双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法
【专利摘要】一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法，包括横洞模拟系统，所述横洞模拟系统上部设有管状水准器，横洞模拟系统两端通过铰接连接装置分别与隧道连接在一起，所述铰接连接装置上设置指南针。本发明有益效果：横洞模拟系统具有可拆装性，可开展左、右线隧道不同间距，即横洞长度不同条件下的模型试验。铰接连接装置的设计，可满足模型试验中横洞在水平方向弯曲、竖直方向弯曲及转动的要求，使得本装置可模拟多种组合条件下的模型试验。
【专利说明】双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于相似模型试验领域，尤其涉及一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法。
【背景技术】
[0002]地下工程模型试验是按照相似比和相似理论将实际工程按照一定的比例缩小成一个模型，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷，已成为地下工程领域最为主要的研究手段之一，国内外诸多学者针对隧道通风、围岩稳定性、突涌水灾害等相关问题开展了大量模型试验研究。然而，以往模型试验的研究对象多为单线隧道，针对双线隧道开展的模型试验研究较少，现存的试验技术有时无法满足一些模型试验中的特定需求。如双线隧道突涌水灾害发生后，采用模型试验技术研究水体在隧道内的流动规律时，须考虑双线隧道之间的横洞对水体流动规律的影响，因此需在模型试验中设置横洞以达到试验目的。由于模型试验耗时较长、价格昂贵，若将横洞与隧道制作成刚性构件，则无法开展多种组合条件下(隧道轴线与横洞轴线的夹角不同；左、右线隧道的高差不同；隧道倾角不同；左、右线的间距，即横洞长度不同)的试验研究，制约了相关模型试验的开展。
【发明内容】
[0003]本发明为克服上述技术的不足，提供了一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法，该装置及方法结构简单、操作简便、价格低廉、可实现横洞三维转动的模拟。
[0004]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0005]一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，包括横洞模拟系统，所述横洞模拟系统上部设有管状水准器，横洞模拟系统两端通过铰接连接装置分别与隧道连接在一起，所述铰接连接装置上设置夹角测量装置。
[0006]所述横洞模拟系统由可拆装的若干构件A和构件B组成，所述若干构件A连接在一起，在由构件A组成的连接件的两端分别与构件B的一端连接，所述构件B的另一端分别与铰接连接装置连接。
[0007]所述构件A为拱形件，在所述拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述连接面上设有螺纹孔。
[0008]所述构件B的结构与构件A相同，所述构件B的一端与构件A连接，另一端与铰接连接装置的支座一固定连接。
[0009]所述横洞模拟系统两端的隧道上分别设有激光测距仪和倾角测量器。
[0010]所述的管状水准器垂直于横洞轴线布设。
[0011]所述的铰接连接装置包括伸缩蓬、球头销、球形衬套、支座一和支座二 ；
[0012]所述球头销包括球头销球面和球头销杆锥体；球形衬套设置在球头销球面的外侦牝所述支座一和支座二的一端分别固定在隧道和横洞模拟系统上，所述球头销球面和球头销杆锥体分别固定在支座一和支座二的另一端上；所述伸缩蓬设置在铰接连接装置的外表面，用于防止水流进入铰接连接装置，并防止铰接连接装置大角度转动时免受损伤。
[0013]在所述球头销球面和球形衬套之间充填用于使球头销球面在球形衬套内自由转动的细小钢珠。
[0014]一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置的方法，包括以下步骤:
[0015]I)根据两个隧道的间距，即横洞长度，确定构件A的数量，并将构件A、构件B、铰接连接装置、横洞模拟系统以及隧道按照设定要求连接到一起，搭建横洞三维转动模拟装置；
[0016]2)根据模型试验要求调整两个隧道的高度，当所述两个隧道上的激光测距仪读书之差等于两个隧道高差时，将隧道初步固定，使其高度保持不变；
[0017]3)记录指南针的初始读数，根据隧道轴线与横洞轴线的关系前后移动两个隧道，当指南针读数变化值等于两轴线夹角时，将隧道再次固定，使其空间位置保持不变；
[0018]4)调整整个模型试验系统角度，使得倾角测量器的读数等于隧道倾角，转动横洞模拟系统，使得管状水准器中的气泡居中；
[0019]5)调整完毕。
[0020]本装置适用于模拟多种条件下(隧道高差、间距、倾角、轴线夹角等)的模型试验，铰接连接装置的设计，使得本装置可实现横洞的三维转动、可反复使用，降低一系列模型试验的开展所需的费用。
[0021]本发明有益效果:
[0022]本发明研究了双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置与方法，解决了以往模型试验中将横洞与隧道制作成刚性构件，无法开展多种组合条件模型试验研究的技术难题。与前人研究相比，本发明装置具有以下优点:
[0023]I)横洞模拟系统具有可拆装性，可开展左、右线隧道不同间距，即横洞长度不同条件下的模型试验。
[0024]2)铰接连接装置的设计，可满足模型试验中横洞在水平方向和竖直方向转动的要求，使得本装置可模拟多种组合条件下的模型试验。
[0025]3)用铰接连接装置连接牢固可靠，设置的伸缩蓬可起到防水、保护其它构件的作用。
[0026]4)本装置操作简便，价格低廉，可重复利用。如果要求水平转角及纵向折角较大时，还可通过添加铰接连接装置来实现目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明结构正视图；
[0028]图2为本发明结构俯视图；
[0029]图3为铰接连接装置示意图；
[0030]图4为构件A结构示意图。
[0031]其中1.横洞模拟系统；2.管状水准器；3.铰接连接装置；4.隧道；5.指南针；6.激光测距仪；7.倾角测量器；8.构件A;9.构件B;10.伸缩蓬；11.球铰结构；12.支座一；13.球头销；14.球形衬套，15.支座二。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0033]双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置如图1-2所示，包括一个横洞模拟系统1，横洞模拟系统I上部设有管状水准器2，横洞模拟系统I两端通过铰接连接装置3与隧道4连接在一起，铰接连接装置3上设置有一个指南针5，两侧隧道4各设有一个激光测距仪6和倾角测量器7。
[0034]横洞模拟系统I由四个可拆装的构件A 8和两个构件B 9组成，四个构件A 8之间紧密连接，在构件AS组成的连接件的两端分别连接构件B 9，通过调整构件A 8的数量可满足模型试验中横洞长度的变化。
[0035]四个构件A8之间通过螺栓紧密连接在一起,构件A8结构示意图如图4所示,构件AS为拱形件，在拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述连接面上设有螺纹孔。构件B9的结构与构件A8相同，构件B9的一端与构件A8连接，另一端与铰接连接装置3的支座一 12固定连接。
[0036]构件AS和构件B9均采用高强度透明树脂材料制成，具有可视性，以便于观测水流在其中的运动。
[0037]所述的管状水准器2垂直于横洞轴线布设。
[0038]所述的铰接连接装置3由伸缩蓬10、球铰结构11和支座一 12和支座二 15构成。
[0039]所述的球铰结构11由球头销13和球形衬套14组成，球形衬套14固定在支座12内部，球头销13与球形衬套14之间充填有涂有润滑剂的细小钢珠，使得球头销13可在球形衬套14内自由转动。
[0040]所述的球头销13，材料优先选用GB/T 3077中规定的20CrMnTi，球头销球面、球头销杆锥体的表面粗糙度分别为MRR Ral.6和MRR Ra0.8。
[0041]所述的球形衬套14材料可采用符合YS/T 545-2006规定的铸造用锡青铜ZQSn6-6-3或选用其它能满足其要求的材料。
[0042]支座一 12和支座二 15的一端分别固定在横洞模拟系统I和隧道4上,另一端分别固定在球头销球面和球头销杆锥体的外部。
[0043]所述的伸缩蓬10，设置在铰接连接装置3的外表面，其材料应满足伸缩与弯曲的使用性能要求，并且其结构形式满足防水密封性能的要求；此外，伸缩蓬10还可作为保护机构而存在，在最大相对转角之间用以保证其他构件免受损伤。
[0044]本装置中铰接装置为球铰，而球铰中两个部件(球与球壳)可以绕公共球心相对转动的。通过上下或左右移动两个隧道模拟管，调节横洞与隧道的夹角及两个隧道的高程，从而实现横洞的水平方向和竖直方向内的转动。
[0045]应用上述装置实现双线隧道模型试验中横洞的三维转动，包括以下步骤:
[0046]I)根据两个隧道4的间距，即横洞I长度，确定构件A 8的数量，并将构件A8、构件B9、铰接连接装置3、横洞模拟系统I及隧道4连接到一起；
[0047]2)根据模型试验要求调整两个隧道4的高度，并时刻关注两个激光测距仪6的读数，当其读数之差等于两个隧道4高差时，将隧道4初步固定，使其高度保持不变；
[0048]3)记录指南针5的初始读数，根据隧道4轴线与横洞I轴线的关系前后移动两个隧道4，当指南针5读数变化值等于两轴线夹角时，将隧道4再次固定，使其空间位置保持不变；
[0049]4)调整整个模型试验系统角度，使得倾角测量器7的读数等于隧道倾角，转动横洞模拟系统I，使得管状水准器2中的气泡居中；
[0050]5)上述步骤完成后，两个隧道4的高差、隧道4轴线与横洞I轴线夹角、隧道4不同倾角均满足试验要求，即可开展模型试验研究；完成后根据新一组试验要求重复步骤1-4。
[0051]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，包括横洞模拟系统，所述横洞模拟系统上部设有管状水准器，横洞模拟系统两端通过铰接连接装置分别与隧道连接在一起，所述铰接连接装置上设置夹角测量装置。
2.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述横洞模拟系统由可拆装的若干构件A和构件B组成，所述若干构件A连接在一起，在由构件A组成的连接件的两端分别与构件B的一端连接，所述构件B的另一端分别与铰接连接装置连接。
3.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述构件A为拱形件，在所述拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述连接面上设有螺纹孔。
4.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述构件B的结构与构件A相同，所述构件B的一端与构件A连接，另一端与铰接连接装置的支座一固定连接。
5.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述横洞模拟系统两端的隧道上分别设有激光测距仪和倾角测量器。
6.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述的管状水准器垂直于横洞轴线布设。
7.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，所述的铰接连接装置包括伸缩蓬、球头销、球形衬套、支座一和支座二 ； 所述球头销包括球头销球面和球头销杆锥体；球形衬套设置在球头销球面的外侧，所述支座一和支座二的一端分别固定在隧道和横洞模拟系统上，所述球头销球面和球头销杆锥体分别固定在支座一和支座二的另一端上；所述伸缩蓬设置在铰接连接装置的外表面，用于防止水流进入铰接连接装置，并防止铰接连接装置大角度转动时免受损伤。
8.如权利要求1所述的一种双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置，其特征是，在所述球头销球面和球形衬套之间充填用于使球头销球面在球形衬套内自由转动的细小钢珠。
9.一种如权利要求1所述的双线隧道模型试验中横洞三维转动模拟装置的方法，其特征是，包括以下步骤: 1)根据两个隧道的间距，即横洞长度，确定构件A的数量，并将构件A、构件B、铰接连接装置、横洞模拟系统以及隧道按照设定要求连接到一起，搭建横洞三维转动模拟装置； 2)根据模型试验要求调整两个隧道的高度，当所述两个隧道上的激光测距仪读书之差等于两个隧道高差时，将隧道初步固定，使其高度保持不变； 3)记录指南针的初始读数，根据隧道轴线与横洞轴线的关系前后移动两个隧道，当指南针读数变化值等于两轴线夹角时，将隧道再次固定，使其空间位置保持不变； 4)调整整个模型试验系统角度，使得倾角测量器的读数等于隧道倾角，转动横洞模拟系统，使得管状水准器中的气泡居中； 5)调整完毕。
【文档编号】G01M10/00GK104296959SQ201410415555
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】周宗青, 林鹏, 李术才, 李利平, 石少帅, 袁永才, 雷霆, 王升 申请人:山东大学