一种用于实时量测地下洞室开挖过程的试验方法及其试验装置与流程

本发明涉及到一种用于实时量测地下洞室开挖过程的试验方法及其试验装置，尤其是一种可实时量测地下洞室开挖应力应变的模型试验装置，应用于岩土工程的地下洞室模型试验。

背景技术：

随着我国经济的高速发展，城市规模的急剧扩大，土地变得更加紧张，地上建筑已越来越难满足城市和社会发展的需要。人们也越来越意识到利用城市地下空间的重要性，进行了大规模的市政工程建设，常见的有地铁车站、地下停车场、地下商场、地下民防工事、地下变电站等。无论是高层建筑深基础的施工，还是地下工程的建设，都不可避免的要进行大规模的地下开挖，这就牵涉到大量的地下洞室开挖问题。受周围复杂的地质环境、工程环境影响，地下洞室的开挖及建设过程难度大、问题多、风险大，同时，地下洞室在开挖过程中，容易引起周围地面沉降、地层移动等地质问题，进而对周围建筑物、基础设施等产生严重影响。为预防和减少由地下洞室施工引发的工程地质灾害，对地下洞室开挖过程的变形演化规律进行研究具有重要的理论和现实意义。

地下洞室开挖演变过程的应力应变变化规律研究一直是地质与岩土工程界研究的热点和难点，现行地下洞室建筑理论体系尚不成熟，经验设计和工程类比仍为主要的方法。目前有关地下洞室的稳定评价、工程案例分析以及地下洞室物理模型试验研究的文献较多，但利用牵引式受力模拟地下洞室物理模型试验方面的研究很少。因此，利用牵引式受力对地下洞室开挖过程的变形演化规律进行研究对地质工程和岩土工程具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为解决现有的问题，提出一种用于实时量测地下洞室开挖过程的试验方法及其试验装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于实时量测地下洞室开挖过程的试验方法，其步骤包括：

a.预先安装模型箱、牵引力控制系统、测量系统；

b.对力传感器、压力传感器进行标定；

c.在模型箱两侧有机玻璃上从下往上依次画上埋设地下洞室模型底面线、压力传感器埋设线；

d.将土体分层填筑至地下洞室模型底面线，然后安置地下洞室模型；再次填筑将土体至压力传感器埋设线，然后埋设压力传感器；最后将土体分层填筑至模型箱顶部；

e．将地下洞室模型、力传感器、传力杆、传力箱与减速电机连接到一起；

f.将piv测量系统放置于模型箱的左侧的位置，使其对坡体侧面能够完整地、清晰地拍摄，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；

g.将ms50测量系统安装在模型箱的前端，即将led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪由近及远放置于模型箱前端的合适位置，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片，将led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪悬空放置于模型箱顶部，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；

h.启动减速电机和测量系统，开始试验。

piv测量系统包括两盏泛光led灯、ccd高速相机、图像采集及后处理设备。

本试验装置包括模型箱、牵引力控制系统、测量系统，在模型箱中填充有土体，模型箱由有机玻璃板、底板、支座、地下洞室模型组成，牵引力控制系统由传力杆、传力箱、减速电机、拉力台桌组成，地下洞室模型设置在模型箱的中部，地下洞室模型前端与土体前端齐平，地下洞室模型前端与力传感器后端相连，力传感器前端与传力杆相连，传力杆贯穿一组传力箱，在位于中部的传力箱一侧安装减速电机，减速电机通过传力杆与传力箱相连，减速电机与传力箱均安装在拉力台桌上；

测量系统由力传感器、位移监测装置、压力传感器、piv测量系统和ms50三维激光测量系统组成，一组压力传感器均布埋入土体顶部表面，多个位移监测装置分五层布设于地下洞室横截面周围，piv测量系统布置于模型箱的左侧，ms50测量系统布置于拉力台桌的正前方，ms50测量系统由led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪组成，led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪由近及远放置于模型箱前端。

模型箱为顶部和前端开口的长方体，三块有机玻璃板固定于底板上，底板下方设置有支腿，在模型箱中填充有土体，地下洞室模型置于土体中部，地下洞室模型前端与土体前端齐平，在两侧有机玻璃板从下往上依次画上埋设地下洞室模型底面线、压力传感器埋设线。

力传感器、传力杆处于垂直地下洞室模型横截面的同一水平线上，减速电机与传力杆垂直。

本发明的有益效果是：

1.本发明试验装置可以对不同工况下地下洞室的开挖过程进行模拟，能实时地量测地下洞室开挖演化过程的规律。

2.本发明试验装置布置有力传感器、压力传感器，能实时、精确地量测土体受力状态。

3.本发明试验装置的piv测量系统和ms50测量系统能够对地下洞室变形演化全过程进行拍摄、量测，能实时、精确地对地下洞室开挖演化过程中单点变形、局部土体实时变形以及地下洞室周围土体变形场进行采集与分析工作。

4.本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的总体侧视图；

图3为本发明的总体俯视图；

图4为本发明的总体前视图；

图5为本发明的实施例二的结构示意图；

图6为本发明的实施例三的结构示意图；

图7为本发明的实施例四的结构示意图；

图8为本发明的实施例五的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图8所示，

实施例一：

一种用于实时量测地下洞室开挖过程的试验方法及其试验装置，其步骤包括：

a.预先安装模型箱1、牵引力控制系统、测量系统；

b.对力传感器、压力传感器进行标定；

c.在模型箱11两侧有机玻璃上从下往上依次画上埋设地下洞室模型底面线、压力传感器埋设线；

d.将土体分层填筑至地下洞室模型底面线，然后安置地下洞室模型；再次填筑将土体至压力传感器埋设线，然后埋设压力传感器；最后将土体分层填筑至模型箱1顶部；

e．将地下洞室模型、力传感器、传力杆、传力箱与减速电机连接到一起；

f.将piv测量系统放置于模型箱1的左侧的位置，使其对坡体侧面能够完整地、清晰地拍摄，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；

g.将ms50测量系统安装在模型箱1的前端，即将led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪由近及远放置于模型箱1前端的合适位置，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片，将led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪悬空放置于模型箱1顶部，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；

h.启动减速电机和测量系统，开始试验。

piv测量系统包括两盏泛光led灯、ccd高速相机、图像采集及后处理设备。

本试验装置包括模型箱1、牵引力控制系统、测量系统，在模型箱1中填充有土体，模型箱1由有机玻璃板、底板2、支座3、地下洞室模型4组成，牵引力控制系统由传力杆5、传力箱6、减速电机7、拉力台桌9组成，地下洞室模型4设置在模型箱1的中部，地下洞室模型4前端与土体前端齐平，地下洞室模型前端与力传感器8后端相连，力传感器8前端与传力杆5相连，传力杆5贯穿一组传力箱6，在位于中部的传力箱6一侧安装减速电机7，减速电机7通过传力杆5与传力箱6相连，减速电机7与传力箱6均安装在拉力台桌9上；

测量系统由力传感器11、位移监测装置10、压力传感器11、piv测量系统12和ms50三维激光测量系统13组成，一组压力传感器11均布埋入土体顶部表面，多个位移监测装置10分五层布设于地下洞室4横截面周围，piv测量系统12布置于模型箱1的左侧，ms50测量系统布置于拉力台桌9的正前端13，ms50测量系统13由led泛光灯光源、单反相机、三维激光扫描仪组成。

模型箱1为顶部和前端开口的长方体，三块有机玻璃板固定于底板2上，底板2下方设置有支腿3，在模型箱1中填充有土体，地下洞室模型4置于土体中部，地下洞室模型4前端与土体前端齐平，在两侧有机玻璃板从下往上依次画上埋设地下洞室模型4底面线、压力传感器埋设线。

力传感器8、传力杆5处于垂直地下洞室模型4横截面的同一水平线上，减速电机7与传力杆5垂直。

在本发明中通过调整地下洞室模型4的的纵深和地下洞室模型4的横截面积可以对处于不同纵深和不同横截面积的地下洞室开挖过程进行模型试验，研究地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程。

实例二：

本实施例与实施例一基本相同，区别在于：

在本实施例中，调整地下洞室纵深为80cm，可实时对地下洞室拱顶截面半径为3.5cm，即两侧土体厚度为6倍洞半径，地下洞室纵深80cm的地下洞室开挖过程进行模型试验，研究地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程，与实例一相结合，可研究不同地下洞室纵深对地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程的影响。

实例三：

本实施例与实施例一基本相同，区别在于：

在本实施例中，调整地下洞室拱顶截面半径为3.125cm，可实时对地下洞室拱顶截面半径3.125cm，即两侧土体厚度为7倍洞半径，地下洞室纵深40cm的地下洞室开挖过程进行模型试验，研究地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程，与实例一相结合，可研究不同地下洞室横截面对地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程的影响。

实例四：

本实施例与前述实施例基本相同，区别在于：

在本实施例中，调整地下洞室周围土体为衬砌支护土体14，可实时对地下洞室拱顶截面半径为3.5cm，即两侧土体厚度为6倍洞半径，地下洞室纵深40cm、含衬砌支护的地下洞室开挖过程进行模型试验，研究含衬砌支护的地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程，与实例一相结合，可研究衬砌支护对地下洞室开挖过程中的洞顶沉降、破坏模式以及演化过程的影响。

实例五：

本实施例与前述实施例基本相同，区别在于：

在本实施例中，调整地下洞室模型4为实例一种模型的一半，地下洞室模型4位于左侧有机玻璃内壁，利用piv测量技术测量地下洞室模型4周围土体的位移场和应变场。可实时对半地下洞室模型4，地下洞室纵深40cm的地下洞室模型4试验装置进行模型试验，研究地下洞室渐变过程中的破坏模式以及演化过程；与实例一相结合，可研究地下洞室模型4周围土体的位移场和应变场。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。