一种室内模拟隧道开挖的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种室内模拟隧道开挖的实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国国民经济的快速发展，以高速公路和国道为主体的快速交通网络的建设取得了突飞猛进的进步。山区公路隧道作为高速公路的一个重要组成部分，在日趋注重高速公路环保、经济和效率的今天起着愈发突出的作用。然而，由于隧道所处的地质条件和工程条件愈发复杂，隧道施工中的问题也愈发突出，因此，利用相似理论为基础的物理模型试验分析和研究隧道施工问题显得尤为重要。
[0003]隧道施工中的开挖顺序，掘进尺度和支护时间，是影响隧道稳定，施工及运营期间各种工程安全问题的重要考虑因素。不同的开挖方法及施工步骤，会产生不同的隧道围岩应力重分布，影响着隧道围岩的稳定，对控制工程成本有较大作用。然而，现阶段的模型箱实验中，尚未有一种简单准确的模拟真实隧道开挖方法的装置，能精准控制不同围岩条件下各种隧道掘进的顺序，开挖时间与进尺。为此，迫切需要一种能真实、科学地模拟隧道开挖的试验方法与设备，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种室内模拟隧道开挖的实验装置及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明准确性良好，结构简单，操作方便，能够对隧道掘进的顺序、开挖时间与掘进尺度实行精确控制，真实的模拟隧道开挖情况和衬砌受力性能，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据。
[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种室内模拟隧道开挖的实验装置，包括用于填装围岩相似材料和隧道模型的模型箱，模型箱上贯穿开有用于放置隧道模型的预留开口，隧道模型包括若干并列设置的PVC发泡板，其中，组成隧道模型的PVC发泡板能够按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据比例，分割成不同部分，PVC发泡板的正面上设有若干预留孔道，背面上设有若干与预留孔道配合的牵引凹槽，当进行模拟隧道开挖时，隧道模型上设有与牵引凹槽配合且能够将PVC发泡板拉出模型箱的牵引装置。
[0007]进一步地，模型箱包括调平底座，调平底座上对称设有两块作为模型箱侧面的侧板，两块侧板之间设有两块分别作为模型箱正面及背面的格栅框架，格栅框架的格栅孔中可拆卸地安装有面板，预留开口对称设置在模型箱正面及背面的面板上。
[0008]进一步地，所述的预留孔道截面为长方形，截面的长宽比为2:1。
[0009]进一步地，牵引凹槽包括以预留孔道截面的形心为圆心，以预留孔道截面的对角线长度为直径，且以对角线为初始边的两个相对的张角为60?65度的扇形凹槽，扇形凹槽的终止边处设有用于和牵引装置配合的长方形凹槽，且长方形凹槽的深度大于扇形凹槽深度。
[0010]进一步地，牵引装置包括T型钢钩，T型钢钩包括钢钩通丝螺杆以及设置在钢钩通丝螺杆端部的钢筋，T型钢钩穿插设在预留孔道中，且钢筋能够沿扇形凹槽转动并卡在长方形凹槽中。
[0011]进一步地，牵引装置还包括牵引钢板，牵引钢板上穿插固定有牵引通丝螺杆，钢钩通丝螺杆的自由端穿插设在牵引钢板上，且通过长方形螺帽固定。
[0012]进一步地，钢筋为光圆钢筋，其长度大于预留孔道长方形截面的长，小于预留孔道长方形截面的对角线，钢筋的直径小于长方形凹槽的深度。
[0013]—种室内模拟隧道开挖的实验方法，包括以下步骤:
[0014]步骤一:将模型箱调平；
[0015]步骤二:将围岩相似材料分层填入模型箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当围岩相似材料填装至预留开口时，置入隧道模型，然后继续填装围岩相似材料至设计高度，并振捣压实；
[0016]步骤三:采用牵引装置将隧道模型需要开挖的部分牵引出来，用以模拟隧道的开挖。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0018]本发明装置中隧道模型采用多片PVC发泡板制作而成，其中，组成隧道模型的PVC发泡板能够按照实际隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据相似比例，分割成不同部分，所以采用本发明可以方便开展各种形状尺寸与施工方法的隧道开挖过程模拟，本发明装置中隧道模型与围岩相似材料均填装于模型箱中以后才进行模拟开挖，这与隧道实际受力状况一致。另外本发明能够对隧道掘进的顺序、开挖时间与掘进尺度实行精确控制，真实的模拟隧道开挖情况和衬砌受力性能，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据，与实际工程高度符合，准确性良好，结构简单、操作方便、造价低、便于推广应用。
[0019]进一步地，模型箱由调平底座、侧板、格栅框架及面板组成，不仅拆装方便，而且能够很好的完成模拟隧道开挖过程。
[0020]进一步地，在PVC发泡板背面设置牵引凹槽，牵引凹槽包括扇形凹槽和长方形凹槽，牵引装置包括T型钢钩，T型钢钩端部的钢筋能够滑过扇形凹槽并卡在长方形凹槽中，如此采用T型钩钩取隧道不同部分的PVC发泡板模拟分布开挖的隧道，用不同的板厚度模拟隧道掘进尺度，使隧道的开挖情况更加符合实际。
[0021]本发明方法将围岩相似材料分层填入模型箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当围岩相似材料填装至预留开口时，置入隧道模型，然后继续填装围岩相似材料至设计高度，并振捣压实，模拟开挖时，采用牵引装置将隧道模型需要开挖的部分牵引出来即可，并且本发明模拟的隧道开挖与实际工程高度符合，准确性良好，操作简单，便于推广应用。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的模型箱结构示意图；
[0023]图2是本发明的隧道模型制造时的结构示意图；
[0024]图3是本发明的PVC发泡板背面结构示意图；
[0025]图4是PVC发泡板背面的牵引凹槽中挖出部分A的结构示意图；
[0026]图5是本发明的PVC发泡板正面结构示意图；
[0027]图6是本发明的连接杆结构示意图；
[0028]图7是本发明的T型钢钩结构示意图；
[0029]图8是本发明的牵引装置结构示意图。
[0030]其中，1、调平底座；2、格栅框架；3、侧板；4、面板；5、预留开口 ；6、PVC发泡板；7、EPE珍珠棉板；8、固定钢板；9、预留孔道；10、牵引凹槽；11、连接通丝螺杆；12、长方形螺帽；13、钢钩通丝螺杆；14、钢筋；15、T型钢钩；16、牵引通丝螺杆；17、牵引钢板；18、PVC发泡板编号。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0032]参见图1至图7，一种室内模拟隧道开挖的实验装置，包括模型箱，围岩相似材料，隧道模型，牵引装置等。
[0033]模型箱包括玻璃面板、格栅框架2、侧板3及调平底座1，调平底座I上对称设置两块侧板3，两块侧板3之间连接两块格栅框架2，玻璃面板设置在格栅框架2的格栅孔中，格栅框架2构成模型箱的骨架结构，玻璃面板构成了模型箱的面板。在模型箱两侧的玻璃面板上，对称设有略大于隧道模型截面的预留开口 5，模型箱用于装填围岩相似材料及隧道模型，模型箱两块侧板3之间的距离应大于隧道模型直径的6倍，模型箱前后两玻璃板之间的距离应大于0.5米，如此能够消除模型箱周围边界四个面的竖向摩阻力，真实模拟实际隧道开挖时隧道和围岩的受力状况。
[0034]围岩相似材料主要由石膏、石灰、重晶石和水拌和而成，通过调整各种材料的配合比能够模拟不同等级的隧道围岩。
[0035]隧道模型包括并列设置的若干PVC发泡板6，在制备隧道模型时，首先将并列设置若干PVC发泡板6，然后分别在两端各设置一块EPE珍珠棉板7，PVC发泡板6和EPE珍珠棉板7共同组成板型模具，在板型模具的两端各设置一块固定钢板8，在板型模具和固定钢板8上设置若干预留孔道9，在预留孔道9中贯穿设置连接杆，形成隧道模型装置，PVC发泡板6的平面形状和尺寸依据实际隧道截面尺寸和开挖方法按照相似比确定，PVC发泡板6的厚度则由实际隧道每循环掘进尺度按照相似比确定，PVC发泡板6的总厚度应略小于玻璃面板上两预留开口 5之间的距离；PVC发泡板6两端的EPE珍珠棉板7的平面尺寸略大于PVC发泡板6，大小与模型箱上的预留开口 5大小相当，厚度略大于模型箱玻璃面板厚度，用以防止填充围岩相似材料过程中细小填料从缝隙落下，组成隧道模型的PVC发泡板6按照真实隧道分部开挖法的不同的开挖部分和开挖顺序，依据相似比例，分割成不同部分，并按照实际隧道的开挖顺序和时间间隔依次钩取，在本实施方式中，PVC发泡板6分为模拟隧道开挖上台阶的PVC发泡板和模拟隧道开挖下台阶的PVC发泡板。
[0036]每片PVC发泡板在开挖方向上均设有PVC发泡板编号18，PVC发泡板编号18包括有字母和数字，其中字母代表模型试验中模拟真实隧道分部开挖的不同的开挖部分，数字从I开始依次编号，用以试验过程中定位当前开挖部分在全隧道中所处的位置，并精准控制不同开挖部分之间的开挖进尺差值。本例中，可以让模拟隧道开挖上台阶的PVC发泡板超前模拟隧道开挖下台阶的PVC发泡板若干块，并固定数字差值不变，用以模拟实际隧道中的上台阶超前下台阶固定距离的隧道台阶法开挖方式。
[0037]每片PVC发泡板在雕