一种矩形大断面管幕暗挖法模拟装置的制作方法

本实用新型属于浅埋大跨度地下空间预支护领域，特别涉及一种矩形大断面管幕暗挖法模拟装置。

背景技术：

管幕暗挖法是一种地下工程暗挖技术，是在小型管幕的基础上构筑大跨度、大断面地下工程的施工方法。它以管幕顶进为基础，利用微型顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，各管幕间依靠锁扣在管侧面相接形成管排，管排顶进完成后形成管幕。由于管幕刚度大，再配合相应的竖向临时支撑，沿管幕顶进方向采用边开挖边支撑的施工工艺，能很好的限制地下空间开挖过程中土体的变形，具有施工速度快、支护效果好、一次超前量较大、支护过程中搭接较少、节省材料、经济和社会效益明显等特点，因此管幕暗挖法已经广泛应用于穿越铁路、机场联络通道、高速公路、穿越繁忙的街道、建筑密集或者保护要求严格的大跨度大断面地下通道等特殊条件下的地下工程中。

目前，关于矩形大断面大跨度管幕暗挖法土体开挖力学分析的主要研究方法有现场试验法、数值模拟法和模型试验法。现场试验法虽然具有直接、可靠的优点，但缺点也很显著，包括试验费用和开支较大、不可重复、费时费工，试验周期较长、占地面积较大等。数值模拟的方法虽然理论基础成熟、试验时间短、费用低，但是对于截面形状特殊、结构复杂的管幕进行单元体划分难度较大，并且接触面较多容易导致计算不收敛。模型试验法通过保持与原型的物理现象本质不变，改变物理量的大小和比例，可以严格地控制实验对象的主要参数，有利于在复杂的实验过程中集中突出主要矛盾，减少了试验所需的费用，能够预测一些尚未出现的物理力学特性，并且模型试验是建立数学模型所需的重要手段，也是检验和验证所建立的理论正确与否、数学模型结果是否正确的极为重要的方法之一。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种矩形大断面管幕暗挖法模拟装置，有效的克服了现有技术的缺陷。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

提供一种矩形大断面管幕暗挖法模拟装置，包括界面、管幕模型和竖向临时支撑，上述界面为顶部敞口的长方体形箱体结构，其侧壁和底壁由透明的玻璃板拼装组成，上述界面内装满模型土体，上述管幕模型水平埋设于上述模型土体内的上部，上述模型土体位于上述管幕模型下方的部分沿上述界面的长边分为多段虚拟的待挖土体，上述竖向临时支撑用于在每段待挖土体挖出后支撑于该区域的上述管幕模型下端与界面底壁之间，上述管幕模型的上表面设有用于测量上述管幕模型在待挖土体开挖时受力及变形量的检测组件，上述模型土体上方设有用于检测其沉降信息的检测器。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，上述界面的任意一侧长边所对应的侧壁对应上述待挖土体的区域由多块沿上述界面长度方向拼接的玻璃板组成。

进一步，上述界面的底壁上铺设有支撑板。

进一步，上述竖向临时支撑包括支撑梁和多根伸缩杆，上述支撑梁沿上述界面的宽度方向水平设置，多根上述伸缩杆间隔装配于上述支撑梁的下端，并沿上述界面的宽度方向排成一排，上述支撑梁用于与上述管幕模型的下端相抵，上述伸缩杆的下端用于与上述支撑板可拆卸连接。

进一步，上述伸缩杆包括分别竖直设置的套管和连杆，上述套管为圆管，其上端管口内壁设有内螺纹，并与贯穿上述支撑梁的螺栓螺纹连接，上述连杆上端自下而上伸入上述套管内，其下端与贯穿上述支撑板的螺栓螺纹连接，上述套管侧壁螺纹连接有横向贯穿其的预紧螺栓，上述预紧螺栓的丝端与上述连杆外周相抵。

进一步，上述管幕模型由多根沿界面长度方向延伸的单管组成，多根上述单管沿界面的宽度方向铺设，相邻两根上述单管之间通过连接组件可拆卸连接，多根上述单管的两端通过夹板连接固定住。

进一步，上述连接组件包括多对相互一一对应的管幕锁扣和管幕锁座，多对上述管幕锁扣和管幕锁座分别上下间隔的设置于相邻两个上述套管相互靠近的一侧外壁上，并相互可拆卸连接配合。

进一步，上述检测组件包括均匀布置于上述管幕模型上表面的多个土压力盒以及多个应变片。

进一步，上述检测器为百分表，上述百分表设有多个，并均匀布置于上述模型土体的上方，上述百分表的表头均朝下，并与模型土体的上表面对应设置的薄片接触。

本实用新型的有益效果是：设计合理，可对不同工况矩形大断面大跨度管幕模型暗挖法进行模型试验研究，不仅解决了现有的模型装置难以对施工过程进行精确模拟的问题，也能为实际管幕模型使用及设计提供更好的理论指导。

附图说明

图1为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置的结构示意图；

图2为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置的结构示意图在开挖前各部件配合的结构示意图；

图3为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置在使用时第一段土体开挖后且竖向临时支撑未支撑的结构示意图；

图4为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置在使用时第一段土体开挖后且竖向临时支撑顶起支撑后的结构示意图；

图5为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置在使用时第二段土体开挖后且竖向临时支撑顶起支撑后的结构示意图；

图6为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置在使用时土体全部开挖后且竖向临时支撑顶起支撑后的结构示意图；

图7为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置中竖向临时支撑的结构示意图；

图8为本实用新型的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置中管幕各单管之间相互连接的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、界面，2、管幕模型，3、竖向临时支撑，4、模型土体，5、检测器，6、夹板，11、支撑板，21、单管，31、支撑梁，32、伸缩杆，33、连接组件，321、套管，322、连杆，331、管幕锁扣，332、管幕锁座。

具体实施方式

以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例：如图1和2所示，本实施例的矩形大断面管幕暗挖法模拟装置包括界面1、管幕模型2和竖向临时支撑3，上述界面1为顶部敞口的长方体形箱体结构，其侧壁和底壁由透明的玻璃板拼装组成，上述界面1内装满模型土体4，上述管幕模型2水平埋设于上述模型土体内的上部，上述模型土体4位于上述管幕模型2下方的部分沿上述界面1的长边分为多段虚拟的待挖土体，上述竖向临时支撑3用于在每段待挖土体挖出后支撑于该区域的上述管幕模型2下端与界面1底壁之间，上述管幕模型2的上表面设有用于测量上述管幕模型2在待挖土体开挖时受力及变形量的检测组件，上述模型土体4上方设有用于检测其沉降信息的检测器5。

优选的，上述管幕模型2由多根沿界面1长度方向延伸的单管21组成，多根上述单管21沿界面1的宽度方向铺设，相邻两根上述单管21之间通过连接组件33可拆卸连接，多根上述单管21的两端通过夹板6连接固定住。

上述管幕模型2带接头，其为树脂材料，采用3d打印装置制作，管幕模型2的两端(对应界面的两端宽边)通过定位夹板固定。

在开挖土体时，每段开挖后需通过竖向临时支撑3支撑后再开挖另一段土体。

优选的，上述检测组件包括均匀布置于上述管幕模型2上表面的多个土压力盒以及多个电阻式应变片。

优选的，上述检测器5为百分表，上述百分表设有多个，并均匀布置于上述模型土体4的上方，上述百分表的表头均朝下，并与模型土体4的上表面对应设置的薄片接触。

优选的，作为一种优选的实施方式，上述界面1的任意一侧长边所对应的侧壁对应上述待挖土体的区域由多块沿上述界面长度方向拼接的可拆卸的玻璃板组成。

安装及试验步骤如下：

步骤一：安装玻璃板(有机玻璃板)拼装的界面1，具体的，根据相似原理设计不同尺寸的实验装置，按照该尺寸选择有机玻璃板，在装置前侧面的下部开设多个用于安装可拆卸有机玻璃板的开口(即就是对应每段待挖土体的区域)，并在上述开口内安装多个可拆卸有机玻璃板。

步骤二：制作管幕模型2，具体的，根据相似原理确定管幕模型2的尺寸，采用3d打印装置制作带接头的管幕模型2，将电阻式应变片用502胶粘贴到干燥洁净的管幕模型2表面，为消除误差应在管幕模型2两侧同一截面对称布置两个应变片，用应变片专用红黑并排线将应变片接入应变采集装置，将(微型)土压力盒粘贴在管幕模型2的上侧，土压力感应面朝上，再把土压力盒接入土压力采集装置。

步骤三：安装竖向临时支撑3，初始状态时，竖向临时支撑3不与管幕模型2接触，即就是不支撑管幕模型2。

步骤三：安装管幕模型2与模型土体4，首先将管幕模型2中的各单管21通过连接组件33拼接形成整体结构。按照设计高度，当模型土体4达到管幕模型2安装的预定高度时，开始安装拼接好的管幕模型2，并将管幕模型2两端通过夹板6等固定件固定住，然后继续填筑管幕模型2上方的模型土体4至设计高度。

步骤四：安装百分表5，百分表5置于吸附在界面1上方的磁力表座内，在模型土体5沉降测量点放置面积较小的薄玻璃片，百分表5底部的测量触点顶在小薄玻璃片上，用于测量地面沉降变形。测量地表沉降的监测点共两组，每组5个，沿着管幕模型2长度方向布置。

步骤五：开挖第一段待挖土体。拆下该段土体对应的可拆卸玻璃板，待整个模型土体4稳定后，读取百分表5及测量仪器的初始读数。使用小型的土工铲手动慢慢地开挖第一段土体，挖到第一道竖向临时支撑3处停止开挖，记录此时百分表5及测量仪器的读数。

步骤六：开挖第二段待挖土体。暂停操作等待5分钟后提升第一道竖向临时支撑3与管幕模型2装配支撑好，并固定住。拆下第二段土体对应的可拆卸玻璃板，使用小型的土工铲手动慢慢地开挖第二段土体，挖到第二道竖向临时支撑3处停止开挖，记录此时百分表5及测量仪器的读数。

步骤七：重复步骤六的操作，依次开挖第三段、第四段、第五段、第六段土体，并记录每段开挖后百分表5及测量仪器的读数，直到本次实验结束。

本实施例的装置能对矩形大断面大跨度管幕暗挖法施工过程，能够精细化模拟管幕预支护以及竖向临时支撑作用下边开挖边支撑的施工过程，能够精确模拟管幕和地表在施工过程中的受力、变形以及沉降；上述装置的有机玻璃板围成的边界能够直观地观察土体的位移以及管幕的挠曲变形情况；通过调整竖向临时支撑的数量和间距、管幕上覆土体的高度以及管幕的尺寸，可以模拟不用条件下的工况，因此上述装置可用于不同工况矩形大断面管幕暗挖法的试验，结构简单，组装灵活、操作简单，更能实际管幕使用及设计提供更好的理论指导。

作为一种优选的实施方式，上述界面1的底壁上铺设有支撑板11。

该实施方式中，支撑板11能起到很好的支撑受力作用，并且方便装配竖向临时支撑3。

作为一种优选的实施方式，上述竖向临时支撑3包括支撑梁31和多根伸缩杆32，上述支撑梁31沿上述界面1的宽度方向水平设置，多根上述伸缩杆32间隔装配于上述支撑梁31的下端，并沿上述界面1的宽度方向排成一排，上述支撑梁31用于与上述管幕模型2的下端相抵，上述伸缩杆32的下端用于与上述支撑板11可拆卸连接。

该实施方式中，伸缩杆32一般设有三根，在初始状态(未开挖前)，伸缩杆32处于收缩状态，即就是支撑梁31收缩于管幕模型2下方，不与其下端接触，不起到支撑作用，每段开挖后，将对于区域的伸缩杆32向上伸长，并使支撑梁31支撑于管幕模型2下端。

作为一种优选的实施方式，上述伸缩杆32包括分别竖直设置的套管321和连杆322，上述套管321为圆管，其上端管口内壁设有内螺纹，并与贯穿上述支撑梁31的螺栓螺纹连接，上述连杆322上端自下而上伸入上述套管321内，其下端与贯穿上述支撑板11的螺栓螺纹连接，上述套管321侧壁螺纹连接有横向贯穿其的预紧螺栓，上述预紧螺栓的丝端与上述连杆322外周相抵。

该实施方式中，使用时，拧松预紧螺栓，即可调整套管321相对于连杆322的高度，调整合适后，拧紧预紧螺栓定位固定即可，伸缩杆32结构简单，易于与支撑梁31以及支撑板11装配连接，且操作简单、快捷。

作为一种优选的实施方式，上述连接组件33包括多对相互一一对应的管幕锁扣331和管幕锁座332，多对上述管幕锁扣331和管幕锁座332分别上下间隔的设置于相邻两个上述套管321相互靠近的一侧外壁上，并相互可拆卸连接配合。

该实施方式中，具体公开了连接组件33的结构细节，管幕锁扣331的横截面为t形，管幕锁座332为上下贯通的槽型，在靠近接插件331的一侧开有上下贯通的缺口，接插件331中部穿过该缺口，使得接插件331和管幕锁座332在水平面内连为一体。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。