專利名稱：一種用于模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置及方法
技術領域：
本發明屬于土木工程技術領域，涉及一種用于研究隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置及方法。
背景技術：
隨著城市的發展，軌道交通大力發展，地鐵上下穿越工程越來越多，呈現出隧道埋深多樣化趨勢。設計者如何使工程的修建滿足安全與經濟相互統一的要求，豎向土壓力的準確計算起著至關重要的作用。明確土拱效應是解決該問題的關鍵，即隧道拱頂上方土體有多少壓力以荷載的形式傳遞給支護結構，有多少壓力轉移到了臨近土體？ 土拱承載體的
臨界邊界是否擴展到地表？目前用于模擬土拱效應的試驗裝置只能考慮單線隧道，如何同步考慮多因素影響下土拱效應演變規律是亟待解決的問題，尤其是能實現雙線并行隧道開挖引起土拱效應的模擬裝置及方法。
發明內容
本發明旨在提供一種模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，以及模擬雙線并行隧道開挖引起土拱效應的方法，該試驗裝置費用低廉、可操作性好、可靠性高，用于研究隧道間距、隧道跨度、分步開挖、覆土深度、地基剛度等因素對隧道開挖引起土拱效應的影響。具體技術方案如下一種用于模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，包括無頂蓋方形透明模型箱和千斤頂，無頂蓋方形透明模型箱包括側板和底板，其特征在于對于模型箱的底板進行改造，并設置了擋板⑷和滑落門(5);模型箱的底板由承重板(I)、可拆卸板(2)、承重板(I)依次無縫相鄰組成，可拆卸板(2)的個數至少為1，承重板(I)和可拆卸板(2)的底部均平行設置了方形鋼管(3)，方形鋼管(3)起到支撐承重板(I)或者可拆卸板(2)的作用；可拆卸板(2)根據預先設定的要模擬的隧道寬度進行拆卸，形成拆除帶，用于模擬隧道；拆除帶底部四周固定安裝四個擋板，形成四周封閉的方形通道；千斤頂推動滑落門(5)在方形通道內上下移動，滑落門(5)的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同。選用透明模型箱易于拍照與觀察箱內土體位移變化。承重板⑴和可拆卸板⑵均選用亞克力板。擋板(4)選用亞克力板。選用表面光滑的亞克力板，有效降低了邊界效應。千斤頂為電動千斤頂。該裝置可以模擬單線隧道、雙線隧道以及多線隧道開挖引起的土拱效應，當模擬單線隧道時，只需拆除可拆卸板，形成一條拆除帶；模擬雙線隧道時，只需拆除可拆卸板，形成兩條拆除帶；模擬多線隧道時，只需拆除可拆卸板，形成多條拆除帶；一種用于模擬雙線并行隧道開挖引起土拱效應的方法，基于由無頂蓋方形透明模型箱、千斤頂、擋板和滑落門組成的試驗裝置，無頂蓋方形透明模型箱包括側板和底板，底板由承重板、可拆卸板、承重板依次無縫相鄰組成，其特征在于包括以下步驟I)拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除帶L，使拆除帶L的寬度等于預設寬度A ；2)在距離拆除帶L等于設定間隔寬度的地方繼續拆卸可拆卸板，形成拆除帶M，使拆除帶M的寬度等于預設寬度B ；3)在拆除帶L和M底部四周分別固定安裝四個擋板，形成兩個四周封閉的方形通道；
4)每個方形通道對應一個與方形通道具有相同形狀、大小橫截面的滑落門，每個滑落門在一個千斤頂的推動下在對應的方形通道內上下移動，用于模擬隧道開挖引起的土拱效應；滑落門的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同，用于保證滑落門在方形通道內移動過程中，置于模型箱內的土體不會從方形通道中漏出。當模擬多線隧道開挖引起的土拱效應時，可以繼續拆除可拆卸板，形成多條拆除帶，并在對應的拆除帶底部四周分別固定安裝四個擋板，形成四周封閉的方形通道；在每個方形通道內每個方形通道對應一個與方形通道具有相同形狀、大小橫截面的滑落門，每個滑落門在一個千斤頂的推動下在對應的方形通道內上下移動，用于模擬隧道開挖引起的土拱效應；滑落門的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同，用于保證滑落門在方形通道內移動過程中，置于模型箱內的土體不會從方形通道中漏出。模擬單線隧道開挖引起的土拱效應時，只需拆除可拆卸板，形成一條拆除帶即可。有益效果本發明所述裝置能夠模擬單線隧道、雙線隧道乃至多線隧道開挖引起的土拱效應，并且成本低廉、可操作性好、可靠性高。本發明所述方法能夠研究隧道間距、隧道跨度、分步開挖、覆土深度、地基剛度等因素對雙線隧道開挖引起土拱效應的影響。同時也可以擴展至研究多線隧道開挖引起土拱效應的影響。
圖I :一種用于模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置示意圖；圖2 :底板示意圖；圖3 :千斤頂及滑落門整體示意圖；圖4 :一種用于模擬雙線并行隧道開挖引起土拱效應的方法流程圖。圖中1、承重板，2、可拆卸板，3、方形鋼管，4、擋板，5、滑落門，6、無頂蓋方形透明模型箱，7、千斤頂
具體實施例方式無頂蓋方形透明模型箱的側板選用亞克力板，底板由11根規格為IOOOmmX 50mmX 20mm的亞克力制成的可拆卸板和2片規格為IOOOmmX375mmX20mm的板材制作的承重板構成，11根可拆卸板相互平行無縫相鄰，2片承重板分別位于11根可拆卸板的左右兩側，每根可拆卸板底部都有一根方形鋼管，由于承重板的寬度大于可拆卸板的寬度，因此每塊承重板底部加裝兩根方形鋼管，方形鋼管的規格均為IOOOmmX 30mmX 15mm，方形鋼管用于增強模型箱底板的剛度。可拆卸板的數量和尺寸可以根據實際情況進行調整。模擬雙線并行隧道開挖引起的土拱效應時，分別拆除兩組可拆卸板形成兩個拆除帶，每組可拆卸板由3根相鄰的可拆卸板組成，拆除的兩組可拆卸板用于模擬雙線隧道，兩組可拆卸板之間間隔5根可拆卸板。每組可拆卸板的寬度和間隔的距離均可以根據實際情況進行設定。分別在兩個拆除帶底部四周固定安裝四個擋板，形成兩個四周封閉的方形通道；對應每個方形通道設有ー個電動千斤頂，每個電動千斤頂推動ー個滑落門在方形通道內上下運動，滑落門的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同。這樣保證了滑落門在方形通道內移動過程中，置于模型箱內的土體不會從方形通道中漏出。模型箱底安裝壓カ盒，安裝完之后分層裝土，并且刮平壓密，模型箱內填土至規定高度，安裝激光位移計，用于位移移測試。所填砂土事先進行染色處理，不同顔色砂土進行分層鋪裝，以便觀察。 開啟電動千斤頂，電動千斤頂推動滑落門在方形通道內上下移動，模擬雙線隧道開挖過程,采集數據。當模擬多線隧道開挖引起的土拱效應時，可以繼續拆除可拆卸板，形成多條拆除帶，其余方法相同，即可實現對多線并行隧道開挖引起的土拱效應的研究。
權利要求
1.一種用于模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，包括無頂蓋方形透明模型箱(6)和千斤頂(7)，無頂蓋方形透明模型箱(6)包括側板和底板，其特征在于對于模型箱的底板進行改造，并設置了擋板(4)和滑落門(5);模型箱的底板由承重板(I)、可拆卸板(2)、承重板(I)依次無縫相鄰組成，可拆卸板(2)的個數至少為1，承重板(I)和可拆卸板(2)的底部均平行設置了方形鋼管(3)，方形鋼管(3)起到支撐承重板(I)或者可拆卸板(2)的作用；可拆卸板(2)根據預先設定的要模擬的隧道寬度進行拆卸，形成拆除帶，用于模擬隧道；拆除帶底部四周固定安裝四個擋板，形成四周封閉的方形通道；千斤頂推動滑落門(5)在方形通道內上下移動，滑落門(5)的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同。
2.根據權利要求I所述的一種用于研究雙線近接隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，其特征在于承重板(I)和可拆卸板(2)均選用亞克力板。
3.根據權利要求I所述的一種用于研究雙線近接隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，其特征在于擋板(4)選用亞克力板。
4.根據權利要求I所述的一種用于研究雙線近接隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置，其特征在于所述的千斤頂(7)為電動千斤頂。
5.一種用于模擬雙線并行隧道開挖引起土拱效應的方法，基于由無頂蓋方形透明模型箱、千斤頂、擋板和滑落門組成的試驗裝置，無頂蓋方形透明模型箱包括側板和底板，底板由承重板、可拆卸板、承重板依次無縫相鄰組成，其特征在于包括以下步驟 1)拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除帶L，使拆除帶L的寬度等于預設寬度A； 2)在距離拆除帶L等于設定間隔寬度的地方繼續拆卸可拆卸板，形成拆除帶M，使拆除帶M的寬度等于預設寬度B ; 3)在拆除帶L和M底部四周分別固定安裝四個擋板，形成兩個四周封閉的方形通道； 4)每個方形通道對應一個與方形通道具有相同形狀、大小橫截面的滑落門，每個滑落門在一個千斤頂的推動下在對應的方形通道內上下移動，用于模擬隧道開挖引起的土拱效應；滑落門的橫截面與對應的方形通道橫截面的形狀、大小相同，用于保證滑落門在方形通道內移動過程中，置于模型箱內的土體不會從方形通道中漏出。
全文摘要
本發明屬于土木工程技術領域，涉及一種用于模擬隧道開挖引起土拱效應的試驗裝置及方法。本發明基于由無頂蓋方形透明模型箱、千斤頂、擋板和滑落門組成的試驗裝置，無頂蓋方形透明模型箱的底板由承重板、可拆卸板、承重板依次無縫相鄰組成，拆卸模型箱底板上的可拆卸板，形成拆除帶，使拆除帶的寬度等于預設寬度；在距離拆除帶等于設定間隔寬度的地方繼續拆卸可拆卸板，形成另一條拆除帶；在兩條拆除帶底部四周分別固定安裝四個擋板，形成兩個四周封閉的方形通道；千斤頂推動滑落門在對應的方形通道內下上下移動，用于模擬隧道開挖引起的土拱效應。本發明具有操作簡單，擴展性強等優點。
文檔編號G01N19/00GK102680390SQ20121008357
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者張波, 李文博, 李積棟, 楊丁銘, 王文沛, 陶連金, 黃 俊 申請人:北京工業大學