一种地质顺层隧道模型试验装置及其测试方法与流程

本申请涉及岩土力学实验技术领域，具体而言，涉及一种地质顺层隧道模型试验装置及其测试方法。

背景技术：

目前，关于顺层偏压隧道的模型试验中，并无专门的模型试验装置进行模型的构建，通常采用钢架等约束或普通的模型装置建立模型，地层中顺层的构建较为困难，并且围岩变形往往通过预埋位移计监测装置进行监测，位移监测不直观。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种地质顺层隧道模型试验装置及其测试方法，以改善目前构建顺层隧道模型实验难度大的问题。

第一方面，本申请实施例提供地质顺层隧道模型试验装置，包括模型箱、第一配件、第二配件、隧道模拟件和插板。模型箱包括模型框和连接于模型框的底壁、顶壁、第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁，顶壁和底壁在上下方向上相对布置，第一侧壁和第二侧壁在前后方向相对布置，第三侧壁和第四侧壁在左右方向相对布置，第一侧壁和第二侧壁为透明结构并可拆卸地连接于模型框，第一侧壁上设有贯穿第一侧壁前后两侧的第一镶嵌槽，第二侧壁上设有贯穿第二侧壁前后两侧的第二镶嵌槽，第一镶嵌槽和第二镶嵌槽对齐，第一镶嵌槽和第二镶嵌槽内均从下至上安装有第二配件、隧道模拟件和第一配件。插板用于设在模型箱内，以限定出顺层所处的位置和走向。隧道模拟件上设有隧道轮廓线。

上述技术方案中，通过隧道模拟件能够模拟实际工程中隧道的开挖位置，第一配件和第二配件用于限定隧道模拟件的埋设深度。通过插板能够限定出顺层的位置和走向，便于模拟不同位置和走向的地质顺层，第一侧壁为透明结构，便于观测地质顺层变形情况。在隧道模拟件上设有隧道轮廓线，以便进行隧道模型的开挖。

另外，本申请第一方面实施例的地质顺层隧道模型试验装置还具有如下附加的技术特征：

在本申请第一方面的一些实施例中，第三侧壁上设有可上下移动的第一定位件，底壁上设有可左右移动的第二定位件，顶壁上设有可左右移动的第三定位件，第四侧壁上设有可上下移动的第四定位件；插板的两端分别定位于第一定位件和第二定位件，或插板的两端分别定位于第三定位件和第四定位件。

上述技术方案中，在模型箱内设有第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件，通过移动第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件能够改变插板与模型箱的连接位置，以使插板可位于模型箱内的不同位置且相对底壁具有不同的倾斜角，以使该地质顺层隧道模型实验装置能够模拟不同地质顺层工况，以满足多种地质顺层的模型实验需求。

在本申请第一方面的一些实施例中，地质顺层隧道模型试验装置包括多个插板，各个插板用于与模型箱连接两端的尺寸不同。

上述技术方案中，在模型箱中，要形成不同位置、不同走向和不同倾斜角度的顺层，其对应插板需要具有不同的尺寸才能满足并和模型箱连接，因此地质顺层隧道模型试验装置包括尺寸不同的多个插板，以满足模型试验需求。

在本申请第一方面的一些实施例中，第一定位件与第三侧壁滑动配合；和/或第二定位件与底壁滑动配合；和/或第三定位件与顶壁滑动配合；和/或第四定位件与第四侧壁滑动配合。

上述技术方案中，通过滑动配合的方式实现第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件的位置调整，其调整方式简单，有利于模型试验的开展。

在本申请第一方面的一些实施例中，第三侧壁上设有第一滑轨，第一定位件可移动地设于第一滑轨上；和/或底壁上设有第二滑轨，第二定位件可移动地设于第二滑轨；和/或顶壁上设有第三滑轨，第三定位件可移动地设于所述第三滑轨；和/或第四侧壁上设有第四滑轨，第四定位件可移动地设于第四滑轨。

上述技术方案中，第一滑轨、第一滑轨、第三滑轨和第四滑轨的设置不仅便于第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件的位置调整，还能保证第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件的移动路径一定，以使第一定位件、第二定位件、第三定位件和第四定位件能够更好地对插板进行定位。

在本申请第一方面的一些实施例中，第一侧壁和第二侧壁上设有与顺层的位置和走向一致的标识线。

上述技术方案中，标识线的设置便于确定地质顺层在开挖隧道前的位置，便于将开挖隧道完成后的地质顺层与开挖隧道前的地质顺层的位置和走向进行对比，并测量围岩的位移值。

在本申请第一方面的一些实施例中，第一配件为多个，各个第一配件的高度尺寸不同。

上述技术方案中，第一配件为多个，并且各个第一配件的高度尺寸不同，以使该地质顺层隧道模拟实验装置能够模拟多种埋深的地质顺层隧道。

在本申请第一方面的一些实施例中，第二配件为多个，各个第二配件的高度尺寸不同。

上述技术方案中，第二配件为多个，并且各个第二配件的高度尺寸不同，以使该地质顺层隧道模拟实验装置能够模拟多种埋深的地质顺层隧道。

在本申请第一方面的一些实施例中，隧道模拟件为多个，各个隧道模拟件的隧道轮廓线形状和/或截面尺寸不同。

上述技术方案中，各个隧道模拟件的隧道轮廓线形状和/或截面尺寸不同，以使该地质顺层隧道模拟实验装置能够进行不同形式隧道的开挖对地质顺层隧道影响的模拟试验。

第二方面，本申请实施例提供一种地质顺层隧道模型测试方法，基于第一方面实施例的地质顺层隧道模型试验装置实施，地质顺层隧道模型测试方法包括：

在第一侧壁和第二侧壁标识出和顺层位置和走向一致的标识线；

将安装有第二配件、隧道模拟件和第一配件的第一侧壁从模型框上拆下，以使模型箱具有填土口；

转动模型箱以使所述填土口朝上；

将插板的两端定位于第三侧壁和底壁，并向插板、第三侧壁和底壁之间的空间填土以形成顺层；将第一侧壁安装于模型箱；根据隧道模拟件上的隧道轮廓开挖出对应的隧道模型；测量隧道开挖后的各个顺层与对应的标识线之间的距离。

上述技术方案中，地质顺层的位置和走向清晰可见，可于透明玻璃板上绘制顺层走向刻度线，可根据隧道开挖后顺层的位置变化测定围岩深部位移，保证试验结果的可靠性。

在本申请第二方面的一些实施例中，插板为多个，各个插板用于与模型箱连接的两端之间的尺寸不同；将插板的两端定位于第三侧壁和底壁，并向插板、第三侧壁和底壁之间的空间填土以形成顺层，包括：将不同的插板的两端定位于第三侧壁和底壁的不同位置，并向插板、第三侧壁和底壁之间的空间填土以形成不同位置和走向的顺层。

上述技术方案中，不同尺寸的插板能够形成不同位置、不同走向和不同倾斜角度的地质顺层，能够对不同的地质顺层隧道进行模拟测试，以增强该地质顺层隧道模型测试方法适应性。

在本申请第二方面的一些实施例中，地质顺层隧道模型测试方法还包括：将不同的插板的两端定位于顶壁和第四侧壁的不同位置，并向插板、第三侧壁、顶壁、底壁和第四侧壁之间的空间填土以形成不同位置和走向的顺层。

上述技术方案中，将不同的插板的两端定位于底壁、第三侧壁或顶壁、第四侧壁的不同位置地质顺层模型的分布与现场分布相对应，模拟的地质环境更为真实，有利于获得更加可靠的试验数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的地质顺层隧道模型试验装置；

图2为模型箱的第一视角的示意图；

图3为模型箱的第二视角的示意图；

图4为模型箱的第三视角的示意图；

图5为插板两端被第一定位件和第二定位件定位的示意图；

图6为试验完成后的示意图。

图标：100-地质顺层隧道模型试验装置；10-模型箱；11-模型框；12-底壁；121-第二定位件；13-顶壁；14-第一侧壁；141-标识线；142-变形标识线；143-第一镶嵌槽；15-第二侧壁；16-第三侧壁；161-第一定位件；17-第四侧壁；20-第一配件；30-第二配件；40-隧道模拟件；41-隧道轮廓线；50-插板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

本申请实施例提供一种地质顺层隧道模型试验装置100，该地质顺层隧道模型试验装置100包括模型箱10、第一配件20、第二配件30、隧道模拟件40和插板50。

如图1-图5所示，在本实施例中，模型箱10包括模型框11和连接于模型框11的底壁12、顶壁13、第一侧壁14、第二侧壁15、第三侧壁16和第四侧壁17，顶壁13和底壁12在上下方向上相对布置，第一侧壁14和第二侧壁15在前后方向相对布置，第三侧壁16和第四侧壁17在左右方向相对布置，第一侧壁14和第二侧壁15为透明结构并可拆卸地连接于模型框11，透明的第一侧壁14和第二侧壁15，便于观测地质顺层的相对位移变化。

第一侧壁14上设有贯穿第一侧壁14前后两侧的第一镶嵌槽143，第二侧壁15上设有贯穿第二侧壁15前后两侧的第二镶嵌槽(图中未示出)，第一镶嵌槽143和第二镶嵌槽对齐，第一镶嵌槽143和第二镶嵌槽内均从下至上安装有第二配件30、隧道模拟件40和第一配件20。在本实施例中，第一配件20的厚度、第二配件30的厚度和隧道模拟件40的厚度与第一侧壁14和第二侧壁15的壁厚基本一致。

在本实施例中，第三侧壁16上设有可上下移动的第一定位件161，底壁12上设有可左右移动的第二定位件121，顶壁13上设有可左右移动的第三定位件(图中未示出)，第四侧壁17上设有第四定位件(图中未示出)。第一定位件161上设有沿前后方向延伸的第一插槽并贯穿第一定位件161在前后方向上的至少一端，第二定位件121上设有沿前后方向延伸的第二插槽并贯穿第二定位件121在前后方向上的至少一端，第三定位件上设有沿前后方向延伸的第三插槽并贯穿第三定位件在前后方向上的至少一端，第四定位件上设有沿前后方向延伸的第四插槽并贯穿第四定位件在前后方向上的至少一端。插板50用于设于模型箱10(具体是与第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件配合)内，以限定出顺层所处的位置和走向。

当插板50由第一定位件161和第二定位件121定位时，插板50的两端沿前后方向插入第一插槽和第二插槽，使得插板50、第三侧壁16和底壁12形成用于填土的三角区域，插板50所处的位置和延伸方向即为对应的顺层的位置和走向。

当插板50由第三定位件和第四定位件定位时，插板50的两端沿前后方向插入第三插槽和第四插槽，使得插板50、顶壁13和第四侧壁17形成用三角区域，并在该三角区域的一侧或者插板50远离三角区域的一侧填土以形成地质顺层，插板50所处的位置和延伸方向即为对应的顺层的位置和走向。

在模型箱10内设有第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件，通过移动第一定位件161、第二定位件121第三定位件和第四定位件能够改变插板50与模型箱10的连接位置，以使插板50位模型箱10内的不同位置和相对底壁12具有不同的倾斜角θ，以及使得地质顺层具有不同的厚度d，以使该地质顺层隧道模型实验装置能够模拟不同地质顺层工况，以满足多种地质顺层的模型实验需求。

在第三侧壁16上设有第一滑轨，第一定位件161可移动的地设有第一滑轨上，在底壁12上设有第二滑轨，第二定位件121可移动的地设有第二滑轨上，在顶壁13上设有第三滑轨，第三定位件可移动的地设有第三滑轨上，第四侧壁17设有第四滑轨，第四定位件可移动地设于第四滑轨上，每个定位件沿各自对应的滑轨移动能够改变定位件的位置。第一滑轨、第一滑轨、第三滑轨和第四滑轨的设置不仅便于第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件的位置调整，还能保证第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件的移动路径一定，以使第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件能够更好的对插板50进行定位。

由于第一定位件161、第二定位件121、第三定位件和第四定位件均可移动，则第一定位件161和第二定位件121之间的距离会发生改变，第三定位件和第四定位件之间的距离也会发生改变，因此，需要不同尺寸的插板50适应第一定位件161和第二定位件121、第三定位件和第四定位件之间距离的变化，才能将插板50定位。因此，地质顺层隧道模型试验装置100包括多个插板50，各个插板50的用于与模型箱10连接的两端的尺寸不同，插板50的用于与模型箱10连接的两端是指，插板50要与第一插槽和、第二插槽或者第三插槽和第四插槽配合的两端。地质顺层隧道模型试验装置100包括尺寸不同的多个插板50，以满足模型试验需求。

在本实施例中，第一侧壁14和第二侧壁15上还设有与顺层的位置和走向一致的标识线141。标识线141的设置便于确定地质顺层在隧道开挖前的位置，便于将隧道开挖完成后的地质顺层与隧道开挖前的地质顺层的位置和走向进行对比，并测量围岩的变形情况。

其中，标识线141可以通过马克笔、粉笔等可擦拭的记号笔画出，在依次模拟实验完成后能够被擦拭以便于下次实验。

隧道模拟件40上设有隧道轮廓线41，第一配件20和第二配件30分别位于隧道模拟件40的上下两侧。通过隧道模拟件40能够模拟实际工程中隧道的开挖位置，第一配件20和第二配件30用于限定隧道模拟件40的埋设深度。在隧道模拟件40的一端设有隧道轮廓线41，以便于根据隧道轮廓线开挖模拟隧道。

实际工程中，不同地形的隧道埋深不同。因此在模拟实验中，为了能够模拟不同埋深的隧道，第一配件20为多个，各个第一配件20的高度尺寸h1不同。第二配件30为多个，各个第二配件30的高度尺寸h2不同。各个第一配件20和第二配件30的高度尺寸不同，能够模拟不同埋深的隧道，以使该地质顺层隧道模拟实验装置能够模拟多种埋深隧道的地质顺层。

选用不同尺寸的第一配件20和第二配件30，使得第一配件20、隧道模拟件40和第二配件30的高度之和改变，不同高度尺寸的第一配件20使得隧道模拟件40的上下方向的位置不同，以便能够模拟在不同埋深隧道开挖对地质顺层的影响。

在本实施例中，隧道模拟件40为多个，各个隧道模拟件40的隧道轮廓线41形状和/或截面尺寸不同，以使该地质顺层隧道模拟实验装置能够进行开挖不同形式的隧道对地质顺层的影响的模拟试验。

基于此，本申请实施例还提供一种地质顺层隧道模型测试方法，基于上述实施例的地质顺层隧道模型试验装置100实施，地质顺层隧道模型测试方法包括：在第一侧壁14和第二侧壁15上标识出和顺层位置和走向一致的标识线141；将安装有第二配件30、隧道模拟件40和第一配件20的第一侧壁14从模型框11上拆下，以使模型箱10具有填土口；转动模型箱10以使所述填土口朝上；将插板50的两端定位于第三侧壁16和底壁12，并向插板50、第三侧壁16和底壁12之间的空间填土以形成顺层；将第一侧壁14安装于模型箱10；根据隧道模拟件40上的隧道轮廓线41开挖出对应的隧道模型；测量隧道开挖后的各个顺层与顺层对应的标识线141之间的距离。

如图6所示，为了方边对比测量隧道开前后地质顺层的位置和走向变化差异，可于透明的第一侧壁14上也绘制标识开挖后的各个顺层的变形标识线142，这样能够将第一侧壁14从模型箱10上取下测量，便于试验的开展。

进一步地，插板50为多个，各个插板50的用于与模型箱10连接的两端之间的尺寸不同；将插板50的两端定位于第三侧壁16和底壁12，并向插板50、第三侧壁16和底壁12之间的空间填土以形成顺层，包括：将不同的插板50的两端定位于第三侧壁16和底壁12的不同位置，并向插板50、第三侧壁16和底壁12之间的空间填土以形成不同位置和走向的顺层。不同尺寸的插板50能够形成不同位置、不同走向和不同倾斜角度的地质顺层，能够对不同的地质顺层进行模拟测试，以增强该地质顺层隧道模型测试方法适应性。

为了让地质顺层在第一配件20、第二配件30和隧道模拟件40的四周填充满整个模型箱10，地质顺层隧道模型测试方法还包括：将不同的插板50的两端定位于顶壁13和第四侧壁17的不同位置，并向插板50、第三侧壁16、顶壁13、底壁12和第四侧壁17之间的空间填土以形成不同位置和走向的顺层。将不同的插板50的两端定位于底壁12和第三侧壁16，或者插板50的两端定位于顶壁13和第四侧壁17的不同位置，使地质顺层模型的分布与现场分布相对应，模拟的地质环境更为真实，有利于获得更加可靠的试验数据。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。