专利名称：一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置及方法
技术领域：
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种用于研究隧道开挖引起土拱效应的试验装置及方法。
背景技术：
随着城市的发展，轨道交通大力发展，地铁上下穿越工程越来越多，呈现出隧道埋深多样化趋势。设计者如何使工程的修建满足安全与经济相互统一的要求，竖向土压力的准确计算起着至关重要的作用。明确土拱效应是解决该问题的关键，即隧道拱顶上方土体有多少压力以荷载的形式传递给支护结构，有多少压力转移到了临近土体？ 土拱承载体的
临界边界是否扩展到地表？目前用于模拟土拱效应的试验装置只能考虑单线隧道，如何同步考虑多因素影响下土拱效应演变规律是亟待解决的问题，尤其是能实现双线并行隧道开挖引起土拱效应的模拟装置及方法。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置，以及模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法，该试验装置费用低廉、可操作性好、可靠性高，用于研究隧道间距、隧道跨度、分步开挖、覆土深度、地基刚度等因素对隧道开挖引起土拱效应的影响。具体技术方案如下一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置，包括无顶盖方形透明模型箱和千斤顶，无顶盖方形透明模型箱包括侧板和底板，其特征在于对于模型箱的底板进行改造，并设置了挡板⑷和滑落门(5);模型箱的底板由承重板(I)、可拆卸板(2)、承重板(I)依次无缝相邻组成，可拆卸板(2)的个数至少为1，承重板(I)和可拆卸板(2)的底部均平行设置了方形钢管(3)，方形钢管(3)起到支撑承重板(I)或者可拆卸板(2)的作用；可拆卸板(2)根据预先设定的要模拟的隧道宽度进行拆卸，形成拆除带，用于模拟隧道；拆除带底部四周固定安装四个挡板，形成四周封闭的方形通道；千斤顶推动滑落门(5)在方形通道内上下移动，滑落门(5)的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同。选用透明模型箱易于拍照与观察箱内土体位移变化。承重板⑴和可拆卸板⑵均选用亚克力板。挡板(4)选用亚克力板。选用表面光滑的亚克力板，有效降低了边界效应。千斤顶为电动千斤顶。该装置可以模拟单线隧道、双线隧道以及多线隧道开挖引起的土拱效应，当模拟单线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成一条拆除带；模拟双线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成两条拆除带；模拟多线隧道时，只需拆除可拆卸板，形成多条拆除带；一种用于模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法，基于由无顶盖方形透明模型箱、千斤顶、挡板和滑落门组成的试验装置，无顶盖方形透明模型箱包括侧板和底板，底板由承重板、可拆卸板、承重板依次无缝相邻组成，其特征在于包括以下步骤I)拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除带L，使拆除带L的宽度等于预设宽度A ；2)在距离拆除带L等于设定间隔宽度的地方继续拆卸可拆卸板，形成拆除带M，使拆除带M的宽度等于预设宽度B ；3)在拆除带L和M底部四周分别固定安装四个挡板，形成两个四周封闭的方形通道；
4)每个方形通道对应一个与方形通道具有相同形状、大小横截面的滑落门，每个滑落门在一个千斤顶的推动下在对应的方形通道内上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应；滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同，用于保证滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。当模拟多线隧道开挖引起的土拱效应时，可以继续拆除可拆卸板，形成多条拆除带，并在对应的拆除带底部四周分别固定安装四个挡板，形成四周封闭的方形通道；在每个方形通道内每个方形通道对应一个与方形通道具有相同形状、大小横截面的滑落门，每个滑落门在一个千斤顶的推动下在对应的方形通道内上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应；滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同，用于保证滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。模拟单线隧道开挖引起的土拱效应时，只需拆除可拆卸板，形成一条拆除带即可。有益效果本发明所述装置能够模拟单线隧道、双线隧道乃至多线隧道开挖引起的土拱效应，并且成本低廉、可操作性好、可靠性高。本发明所述方法能够研究隧道间距、隧道跨度、分步开挖、覆土深度、地基刚度等因素对双线隧道开挖引起土拱效应的影响。同时也可以扩展至研究多线隧道开挖引起土拱效应的影响。
图I :一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置示意图；图2 :底板示意图；图3 :千斤顶及滑落门整体示意图；图4 :一种用于模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法流程图。图中1、承重板，2、可拆卸板，3、方形钢管，4、挡板，5、滑落门，6、无顶盖方形透明模型箱，7、千斤顶
具体实施例方式无顶盖方形透明模型箱的侧板选用亚克力板，底板由11根规格为IOOOmmX 50mmX 20mm的亚克力制成的可拆卸板和2片规格为IOOOmmX375mmX20mm的板材制作的承重板构成，11根可拆卸板相互平行无缝相邻，2片承重板分别位于11根可拆卸板的左右两侧，每根可拆卸板底部都有一根方形钢管，由于承重板的宽度大于可拆卸板的宽度，因此每块承重板底部加装两根方形钢管，方形钢管的规格均为IOOOmmX 30mmX 15mm，方形钢管用于增强模型箱底板的刚度。可拆卸板的数量和尺寸可以根据实际情况进行调整。模拟双线并行隧道开挖引起的土拱效应时，分别拆除两组可拆卸板形成两个拆除带，每组可拆卸板由3根相邻的可拆卸板组成，拆除的两组可拆卸板用于模拟双线隧道，两组可拆卸板之间间隔5根可拆卸板。每组可拆卸板的宽度和间隔的距离均可以根据实际情况进行设定。分别在两个拆除带底部四周固定安装四个挡板，形成两个四周封闭的方形通道；对应每个方形通道设有ー个电动千斤顶，每个电动千斤顶推动ー个滑落门在方形通道内上下运动，滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同。这样保证了滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。模型箱底安装压カ盒，安装完之后分层装土，并且刮平压密，模型箱内填土至规定高度，安装激光位移计，用于位移移测试。所填砂土事先进行染色处理，不同顔色砂土进行分层铺装，以便观察。 开启电动千斤顶，电动千斤顶推动滑落门在方形通道内上下移动，模拟双线隧道开挖过程,采集数据。当模拟多线隧道开挖引起的土拱效应时，可以继续拆除可拆卸板，形成多条拆除带，其余方法相同，即可实现对多线并行隧道开挖引起的土拱效应的研究。
权利要求
1.一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置，包括无顶盖方形透明模型箱(6)和千斤顶(7)，无顶盖方形透明模型箱(6)包括侧板和底板，其特征在于对于模型箱的底板进行改造，并设置了挡板(4)和滑落门(5);模型箱的底板由承重板(I)、可拆卸板(2)、承重板(I)依次无缝相邻组成，可拆卸板(2)的个数至少为1，承重板(I)和可拆卸板(2)的底部均平行设置了方形钢管(3)，方形钢管(3)起到支撑承重板(I)或者可拆卸板(2)的作用；可拆卸板(2)根据预先设定的要模拟的隧道宽度进行拆卸，形成拆除带，用于模拟隧道；拆除带底部四周固定安装四个挡板，形成四周封闭的方形通道；千斤顶推动滑落门(5)在方形通道内上下移动，滑落门(5)的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同。
2.根据权利要求I所述的一种用于研究双线近接隧道开挖引起土拱效应的试验装置，其特征在于承重板(I)和可拆卸板(2)均选用亚克力板。
3.根据权利要求I所述的一种用于研究双线近接隧道开挖引起土拱效应的试验装置，其特征在于挡板(4)选用亚克力板。
4.根据权利要求I所述的一种用于研究双线近接隧道开挖引起土拱效应的试验装置，其特征在于所述的千斤顶(7)为电动千斤顶。
5.一种用于模拟双线并行隧道开挖引起土拱效应的方法，基于由无顶盖方形透明模型箱、千斤顶、挡板和滑落门组成的试验装置，无顶盖方形透明模型箱包括侧板和底板，底板由承重板、可拆卸板、承重板依次无缝相邻组成，其特征在于包括以下步骤 1)拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除带L，使拆除带L的宽度等于预设宽度A； 2)在距离拆除带L等于设定间隔宽度的地方继续拆卸可拆卸板，形成拆除带M，使拆除带M的宽度等于预设宽度B ; 3)在拆除带L和M底部四周分别固定安装四个挡板，形成两个四周封闭的方形通道； 4)每个方形通道对应一个与方形通道具有相同形状、大小横截面的滑落门，每个滑落门在一个千斤顶的推动下在对应的方形通道内上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应；滑落门的横截面与对应的方形通道横截面的形状、大小相同，用于保证滑落门在方形通道内移动过程中，置于模型箱内的土体不会从方形通道中漏出。
全文摘要
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置及方法。本发明基于由无顶盖方形透明模型箱、千斤顶、挡板和滑落门组成的试验装置，无顶盖方形透明模型箱的底板由承重板、可拆卸板、承重板依次无缝相邻组成，拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除带，使拆除带的宽度等于预设宽度；在距离拆除带等于设定间隔宽度的地方继续拆卸可拆卸板，形成另一条拆除带；在两条拆除带底部四周分别固定安装四个挡板，形成两个四周封闭的方形通道；千斤顶推动滑落门在对应的方形通道内下上下移动，用于模拟隧道开挖引起的土拱效应。本发明具有操作简单，扩展性强等优点。
文档编号G01N19/00GK102680390SQ20121008357
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者张波, 李文博, 李积栋, 杨丁铭, 王文沛, 陶连金, 黄 俊 申请人:北京工业大学