[发明专利]一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法

说明书

发明提供一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法。该试验装置包括布置在试验平台上的透明模型箱，以及成像装置和隧道开挖模型。所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管和隧道模型。所述透明模型箱内填筑透明土。所述透明土将隧道开挖模型位于透明模型箱内的部分埋没。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。依次牵引各积木模块移动。该装置的试验方法包括设计试验方案、制作透明模型箱、将隧道模型放入透明弹性薄膜管、配制透明土和试验等步骤。该装置可模拟隧道三台阶七步开挖法开挖的变形规律，找到在保证施工安全的前提下经济高效的开挖尺寸。

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，具体涉及一种隧道变形破坏可视化模型实验装置。

背景技术

随着经济的快速发展，我国隧道工程得到了前所未有的发展机遇，包括公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、城市地铁等各种隧道工程。与此同时，不同的隧道施工方法也相接出现，隧道三台阶七步开挖法是其中之一。

隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。其技术特点相较传统的方法具有显著的优势：

(1)施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。

(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

(3)适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

(4)在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。

(5)当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械施工，利于施工工序转换。

然而在隧道施工方法工程快速创新的同时，诸多挑战也会随之出现。其中不同的隧道施工方法在实施过程中的隧道变形破坏问题备受瞩目。

隧道的变形破坏问题是围岩性质、外部荷载和边界条件都十分复杂的三维问题。目前数学力学方法只能为一些形状简单和边界条件简化的隧道工程提供解析解，而且解析解仍需现场实测数据和模型试验的验证。较多分析性结论来自现场实测、数值分析和模型试验。其中模型试验由于是物理模型实体，在满足相似原理的前提下不仅能较真实直观的反应实际工况中的应力场和位移场的变化情况，而且可以避开复杂的数学力学推导。

传统的室内模型试验只能观测模型的宏观变形和边界区域的变化规律，而模型内部的变形特征无法直接观测。可视化的模型试验使模型内部变化清晰明了地呈现出来，更容易全面把握模型试验的整体变形及稳定性特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟隧道三台阶七步开挖法的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的透明模型箱，以及成像装置和隧道开挖模型。

所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。

所述隧道开挖模型包括透明弹性薄膜管和隧道模型。所述透明弹性薄膜管贯穿透明模型箱。所述透明弹性薄膜管的一端与透明模型箱的内壁紧接，另一端伸出透明模型箱箱外。