本發(fā)明屬于巖土工程模型試驗(yàn)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及巖土工程領(lǐng)域盾構(gòu)隧道施工三維離心模型試驗(yàn)中模擬開挖裝置及其實(shí)施方法。

背景技術(shù)：

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，城市交通擁擠及人們出行難已成為亟待解決的問題，城市地鐵以其快捷、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，作為緩解城市交通壓力的重要手段受到人們廣泛青睞。修建地鐵不僅可以改善交通流量，減輕由于交通擁擠引起的環(huán)境壓力，而且也保護(hù)了城市的風(fēng)景，把地表的一部分建筑轉(zhuǎn)移至地下，擴(kuò)大了城市的綠化面積，城市地鐵的修建已成為加快城市化進(jìn)程的重要部分。但是隨著各大中城市地鐵隧道的建設(shè)、開通運(yùn)營(yíng)。隧道本身及周邊地基凸顯出不少問題。為了很好的解決這些實(shí)際的工程問題，很多學(xué)者通過不同的研究分析手段來對(duì)與地鐵隧道相關(guān)的問題進(jìn)行研究。其中，離心模型試驗(yàn)作為一種行之有效的研究防范，以其卓越的優(yōu)勢(shì)，受到巖土學(xué)者們的廣泛青睞。

離心模型試驗(yàn)由于具有與原型應(yīng)力水平相同的有點(diǎn)，在以自重為主要荷載的巖土工程的研究中占有獨(dú)特的地位。離心模型試驗(yàn)作為巖土工程技術(shù)研究領(lǐng)域最先進(jìn)、最重要的的研究手段廣泛應(yīng)用于巖土工程各領(lǐng)域，簡(jiǎn)要?dú)w納如下：①巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)研究；②設(shè)計(jì)方案及相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的驗(yàn)證和比選；③作為數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析計(jì)算方法的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)；④巖土工程領(lǐng)域中作用機(jī)理和破壞機(jī)理研究的重要研究手段。

現(xiàn)有的在離心模型試驗(yàn)中模擬盾構(gòu)隧道開挖方法多采用釋放試驗(yàn)準(zhǔn)備階段注入于隧道模型內(nèi)液體的方式，但是此種方法因在液體注入階段難免有少量的空氣注入，而較難準(zhǔn)確地控制隧道開挖所致地層損失效應(yīng)，且單組試驗(yàn)中只能實(shí)現(xiàn)單一的地層損失率，而不能連續(xù)地在一組試驗(yàn)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同程度的地層損失效應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的離心模型試驗(yàn)中模擬盾構(gòu)隧道開挖所致地層損失率的不足，本發(fā)明提供三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置，該裝置避免了在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段沖注液體的復(fù)雜準(zhǔn)備過程，且能精準(zhǔn)的控制隧道開挖所致地層損失效應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能于單組試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)多種不同程度的地層損失效應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置，包括固定支撐系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述固定支撐系統(tǒng)包括三維離心模型箱、長(zhǎng)立柱、短立柱、連系橫梁以及支撐橫梁。長(zhǎng)立柱及短立柱用玻璃膠跟三維離心模型箱粘結(jié)；連系橫梁與長(zhǎng)立柱及短立柱之間為榫卯連接；支撐橫梁擱置于長(zhǎng)立柱及短立柱之上并與之用玻璃膠粘結(jié)。

所述加載系統(tǒng)包括微型液壓千斤頂、支撐桿以及支撐墊塊。微型液壓千斤頂置于固定支撐系統(tǒng)上部，與支撐橫梁用玻璃膠粘結(jié)；支撐桿與微型液壓千斤頂之間用玻璃膠粘結(jié)；支撐桿與支撐墊塊之間用玻璃膠粘結(jié)。

所述支護(hù)結(jié)構(gòu)由用于模擬隧道管片的鋁管和置于鋁管上部可上下移動(dòng)的弧形鋁片組成。鋁管擱置于三維離心模型箱預(yù)留位置上；弧形鋁片與鋁管之間采用玻璃膠粘結(jié)并擱置于支撐墊塊之上。

所述位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由高靈敏度位移傳感器及傳感伸長(zhǎng)桿組成。傳感伸長(zhǎng)桿與弧形鋁片上表面用玻璃膠粘結(jié)；傳感伸長(zhǎng)桿與高靈敏度位移傳感器用玻璃膠粘結(jié)。

所述長(zhǎng)立柱、短立柱、連系橫梁以及支撐橫梁均由剛度較大的實(shí)心鋁合金制成。

所述微型液壓千斤頂要求能置于鋁管內(nèi)，且其可控精度為0.1mm。

所述支撐桿由剛度較大的實(shí)心鋁合金制成。

所述鋁管、弧形鋁片均為鋁合金材質(zhì)。

所述傳感伸長(zhǎng)桿為空心的且內(nèi)設(shè)有螺紋的鋁制桿件。

所述高靈敏度位移傳感器要求控制精度為0.1mm。

三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置的安裝方法，具體安裝步驟如下：

1)在長(zhǎng)立柱及短立柱中間位置處預(yù)設(shè)與連系橫梁寬度相當(dāng)?shù)目撞?，將連系橫梁插入長(zhǎng)立柱及短立柱的預(yù)留孔槽內(nèi)，并于孔槽縫隙內(nèi)注滿玻璃膠，以保證隧道固定支撐系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，將長(zhǎng)立柱及短立柱底端與三維離心模型箱底部用玻璃膠粘結(jié)。

2)將鋁管沿直徑方向均分為二，于一個(gè)管片底部鉆出3個(gè)矩形孔洞，孔洞長(zhǎng)寬應(yīng)與長(zhǎng)立柱及短立柱的橫截面的長(zhǎng)寬相同，其凈距為長(zhǎng)立柱之間的凈距，于長(zhǎng)立柱頂端預(yù)設(shè)其寬度一半的L型槽口，將長(zhǎng)立柱及短立柱沿鉆出的3個(gè)矩形孔洞貫穿，并將支撐橫梁放置于長(zhǎng)立柱的槽口之上，支撐橫梁底部中間段處與短立柱用玻璃膠粘結(jié)。

3)于支撐橫梁表面安置6個(gè)微型液壓千斤頂，微型液壓千斤頂?shù)撞坑貌Ａz與支撐橫梁固定，防止離心機(jī)加速時(shí)微型液壓千斤頂滑動(dòng)。

4)于另一個(gè)管片頂部鉆出6個(gè)矩形孔洞，孔洞長(zhǎng)寬與支撐墊塊(10)橫截面長(zhǎng)寬相同，支撐墊塊(10)底部與支撐桿頂部用玻璃膠粘結(jié)，支撐桿底部與微型液壓千斤頂頂部用玻璃膠粘結(jié)，以保證三者能同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)且沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將6個(gè)微型液壓千斤頂與管片預(yù)留的6個(gè)矩形孔洞對(duì)齊并貫穿，同時(shí)將此管片與其下部管片用鉚釘連接，連接表面用玻璃膠封閉以防止試驗(yàn)過程中土體侵入而影響試驗(yàn)結(jié)果。

5)將弧形鋁片置于連接好的鋁管之上，弧形鋁片與鋁管連接部位涂抹一定量的凡士林，在保證兩者接觸部位能夠滑移的同時(shí)避免試驗(yàn)過程中土體的侵入。

6)于弧形鋁片安裝6根傳感伸長(zhǎng)桿，傳感伸長(zhǎng)桿底部用玻璃膠與弧形鋁片上表面粘結(jié)，傳感伸長(zhǎng)桿頂部用玻璃膠與高靈敏度位移傳感器粘結(jié)，以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中弧形鋁片的豎向位移。

7)上述工作完成后，整理好微型液壓千斤頂連線，并于鋁管一端穿出，最后封閉鋁管兩端，以防止試驗(yàn)過程中土體的侵入而影響試驗(yàn)結(jié)果。

在試驗(yàn)過程中連續(xù)分段動(dòng)態(tài)模擬隧道開挖按以下步驟進(jìn)行：

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，調(diào)節(jié)6個(gè)微型液壓千斤頂，使得弧形鋁片與鋁管之間保持相同的間隙。試驗(yàn)開始前，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地層損失率來換算弧形鋁片的豎向位移量，試驗(yàn)過程中當(dāng)離心機(jī)離心加速度達(dá)到目標(biāo)加速度時(shí)，且待高靈敏度位移傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，根據(jù)此讀數(shù)和弧形鋁片的豎向位移量確定高靈敏度位移傳感器的目標(biāo)讀數(shù)，接著按照模型隧道的開挖順序，依次控制模型隧道內(nèi)的微型液壓千斤頂，調(diào)整微型液壓千斤頂，使弧形鋁片與鋁管之間的間隙逐漸減小，當(dāng)弧形鋁片上部的高靈敏度位移傳感器的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)讀數(shù)時(shí)，即可停止微型液壓千斤頂?shù)南乱?，待試?yàn)中所有傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，即可重復(fù)上述步驟繼續(xù)模擬開挖下一段隧道，直至六段隧道開挖段開挖完成，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分段動(dòng)態(tài)模擬隧道開挖。

若需實(shí)現(xiàn)連續(xù)模擬多種不同程度的地層損失率，只需根據(jù)目標(biāo)地層損失率來換算弧形鋁片的豎向位移量，試驗(yàn)過程中當(dāng)離心機(jī)離心加速度達(dá)到目標(biāo)加速度時(shí)，且待高靈敏度位移傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，根據(jù)此讀數(shù)和弧形鋁片的豎向位移量確定高靈敏度位移傳感器的目標(biāo)讀數(shù)，接著按照模型隧道的開挖順序，依次控制模型隧道內(nèi)的微型液壓千斤頂，調(diào)整微型液壓千斤頂，使弧形鋁片與鋁管之間的間隙逐漸減小，當(dāng)弧形鋁片上部的高靈敏度位移傳感器的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)讀數(shù)時(shí)，即可停止微型液壓千斤頂?shù)南乱?，待試?yàn)中所有傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，即可重復(fù)上述步驟繼續(xù)模擬開挖下一段隧道，直至六段隧道開挖段開挖完成。

本發(fā)明的有益效果在于：能在離心模型試驗(yàn)中分段模擬盾構(gòu)隧道施工所致的地層損失效應(yīng)。相比其他隧道模型而言，該裝置避免了在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段沖注液體的復(fù)雜準(zhǔn)備過程，且能精準(zhǔn)的控制隧道開挖所致地層損失效應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能于單組試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)多種不同程度的地層損失效應(yīng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置的橫截面圖。

圖3為本發(fā)明裝置的開挖前橫截面圖。

圖4為本發(fā)明裝置的開挖后橫截面圖。

圖5為本發(fā)明裝置第一段隧道開挖后效果圖。

圖6為本發(fā)明裝置第二段隧道開挖后效果圖。

圖7為本發(fā)明裝置第三段隧道開挖后效果圖。

圖8為本發(fā)明裝置第四段隧道開挖后效果圖。

圖9為本發(fā)明裝置第五段隧道開挖后效果圖。

圖10為本發(fā)明裝置第六段隧道開挖后效果圖。

圖中標(biāo)記為：三維離心模型箱1、隔板2、長(zhǎng)立柱3、短立柱5、連系橫梁4、支撐橫梁6、微型液壓千斤頂7、支撐桿9、支撐墊塊10、鋁管8、弧形鋁片11、傳感伸長(zhǎng)桿12、高靈敏度位移傳感器13。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如附圖1至圖3所示，本發(fā)明所述的三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置，包括固定支撐系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述固定支撐系統(tǒng)包括三維離心模型箱1、長(zhǎng)立柱3、短立柱5、連系橫梁4以及支撐橫梁6。長(zhǎng)立柱3及短立柱5用玻璃膠跟三維離心模型箱1粘結(jié)；連系橫梁4與長(zhǎng)立柱3及短立柱5之間為榫卯連接；支撐橫梁6擱置于長(zhǎng)立柱3及短立柱5之上并與之用玻璃膠粘結(jié)。

所述加載系統(tǒng)包括微型液壓千斤頂7、支撐桿9以及支撐墊塊10。微型液壓千斤頂7置于固定支撐系統(tǒng)上部，與支撐橫梁6用玻璃膠粘結(jié)；支撐桿9與微型液壓千斤頂7之間用玻璃膠粘結(jié)；支撐桿9與支撐墊塊10之間用玻璃膠粘結(jié)。

所述支護(hù)結(jié)構(gòu)由用于模擬隧道管片的鋁管8和置于鋁管上部可上下移動(dòng)的弧形鋁片11組成。鋁管8擱置于三維離心模型箱1預(yù)留位置上；弧形鋁片11與鋁管8之間采用玻璃膠粘結(jié)并擱置于支撐墊塊10之上。

所述位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由高靈敏度位移傳感器13及傳感伸長(zhǎng)桿12組成。傳感伸長(zhǎng)桿12與弧形鋁片11上表面用玻璃膠粘結(jié)；傳感伸長(zhǎng)桿12與高靈敏度位移傳感器13用玻璃膠粘結(jié)。

三維離心模型箱的隔板2左側(cè)為模型倉，隔板2右側(cè)為本試驗(yàn)的控制室，主要是在試驗(yàn)過程中對(duì)微型液壓千斤頂7的控制。本試驗(yàn)裝置以三維離心模型箱1底部為反力裝置，為微型液壓千斤頂7提供反力支撐。

三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置的安裝方法，具體安裝步驟如下：

1)在長(zhǎng)立柱3及短立柱5中間位置處預(yù)設(shè)與連系橫梁4寬度相當(dāng)?shù)目撞郏瑢⑦B系橫梁4插入長(zhǎng)立柱3及短立柱5的預(yù)留孔槽內(nèi)，并于孔槽縫隙內(nèi)注滿玻璃膠，以保證隧道固定支撐系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。將長(zhǎng)立柱3及短立柱5底端與三維離心模型箱1底部用玻璃膠粘結(jié)。

2)將鋁管8沿直徑方向均分為二，于一個(gè)管片底部鉆出3個(gè)矩形孔洞，孔洞長(zhǎng)寬應(yīng)與長(zhǎng)立柱3及短立柱5的橫截面的長(zhǎng)寬相同，其凈距為長(zhǎng)立柱3之間的凈距。于長(zhǎng)立柱3頂端預(yù)設(shè)其寬度一半的L型槽口。將長(zhǎng)立柱3及短立柱5沿鉆出的3個(gè)矩形孔洞貫穿，并將支撐橫梁6放置于長(zhǎng)立柱3的槽口之上，支撐橫梁6底部中間段處與短立柱5用玻璃膠粘結(jié)。

3)于支撐橫梁6表面安置6個(gè)微型液壓千斤頂7，微型液壓千斤頂7底部用玻璃膠與支撐橫梁6固定，防止離心機(jī)加速時(shí)微型液壓千斤頂7的滑動(dòng)。

4)于另一個(gè)管片底部鉆出6個(gè)矩形孔洞，孔洞長(zhǎng)寬與支撐墊塊10橫截面長(zhǎng)寬相同，支撐墊塊10底部與微型液壓千斤頂7頂部用玻璃膠粘結(jié)，以保證兩者能同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)且沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將6個(gè)微型液壓千斤頂7與管片預(yù)留的6個(gè)矩形孔洞對(duì)齊并貫穿，同時(shí)將此管片與其下部管片用鉚釘連接，連接表面用玻璃膠封閉以防止試驗(yàn)過程中土體侵入而影響試驗(yàn)結(jié)果。

5)將弧形鋁片11置于連接好的鋁管8之上，弧形鋁片11與鋁管8連接部位涂抹一定量的凡士林，在保證兩者接觸部位能夠滑移的同時(shí)避免試驗(yàn)過程中土體的侵入。

6)于弧形鋁片11安裝6根傳感伸長(zhǎng)桿12，傳感伸長(zhǎng)桿12底部用玻璃膠與弧形鋁片11粘結(jié)，傳感伸長(zhǎng)桿12上端連接高靈敏度位移傳感器13，以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中弧形鋁片11的豎向位移。

7)上述工作完成后，整理好微型液壓千斤頂7連線，并于鋁管8一端穿出。最后封閉鋁管8兩端，以防止試驗(yàn)過程中土體的侵入而影響試驗(yàn)結(jié)果。

三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置的實(shí)施方法，在試驗(yàn)過程中模擬隧道開挖時(shí)按照以下方法進(jìn)行：

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，調(diào)節(jié)6個(gè)微型液壓千斤頂7，使得弧形鋁片11與鋁管8之間保持相同的間隙。試驗(yàn)開始前，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地層損失率來換算弧形鋁片11的豎向位移量，試驗(yàn)過程中當(dāng)離心機(jī)離心加速度達(dá)到目標(biāo)加速度時(shí)，且待高靈敏度位移傳感器13的讀數(shù)穩(wěn)定后，根據(jù)此讀數(shù)和弧形鋁片11的豎向位移量確定高靈敏度位移傳感器13的目標(biāo)讀數(shù)。接著按照模型隧道的開挖順序，依次控制模型隧道內(nèi)的微型液壓千斤頂7，從而使得微型液壓千斤頂7使得弧形鋁片11與鋁管8之間的間隙逐漸減小，當(dāng)弧形鋁片11上部的高靈敏度位移傳感器13的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)讀數(shù)時(shí)，即可停止微型液壓千斤頂7的下移，待試驗(yàn)中所有傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，即可重復(fù)上述步驟模擬開挖下一段隧道，直至六段隧道開挖段開挖完成。

若需實(shí)現(xiàn)連續(xù)模擬多種不同程度的地層損失率，只需根據(jù)目標(biāo)地層損失率來換算弧形鋁片11的豎向位移量，試驗(yàn)過程中當(dāng)離心機(jī)離心加速度達(dá)到目標(biāo)加速度時(shí)，且待高靈敏度位移傳感器13的讀數(shù)穩(wěn)定后，根據(jù)此讀數(shù)和弧形鋁片11的豎向位移量確定高靈敏度位移傳感器13的目標(biāo)讀數(shù)，接著按照模型隧道的開挖順序，依次控制模型隧道內(nèi)的微型液壓千斤頂7，調(diào)整微型液壓千斤頂7，使弧形鋁片11與鋁管8之間的間隙逐漸減小，當(dāng)弧形鋁片11上部的高靈敏度位移傳感器13的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)讀數(shù)時(shí)，即可停止微型液壓千斤頂7的下移，待試驗(yàn)中所有傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，即可重復(fù)上述步驟繼續(xù)模擬開挖下一段隧道，直至六段隧道開挖段開挖完成。

表1為本發(fā)明裝置所模擬地層損失率與空隙豎向位移的關(guān)系表，實(shí)際模擬中可根據(jù)所選定的地層損失率選用相應(yīng)的弧形鋁片11的豎向位移。

表1 本發(fā)明裝置所模擬地層損失率與空隙豎向位移的關(guān)系表

三維離心模型試驗(yàn)用隧道分段開挖模擬裝置，易于加工，結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，且能在一組試樣中同時(shí)采用多種此裝置以模擬雙隧道甚至多隧道的開挖過程，具有一定的科研推廣價(jià)值。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。