明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置的制作方法

本发明涉及公路隧道技术领域，具体而言，涉及一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置。

背景技术：

城市地下交通已经成为现代城市交通的重要组成部分。在综合交通模式下不可避免地在城市交通干流区间出现邻接并行地铁工程同期施工状况，这更加为城市公路隧道施工带了无法主动控制的制约因素。例如：公路隧道与地铁支线工程两个项目超小距离邻接、长距离并行同期施工，施工作业交叉扰动，相互影响较大。尤其是施工中荷载的影响较大。

两个相邻的基坑之间的岩柱称作中夹岩、中夹岩墙。在邻接基坑中，中夹岩的受力变形是稳定性的关键，也影响着后期运营的安全性。而目前的近接基坑变形破坏模式是通过数值模拟方法进行研究。数值模拟的优点是能依据现实情况进行参数设置后进行建模最终获取模拟结果，但是缺点是实际工程状况是相当复杂的，仅仅依靠数值模拟一些简单的数值或者修正系数对现实情况进行模拟，其结果与实际结论可能会有相当大的出入。

为此，需要一种试验装置能够用于模拟邻接基坑变形破坏，从而为研究邻接基坑变形破坏模式提供试验条件，能够更好地指导工程实践。

技术实现要素：

为了弥补以上不足，本发明提供了一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置，旨在提供一种用于模拟邻接基坑变形破坏的试验装置，为邻接基坑变形破坏模式的研究提供新手段，从而能够更好地指导工程实践。

本发明是这样实现的：本发明提供一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置，包括升降组件、平移组件和动力组件，其中，升降组件实现动力组件的升高和降低，以便对基坑不同高度进行模拟破坏实验，平移组件实现动力组件在基坑内水平移动，以便对基坑水平不同位置进行模拟破坏实验，动力组件实现给基坑侧壁施加压力，进而实现对基坑侧壁的模拟破坏。

所述升降组件包括第一安装板、连接杆、第二安装板、第一电机、第一丝杆、第一移动块和升降架，所述第一安装板固定安装于所述连接杆的一端端部，所述第二安装板固定安装于所述连接杆远离所述第一安装板的一端端部，所述第一电机固定安装于所述第一安装板，所述第一丝杆的一端固定安装于所述第一电机，所述第一丝杆的另一端转动安装于所述第二安装板，所述第一移动块传动连接于所述第一丝杆，所述升降架固定安装于所述第一移动块，所述升降架在两个所述连接杆之间滑动。

所述平移组件包括第二电机、第二丝杆、第二移动块和移动座，所述第二电机固定安装于所述升降架，所述第二丝杆的一端固定安装于所述第二电机，所述第二丝杆的另一端转动安装于所述升降架，所述第二移动块传动连接于所述第二丝杆，所述移动座固定安装于所述第二移动块。

所述动力组件包括两个固定板、驱动件和第三安装板，两个所述固定板分别固定安装于所述移动座的两端，所述驱动件固定安装于两个所述固定板之间，所述第三安装板固定安装于所述驱动件的两侧，所述第三安装板远离所述驱动件的一面分别固定安装有土压传感器和位移传感器。

在本发明的一种实施例中，所述移动座的两侧均固定滑块，所述滑块内滑动连接有导向杆，所述导向杆固定安装于所述升降架。

在本发明的一种实施例中，所述固定板远离所述移动座的一侧固定有第四安装板，所述第四安装板上固定有摄像头。

在本发明的一种实施例中，所述第三安装板远离所述土压传感器的一面固定有防转销，所述防转销贯穿所述固定板。

在本发明的一种实施例中，所述防转销远离所述第三安装板的一端端部固定有限位块。

在本发明的一种实施例中，所述第一电机和所述第二电机均为伺服电机。

在本发明的一种实施例中，所述驱动件为双杆液压缸。

在本发明的一种实施例中，所述第一安装板远离所述连接杆的一面两侧均固定有吊耳。

在本发明的一种实施例中，所述第二安装板远离所述连接杆的一面固定有插接杆。

在本发明的一种实施例中，所述平移组件和所述动力组件均设置有三组，三组所述平移组件等距离的分布在所述升降架上，三组所述动力组件等距离的分布在所述第二丝杆上。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置，使用时，首先，把两个装置分别放入到模型上的两个基坑内，然后第一电机带动第一丝杆旋转，进而第一丝杆驱动第一移动块沿第一丝杆上下运动，进而第一移动块带动升降架沿连接杆上下运动，进而实现调节动力组件的高度位置。然后驱动件两侧的活塞杆同时向外推动第三安装板，进而两个第三安装板同时向外运动直至与邻接基坑之间的侧壁抵触，然后驱动件继续给第三安装板向外的推力，进而第三安装板对邻接基坑的前后壁进行变形破坏，第三安装板上的土压传感器和位移传感器实时监测破坏时的土压力数值以及破坏时的位移数值，进而得出邻接基坑变形破坏数值。

需要监测邻接基坑在水平方向不同位置的数值时，驱动件向后拉回第三安装板，进而第三安装板与邻接基坑分离，然后通过第二电机带动第二丝杆旋转，进而第二丝杆驱动第二移动块沿第二丝杆运动，进而第二移动块带动移动座沿导向杆滑动，进而移动座带动动力组件移动，进而实现动力组件的位置改变，实现对基坑水平方向不同位置的监测。

需要监测邻接基坑在竖直方向不同高度的数值时，通过第一电机带动第一丝杆旋转，进而第一丝杆驱动第一移动块沿第一丝杆上下运动，进而第一移动块带动升降架沿连接杆上下运动，进而实现调节动力组件的高度调节，实现对基坑不同高度数值的监测。

通过上述装置，无需人工手动移动，提高工作效率，减轻工作人员工作量，移动位置精准，数据监测精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的装置设置在基坑模型内部示意图一；

图2为本发明实施方式提供的装置设置在基坑模型内部示意图二；

图3为本发明实施方式提供的装置立体结构示意图；

图4为本发明实施方式提供的升降组件结构示意图；

图5为本发明实施方式提供的平移组件结构示意图一；

图6为本发明中图5的a处放大图；

图7为本发明实施方式提供的平移组件结构示意图二；

图8为本发明实施方式提供的制模组件爆炸结构示意图；

图9为本发明实施方式提供的制模组件位置关系示意图；

图10为本发明实施方式提供的挡料体结构示意图；

图11为本发明实施方式提供的内框的结构示意图；

图12为本发明实施方式提供的驱动件与液压油泵连接关系示意图。

图中：100-升降组件；110-第一安装板；111-吊耳；120-连接杆；130-第二安装板；131-插接杆；140-第一电机；150-第一丝杆；160-第一移动块；170-升降架；200-平移组件；210-第二电机；220-第二丝杆；230-第二移动块；240-移动座；241-滑块；242-导向杆；300-动力组件；310-固定板；311-第四安装板；312-摄像头；320-驱动件；330-第三安装板；331-土压传感器；332-位移传感器；333-防转销；3331-限位块；400-制模组件；410-外框；420-挡料体；421-第一挡板；422-第二挡板；423-第三挡板；424-第四挡板；4241-螺纹杆；4242-滑杆；430-内框；431-第一模板；432-第二模板；433-第三模板；434-第四模板。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

城市地下交通已经成为现代城市交通的重要组成部分。在综合交通模式下不可避免地在城市交通干流区间出现邻接并行地铁工程同期施工状况，这更加为城市公路隧道施工带了无法主动控制的制约因素。例如：公路隧道与地铁支线工程两个项目超小距离邻接、长距离并行同期施工，施工作业交叉扰动，相互影响较大。尤其是施工中荷载的影响较大。

两个相邻的基坑之间的岩柱称作中夹岩、中夹岩墙。在邻接基坑中，中夹岩的受力变形是稳定性的关键，也影响着后期运营的安全性。

为此，发明人针对此类明挖公路隧道邻接基坑设计了内撑结构，也就是在邻接基坑的两个基坑内设置内支撑，内支撑具体可以为横梁。而在协同施工模式下，内支撑的轴力对中夹岩的稳定性影响很大，因此，需要模拟内支撑对中夹岩的轴力荷载。

而目前的近接基坑变形破坏模式是通过数值模拟方法进行研究。数值模拟的优点是能依据现实情况进行参数设置后进行建模最终获取模拟结果，但是缺点是实际工程状况是相当复杂的，仅仅依靠数值模拟一些简单的数值或者修正系数对现实情况进行模拟，其结果与实际结论可能会有相当大的出入。

为此，发明人提供一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置，旨在提供一种用于模拟邻接基坑变形破坏的试验装置，为邻接基坑变形破坏模式的研究提供新手段，从而能够更好地指导工程实践。

请参阅图1和图2，一种明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置，包括升降组件100、平移组件200和动力组件300，其中，升降组件100实现动力组件300的升高和降低，以便对基坑不同高度进行模拟破坏实验，平移组件200实现动力组件300在基坑内水平移动，以便对基坑水平不同位置进行模拟破坏实验，动力组件300实现给基坑侧壁(中夹岩)施加压力，进而实现内支撑对中夹岩破坏模拟。

请参阅图3和图4，升降组件100设置有两组，两组升降组件100对称放入到模型内的两个基坑内。

其中，升降组件100包括第一安装板110、连接杆120、第二安装板130、第一电机140、第一丝杆150、第一移动块160和升降架170，第一安装板110通过焊接固定安装于连接杆120的上端端部，第一安装板110远离连接杆120的一面两侧均固定有吊耳111，方便起吊。第二安装板130通过焊接固定安装于连接杆120的下端端部，第二安装板130远离连接杆120的一面固定有插接杆131。第一电机140通过螺栓固定安装于第一安装板110的上面，第一电机140为伺服电机，第一丝杆150的上端固定安装于第一电机140的输出轴端部，第一丝杆150的下一端转动安装于第二安装板130，第一移动块160螺纹传动连接于第一丝杆150，升降架170通过焊接固定安装于第一移动块160，升降架170通过线轨在两个连接杆120之间滑动，实现平移组件200在竖直方向的移动，无需人工手动调节，提高工作效率。

在一些具体的实施方案中，第一电机140有3个，第一丝杆150有3个，第一移动块160有3个，升降架170有3个，升降架170之间相互独立，每个第一电机140分别控制一个第一丝杆150的转动，进而分别控制升降架170，从而能够模拟不同竖直方向的施力点。需要说明的是，在其他一些实施方案中，第一电机140得个数也可能为4个、5个，甚至更多，以便于控制更多的升降架170。

请参阅图5和图7，平移组件200设置有三组，三组平移组件200等距离的分布在升降架170上，平移组件200包括第二电机210、第二丝杆220、第二移动块230和移动座240，第二电机210通过螺栓固定安装于升降架170的一侧，第二电机210为伺服电机，第二丝杆220的一端固定安装于第二电机210的输出轴端部，第二丝杆220的另一端转动安装于升降架170，第二移动块230螺纹传动连接于第二丝杆220，移动座240通过焊接固定安装于第二移动块230的上端，实现动力组件300在水平方向的移动，无需人工手动调节，提高工作效率。

请参阅图7，在具体设置时，移动座240的底端两侧均通过焊接固定滑块241，滑块241内滑动连接有导向杆242，导向杆242的两侧均通过螺栓固定安装于升降架170上，实现移动座240在水平方向移动时的导向和限位。

在其他一些具体的实施方案中，第二电机210可以有3个，第二丝杆220有3个，第二移动块230有3个，移动座240有3个，移动座240之间相互独立，每个第二电机210分别控制一个第二丝杆220的转动，进而分别控制移动座240移动，从而能够模拟不同水平方向的施力点。需要说明的是，在其他一些实施方案中，第二电机210得个数也可能为4个、5个，甚至更多，以便于控制更多的移动座240。

请参阅图5和图6，动力组件300设置有三组，三组动力组件300等距离的分布在第二丝杆220上，动力组件300包括两个固定板310、驱动件320和第三安装板330，两个固定板310分别通过螺栓固定安装于移动座240的两端，驱动件320通过螺栓固定安装于两个固定板310之间，驱动件320为双杆液压缸。在具体设置时，双杆液压缸的动力源为液压油泵，液压油泵设置在基坑外部。通过油管连通双杆液压缸和液压油泵(如图12)，在一些具体的实施方案中，一个液压油泵可以为多个双杆液压缸供油，也可以一个液压油泵只为一个双杆液压缸供油，以便于在基坑外部控制油压。在具体设置时，双杆液压缸设置有压力表。优选的，压力表为数显压力表。

第三安装板330固定安装于驱动件320的活塞杆端部，第三安装板330远离驱动件320的一面分别通过螺栓固定安装有土压传感器331和位移传感器332。土压传感器331用于监测邻接基坑变形破坏时的土压力数据，位移传感器332用于监测邻接基坑变形破坏时的位移数据。

请参阅图6，需要说明的是，第三安装板330远离土压传感器331的一面固定有防转销333，防转销333贯穿固定板310，防转销333设置有两根，两根防转销333分设在第三安装板330的两侧，防止固定板310移动时发生自转，起到防转作用，防转销333远离第三安装板330的一端端部通过焊接固定有限位块3331，防止防转销333向前滑动时滑出固定板310，起到限位、保护作用。固定板310的上端通过焊接固定有第四安装板311，第四安装板311上通过螺栓固定有摄像头312，摄像头312用于实时监控邻接基坑变形破坏状态，方便工作人员观察和记录。

请参阅图8、图9和图10，邻接基坑模型是由制模组件400制成的，制模组件400包括外框410和挡料体420，挡料体420放置在外框410的内部。在使用时，挡料体420与外框410之间形成用于模拟围岩的填充空间。

具体地，外框410为矩形框。

具体地，请参阅图10，挡料体420包括第一挡板421、第二挡板422、第三挡板423和第四挡板424。其中，第二挡板422设置在两个第一挡板421之间，第一挡板421与第三挡板423滑动连接，第四挡板424通过焊接固定安装在两个第三挡板423之间，两个第四挡板424之间上端通过螺纹杆4241连接，下端通过滑杆4242连接，两个第四挡板424能够在螺纹杆4241和滑杆4242上滑动。

请参阅图11，在其他一些具体的实施方案中，制模组件400还包括内框430。其中，内框430包括第一模板431、第二模板432、第三模板433和第四模板434。其中，第二模板432设置于两个第一模板431之间，第一模板431与第二模板432滑动连接，第四模板434通过焊接固定安装在两个第三模板433之间。

具体邻接基坑模型的制作方法如下：

首先，把原料倒入外框410内部底端，然后把外框410底端的原料铺平压实。

然后，把挡料体420放入到外框410内部。调节螺纹杆4241和滑杆4242上两侧的第四挡板424之间距离，两个第四挡板424之间的距离调节好后通过螺纹杆4241上的螺母把两个第四挡板424固定在螺纹杆4241上，进而实现基坑中间中夹岩的制作，中间中夹岩厚度可根据需要自由控制。接着，调节第一挡板421与第三挡板423之间的相对位置，从而改变第二挡板422与外框410之间的距离，用于模拟不同厚度的围岩。

最后向外框410和挡料体420之间继续填充原料。在这里，原料可以采用原状样或相似材料重塑样。填充后将明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置放入基坑内，利用动力组件300挤压第二挡板422和第四挡板424。

挤压完成后，把挡料体420从外框410内取出，进而实现基坑模型的制作。

基坑模型的制作完成后放入内框430，内框430根据模拟工况的需要进行填充，例如模拟基坑内设置有防护墙支护条件时的基坑变形破坏，可以填充混凝土进行模拟。在其他一些具体的实施方案中，可以设置其他支护结构，例如防护桩。

需要说明的是，根据制作基坑模型的高度可以在外框410和挡料体420的上端叠加外框410和挡料体420增加整个制模组件400的高度，进而实现整个模型高度的调节控制。

通过上述装置，动力组件300一方面用于模拟试验过程的外力施加，另一方面，动力组件300用于中夹岩物理模型制作时提供挤压力，丰富了装置的功能。由于中夹层物理模型的厚度可控，可以模拟不同厚度中夹层下近接基坑变形破坏，或者确定特定厚度中夹层在特定试验条件的稳定性。

具体的，该明挖公路隧道邻接基坑协同施工的围岩变形破坏模拟装置的工作原理：首先把两个装置分别放入到模型上的两个基坑内，然后第一电机140带动第一丝杆150旋转，进而第一丝杆150驱动第一移动块160沿第一丝杆150上下运动，进而第一移动块160带动升降架170沿连接杆120上下运动，进而实现调节动力组件300的高度位置。

然后驱动件320两侧的活塞杆同时向外推动第三安装板330，进而两个第三安装板330同时向外运动直至与邻接基坑之间的侧壁抵触，然后驱动件320继续给第三安装板330向外的推力，进而第三安装板330对邻接基坑的前后壁进行变形破坏，第三安装板330上的土压传感器331和位移传感器332实时监测破坏时的土压力数值以及破坏时的位移数值，进而得出邻接基坑变形破坏数值。

需要监测邻接基坑在水平方向不同位置的数值时，驱动件320向后拉回第三安装板330，进而第三安装板330与邻接基坑分离，然后通过第二电机210带动第二丝杆220旋转，进而第二丝杆220驱动第二移动块230沿第二丝杆220运动，进而第二移动块230带动移动座240沿导向杆242滑动，进而移动座240带动动力组件300移动，进而实现动力组件300的位置改变，实现对基坑水平方向不同位置的监测，从而为实际施工中内支撑的位置设计提供试验数据支撑。

需要监测邻接基坑在竖直方向不同高度的数值时，通过第一电机140带动第一丝杆150旋转，进而第一丝杆150驱动第一移动块160沿第一丝杆150上下运动，进而第一移动块160带动升降架170沿连接杆120上下运动，进而实现调节动力组件300的高度调节，实现对基坑不同高度数值的监测。

需要说明的是，第一电机140、第二电机210、摄像头312、驱动件320、土压传感器331和位移传感器332具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。另外，为了获取更多的试验数据，在中夹岩内可以埋设多个土压传感器331和位移传感器332。

第一电机140、第二电机210、摄像头312、驱动件320、土压传感器331和位移传感器332的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。