一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法与流程

本发明属于土木工程模型试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法。

背景技术：

隧道工程是如今土木工程领域中较为重要的一个发展方向。在当今隧道断面不断加大，埋深不断增加的背景下，开展隧道模型试验对隧道建设技术的发展有着重大的影响。荷载作用规律的研究是隧道工程设计中的重要部分，如何准确测量出隧道开挖后形成的拱轴线是研究荷载作用的重要问题。

早在1884年，英国科学家roberts首次发现了“粮仓效应”，即：粮仓底面所承受的力在粮食堆积到一定程度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的土拱效应。1943年，太沙基通过著名的“活动门”试验证实了土力学领域土拱效应的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础上，得出了土拱效应存在的条件。

隧道开挖后，围岩作用于隧道支护结构上的荷载称为围岩压力，它是隧道支护结构的主要荷载来源。在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。由于土拱效应的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布。在试验中准确测量出拱轴线对土体“拱效应”的研究具有至关重要的作用，合理利用土拱效应可以使土体应力重分布向工程有利的方向发展，充分利用土体自身的抗变形能力。

然而，目前仅仅是停留在对土拱效应的宏观观测上，大多都是通过肉眼观测到“土拱效应”的存在而不对其拱轴线进行精确的测量，不能较好的反映出“土拱效应”的内在规律，不能研究“土拱效应”对隧道所受荷载的影响。并且，大部分试验装置均是观测平面上的“土拱效应”，仅是一种平面应变问题，而对于空间状态下的“土拱效应”鲜有研究。

技术实现要素：

本发明提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法，能够对空间状态下的“土拱效应”的拱轴线进行精确测量，从而能够研究空间状态下的“土拱效应”，其技术方案如下：

一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，包括：箱体、隧道模型、支承装置和三维扫描仪；所述箱体的底部设有矩形开槽；所述隧道模型封堵在所述矩形开槽处，且底部与所述支承装置相抵，所述隧道模型与所述箱体构成承载土体的空间；移动所述隧道模型时，所述土体由所述矩形开槽处塌落；所述支承装置在所述隧道模型的下方与所述隧道模型相抵，用于支撑所述隧道模型；所述三维扫描仪位于所述箱体的下方，用于测量模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述支承装置包括底座和滚轴；所述滚轴安装在底座上，所述滚轴与所述底座可转动的连接。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述滚轴为多个，沿所述矩形开槽的长度方向均匀分布，所述滚轴的轴线与所述矩形开槽的长度方向呈垂直设置。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述滚轴的圆周面上设有橡胶层。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：还包括：拉拽装置，所述拉拽装置与所述隧道模型相连，用于拉拽所述隧道模型。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述拉拽装置为液压缸、气缸、直线电机、丝杠传动装置、绳索、手柄的任一种。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述拉拽装置包括连轴、连杆、拉杆和扳杆；所述连轴位于所述隧道模型内，并与所述隧道模型固定连接；所述连杆位于所述隧道模型内，一端并与所述连轴固定连接；所述拉杆位于所述隧道模型外侧，所述拉杆的一端并与所述连杆的另一端相连，所述拉杆的另一端与所述扳杆相连。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述箱体包括依次相连的前板、左板、后板、右板，以及分别与所述前板、所述左板、所述后板、所述右板相连的底板，所述矩形开槽位于所述底板的中部。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述箱体的材质为透明有机玻璃。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述底板包括第一底板和第二底板，所述第一底板和/或所述第二底板可滑动的设置在所述前板、所述左板、所述后板、所述右板的下方。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述隧道模型的轴线与所述底板的上表面位于同一平面。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述隧道模型的材质为光滑亚克力材质。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述三维扫描仪的镜头位于所述矩形开槽的对称中心的正下方。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述三维扫描仪为激光三维扫描仪。

一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，所述模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法基于所述模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统实现，包括：

步骤一：将所述隧道模型置于所述矩形开槽处，并采用所述支承装置在所述隧道模型的底部支撑所述隧道模型，使所述隧道模型完全封堵所述矩形开槽；

步骤二：向所述箱体与所述隧道模型构成的承载土体的空间内填充土体，完成土体填充后静置；

步骤三：打开所述三维扫描仪，使所述隧道模型缓慢脱离所述箱体，直至所述隧道模型与所述箱体完全脱离；

步骤四：将所述三维扫描仪的测量结果输出为cad图，得到不同试验阶段空间土拱效应的拱轴线。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤一中，放置所述隧道模型时，使所述隧道模型的轴线与所述箱体的底板上表面位于同一平面。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤二中，分层填充不同种类不同参数的土体，每填充完一层后整平，静置不小于1小时后再填充下一层，完成所有土体填充后静置24小时至36小时。

如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤三中，所述隧道模型缓慢脱离所述箱体时，若土体不稳定则需停止所述隧道模型的移动，直至土体稳定时再次移动所述隧道模型。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

本发明能够对空间状态的土拱效应的拱轴线进行精确自动化测量，解决现有试验中难以对空间土拱效应的拱轴线进行精确测量的技术难题，从而能够较好的反映出土拱效应的内在规律，掌握土拱效应对盾构隧道施工的影响。

附图说明

图1为本发明的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统的结构示意图。

图2为在设有三维扫描仪的位置垂直于隧道模型的轴线方向剖切时的剖视图。

图3为隧道模型的连接关系示意图。

图中：1-隧道模型；2-连杆；3-连轴；4-滚轴；5-箱体；6-底座；7-三维扫描仪；8-拉杆；9-扳杆。

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做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。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

请参考图1至图3，图1为本发明的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统的结构示意图；图2为在设有三维扫描仪的位置垂直于隧道模型的轴线方向剖切时的剖视图；图3为隧道模型的连接关系示意图。其中，在图2中，下面的(内部的)半圆形表示隧道模型的外径，半圆形上方不规则的弧形为土拱效应形成的土体表面的轮廓，半圆形和半圆形上方不规则弧形两者之间空缺的部分即为土体塌落的体积。

如图1和图2所示，本发明提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，主要包括箱体5、隧道模型1、支承装置和三维扫描仪7。箱体5的底部设有矩形开槽，隧道模型1封堵在矩形开槽处，且底部与支承装置相抵，隧道模型1与箱体5构成承载土体的空间，移动隧道模型1时，土体由矩形开槽处塌落。支承装置在隧道模型1的下方与隧道模型1相抵，起到支撑隧道模型1的作用。三维扫描仪7位于箱体5的下方，用于测量模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。

具体而言，本发明的隧道模型1封堵在箱体5的矩形开槽处，起初能够将矩形开槽完全封堵住，从而能够形成一个用来承载土体的空间。支承装置位于隧道模型1的下方，与隧道模型1相抵，能够支撑隧道模型1，三维扫描仪7位于隧道模型1的下方，能够扫描记录因隧道模型1移动而引起的土体外形结构的变化。随着隧道模型1沿矩形开槽的长度方向(矩形开槽的长度方向与隧道模型1的轴线平行，矩形开槽的宽度方向与隧道模型1的轴线方向垂直)逐渐脱离，隧道模型1与矩形开槽在矩形开槽的宽度方向产生缝隙，随着缝隙的加大，隧道模型1上方的土体逐渐从缝隙处塌落，从而能够模拟盾构隧道施工的过程。在此期间，三维扫描仪7能够扫描记录隧道模型1上方的土体的外轮廓，从而能够测量出模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。本发明能够对空间状态的土拱效应的拱轴线进行精确自动化测量，从而能够较好的反映出土拱效应的内在规律，掌握土拱效应对盾构隧道施工的影响。

进一步的，为了便于隧道模型1的滑动，如图1和图3所示，本发明的支承装置包括底座6和滚轴4。底座6为没有顶面的空腔结构，呈长方体型，滚轴4安装在底座6的左右两个侧壁上，滚轴4与底座6可转动的连接。在试验时，将箱体5放置在底座6上，此时隧道模型1能恰好位于滚轴4上，采用滚轴4支撑隧道模型1，能够减小隧道模型1脱离箱体5时受到的阻力，便于隧道模型1的平稳滑动。作为优选，底座6的左右两个侧壁上各开设有三个用于安装滚轴4的孔洞，滚轴4数量为三个，沿矩形开槽的长度方向均匀分布，滚轴4的轴线与矩形开槽的长度方向呈垂直设置，从而能够在隧道模型1的整个脱离过程中支撑隧道模型1的平稳脱离，使得试验更接近于真实状态。

进一步的，为了确保隧道模型1滑动时的平稳性，如图3所示，在本发明中，滚轴4的圆周面上设有橡胶层，能够增大隧道模型1与滚轴4之间的滚动摩擦的摩擦阻力，防止滚轴4在隧道模型1上打滑，确保隧道模型1平稳滑动。在安装橡胶层时，可以在整个滚轴4的圆周面上安装一层橡胶层，也可在与隧道模型1接触的滚轴4的圆周表面处安装一层橡胶圈作为橡胶层。

进一步的，为了便于对隧道模型1的滑动施加作用力，如图1和图3所示，本发明还包括拉拽装置，拉拽装置与隧道模型1相连，能够拉拽隧道模型1，从而使隧道模型1缓慢脱离箱体5。在方案选择上，拉拽装置可以为液压缸、气缸、直线电机等自动施力装置，对隧道模型1施加作用力；拉拽装置也可以为丝杠传动装置，在隧道模型1上设置滚珠，选取箱体5或底座6作为丝杆的支撑点，通过摇动丝杆使隧道模型1缓慢滑动；拉拽装置还可以绳索、手柄等用于提供外力施加作用点的装置，通过手动拉拽实现隧道模型1的缓慢滑动。

进一步的，作为优选方案，本发明的拉拽装置包括连轴3、连杆2、拉杆8和扳杆9。连轴3位于隧道模型1内，并与隧道模型1通过螺栓连接的方式固定连接。连杆2位于隧道模型1内，一端与连轴3通过螺栓连接的方式固定连接，另一端与拉杆8相连，连杆2内部中空，并在内部带有螺纹。拉杆8位于隧道模型1外侧，并在表面带有螺纹，拉杆8一端连接连杆2、另一端与扳杆9相连，转动扳杆9后，拉杆8也随之转动，此时拉杆8外表面螺纹与连杆2内部螺纹紧密结合，即可使连杆2缓慢平动，连杆2另一端连接了与隧道模型1连接的连轴3。连轴3带着隧道模型1同时移出。这样的好处是能够更加平稳缓慢的将隧道模型从土体中移出。

进一步的，在本发明的实施方案中，还可以在拉杆8的圆周面外侧设有支架(未示出)，支架固定在地面或底座6上，与箱体5保持相对静止，支架在与拉杆8相接处通过轴承实现连接，从而能够保证拉杆8在运行时只转动而不平动，进而能够通过转动扳杆9带动拉杆8转动，以将隧道模型1从土体中缓慢移出。作为另一种实施方案，在实施时也可不设置支架，但此时需要保证拉杆8在旋转时不发生平动，即：在转动扳杆9时需要对扳杆9施加一个拉力，拉力沿拉杆8的轴线方向且指向背离拉杆8的一侧。

进一步的，如图1所示，在本发明中，箱体5包括依次相连的前板、左板、后板、右板，以及分别与前板、左板、后板、右板相连的底板。五块板构成一个没有顶的长方体型腔体。矩形开槽位于底板的中部，矩形开槽的长度方向与前板的表面垂直。前板上设有与隧道模型1的圆周面外轮廓相贴合的孔。为了便于试验操作以及便于直观观测土拱效应，本发明的箱体5的材质为透明有机玻璃材质，前板、左板、后板、右板、底板均采用透明亚克力板制成。

进一步的，如图1所示，在本发明中，底板包括第一底板和第二底板，第一底板和/或第二底板可滑动的设置在前板、左板、后板、右板的下方，从而能够调节两者之间的矩形开槽的宽度，以适应不同直径的隧道模型1，从而扩大本发明的使用范围。具体的，前板、左板、后板、右板的底部均设有卡槽，第一底板和第二底板安装在卡槽内，可沿卡槽滑动。

进一步的，为了减小侧向土拱效应产生的影响，如图1和图2所示，在本发明中，隧道模型1的轴线与底板的上表面位于同一平面，在试验时隧道模型1仅上半区域承受土体(试验时对隧道模型1上半区域进行密实的砂土填筑)，从而能够模拟盾构隧道施工时土体在竖直方向的土拱效应对盾构隧道的影响。作为优选，隧道模型1的材质为光滑的亚克力材质，能够减小隧道模型1与上覆土体之间的摩擦，便于隧道模型1的脱离。

进一步的，为了便于模拟盾构隧道的开挖过程，在本发明中，按照实际工况考虑相似模型试验的相似比确定箱体5的外形尺寸，能够减小边界效应对试验结果的影响。箱体5的外形尺寸长宽高为1.0m×0.8m×1.0m，前板、左板、后板、右板、底板厚度均不小于0.1m。底座6的外形尺寸长宽高为1.0m×0.8m×0.3m，隧道模型1的外形尺寸为半径0.1m，长度0.6m。在试验中隧道模型1一开始应放置在矩形开槽内(第一底板和第二底板之间)，再进行填土。后板上不开设与隧道模型1配合的孔，而前板上需要开设与隧道模型1配合的孔，以便隧道模型1旋出。

进一步的，为了提高对空间土拱效应形成的拱轴线的测量精度，如图2所示，本发明的三维扫描仪7的镜头位于矩形开槽的对称中心的正下方。作为优选，三维扫描仪7为激光三维扫描仪，操作简单，测量精度高，并且能够直接将测量数据导入cad中进行分析处理。

同时，如图1至图3所示，本发明还提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法基于模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统实现，步骤包括：

步骤一：将隧道模型1置于矩形开槽处，并采用支承装置在隧道模型1的底部支撑隧道模型1，使隧道模型1完全封堵矩形开槽。

其中，放置隧道模型1时，使隧道模型1的轴线与箱体5的底板上表面位于同一平面，能够减小侧向土拱效应产生的影响，从而模拟盾构隧道施工时土体在竖直方向的土拱效应对盾构隧道的影响。

步骤二：向箱体5与隧道模型1构成的承载土体的空间内填充土体，完成土体填充后静置。

其中，填充土体时，可以填充一种参数的土体，也可以分层填充不同种类不同参数的土体，以模拟不同土体情况下拱轴线的变化情况。在分层填充不同种类不同参数的土体时，每层填土需密实，每填充完一层后便对填充的该层进行整平处理，然后静置不小于1小时，这样可以使土体填装更加密实，且更接近实际工况，有利于土体产生“拱效应”。静置一段时间后再填充下一层，以此累加，直至完成所有土体的填充，完成所有土体填充后静置24小时至36小时。完成后，即建立了模拟盾构隧道未开挖时的模型。

步骤三：打开三维扫描仪7，使隧道模型1缓慢脱离箱体5，直至隧道模型1与箱体5完全脱离。

其中，在隧道模型1缓慢脱离箱体5的过程中会伴随着部分土体的塌落，此时需密切注意箱体5中土体的状态，若土体不稳定则需停止隧道模型1的移动，直至土体稳定时再次移动隧道模型1。判断土体不稳定的依据为：箱体5内的土体持续掉落时间超过30秒，并且在10秒内掉落速度没有变缓的趋势。

步骤四：将三维扫描仪7的测量结果输出为cad图，得到不同试验阶段空间土拱效应的拱轴线。

其中，三维扫描仪7优选激光三维扫描仪，以此实现非接触测量，测量完成后将三维扫描仪7接入电脑，读取三维扫描仪7的测量数据并导入cad中，能够得到不同试验阶段空间土拱效应的拱轴线。

综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

本发明能够对空间状态的土拱效应的拱轴线进行精确自动化测量，解决现有试验中难以对空间土拱效应的拱轴线进行精确测量的技术难题，从而能够较好的反映出土拱效应的内在规律，掌握土拱效应对盾构隧道施工的影响。

同时，本发明采用激光三维扫描仪7测量拱轴线，操作简单，测量精度高；箱体5为透明有机玻璃材质(亚克力材质)，便于试验操作以及便于直观观测土拱效应；隧道模型1采用光滑亚克力材质，能够减小土体带来的阻力；采用多个滚轴4支撑隧道模型1，滚轴4的圆周面上设有橡胶层，能够保证隧道模型1的平稳脱离，使得试验更接近于真实状态；在建立模型时，将隧道模型1的轴线与底板的上表面置于同一平面，能够减小侧向土拱效应产生的影响；填装土体时，可以分层填充不同种类不同参数的土体以模拟不同土体情况下拱轴线的变化情况；试验时，通过拉拽装置牵引隧道模型1缓慢脱离箱体5，能够使得隧道模型1平稳滑动，不会对土体产生较大扰动。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。