[发明专利]一种隧道开挖室内模型试验装置

说明书

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道开挖室内模型试验装置。

背景技术

近年来，随着我国公路大规模的发展并向山区延伸，隧道在线路中所占的比例越来越高，隧道施工过程中的问题也越来越凸出，利用相似理论为基础的物理模型试验是目前研究和分析隧道施工问题的一种重要手段。目前隧道施工模型试验主要通过两种方法来进行：其一是通过超载即“先开洞，后加载”的方法，其二是先加载，然后按照设计好的几何边界采用人工的方式掏挖土体。方法一试验操作方便，但是不能反映隧道围岩的真实受力状况，方法二能模拟隧道真实受力状况，但用工具掏挖土体易导致开挖隧道周边土体的坍塌，造成开挖边界与预先设计好的几何边界不相符。另一方面，由于操作不便，现有的模型试验基本忽略了初期支护的作用，这违背了实际工程中采用的新奥法设计原理，这样采集的试验数据缺乏科学性和准确性。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

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种准确性良好，结构简单，操作方便，为隧道工程的施工及围岩稳定性分析提供可靠的依据的隧道开挖室内模型试验装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型，加载装置及开挖装置，所述模型箱由地槽与有机玻璃板组成，地槽一面设置有开口，开口的两端设置有凹槽，有机玻璃板通过凹槽固定于地槽开口的一面，所述模型箱内填充有模型试验填料；

所述隧道结构模型根据实际隧道截面按照相似比尺寸浇筑而成，所述隧道结构模型设置于模型箱的中部，所述隧道结构模型采用松香材料制成；

所述加载装置主要由反力梁、钢板和液压千斤顶组成，设置于模型箱的顶部，所述反力梁通过锚固螺栓固定在地槽上部，钢板设置于模型试验填料顶部，液压千斤顶设置于反力梁与钢板之间；

所述开挖装置主要由电热丝、导线及电源开关组成，电热丝设置于隧道结构模型中，电源开关串联在导线上并设置于模型箱外侧。

所述有机玻璃板为无色透明玻璃。

所述有机玻璃板中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞。

所述模型试验填料主要由土料和石料组成，通过调整土料和石料的配合比来模拟不同等级的隧道围岩。

所述电热丝编织成直径小于隧道结构模型的圆环等间距设置于隧道结构模型中。

所述地槽侧面设置有导线孔，导线通过导线孔将电热丝与电源开关相连接。

所述电热丝采用镍铬材料制成。

所述反力梁采用工字钢加工而成。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

1、由于本发明中隧道结构模型利用熔点低，冷却后强度高的松香浇筑而成，所以采用本发明可以方便开展形状及尺寸的隧道开挖过程模拟。

2、隧道结构模型在加载之前置于隧道模型箱之中，这与隧道实际受力状况一致，隧道的开挖是通过电热丝加热融化来模拟，避免了开挖振动对周边填料的影响，使开挖边界与预先设计好的几何边界能很好的吻合。

3、在模拟开挖过程中，松香的加热融化将使隧道周边的填料粘附一层薄松香，这层松香可以模拟实际隧道开挖后的喷射混凝土支护，这使模型试验更接近实际工程中的新奥法设计原理。

4、本发明模拟的隧道开挖与实际工程更加符合，准确性良好，结构简单、操作方便、造价低、便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的隧道结构模型示意图；

图中：1、地槽；2、有机玻璃板；3、模型试验填料；4、隧道结构模型；5、反力梁；6、钢板；7、液压千斤顶；8、电热丝；9、导线；10、电源开关；11、凹槽；12、孔洞；13、导线孔；14、锚固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱，隧道结构模型4，加载装置及开挖装置，所述模型箱由地槽1与有机玻璃板2组成，地槽1一面上设置有开口，开口的两端设置有凹槽11，有机玻璃板2通过凹槽11固定于地槽1开口的一面，有机玻璃板2厚度为10～15mm，且无色透明，在有机玻璃板2中部设置有一个比隧道截面稍大的孔洞12，便于观测隧道结构模型周围填料的实时变化及位移情况。