[发明专利]用于隧道模拟开挖的试验模型及方法

权利要求书

1.一种用于隧道模拟开挖的试验模型，其特征在于：所述试验模型由多个开挖模块组成；

单个开挖模块由支座板（1）、内轮廓板（2）和外轮廓板（3）组成；支座板（1）的外侧面上设置有多根连杆（11），同一支座板（1）所辖的连杆（11）轴向平行，内轮廓板（2）上设置有与连杆（11）匹配的连接孔，连杆（11）中部套在连接孔中，连杆（11）与连接孔间隙配合，连杆（11）中部设置有第一螺纹段，第一螺纹段上设置有调节螺母，调节螺母卡在内轮廓板（2）的内侧，调节螺母用于调节支座板（1）和内轮廓板（2）的间距；外轮廓板（3）的内侧面上设置有多根支撑杆（21），同一外轮廓板（3）所辖的支撑杆（21）轴向平行，内轮廓板（2）上设置有与支撑杆（21）匹配的通孔，支撑杆（21）中部套在通孔中，支撑杆（21）与通孔间隙配合，支撑杆（21）中部设置有第二螺纹段，第二螺纹段上设置有旋钮螺母，旋钮螺母卡在内轮廓板（2）的内侧，旋钮螺母用于调节内轮廓板（2）和外轮廓板（3）的间距；内轮廓板（2）外侧面的中部设置有多个调压弹簧，调节内轮廓板（2）和外轮廓板（3）的间距能使调压弹簧在轴向上被压缩；

所述试验模型从上至下分为多个模块层，单个模块层由两个开挖模块左右拼接而成；所有开挖模块拼接在一起时，多个外轮廓板（3）所围成的区域的截面记为外轮廓截面，多个内轮廓板（2）所围成的区域的截面记为内轮廓截面；所述外轮廓截面与待模拟的隧道的截面相同，所述内轮廓截面与外轮廓截面随形；相邻外轮廓板（3）之间留有间隙，相邻内轮廓板（2）之间留有间隙；试验模型左侧的多个开挖模块与试验模型右侧的多个开挖模块的位置和结构均对称；

位于最上侧的两个开挖模块记为两个上模块，位于中部的多个开挖模块记为多个中模块，位于最下侧的两个开挖模块记为两个下模块；上模块的支座板（1）的截面为L形，两个上模块的支座板（1）的竖向段相互接触；中模块的支座板（1）的截面为方C形，同一模块层的两个中模块的支座板（1）的竖向段相互接触，同一模块层的两个中模块的支座板（1）的截面构成工字形结构，上模块的支座板（1）的下端面与相应中模块的支座板（1）的上端面接触；上侧的中模块的支座板（1）的下端面与下侧相应中模块的支座板（1）的上端面接触；下模块的支座板（1）的截面为倒L形，两个下模块的支座板（1）的竖向段相互接触，两个下模块的支座板（1）的上端面与相应中模块的支座板（1）的下端面接触。

2.根据权利要求1所述的用于隧道模拟开挖的试验模型，其特征在于：所述内轮廓板（2）轴向的端面上设置有标尺（22），标尺（22）用于标记调压弹簧在不同压缩程度时的弹力。

3.根据权利要求1或2所述的用于隧道模拟开挖的试验模型，其特征在于：同一内轮廓板（2）上的多个调压弹簧的刚度相同；同一内轮廓板（2）上的多个调压弹簧分成多个弹簧组，不同弹簧组所辖的调压弹簧在不受力状态下的轴向长度不同。

4.一种模拟隧道开挖的方法，所涉及的硬件包括多个试验模型和加压装置；所述加压装置的加压区为立方体形，加压区内填充有土体，加压区的底面、后侧面和前侧面均为刚性固定结构，加压区的前侧面上设置有与试验模型截面匹配的操作孔，加压装置能从加压区的上侧、左侧和右侧向土体施加压力；单个试验模型由多个开挖模块组成；

单个开挖模块由支座板（1）、内轮廓板（2）和外轮廓板（3）组成；支座板（1）的外侧面上设置有多根连杆（11），同一支座板（1）所辖的连杆（11）轴向平行，内轮廓板（2）上设置有与连杆（11）匹配的连接孔，连杆（11）中部套在连接孔中，连杆（11）与连接孔间隙配合，连杆（11）中部设置有第一螺纹段，第一螺纹段上设置有调节螺母，调节螺母卡在内轮廓板（2）的内侧，调节螺母用于调节支座板（1）和内轮廓板（2）的间距；外轮廓板（3）的内侧面上设置有多根支撑杆（21），同一外轮廓板（3）所辖的支撑杆（21）轴向平行，内轮廓板（2）上设置有与支撑杆（21）匹配的通孔，支撑杆（21）中部套在通孔中，支撑杆（21）与通孔间隙配合，支撑杆（21）中部设置有第二螺纹段，第二螺纹段上设置有旋钮螺母，旋钮螺母卡在内轮廓板（2）的内侧，旋钮螺母用于调节内轮廓板（2）和外轮廓板（3）的间距；内轮廓板（2）外侧面的中部设置有多个调压弹簧，调节内轮廓板（2）和外轮廓板（3）的间距能使调压弹簧在轴向上被压缩；

所述试验模型从上至下分为多个模块层，单个模块层由两个开挖模块左右拼接而成；所有开挖模块拼接在一起时，多个外轮廓板（3）所围成的区域的截面记为外轮廓截面，多个内轮廓板（2）所围成的区域的截面记为内轮廓截面；所述外轮廓截面与待模拟的隧道的截面相同，所述内轮廓截面与外轮廓截面随形；相邻外轮廓板（3）之间留有间隙，相邻内轮廓板（2）之间留有间隙；试验模型左侧的多个开挖模块与试验模型右侧的多个开挖模块的位置和结构均对称；

位于最上侧的两个开挖模块记为两个上模块，位于中部的多个开挖模块记为多个中模块，位于最下侧的两个开挖模块记为两个下模块；上模块的支座板（1）的截面为L形，两个上模块的支座板（1）的竖向段相互接触；中模块的支座板（1）的截面为方C形，同一模块层的两个中模块的支座板（1）的竖向段相互接触，同一模块层的两个中模块的支座板（1）的截面构成工字形结构，上模块的支座板（1）的下端面与相应中模块的支座板（1）的上端面接触；上侧的中模块的支座板（1）的下端面与下侧相应中模块的支座板（1）的上端面接触；下模块的支座板（1）的截面为倒L形，两个下模块的支座板（1）的竖向段相互接触，两个下模块的支座板（1）的上端面与相应中模块的支座板（1）的下端面接触；

其特征在于：所述方法包括：

1）通过旋钮螺母对内轮廓板（2）和外轮廓板（3）的间距进行调节，使调压弹簧被压缩至设定的长度；然后通过调节螺母对支座板（1）和内轮廓板（2）的间距进行调节，使多块支座板（1）相互接触时，多块外轮廓板（3）能够以小间隙方式拼接成完整的隧道截面；

调压弹簧所提供的弹力用于模拟待开挖区内土体在开挖前的刚度；

2）向加压区内填入一部分土体，然后将土体表面整平，将试验模型放在土体表面，多个试验模型同轴且相互接触形成待开挖隧道模型，待开挖隧道模型的轴向端面与操作孔相对，然后继续填入土体，使待开挖隧道模型被完全掩埋；

3）控制加压装置按设定的压力参数同步向土体的上侧、左侧和右侧加压；

4）待开挖隧道模型停止形变后，根据设计的开挖方案，将开挖模块从待开挖隧道模型上逐个取出；对单个开挖模块进行取出操作时，先缓慢旋松调节螺母，随着调节螺母逐渐旋松，内轮廓板（2）在调压弹簧的弹力作用下逐渐向内侧移动，待调压弹簧完全松弛后，缓慢旋松旋钮螺母，然后使外轮廓板（3）向内侧移动，待外轮廓板（3）与周围土体完全分离后，沿待开挖隧道模型轴向方向将开挖模块从操作孔取出，然后继续对其余开挖模块进行操作。