一种隧道模型试验洞周收敛位移控制装置的制作方法

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种隧道模型试验中控制洞周收敛位移的试验装置。

背景技术：
隧道模型试验是研究隧道及地下工程领域的一种重要手段。我国现有的隧道围岩模型试验多直接在相似模型的围岩上直接开挖后进行适当的支护，或预设与隧道断面形状一致的构件在开挖时直接将其取出。现有的隧道模型试验中隧道的开挖无法准确、有效的控制洞周围岩的收敛位移，使用现有的方法开挖后，隧道模型可能直接坍塌，或者是稳定在某一个特定的收敛位移情况。而对围岩与隧道结构关系进行研究时，了解不同隧道收敛位移及其对应的围岩压力是十分重要的数据，可以据此得到该种围岩的围岩特征曲线，指导隧道设计与隧道施工。

技术实现要素：
本发明是一种隧道模型试验洞周收敛位移控制装置，用于研究在隧道相似模型试验中，不同的洞周收敛位移所对应的围岩状态。为了具体实现上述目的，本发明提供了一种使用机械原理控制隧道洞周围岩收敛位移的控制装置，包括:拱部隧道轮廓维持板架、腰部隧道轮廓维持板架、仰拱隧道轮廓维持板架、收敛位移传递杆、内部固定框架、旋转定轴装置、空心圆筒、收敛位移发生杆、手拧螺丝、椎体、螺纹、开挖套筒。拱部隧道轮廓维持板架、腰部隧道轮廓维持板架、仰拱隧道轮廓维持板架均由金属板制成，为保证其刚度可在适当位置用金属架进行刚度加强。拱部隧道轮廓维持板架、腰部隧道轮廓维持板架、仰拱隧道轮廓维持板架相互搭接应组装成与试验设计的隧道模型轮廓一致的金属板架，且当搭接位置重合部分增多时，拱部隧道轮廓维持板架、腰部隧道轮廓维持板架、仰拱隧道轮廓维持板架组成的隧道轮廓的整体可以相应的缩小。收敛位移传递杆，具有一定强度的金属杆件，头端为圆球形，尾端与拱部隧道轮廓维持板架和腰部隧道轮廓维持板架内侧固定相连。收敛位移传递杆的头端圆球部与收敛位移发生杆的椎体部位紧贴，当操作收敛位移发生杆转动时，收敛位移传递杆头端圆球沿着收敛位移发生杆的椎体坡面滑动，使得收敛位移发生杆产生的位移并通过收敛位移传递杆传递至拱部隧道轮廓维持板架与腰部隧道轮廓维持板架。内部固定框架，为板材制成框架，固定于底部的隧道轮廓维持板架上，应具有两层或两层以上，且在收敛位移传递杆经过的对应位置预设开孔。通过内部固定框架，收敛位移传递杆依次从各层内部固定框架对应位置的空心圆筒中穿过，使得收敛位移传递杆运动路径固定。同时内部固定框架也具有避免试验材料的碎屑进入装置旋转部分的功用。旋转定轴装置，下部固定于底部隧道轮廓维持板架，上部为空心圆筒，收敛位移发生杆固定于该空心圆筒中；空心圆筒内侧一部分刻有螺纹，使得收敛位移发生杆旋转时可以沿着螺纹前后运动；旋转定轴装置空心圆筒壁上应预设手拧螺丝孔洞，可以装入手拧螺丝，用以在适当的时候固定收敛位移发生杆，使整个装置的收敛位移固定不变。收敛位移发生杆，为一金属直杆，从旋转定轴装置的空心圆筒中穿过，且在对应位置有螺纹，在旋转定轴装置中旋转时可以前后移动。收敛位移发生杆与收敛位移传递杆头部圆球相接触的对应位置的收敛位移发生杆部位为锥体形状，使得当收敛位移发生杆在旋转定轴装置中旋转，产生前后移动时，收敛位移传递杆头部的圆球在收敛位移发生杆对应位置椎体斜面上滑动，最终控制拱部隧道轮廓维持板架、腰部隧道轮廓维持板架的收敛位移。开挖套筒，为具有较高强度的金属筒，其形状与隧道轮廓一致，。开挖套筒用于在地层模型进行开挖时使用，将套筒打入地层模型中想要开挖隧道的位置后将其内部的围岩置换出来，并提供足够的空间来安装本发明。附图说明图1为本发明一种隧道模型试验洞周收敛位移控制装置示意图。图2为本发明隐去外部的隧道轮廓维持板架与内部固定框架后的内部结构示意图。图3为本发明收敛位移发生杆的示意图。图4为开挖套筒与本发明装置整体的关系示意图。具体实施方式为利于对本发明专利的理解，以下结合附图说明本发明装置在隧道模型试验中使用的方法。结合图1所示，本发明提供了一种在隧道模型试验中控制隧道洞周围岩收敛位移的装置，装置包括：隧道轮廓维持板架，包括拱部隧道轮廓维持板架1、左右各一个腰部隧道轮廓维持板架2、仰拱隧道轮廓维持板架3，这四个隧道轮廓维持板架在曲率相同的位置有一定的重叠可以相互搭接封闭的隧道轮廓模具，且相搭板块部位可以相互错动，使隧道轮廓收敛变形。收敛位移传递杆4尾端与对应的隧道轮廓维持板架1、2、3相连。内部固定框架5为里外两层，固定于仰拱隧道轮廓维持板架3上，在相应收敛位移传递杆4穿过的位置预留孔洞，使得收敛位移传递杆4只能沿着相对收敛位移发生杆8轴心轴向发生运动。结合图2所示，为本发明内部结构关系示意图，具体标出了内部各构件的空间位置关系。旋转定轴装置6在最里层的内部固定框架5内侧，固定于仰拱隧道轮廓维持板架3上，旋转定轴装置6的上部为空心圆筒7，部分空心圆筒7内侧有螺纹，旋转定轴装置沿着隧道模型轴向分布不连续，在收敛位移传递杆4附近是断开的，以使得收敛位移传递杆4与收敛位移发生杆8接触，留有进行相对滑动的空间，旋转定轴装置6上部的空心圆筒上有一预留给手拧螺丝9的孔洞，通过旋紧手拧螺丝9可以固定收敛位移发生杆8。收敛位移传递杆4头端球体与收敛位移发生杆8上的椎体10相接触，当收敛位移发生杆8旋转时，收敛位移发生杆8沿着定轴装置6上部的空心圆筒内部螺纹向前运动，收敛位移传递杆4头端球体相对椎体10滑动，使得收敛位移传递杆4联通隧道轮廓维持板架1、2、3协同收敛变形，达到本发明控制洞周围岩收敛的功能。图3所示为收敛位移发生杆8的细部结构图。在收敛位移传递杆4对应的位置，收敛位移发生杆设有对应的滑动锥体10，在收敛位移发生杆与旋转定轴装置6上部的空心圆筒内部螺纹对应位置车有螺纹11，使得在旋转收敛位移发生杆8时可以沿着旋转定轴装置6上部的空心圆筒7发生前后的位移。图4所示为开挖套筒12，开挖套筒的形状与想要开挖的隧道截面一致，并略大于组装好的收敛位移控制装置，使得套筒可以较为容易的套入整个装置的外部。在进行隧道模型试验时，应根据相似理论选取合适的围岩模拟材料完成地层围岩模型的填筑，同时为了得到理想的围岩特征曲线，可以在洞周的围岩内部预埋设应变砖或压力盒，在隧道轮廓维持板架上架设位移计监测洞周围岩的变形与应力数据。当围岩模型达到预定的强度指标时，在需要开挖隧道的位置使用开挖套筒12逐渐的敲打进入地层模型后再挖空开挖套筒12内部的模型材料。将开挖套筒12装入围岩模型中预定的位置后将其内部的围岩材料清理干净后，将组装好的收敛位移控制装置置入开挖套筒内部，安装完如上步骤后应将开挖套筒12从围岩模型与收敛位移控制装置之间抽出，使得围岩模型直接与收敛位移控制装置接触。旋松手拧螺丝9后，旋转收敛位移发生杆8，观察洞周收敛位移读数，当洞周收敛位移达到设计的位移时停止旋转位移发生杆8，旋紧手拧螺丝9后等待围岩应力重新调整，并记录应力及位移数据。重复如上过程多次，得到多组不同洞周收敛位移下的围岩应力状态。以上结构图及实例对本发明进行了详细说明，试验人员可根据上说明对本专利进行种种变化。本发明将以权利要求书作为专利保护的界定范围。