卸操作窗103的窗框1031上；
[0062]等初期支护模拟层302、二次衬砌模拟层303及中隔墙试验体301的石膏模型达到强度后粘贴应变片，将浇筑制作好的初期支护模拟层302、二次衬砌模拟层303及中隔墙试验体301与切割好的片状体3061组合成预埋体3;
[0063]按照试验要求选取石灰、石膏及砂混合填充料的比例制作成土体模拟材料4，将提前制作好的预埋体3从可拆卸操作窗103的预埋体放置口 1035横穿放置在试验箱I内，然后用土体模拟材料4埋填试验箱I至设计高度;安装百分表架2，在百分表架2上安装测量地表沉降的百分表；
[0064]采集各种仪器初始读数后模拟开挖过程，卸除串接预埋件3的固定螺杆304上的固定螺母305，抽出固定螺杆304，按照模拟开挖的步距分片取出片状体3061，以模型开挖进度为2cm/h为例，则每次取出两片片状体3061，对数据进行采集记录，一个小时后在取出紧邻的下两片片状体3061模拟下一进尺的开挖，直至完成整个试验过程。
[0065]具体的，以下通过一个具体的模拟实例对本发明做具体说明:
[0066]实施例一:
[0067]以模拟某连拱隧道开挖为例，隧道单洞跨度9m，隧道高度7m。原型隧道初期支护30cm，二次衬砌40cm，中隔墙厚150m，隧道修建地区围岩等级为IV级，隧道埋深60m，隧道开挖进尺3m/循环。
[0068]相似比采用50，模型隧道单洞跨度18cm，高度14cm，初期支护的初期支护模拟层302的厚度为6mm，二次衬砌模拟层303的厚度为8mm，中隔墙试验体301的厚度为30mm，预埋体3以上土体模拟材料4的填埋深度为1.2m。
[0069]1.雕刻模型制作模具以及开挖预埋部分构件:
[0070]在CAD中按照模型尺寸和形状，绘制制作初期支护模拟层302、二次衬砌模拟层303以及中隔墙试验体301的石膏模型的模板层形状，模板层501上同时绘制螺杆孔5012和振捣装置孔5013。选用厚度Icm发泡PVC板，将绘制图纸输入PVC板雕刻机，不同形状雕刻50片。隧道内预开挖部分的山体模拟件306的制作方法与模板层501制作方法一致。制作完成后将50片模板层501用可拆卸固定件504连接，并安装顶端固定板502和底端固定板503组成浇筑模板构件5，图8和9为二次衬砌模拟层和初期支护模拟层的浇筑模板构件的示意图，中隔墙试验体301的浇筑模板构件5同理制作，图10和11为中隔墙试验体的浇筑模板构件的结构示意图。
[0071]2.制作石膏模型:
[0072]按照石膏:水:石膏用胶= 1:1:0.2的质量比配置浆液，经由注浆漏斗6灌注到浇筑模板构件5中，开启振动捣棒Imin。通风干燥处静置48h，拆卸顶管固定板502，分片去掉模板层501，得到初期支护模拟层302、二次衬砌模拟层303以及中隔墙试验体301的石膏模型。打磨石膏衬砌，按照图17中标注的位点粘贴应变片等试验元件，并与山体模拟件306组装成为预埋体3。
[0073]3.填筑模型箱:
[0074]通过土工试验确定石灰、砂、石膏、重晶石粉比例，在搅拌机中拌水混合以后作为土体模拟材料4填筑到试验箱I中，填筑至可拆卸操作窗口 103高度时，放置组装好的预埋体3，继续填筑，直至预埋体3上部覆土 1.2m时停止。填筑过程中到达设定位置时按照图15中的位点埋设压力盒等试验元件。整平覆土的表层，安装百分表架2和百分表。
[0075]4.模拟过程与数据采集；
[0076]将应变片、压力盒及百分表等元件连接到数据采集仪上，打开数据采集软件，平衡测点后进行数据记录。按照进尺每次取出6片预埋的片状体，模拟实际3m/循环的进尺。先开挖左洞，再开挖右洞，整个过程中地表沉降的数据记录自动拟合后绘图如14，图14可以看出，双连拱隧道的地表沉降呈偏态的U型，先行洞一侧的沉降大于后行洞一侧，并且随着开挖步的增加地表沉降程增加趋势，中间的开挖进尺造成的地表沉降最大。
[0077]不同压力盒测得的数据如图16，图16中的结果说明隧道开挖将对围岩造成扰动，拱顶测点的压力变化大于边墙，拱顶的扰动范围也大于边墙，拱顶扰动范围超过了一倍洞径，边墙扰动较小，扰动范围在一倍洞径以内，中强强度较高，一倍洞径以外围岩压力变化较小。整体来看整个开挖过称监测面的应力均随开挖步增大而增大。
[0078]图18可以看出，随这开挖步增加，二次衬砌的应变有所增加，开挖监测面之前的隧道对衬砌的变形影响较大，开挖监测面后方的隧道对衬砌变形的影响较小。
【主权项】
1.一种模拟隧道开挖过程的试验装置，包括试验箱(I)，其特征在于，试验箱(I)的顶部悬设百分表架(2)，试验箱(I)的底部埋设预埋体(3)，试验箱(I)内填充土体模拟材料(4); 所述的预埋体(3)包括第一隧道开挖试验体、中隔墙试验体(301)和第二隧道开挖试验体，第一隧道开挖试验体和第二隧道开挖试验体的结构相同； 第一隧道开挖实验体由外到内依次包括初期支护模拟层(302)、二次衬砌模拟层(303)和山体模拟件(306)，山体模拟件(306)包括多个并列可拆卸连接设置的片状体(3061)。2.如权利要求1所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的片状体(3061)的厚度为Icm03.如权利要求1或2所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的山体模拟件(306)通过贯穿设置的通丝螺杆实现可拆卸连接。4.如权利要求1或2所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的初期支护模拟层(302)、二次衬砌模拟层(303)和中隔墙试验体(301)采用石膏浇筑成型制作而成；山体模拟件(306)中的片状体(3061)为发泡PVC板。5.如权利要求4所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的初期支护模拟层(302)、二次衬砌模拟层(303)和中隔墙试验体(301)的浇筑模具为浇筑模板构件，浇筑模板构件由上到下依次包括可拆卸连接的顶端固定板、多个模板层和底端固定板;对多个模板层进行刻蚀形成待浇筑件的形状即可。6.如权利要求5所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的顶端固定板上设置注浆槽，多个模板层上刻蚀初期支护模拟层(302)、二次衬砌模拟层(303)或中隔墙试验体(301)形状的注浆间隙，通过注浆槽将石膏浇筑在多个模板层组成的注浆间隙中，成型后将顶端固定板、多个模板层和底端固定板依次分片拆除即得初期支护模拟层(302)、二次衬砌模拟层(303)或中隔墙试验体(301)。7.如权利要求1或2所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的百分表架(2)包括固定在试验箱(I)顶部的横撑杆(203)、悬设在横撑杆(203)下的高度调节构件(201)及与高度调节构件(201)固定连接的磁性表座吸附杆(202)。8.如权利要求7所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的高度调节构件(201)包括U型连接头(2011)、销钉(2012)、调节螺杆(2013)和调节螺母(2014)，U型连接头(2011)的开口端通过销钉(2012)套设悬挂在横撑杆(203)上，调节螺杆(2013)穿过U型连接头(2011)的弧形端与U型连接头(2011)固定连接，调节螺母(2014)控制磁性表座吸附杆(202)在调节螺杆(2013)上的高度实现对百分表架(2)悬挂高度的调节。9.如权利要求1或2所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，所述的试验箱(I)为方形的上部开口的箱体，试验箱(I)的底部为整平底板(105)，试验箱(I)的宽度面为整块的侧边挡板(104)，试验箱(I)的长度面为通过框架(101)分隔成区的挡板(102)，且在长度面的下方设置可拆卸操作窗(103)。10.如权利要求9所述的模拟隧道开挖过程的试验装置，其特征在于，在所述试验箱(I)的长度面上设置竖向刻度(106)和水平刻度(107)。
【专利摘要】本发明公开了一种模拟隧道开挖过程的试验装置，包括试验箱，试验箱的顶部悬设百分表架，试验箱的底部埋设预埋体，试验箱内填充土体模拟材料；所述的预埋体包括第一隧道开挖试验体、中隔墙试验体和第二隧道开挖试验体，第一隧道开挖试验体和第二隧道开挖试验体的结构相同；第一隧道开挖实验体由外到内依次包括初期支护模拟层、二次衬砌模拟层和山体模拟件，山体模拟件包括多个并列可拆卸连接设置的片状体。通过本发明的装置可以采集地表变形数据的同时采集中隔墙以及初期支护和二次衬砌的受力数据，且通过片状分层的山体模拟件的设置，使模拟山体开挖的过程变为将模拟件一片一片的分层取出，不仅拆卸方便，且拆卸后留下的轮廓更加圆滑。
【IPC分类】G01N33/00
【公开号】CN105572308
【申请号】CN201610073083
【发明人】夏永旭, 韩兴博, 陈新栋, 柴伦磊, 张卜, 叶飞, 唐佳, 李广建, 刘霁
【申请人】长安大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月2日