br>[0020]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。
[0021]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关键位置的竖向土压力与侧压力。
[0022]气囊加载系统，该系统可方便地施加竖向荷载，具有加载压力稳定、加载均匀、可伺服控制等优点。能够实现对不同埋深条件下隧道开挖过程的模拟。其中:
[0023]为了保证气囊使用的有效性和耐久性，采用内胆加外囊双层设计方案；
[0024]气囊(11)在进气口(12)处设计一固定法兰连接不锈钢接口，不锈钢接口通过通气胶管与精密减压阀、空气压缩机连接，利用喉箍将不锈钢接口与通气胶管箍紧避免漏气;
[0025]精密减压阀采用日本SMC公司生产的IR2000/1R2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2% F.s.以内。
【附图说明】
[0026]图1:一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置正立面图；
[0027]图2:—种模拟隧道开挖过程的模型试验装置背立面图；
[0028]图3:—种模拟隧道开挖过程的模型试验装置侧立面图；
[0029]图4:一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置俯视图；
[0030]图5:—种模拟隧道开挖过程的模型试验装置三维立体图(正面)
[0031]图6:—种模拟隧道开挖过程的模型试验装置三维立体图(背面)
[0032]图7:—种模拟隧道开挖过程的模型试验装置1-1剖面图；
[0033]图8:试验结果:浅埋隧道开挖过程中在不同地层损失下地表沉降槽曲线
[0034]图9:试验结果:浅埋隧道开挖过程中地表中心沉降随地层损失的变化规律
[0035]图10:试验结果:深埋隧道开挖过程中在不同地层损失下地表沉降槽曲线
[0036]图11:试验结果:深埋隧道开挖过程中地表中心沉降随地层损失的变化规律
[0037]图中:1.模型箱框架，2.亚克力板(模型观测面)，3.水囊排水口，4.水囊，5.模型箱盖板，6.吊装孔，7.三角形刚性支撑，8.槽钢支撑，9.角钢支撑，10.拆卸分界线，11.橡胶气囊，12.气囊进气口，13.地层填筑标志线，14.隧道孔洞，15.砂土
【具体实施方式】
:
[0038]下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明:
[0039]如图1-5所示即为本发明所采用的核心，即一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，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、地表沉降测量系统、土压力监测系统、气囊加载系统。具体操作过程如下:
[0040]一、模型箱装配。
[0041]先安装亚克力板(2)，即将模型箱框架(I)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱，再拆除后视挡板上半部分钢板(高1.0m)，使其便于模型材料填充。
[0042]二、均匀地层材料(砂土)填筑与土压力监测系统植入。
[0043]为减小模型箱内壁与地层材料之间的摩擦，在模型箱内壁贴一层光面自粘墙纸，并涂上一层润滑油脂。然后添加地层材料，材料添加时要分层夯实。先分层夯实至后视挡板下半部分钢板上缘，然后安装后挡板上半部分钢板，再分层夯实地层材料至洞室拱底，其中每层夯实高度控制为20cm ;接下来安装隧道开挖模拟装置，分层夯实地层材料至设计埋深，每层夯实高度控制为10cm，夯实过程中按照测点设计位置布置土压力监测系统，至此材料填充完毕。
[0044]三、安装地表沉降测量系统或气囊加载系统。
[0045]对于浅埋隧道开挖工况，在砂土(15)填筑完毕后在模型表面设计位置安装地表沉降测量系统；对于深埋隧道开挖工况，在在砂土填筑完毕后在模型表面安装气囊加载系统安装，按设计加载方案提供气囊压力。
[0046]四、安装非接触式应变位移测量分析系统。
[0047]在上述过程完成布置后，非接触式应变位移测量分析系统立即就位准备且尽量避免外界干扰。在模型箱正前方一定距离处布设非接触式应变位移测量分析系统的CCD摄像机，摄像机需要通过调整位置来保证镜头面与模型箱正立平面平行，摄像机通过导线接口连接电脑，通过专业图像分析软件用像素的形式来记录模型表面任意点的位移。
[0048]五、隧道开挖与数据采集。
[0049]同时运行非接触式应变位移测量分析系统和土压力监测系统，然后缓慢拧动水囊排水口⑶处的针阀控制水流量分步排水，利用量筒观测水囊出水体积，直至水囊⑷与洞室内壁将要脱离分开为止。在整个洞隧道开挖模拟过程中，利用土压力监测系统实时采集开挖过程中设计位置处土压力变化数据。利用非接触式应变位移测量分析系统实时全程记录模型观测面范围内任意点的位移。
[0050]六、数据处理。
[0051]将采集到的数据转换成更直观的应力、位移，并结合实验现象分析实验结果。
【主权项】
1.一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、地表沉降测量系统、土压力监测系统、气囊加载系统； 模型箱与地层系统，包括模型箱框架(I)、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(I)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(I)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； 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； 气囊加载系统，包括橡胶气囊(11)，通气胶管，精密减压阀，空气压缩机。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于: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。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于:隧道结构模拟系统采用厚度Imm的镀锌铁薄壁圆筒。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于: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1ym以上，最高采集频率117HZ。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于: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。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于:气囊加载系统中，加压气囊采用双层设计，内胆采用聚氨酯材料制作，外囊采用PVC材料制作。
7.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于:空气压缩机采用活塞式空压机、提供0.SMpa的最大压力；精密减压阀选用日本SMC公司生产的IR2000/IR2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2% F.s.以内。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N33-00
【公开号】CN104713987
【申请号】CN201510036815
【发明人】赵旭, 潘志刚, 路德春, 张佩, 杜修力, 孔凡超, 张喻捷, 罗磊
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年1月25日