筑15?20cm，利用打夯机压实，当施工至填料设计高度(1.5?2m)的一半(0.75?Im)时，将提前浇筑好的隧道结构模型4放置于填料中间，并用导线9通过导线孔13后将电热丝8及电源开关10相连，接着继续填筑模型试验填料3至设计高度，并将应变片、压力盒及位移传感器埋设在隧道结构模型4的周围；
[0033]4、将钢板6放置在模型试验填料3的顶部，在钢板6与反力架5间设置液压千斤顶7，举升液压千斤顶7使其对模型箱中的模型试验填料3加压，当加载至设计压力50?100千帕时，停止加压；
[0034]5、将每组导线与实验室电源相连接，依次接通电源开关10，电热丝8迅速发热，将隧道结构模型4由外往内逐渐熔化，由此模拟隧道的开挖过程；
[0035]6、透过有机玻璃板2观测隧道结构模型4熔化后模型中土石混合填料的变化情况，并进行详细描述与记录，通过应变片、压力盒及位移传感器测试应力及位移情况，并分析隧道围岩的稳定性及二次支护最佳时机，试验完毕。
[0036]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型(4)，加载模型及开挖模型，其特征在于:所述模型箱由地槽(I)与有机玻璃板(2 )组成，地槽(I) 一面上设置有开口，开口的两端设置有凹槽(11)，有机玻璃板(2 )通过凹槽(11)固定于地槽(I)开口的一面，所述模型箱内填充有模型试验填料(3)； 所述隧道结构模型(4)根据实际隧道截面按照相似比尺寸浇筑而成，所述隧道结构模型(4)设置于模型箱的中部，所述隧道结构模型(4)采用松香材料制成； 所述加载模型主要由反力梁(5)、钢板(6)和液压千斤顶(7)组成，设置于模型箱的顶部，所述反力梁(5)通过锚固螺栓(14)固定在地槽(I)上部，钢板(6)设置于模型试验填料(3 )顶部，液压千斤顶(7 )设置于反力梁(5 )与钢板(6 )之间； 所述开挖模型主要由电热丝(8)、导线(9)及电源开关(10)组成，电热丝(8)设置于隧道结构模型(4)中，电源开关(10)串联在导线(9)上并设置于模型箱外侧。
2.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述有机玻璃板(2)为无色透明玻璃。
3.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述有机玻璃板(2)中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞(12)。
4.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述模型试验填料(3)主要由土料和石料组成，通过调整土料和石料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。
5.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述电热丝(8)编织成直径小于隧道结构模型(4)的圆环等间距设置于隧道结构模型(4)中。
6.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述地槽(I)侧面设置有导线孔(13)，导线(9)通过导线孔(13)将电热丝(8)与电源开关(10)相连接。
7.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述电热丝(8)采用镍铬材料制成。
8.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型试验装置，其特征在于:所述反力梁(5)采用工字钢加工而成。
【文档编号】G01N3/10GK103616287SQ201310616750
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】苏永华, 罗正东, 付雄, 杨红波, 苏雅, 王凯旋, 张盼凤, 孙辉, 毛克明 申请人:湖南大学