一种砂卵石地层盾构施工地层运移可视化试验装置的制作方法

本实用新型涉及土木工程试验技术领域，具体为一种砂卵石地层盾构施工地层运移可视化试验装置。

背景技术：

随着城市化的进程加快，地铁成为城市公共交通不可或缺的交通方式。而盾构施工具有掘进速度快、环境影响较小等优点，成为了地铁隧道施工的重要施工方法。盾构施工过程中会遇到各种复杂地质结构，如砂卵石地层。砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，地层反应灵敏，具有颗粒大、离散性强等特点。在砂卵石地层中进行盾构施工会产生地层损失现象，容易诱发坍塌等工程问题。因此有必要对砂卵石地层盾构施工中地层运动进行室内模型试验，进而为现场安全施工提供科学指导。

目前对于砂卵石地层盾构施工的模型试验装置如下：

(1)专利权人为西南石油大学，中国专利申请号201721369225.x，介绍了一种用于测定富水砂卵石地层隧道开挖面失稳的试验装置。该装置包括模型箱体，布置在箱体中的隧道模型，模拟砂卵石地层的类似物质以及应力计。在开挖面附近布置应力计，通过应力计测量开挖面的衬砌应力，根据应力变化研究开挖面失稳问题。但是该试验装置主要是针对开挖面失稳的研究，没有考虑砂卵石地层损失的相关问题，无法模拟不同地层损失情况下隧道施工的影响，因此该方法具有一定的局限性。

(2)专利权人为招商局重庆交通科研设计院有限公司，中国专利申请号201820281642.7，介绍了一种多跨径砂卵石地层模型试验装詈。该装置为长方箱体，包括巾小至大三种跨径开孔。该装置主要针对砂卵石隧道中跨径影响进行研究，并未对地层损失和地层运动的相关问题进行研究，因此在砂卵石盾构施工地层运动研究上也有一定局限。

现有的试验装置对于砂卵石地层损失的研究相对较少，难以对不同地层损失条件下的隧道施工进行模拟；且一般仅通过应力计、位移计等传感器来进行研究，直观性较差，无法直观观测到地层的运动情况。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种砂卵石地层盾构施工地层运移可视化试验装置，用于解决目前室内模型难以直观观察隧道开挖时地层的运动情况，且难以实现对于地层损失以及地层流动现象模拟的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种砂卵石地层盾构施工地层运移可视化试验装置，包括箱体，所述箱体内充填有地层特性相似材料配置的填充料，所述箱体顶端的开口处沿水平方向滑动卡接有顶盖，所述箱体的侧面从下至上依次沿水平方向开设有第二插口、第三插口和第四插口，所述箱体侧面位于所述第二插口中间位置的下方沿竖直方向开设有第一插口，所述第一插口内滑动插装有立板，所述第二插口的前半段内插装有顶板，且第二插口的后半段内插装有第一插板，所述第三插口内插装有第二插板，所述第四插口内插装有第三插板，所述箱体的内侧壁分别开设有与所述立板、顶板、第一插板、第二插板和第三插板的里端卡接匹配的插槽，所述箱体为透明材质，且箱体内除所述立板与所述顶板围成腔体外的其余腔体内分别充填有不同染色的充填料，所述立板包括若干个立板条，且相邻的所述立板条间沿轴向滑动卡接匹配，所述顶板包括若干个顶板条，且相邻的所述顶板条间沿轴向滑动卡接匹配，所述立板、顶板、第一插板、第二插板和第三插板的表面分别沿轴向设置有刻度线。

优选的，所述立板条的顶面沿轴向设置有立板滑槽，且立板条的底面设置有与所述立板滑槽滑动卡接匹配的立板滑条。

优选的，所述箱体内腔底面的中线位置设置有与所述立板滑条滑动卡接匹配的底面滑槽。

优选的，所述顶板条的背面分别沿轴向开设有顶板滑槽，且顶板条的正面分别设置有与所述顶板滑槽滑动卡接匹配的顶板拼装滑条。

优选的，所述顶板中最里端的所述顶板条的下表面设置有所述立板滑槽滑动卡接的顶板固定滑条。

优选的，所述第一插板、第二插板和第三插板分别包括隔板，且第一插板的对应所述隔板的宽度为所述第二插板和第三插板对应所述隔板宽度的一半，所述第一插板对应的隔板背面以及所述第二插板与所述第三插板对应的隔板正面和背面分别沿轴向设置有插板滑条，所述箱体内腔的前壁和后壁分别设置有与所述插板滑条滑动卡接的侧边滑槽。

优选的，所述第一插板、第二插板和第三插板的外端面居中位置分别固定连接有把手。

优选的，所述立板条包括第一条形板和固定连接在所述第一条形板外端面的第一端板，所述第一端板的外侧面居中位置固定连接有第一手柄。

优选的，所述顶板条包括第二条形板和固定连接在所述第二条形板外端面的第二端板，所述第二端板的外侧面居中位置固定连接有第二手柄。

优选的，所述箱体内的腔体内安装有应力计、位移计中的至少一种传感器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过对顶板、立板、第一个隔板、第二隔板和第三隔板的抽推，使得模拟不同地层的充填料向顶板和立板组成的空腔流动，其中顶板和立板组成的空腔模拟掘进的隧道，箱体为透明材质，且每个腔体内代表不同地层的充填料染成不同颜色；为试验提供了一个可视化的外在环境，能够直接观测盾构施工隧道时地层损失后的地层运动状态。

2.本实用新型在抽出顶板、立板、第一个隔板、第二隔板和第三隔板时，能够通过刻度线进行定量控制抽出量，实现了不同地层损失量的调整，能够通过试验装置实现不同地层损失量条件的模拟，可以分析地层损失量的影响，为盾构隧道地层损失影响，地层运动分析等研究提供了一种科学、有效、直观的试验装置。

3.本实用新型在对顶板和立板进行抽出时，可以将所有组成条板同时外抽，也可以对每个条板进行分别抽出，以实现对隧道不同地点发生地层流失情况及影响进行模拟实验。

附图说明

图1为本实用新型整体的立体结构示意图；

图2为本实用新型箱体的主视结构示意图；

图3为本实用新型箱体的侧视结构示意图；

图4为本实用新型图2中a-a剖视结构示意图；

图5为本实用新型立板的主视结构示意图；

图6为本实用新型立板的侧视结构示意图；

图7为本实用新型立板条的侧视结构示意图；

图8为本实用新型顶板的俯视结构示意图；

图9为本实用新型顶板的侧视结构示意图；

图10为本实用新型顶板条的侧视结构示意图；

图11为本实用新型第二插板的主视结构示意图。

图中：1-箱体；11-顶盖；12-第一插口；13-第二插口；14-第三插口；15-第四插口；16-侧边滑槽；17-插槽；18-底面滑槽；2-立板；20-立板条；201-第一条形板；202-第一端板；203-第一手柄；204-立板滑槽；205-立板滑条；3-顶板；30-顶板条；301-第二条形板；302-第二端板；303-第二手柄；304-顶板滑槽；305-顶板拼装滑条；306-顶板固定滑条；4-第一插板；5-第二插板；51-隔板；52-插板滑条；6-第三插板；7-把手。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-11，本实用新型提供一种技术方案，一种砂卵石地层盾构施工地层运移可视化试验装置，包括箱体1，箱体1内充填有地层特性相似材料配置的填充料，箱体1顶端的开口处沿水平方向滑动卡接有顶盖11，箱体1的侧面从下至上依次沿水平方向开设有第二插口13、第三插口14和第四插口15，箱体1侧面位于第二插口13中间位置的下方沿竖直方向开设有第一插口12，第一插口12内滑动插装有立板2，第二插口13的前半段内插装有顶板3，且第二插口13的后半段内插装有第一插板4，第三插口14内插装有第二插板5，第四插口15内插装有第三插板6，箱体1的内侧壁分别开设有与立板2、顶板3、第一插板4、第二插板5和第三插板6的里端卡接匹配的插槽17，箱体1为透明材质，且箱体1内除立板2与顶板3围成腔体外的其余腔体内分别充填有不同染色的充填料，立板2包括若干个立板条20，且相邻的立板条20间沿轴向滑动卡接匹配，顶板3包括若干个顶板条30，且相邻的顶板条30间沿轴向滑动卡接匹配，立板2、顶板3、第一插板4、第二插板5和第三插板6的表面分别沿轴向设置有刻度线。

综上，使用时，先将装置各部分拆除清理，再将立板2从第一插口12插入箱体1的内腔，然后将顶板3从第二插口13的前半段插入箱体1内腔，顶板3和立板2与箱体1内壁形成的腔体结构用于模拟盾构掘进的隧道；根据施工处地层特性分别选择相似材料配置填充料，并将填充料染成不同颜色；将配备好的第一填充料充填至箱体1内腔底部至第二插口13的位置；将第一插板4从第二插口13的后半段插入箱体1内腔，再向箱体1内腔填充第二填充料至第三插口14的位置；将第二插板5从第三插口14插入箱体1内腔，再向箱体1内腔填充第三填充料至第四插口15的位置，然后将第三插板6通过第四插口15插入箱体1内腔，再使用第四填充料将箱体1内腔充满，将顶盖11滑动卡接在箱体1的顶端，完成模拟实验前准备。

如需模拟地层损失的影响及地层运动情况，则按照地层损失量，根据对应刻度线将立板2、顶板3、第一插板4、第二插板5和第三插板6定量向外抽离一定长度，则对应的填充料向下流出，流出后再将对应板块插入，则地层损失的模拟完成。模拟第一插板4与第二插板5之间地层发生土体损失时，则先将顶板3向外抽离一定长度，则填充料流出，流出一定数量后将顶板3重新插好，并将第一插板4、第二插板5和第三插板6抽离，则箱体1内的填充料均会对应发生损失并产生运动，由于箱体1是透明的，且填充材料进行了染色，因此可直观观测到不同土层的运动情况，待其自稳后，重新将第一插板4、第二插板5和第三插板6插好，地层损失试验完成。在对顶板3和立板2进行抽出时，可以将所有组成条板同时外抽，也可以对每个条板进行分别抽出，以实现对隧道不同地点发生地层流失情况及影响进行模拟实验。

其中，立板2、顶板3、第一插板4、第二插板5和第三插板6的里端分别插入插槽17内，以确保各个腔体相互隔离密封，以保证模拟实验的精度。

本实施例中，立板条20的顶面沿轴向设置有立板滑槽204，且立板条20的底面设置有与立板滑槽204滑动卡接匹配的立板滑条205；使得使用时，立板条20通过立板滑槽204和立板滑条205的滑动卡接实现拼装；对单个立板条20进行抽出时，先对两侧相邻的立板条20进行固定，然后再将该立板条20抽出，以避免带动相邻的立板条20。

本实施例中，箱体1内腔底面的中线位置设置有与立板滑条205滑动卡接匹配的底面滑槽18；使得使用时，立板2的底端通过立板滑条205与底面滑槽18滑动卡接，以提高立板2固定的稳定性。

本实施例中，顶板条30的背面分别沿轴向开设有顶板滑槽304，且顶板条30的正面分别设置有与顶板滑槽304滑动卡接匹配的顶板拼装滑条305；使得使用时，顶板条30通过顶板滑槽304和顶板拼装滑条305的滑动卡接关系实现拼装成顶板3，对单个顶板条30进行抽出时，先对两侧相邻的顶板条30进行固定，然后再将该顶板条30抽出，以避免带动相邻的顶板条30。

本实施例中，顶板3中最里端的顶板条30的下表面设置有立板滑槽204滑动卡接的顶板固定滑条306；使得使用时，顶板3通过顶板固定滑条306卡接在立板2顶端的立板滑槽204上，实现顶板3和立板2的拼装，以精确模拟隧道。

本实施例中，第一插板4、第二插板5和第三插板6分别包括隔板51，且第一插板4的对应隔板51的宽度为第二插板5和第三插板6对应隔板51宽度的一半，第一插板4对应的隔板51背面以及第二插板5与第三插板6对应的隔板51正面和背面分别沿轴向设置有插板滑条52，箱体1内腔的前壁和后壁分别设置有与插板滑条52滑动卡接的侧边滑槽16；使得使用时，第一插板4、第二插板5和第三插板6在相对箱体1抽推时能够精确导向，并提高各个插板的支撑强度，以增强对上方填充料的支撑能力。

本实施例中，第一插板4、第二插板5和第三插板6的外端面居中位置分别固定连接有把手7；使得使用时，通过把手7便于对第一插板4、第二插板5和第三插板6进行抽推。

本实施例中，立板条20包括第一条形板201和固定连接在第一条形板201外端面的第一端板202，第一端板202的外侧面居中位置固定连接有第一手柄203；使得使用时，通过第一手柄203能够便于对各个立板条20进行抽推。

本实施例中，顶板条30包括第二条形板301和固定连接在第二条形板301外端面的第二端板302，第二端板302的外侧面居中位置固定连接有第二手柄303；使得使用时，通过第二手柄303能够便于对各个顶板条30进行抽推。

本实施例中，箱体内的腔体内安装有应力计、位移计中的至少一种传感器；使得使用时，便于提供多种模拟数据的采集，以增加实验的功能。

工作原理：使用时，先将装置各部分拆除清理，再将立板2从第一插口12插入箱体1的内腔，并使其里端插入插槽17内；然后将顶板3从第二插口13的前半段插入箱体1内腔，并使其里端插入插槽17内，顶板3和立板2与箱体1内壁形成的腔体结构用于模拟盾构掘进的隧道；根据施工处地层特性分别选择相似材料配置填充料，并将填充料染成不同颜色；将配备好的第一填充料充填至箱体1内腔底部至第二插口13的位置，将第一插板4从第二插口13的后半段插入箱体1内腔，并使其里端插入插槽17内；再向箱体1内腔填充第二填充料至第三插口14的位置，将第二插板5从第三插口14插入箱体1内腔，并使其里端插入插槽17内；再向箱体1内腔填充第三填充料至第四插口15的位置，然后将第三插板6通过第四插口15插入箱体1内腔，并使其里端插入插槽17内，再使用第四填充料将箱体1内腔充满，将顶盖11滑动卡接在箱体1的顶端，完成模拟实验前准备。

如需模拟地层损失的影响及地层运动情况，则按照地层损失量，根据对应刻度线将立板2、顶板3、第一插板4、第二插板5和第三插板6定量向外抽离一定长度，则对应的填充料向下流出，流出后再将对应板块插入，则地层损失的模拟完成。模拟第一插板4与第二插板5之间地层发生土体损失时，则先通过第二手柄303将所有顶板条30同步向外抽离一定长度，则填充料流出，流出一定数量后将所有顶板条30重新插好，并通过把手7将第一插板4、第二插板5和第三插板6抽离，则箱体1内的填充料均会对应发生损失并产生运动，由于箱体1是透明的，且填充材料进行了染色，因此可直观观测到不同土层的运动情况，待其自稳后，重新将第一插板4、第二插板5和第三插板6插好，地层损失试验完成。在对顶板3和立板2进行抽出时，可以将所有组成条板同时外抽，也可以对每个条板进行分别抽出，以实现对隧道不同地点发生地层流失情况及影响进行模拟实验。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。