一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗裝置及方法，屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]采用新奧法施工的山嶺隧道，由于圍巖超挖未回填、混凝土澆搗不密實等原因，普遍存在襯砌與圍巖接觸不密實甚至局部脫空的病害現(xiàn)象。這些形狀、位置、大小各異的壁后空洞病害，容易造成襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中、裂縫發(fā)展，甚至引起局部剝離掉塊的嚴(yán)重安全事故。國內(nèi)外許多學(xué)者通過現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和模型試驗等手段，對存在賦存壁后空洞條件下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性展開了細(xì)致研究。
[0003]由于模型試驗具有邊界條件明確、響應(yīng)量測直觀、襯砌及圍巖相似材料特性可控等優(yōu)點，已成為研究和解決隧道工程問題的一種重要手段。從總體上看，國內(nèi)外隧道工程模型試驗裝置的種類和樣式是較為豐富的:從模型放置方式看，包括臥式和立式兩大類;從模型受力維數(shù)看，包括二維(平面應(yīng)變)加載和三維加載兩大類;從模型加載方式看，包括千斤頂加載和氣(液)囊加載兩大類;從反力提供方式看，包括框架式和基坑式;從開挖加載順序看，包括先加載后開挖和先開挖后加載兩大類。
[0004]在上述模型試驗裝置平臺上，將襯砌壁后特定位置處的圍巖局部挖除(或局部填充柔性材料)，就能實現(xiàn)對襯砌壁后空洞病害的模擬，進(jìn)而研究壁后空洞條件下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性。但由于壁后空洞的幾何特征復(fù)雜，若要細(xì)致研究不同位置、不同大小的壁后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的影響，則需要不斷重復(fù)上述試驗。而基于現(xiàn)有的模型試驗裝置或方法，都需要重新澆筑圍巖(至少部分重新澆筑)，并將特定位置處的圍巖局部挖除(或局部填充柔性材料)，這無疑是一項費時、費力、費成本的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有試驗裝置及方法中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗裝置及方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案一是:一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗裝置，其包括中心塊，所述中心塊外側(cè)澆筑有隧道襯砌，所述中心塊的外輪廓尺寸與隧道襯砌的內(nèi)輪廓尺寸相等，所述隧道襯砌外側(cè)安裝有沿著隧道襯砌外輪廓的壁后嵌條，所述壁后嵌條是由多片分塊首尾相連拼接組成，所述壁后嵌條外側(cè)澆筑有圍巖，所述圍巖四周旁邊分別澆筑有四個對應(yīng)的反力墩，各個反力墩內(nèi)側(cè)與圍巖外側(cè)之間均安裝有千斤頂。
[0007]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述分塊的兩端分別設(shè)有榫頭和榫槽。
[0008]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述分塊的頂部設(shè)有突起點。
[0009]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述中心塊的材質(zhì)為硬質(zhì)木材。
[0010]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述隧道襯砌的材質(zhì)為石膏或發(fā)泡混凝土。
[0011]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述壁后嵌條的材質(zhì)為木材、有機玻璃或鋁塊。
[0012]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，所述圍巖的相似材料采用重晶石粉、鐵精粉、粉細(xì)砂為骨料，石膏粉為輔料，松香與酒精溶液為膠結(jié)劑。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案二是:一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗方法，包括以下步驟:
(1)確定臥式隧道模型試驗的相似關(guān)系:考慮作為研究對象的隧道原型的工程特點，同時考慮實驗技術(shù)條件，選定幾何相似比和應(yīng)力相似比，進(jìn)而確定臥式隧道模型試驗中隧道襯砌的幾何尺寸和各物理量的相似關(guān)系；
(2)澆筑隧道襯砌:制作中心塊，其外輪廓尺寸與設(shè)計的隧道襯砌內(nèi)輪廓尺寸保持一致；以中心塊為內(nèi)模，配合以臨時外模，在臥式加載試驗平臺上就地澆筑隧道襯砌;隧道襯砌的材質(zhì)采用預(yù)定的相似材料，其幾何尺寸和各物理量應(yīng)符合相似關(guān)系的要求；
(3)安裝壁后嵌條:待隧道襯砌硬化成型后，脫去臨時外模，在其外側(cè)安裝壁后嵌條;壁后嵌條采用分塊拼裝式，各分塊的首部、尾部和頂部分別對應(yīng)設(shè)有榫頭、榫槽和突起點，以方便定位、安裝和移除各分塊；
(4)澆筑圍巖:壁后嵌條安裝完畢后，在其外側(cè)澆筑圍巖，以形成臥式隧道模型；圍巖的材質(zhì)采用預(yù)定的相似材料，其各物理量應(yīng)符合相似關(guān)系的要求；
(5)加載至初始應(yīng)力狀態(tài):在臥式加載試驗平臺上，利用千斤頂和反力墩對臥式隧道模型施加圍壓，其荷載值應(yīng)符合相似關(guān)系的要求，以模擬初始應(yīng)力狀態(tài);測量各監(jiān)測點的初始讀數(shù)；
(6)模擬隧道開挖及壁后空洞:保持施加圍壓的同時，先移除中心塊以模擬隧道開挖，測量各監(jiān)測點的讀數(shù)變化;再局部移除壁后嵌條中的若干分塊以模擬壁后空洞，測量各監(jiān)測點的讀數(shù)變化，以定量研究賦存空洞條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性；
(7)進(jìn)行重復(fù)試驗:卸載圍壓，將被移除的中心塊和若干分塊重新安裝回相應(yīng)的位置，然后重復(fù)步驟(5)和步驟(6);在重復(fù)試驗過程中，調(diào)整壁后空洞的位置與大小，以定量研究不同空洞條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性。
[0014]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，在步驟(I)中，通過選定幾何相似比，進(jìn)而確定隧道襯砌的厚度和外輪廓尺寸;通過選定應(yīng)力相似比，進(jìn)而確定隧道襯砌材料的彈模相似比、密度相似比、強度相似比和面荷載相似比。
[0015]在進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，在步驟(2)中，同時應(yīng)在內(nèi)模和外模上涂刷潤滑劑，以方便后期脫模。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點在于:通過安裝和移除中心塊，實現(xiàn)了先加載后開挖的試驗過程，更符合山嶺隧道的工程特點;通過安裝和移除壁后嵌條中的若干分塊，能夠?qū)Σ煌瑤缀翁卣?如不同位置、不同大小)的壁后空洞進(jìn)行簡便有效地模擬，尤其在重復(fù)試驗中，避免了重新澆筑圍巖并局部挖除圍巖的繁瑣工作。
【附圖說明】
[0017]圖1為臥式隧道模型試驗裝置開挖前的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為壁后嵌條的分塊拼裝示意圖。
[0019]圖3為臥式隧道模型試驗裝置開挖后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中標(biāo)記:1-中心塊，2-隧道襯砌，3-壁后嵌條，31-分塊，32-榫頭，33-榫槽，34-突起點，4-圍巖，5-千斤頂，6-反力墩。
【具體實施方式】
[0021]為了讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。
[0022]如圖1?3所示，一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗裝置，其包括中心塊I，所述中心塊I外側(cè)澆筑有隧道襯砌2，所述中心塊I的外輪廓尺寸與隧道襯砌2的內(nèi)輪廓尺寸相等，所述隧道襯砌2外側(cè)安裝有沿著隧道襯砌2外輪廓的壁后嵌條3，所述壁后嵌條3是由多片分塊31首尾相連拼接組成，所述壁后嵌條3外側(cè)澆筑有圍巖4，所述圍巖4四周旁邊分別澆筑有四個對應(yīng)的反力墩6，各個反力墩6內(nèi)側(cè)與圍巖4外側(cè)之間均安裝有千斤頂5。
[0023]為了保證精確定位及安裝，所述分塊31的兩端分別設(shè)有榫頭32和榫槽33，例如分塊31的首部設(shè)有榫頭32，尾部設(shè)有榫槽33。為了方便安裝或移除分塊31，所述分塊31的頂部設(shè)有突起點34。
[0024]為了方便制作，所述中心塊I的材質(zhì)為硬質(zhì)木材。所述隧道襯砌2的材質(zhì)為石膏或發(fā)泡混凝土。所述壁后嵌條3的材質(zhì)為木材、有機玻璃或鋁塊。所述圍巖4的相似材料采用重晶石粉、鐵精粉、粉細(xì)砂為骨料，石膏粉為輔料，松香與酒精溶液為膠結(jié)劑。
[0025]如圖1?3所示，一種模擬襯砌壁后空洞的臥式隧道模型試驗方法，包括以下步驟:
(1)確定臥式隧道模型試驗的相似關(guān)系:考慮作為研究對象的隧道原型的工程特點，同時考慮實驗技術(shù)條件，選定幾何相似比和應(yīng)力相似比，進(jìn)而確定臥式隧道模型試驗中隧道襯砌2的幾何尺寸和各物理量的相似關(guān)系；
(2)澆筑隧道襯砌2:制作中心塊I，其外輪廓尺寸與設(shè)計的隧道襯砌2內(nèi)輪廓尺寸保持一致；以中心塊I為內(nèi)模，配合以臨時外模(圖中未畫出)，