一种长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置

1.本发明涉及隧道施工试验技术领域，具体涉及一种可长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置。


背景技术：

2.本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.在隧道修建过程中，不可避免地遭遇大量富水软岩地层，其除具有岩石强度低、岩体破碎、围岩赋存环境差、突水突泥现象严重等特点外，另一个显著特点便是具有极强的流变性。大量工程实践表明，深埋富水软弱围岩隧道的大变形失稳往往不是立即发生，而具有一定时间效应，即需要经过一段时间的变形发展。目前主要的研究方法是现场监测、数值模拟和模型试验，由于岩土体自身复杂的应力应变关系和工程中多变的地层条件,模型试验通过相似比模拟实际工程地层条件,成为研究隧道开挖过程中应力场变化规律和位移变化规律的重要手段。在模型试验中，为研究隧道施工时空效应，需引入时间相似比。目前关于隧道开挖的模型试验箱越来越多，功能越来越完善，但大部分加载往往采用液压千斤顶等方式，受设备等影响，往往无法进行长期加载，且未考虑水力耦合条件。
发明内容
4.本发明的目的在于提供一种长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置，以解决现有隧道施工模拟装置无法在考虑水力耦合的条件下长期加载的问题。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置，其包括模型加载箱体、填土挤压装置以及水压可调节的供水箱；模型加载箱体用于注入模拟岩土体的填土，模型加载箱体的顶部可拆卸连接有盖板，模型加载箱体设有横向设置的隧道模型；模型加载箱体的两端分别设有填土挤压装置，填土挤压装置包括驱动装置以及设有压力检测件的挤压板，挤压板滑动设置在模型加载箱体中并靠近隧道模型的两侧，挤压板与模型加载箱体的内壁密封配合，两个挤压板之间形成填土加载腔室。供水箱通过第一进水管与填土加载腔室连通。
7.采用上述技术方案的有益效果为：根据试验要求配置相应比例填土并将填土逐渐加至模型加载箱体中，当填土充填满模型加载箱体后，供水箱通过第一进水管向填土加载腔室注水，待填土中的水压稳定，填土不易散开时挖出隧道模型，驱动装置推动挤压板从而进行加载模拟水平应力场，记录压力检测件检测数据完成试验。
8.本技术方案通过在模型加载箱体中设置可以移动的挤压板，使得加载过程可调整，也即改变不同的应力条件，通过供水箱供水实现长期加载，并且通过挖出不同断面的隧道模型可以模拟不同隧道断面经过一段时间后的变形，从而实现长期三维均匀加载，达到
便捷模拟隧道现场施工时空效应的功能。
9.进一步地，供水箱的顶部设有可拆卸的密封盖，供水箱连接有高度调整装置，高度调整装置包括三脚架、牵拉绳以及设置三脚架顶端的定滑轮，牵拉绳的一端与密封盖的四角连接，牵拉绳的另一端绕过定滑轮并与外部力施加源连接。
10.采用上述技术方案的有益效果为：外部力施加源拉动牵引绳，供水箱的高度逐渐升高，供水箱高度升高的同时，供水箱流入到模型加载箱体中的水压也越大。本技术方案通过高度调整装置改变供水箱的高度从而调整水压，进而模拟不同水压下隧道模型的渗流情况，并且通过供水箱可以向模型加载箱体中持续注水，从而实现长期三维加载。
11.进一步地，供水箱设有竖直设置的水位监测器，水位监测器的一端伸入到供水箱中，水位监测器的另一端伸出密封盖；供水箱远离第一进水管的一侧设有第二进水管和第二出水管，并且第二进水管和第二出水管上分别设有第二阀门。
12.进一步地，模型加载箱体的两侧分别设有通孔，通孔处分别可拆卸连接有隧道断面板，隧道断面板分别设有断面孔洞，并且两个断面孔洞之间相互连通形成隧道模型。
13.采用上述技术方案的有益效为：将填土填入到模型加载箱体中后，注入一定的水，待填土中的水压稳定后，根据试验所需的隧道断面，开设断面孔洞的大小，并根据断面孔洞的大小挖出隧道模型，直至两个断面孔洞连通后停挖。本发明可以根据试验需求开设不同大小的断面孔洞，从而实现对不同隧道断面的长期加载，大大提高了装置的使用灵活性。
14.进一步地，模型加载箱体的两端内壁分别嵌设有密封圈，挤压板的滑动范围小于密封圈的宽度。
15.进一步地，挤压板的顶部和底部分别设有可拆卸连接的固定组件，固定组件为两根相互平行设置的固定杆，两根固定杆分别设置在挤压板的两侧，并且固定杆的两端分别伸出模型加载箱体。
16.采用上述技术方案的有益效果为：填土未填入到模型加载箱体前，需要先将挤压板安装在模型加载箱体中，在安装时，固定杆的两端分别伸出模型加载箱体，再将挤压板放置在两个固定杆之间，当挤压板与驱动件连接后，需要填填土前，将固定杆取出。由于挤压板在试验过程中不仅要进行移动，还要求与模型加载箱体之间密封连接，因此挤压板的安装尤为重要，设置固定组件可以确保挤压板安装时不发生偏斜，既能确保挤压板的密封性又能减少位移时的偏差。
17.进一步地，驱动装置为活塞缸，或者驱动装置为直线电机。
18.进一步地，驱动装置包括气缸以及支撑气缸的支撑架，气缸的活塞杆伸入到模型加载箱体中并与相对应的挤压板连接。
19.采用上述技术方案的有益效果为：当填土装入到模型加载箱体中并挖出隧道模型，根据加载需求，气缸的活塞杆伸出并推动挤压板移动，也即填土加载腔室的空间逐渐减小，填土逐渐被压实，此时隧道模型的两侧会受到一定的压力，压力检测件检测隧道模型受到的压力值。气缸具有运行平稳的特点，满足本试验均匀加载的需求，并且气缸的规格多，可以根据具体的实验需求更换气缸的规格，从而通过气缸来改变隧道模型受到的应力条件。
20.进一步地，第一进水管的一端与供水箱的连通，第一进水管的另一端伸入到模型加载箱体中并与相对应的挤压板连通，该挤压板还设置有第一出水管；第一进水管和第一
出水管分别设置有第一阀门。
21.进一步地，压力检测件为土压力盒，挤压板设置有安装通孔，压力检测件嵌设在安装通孔，并且压力检测件的检测端朝向填土加载腔室，压力检测件的另一端连接有与外部数据采集装置相连的导线；模型加载箱体的外壁设有引出压力检测件导线的导线引出管。
22.采用上述技术方案的有益效果为：在实验过程中，由于挤压板要进行位移并挤压填土，压力检测件检测填土受到的压力，并根据检测到的压力值来判断改变应力条件对隧道模型的影响。
23.本发明具有以下有益效果：
24.(1)本发明通过在模型加载箱体中设置可以移动的挤压板，使得加载过程可调整，也即改变不同的应力条件，通过供水箱供水实现长期加载，并且通过挖出不同断面的隧道模型可以模拟不同隧道断面经过一段时间后的变形，从而实现长期三维均匀加载，达到便捷模拟隧道现场施工时空效应的功能。
25.(2)本发明通过高度调整装置改变供水箱的高度从而调整水压，进而模拟不同水压下隧道模型的渗流情况，并且通过供水箱可以向模型加载箱体中持续注水，从而实现长期三维加载。
26.(3)本发明可以根据试验需求开设不同大小的断面孔洞，从而实现对不同隧道断面的长期加载，大大提高了装置的使用灵活性。
27.(4)本发明的挤压板在试验过程中不仅要进行移动，还要求与模型加载箱体之间密封连接，因此挤压板的安装尤为重要，设置固定组件可以确保挤压板安装时不发生偏斜，既能确保挤压板的密封性又能减少位移时的偏差。
28.(5)本发明的挤压板要进行位移并挤压填土，压力检测件检测填土受到的压力，并根据检测到的压力值来判断改变应力条件对隧道模型的影响。
附图说明
29.图1为本发明长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置的结构示意图。
30.图2为本发明的模型加载箱体的结构示意图。
31.图3为本发明的隧道断面板的结构示意图。
32.图4为本发明的密封圈的结构示意图。
33.图5为本发明的驱动装置的结构示意图。
34.图6为本发明的压力检测件的结构示意图。
35.图中：1-模型加载箱体；101-盖板；102-前侧壁；103-后侧壁；104-左侧壁；105-右侧壁；2-填土挤压装置；201-驱动装置；202-挤压板；211-气缸；212-支撑架；3-供水箱；301-密封盖；302-高度调整装置；321-三脚架；322-牵拉绳；323-定滑轮；4-隧道模型；501-第一进水管；502-第一出水管；503-第一阀门；504-第二进水管；505-第二出水管；506-第二阀门；6-隧道断面板；601-断面孔洞；7-密封圈；8-固定杆；9-压力检测件；10-水位监测器。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
37.请参照图1，一种长期三维加载的隧道开挖模拟水力耦合试验装置，其包括模型加载箱体1、填土挤压装置2以及水压可调节的供水箱3，模型加载箱体1用于注入模拟岩土体的填土，模型加载箱体1的顶部可拆卸连接有盖板101，模型加载箱体1设有横向设置的隧道模型4，隧道模型4通过挖凿填土形成。模型加载箱体1的两端分别设置有填土挤压装置2，填土挤压装置2包括驱动装置201以及设有压力检测件9的挤压板202，所述挤压板202滑动设置在所述模型加载箱体1中并靠近所述隧道模型4的两侧，所述挤压板202与所述模型加载箱体1的内壁密封配合，两个挤压板202之间形成填土加载腔室，供水箱3通过第一进水管501与填土加载腔室连通。根据试验要求配置相应比例填土并逐渐加至模型加载箱体1中，当填土充填满模型加载箱体1后，供水箱3通过第一进水管501向填土加载腔室注水，待填土中的水压稳定，填土不易散开时挖出隧道模型4，驱动装置201推动挤压板202从而进行加载模拟水平应力场，记录压力检测件9检测数据完成试验。本发明通过在模型加载箱体1中设置可以移动的挤压板202，使得加载过程可调整，也即改变不同的应力条件，通过供水箱3供水实现长期加载，并且通过挖出不同断面的隧道模型4可以模拟不同隧道断面经过一段时间后的变形，从而实现长期三维均匀加载，达到便捷模拟隧道现场施工时空效应的功能。
38.请参照图1至图4，模型加载箱体1包括底板以及包围底板的前侧壁102、后侧壁103、左侧壁104以及右侧壁105，前侧壁102、后侧壁103、左侧壁104和右侧壁105均设置有加强肋，来加强模型加载箱体1的稳固性。盖板101设置在模型加载箱体1的顶部，当填土完成后，盖板101通过螺栓分别与前侧壁102、后侧壁103、左侧壁104和右侧壁105连接，从而使得模型加载箱体1处于相对封闭的状态。前侧壁102和后侧壁103分别预留有通孔，通孔处分别可拆卸连接有隧道断面板6，隧道断面板6的端面长度大于通孔的直径，隧道断面板6的四周设置有多个螺钉从而实现与通孔的可拆卸连接。隧道断面板6分别设有断面孔洞601，并且两个断面孔洞601之间相互连通形成隧道模型4，断面孔洞601的形状与隧道的断面形状一致，隧道模型4用于模拟实际施工中的所需挖出的隧道，在挖隧道模型4的过程中，边挖边在隧道模型4的内壁埋入一定数量的钢拱架，并涂抹石膏加固，通过设置钢拱架支撑住隧道模型4的内壁。值得说明的是，通孔是预先设置的，在模型加载箱体1未填入填土前，隧道断面板6是密封的，也即未设置断面孔洞601，当填土填入到模型加载箱体1中后在对隧道模型4安装加工出断面孔洞601。模型加载箱体1的两端内壁分别嵌设有一定宽度的密封圈7，密封圈7的形状与模型加载箱体1的横截面相适配，模型加载箱体1为长方体形状，故密封圈7与具有一定厚度和宽度的方框体，密封圈7的外侧分别与底板、前侧壁102和后侧壁103连接，当盖板101与模型加载箱体1连接后，盖板101与密封圈7的顶部连接，挤压板202在密封圈7中滑动，并且挤压板202的滑动范围小于密封圈7的宽度。在本实施例中，考虑到挤压板202与模型加载箱体1之间密封配合，密封圈7的两侧内壁分别加工有锯齿的密封圈7，在确保密封性的同时还能防止挤压板202后退。将填土填入到模型加载箱体1中后，注入一定的水，待填土中的水压稳定后，根据试验所需的隧道断面，开设断面孔洞601的大小，并根据断面孔洞601的大小挖出隧道模型4，直至两个断面孔洞601连通后停挖。本发明可以根据试验需求开设不同大小的断面孔洞601，从而实现对不同隧道断面的长期加载，大大提高了装置的使用灵活性。
39.请参照图5，驱动装置201为活塞缸，或者驱动装置201为直线电机。在本实施例中，驱动装置201包括气缸211以及支撑气缸211的支撑架212，气缸211横向设置，气缸211的活
塞杆伸入到模型加载箱体1中并与相对应的挤压板202的侧壁连连接。支撑架212的底部设置有底座，支撑架212的顶部设置有卡块，气缸211嵌设在卡块中。当填土装入到模型加载箱体1中并挖出隧道模型4，根据加载需求，气缸211的活塞杆伸出并推动挤压板202移动，也即填土加载腔室的空间逐渐减小，填土逐渐被压实，此时隧道模型4的两侧会受到一定的压力，压力检测件9检测隧道模型4受到的压力值。气缸211具有运行平稳的特点，满足本试验均匀加载的需求，并且气缸211的规格多，可以根据具体的实验需求更换气缸211的规格，从而通过气缸211来改变隧道模型4受到的应力条件。
40.请参照图1，挤压板202的顶部和底部分别设有可拆卸连接的固定组件，固定组件为两根相互平行设置的固定杆8，两根固定杆8分别设置在隔板的两侧，也即挤压板202的顶部和底部分别被两根固定杆8夹持住，并且固定杆8的两端分别伸出模型加载箱体1。第一进水管501的一端与供水箱3的连通，第一进水管501的另一端伸入到模型加载箱体1中并与相对应的挤压板202连通，该挤压板202还设置有第一出水管502，也即第一进水管501和第一出水管502均与填土加载腔室连通，供水箱3中的水通过第一进水管502向填土注水，并且填土加载腔室中的水通过第一出水管501排出模型加载箱体1。第一进水管501和第一出水管502分别设置有第一阀门503。填土未填入到模型加载箱体1前，需要先将安装挤压板202安装在模型加载箱体1中，在安装时，固定杆8的两端分别伸出模型加载箱体1，再将挤压板202放置在两个固定杆8之间，当挤压板202与驱动件连接后，需要填填土前，将固定杆8取出。由于挤压板202在试验过程中不仅要进行移动，还要求与模型加载箱体1之间密封连接，因此挤压板202的安装尤为重要，设置固定组件可以确保挤压板202安装时不发生偏斜，既能确保挤压板202的密封性又能减少位移时的偏差。
41.请参照图1和图6，压力检测件9为土压力盒，挤压板202设置有安装通孔，压力检测件9嵌设在安装通孔，并且压力检测件9的检测端朝向填土加载腔室，压力检测件9的另一端连接有与外部数据采集装置相连的导线；模型加载箱体1的外壁设有引出压力检测件9导线的导线引出管(图中未画出)。
42.供水箱3的顶部设有可拆卸的密封盖301，供水箱3通过高度调整装置302调整高度，高度调整装置302包括三脚架321、牵拉绳322以及设置三脚架321顶端的定滑轮323，牵拉绳322的一端与密封盖301的四角连接，牵拉绳322的另一端绕过定滑轮323并与外部力施加源连接，外部力施加源可以是人工提拉还可以通过拉力机实现。外部力施加源拉动牵引绳，供水箱3的高度逐渐升高，供水箱3高度升高的同时，供水箱3流入到模型加载箱体1中的水压也越大。本发明通过高度调整装置302改变供水箱3的高度从而调整水压，进而模拟不同水压下隧道模型4的渗流情况，并且通过供水箱3可以向模型加载箱体1中持续注水，从而实现长期三维加载。供水箱3设有竖直设置的水位监测器10，水位监测器10的一端伸入到供水箱3中，水位监测器10的另一端伸出密封盖301；供水箱3远离第一进水管501的一侧设有第二进水管504和第二出水管505，并且第二进水管504和第二出水管505上分别设有第二阀门506。由于本装置需要实现长期加载需要不间断地向模型加载箱体1注水，因此当供水箱3中的水位较低时，可以通过水位监测器10了解情况，及时向供水箱3中供水。
43.试验过程：1)先将配置好的填土填入到模型加载箱体1中，直至填土填满填土加载腔室停止填土，将盖板101通过螺栓与模型加载箱体1连接；2)确保第一出水管502的第一阀门503处于关闭的状态，打开第一进水管501，供水箱3中的水流入到模型加载箱体1中，并逐
渐浸没填土，关闭第一进水管501的第一阀门503，待填土中的水压稳定，填土不易松散时，对隧道断面板6分别加工断面孔洞601；3)根据断面孔洞601的形状逐渐挖出填土，当两个断面孔洞601之间相互连通时，填土加载腔室中形成隧道模型4；4)同时打开第一进水管501和第一出水管502，水流入到模型加载箱体1中，气缸211的活塞杆伸出，挤压板202位移挤压填土加载腔室中的填土，此时压力检测件9检测填土对挤压板202的压力；5)再此过程中，根据试验需求，调整高度调整装置302的高度，压力检测件9获得加载过程中的数据。
44.以上仅为本发明的较佳实施例，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。