本發(fā)明涉及一種模擬試驗方法及該方法所用工具，特別是涉及一種隧道開挖試驗?zāi)M方法及工具。

背景技術(shù)：

隧道施工過程中，需根據(jù)不同的地層條件選用合適的開挖工法。為保證施工的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，需要研究某種開挖工法對目標(biāo)地層的適用性，掌握目標(biāo)地層在整個開挖過程中的響應(yīng)規(guī)律，以便制定相應(yīng)的施工控制措施。對此，學(xué)者們常采用數(shù)值模型試驗和物理模型試驗兩大類方法。

數(shù)值模型試驗方法使用有限元或離散元軟件，建立數(shù)值計算模型，模擬各類地層和隧道開挖過程。

物理模型試驗方法分離心機(jī)模型試驗和重力場(1g)模型試驗兩種。其中，離心機(jī)模型試驗是將隧道模型置于離心機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)，使模型土層獲得與原狀地層相近的應(yīng)力場，開挖面采用氣囊或液囊模擬加卸荷，或用機(jī)械臂模擬隧道開挖。重力場(1g)模型試驗則是在常規(guī)重力條件下，通過在模型箱中構(gòu)造模型地層，開挖面采用應(yīng)力控制、位移控制、微型盾構(gòu)機(jī)等方法模擬開挖。

目前數(shù)值模型試驗與實際相差較大。數(shù)值軟件在本構(gòu)模型選用、邊界條件模擬、單元特征等方面與地層實際相差較大，網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度受到計算機(jī)能力的限制，特別是很難獲得接近真實地層的物理力學(xué)參數(shù)，從而導(dǎo)致數(shù)值模擬的結(jié)果無法直接用于工程設(shè)計。

現(xiàn)有的物理模型試驗設(shè)備的缺點如下：離心機(jī)試驗中，受離心機(jī)空間限制，采用氣囊、液囊對開挖面進(jìn)行加卸載，不能真實模擬開挖的過程，所采用的氣囊或液囊易破損，且內(nèi)容介質(zhì)多有一定毒性，試驗過程不安全；采用微型機(jī)械手可自動挖土，但試驗成本過高。重力場(1g)試驗中，采用手動方法難以精細(xì)控制挖土，并且對地層擾動過大，進(jìn)尺增大則很難開挖；應(yīng)力控制和位移控制法均無法模擬開挖；微型盾構(gòu)模型則僅能簡易模擬盾構(gòu)法開挖。所有物理模型試驗設(shè)備雖然可較好地模擬地層情況，但均不能真實模擬不同進(jìn)尺的全斷面開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、cd工法、crd工法、臺階法開挖的分時分步過程，鉆爆法施工的瞬時過程，進(jìn)出洞時管棚支護(hù)等實際施工情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的是提供一種隧道斷面定型板、帶芯管柱及取芯拔管器，采用上述工具可以精細(xì)、真實地模擬多種隧道開挖工法，得到更有指導(dǎo)意義的試驗結(jié)果，并且經(jīng)濟(jì)、便捷、安全。

本發(fā)明的另一目的是提供一種隧道開挖模型試驗的模擬方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，其可以精細(xì)、真實地模擬多種隧道開挖工法，得到更有指導(dǎo)意義的試驗結(jié)果，并且經(jīng)濟(jì)、便捷、安全。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：一種帶芯管柱，包括長度相同的外管及內(nèi)芯，所述外管由彈性材料制成，所述內(nèi)芯放置于所述外管內(nèi)腔并且內(nèi)芯和外管同軸，所述外管內(nèi)壁設(shè)置有第一凹槽，所述內(nèi)芯外壁設(shè)置有第二凹槽。

本發(fā)明帶芯管柱，其中，所述外管和內(nèi)芯之間設(shè)置有固體潤滑油層。

本發(fā)明帶芯管柱，其中，所述第一凹槽靠近所述外管端部，所述第二凹槽靠近所述內(nèi)芯端部。

本發(fā)明帶芯管柱，其中，所述第一凹槽為沿所述外管內(nèi)壁周向延伸的環(huán)形凹槽，所述第二凹槽為沿所述內(nèi)芯外壁周向延伸的環(huán)形凹槽。

本發(fā)明帶芯管柱，其中，所述外管由彈性塑料制成，所述內(nèi)芯由硬質(zhì)、輕質(zhì)金屬制成。

一種隧道斷面定型板，包括基層和若干個固定槽，所述基層為薄板狀，各所述固定槽均固定于所述基層表面上，所述固定槽內(nèi)腔用于插入外管。

本發(fā)明隧道斷面定型板，其中，所述固定槽為空心塑料圓管，所述空心塑料圓管的內(nèi)徑小于外管的外徑。

本發(fā)明隧道斷面定型板，其中，相鄰兩所述空心塑料圓管之間的圓心距和所述外管的外徑相等，所述空心塑料圓管成排布置，相鄰兩排的所述空心塑料圓管相互交錯。

一種取芯拔管器，其中，包括內(nèi)芯勾取部、外管勾取部及連接于所述內(nèi)芯勾取部、外管勾取部之間的中間連接部，所述內(nèi)芯勾取部包括第一套筒、設(shè)置于所述第一套筒內(nèi)壁的一組彈簧鉤針及設(shè)置于所述第一套筒外壁的用于控制所述彈簧鉤針的開關(guān)，所述第一套筒安裝有所述彈簧鉤針的一端內(nèi)徑大于內(nèi)芯的外徑，所述外管勾取部包括第二套筒及固定于所述第二套筒內(nèi)壁的鉤針，所述第二套筒設(shè)置有所述鉤針的一端外徑小于所述外管的內(nèi)徑。

本發(fā)明取芯拔管器，其中，所述中間連接部與所述第一套筒、第二套筒之間螺紋連接。

采用上述隧道斷面定型板、帶芯管柱及取芯拔管器進(jìn)行隧道開挖模型試驗?zāi)M的方法，包括組裝隧道模型及模擬開挖過程，所述組裝隧道模型包括下述步驟：首先，根據(jù)隧道形狀加工所述的隧道斷面定型板，然后在所述隧道斷面定型板的各固定槽內(nèi)分別插入一帶芯管柱，各帶芯管柱構(gòu)成與隧道斷面形狀相同的橫向集束，一個帶芯管柱的內(nèi)芯帶有第二凹槽的一端突出外管一段距離在外管的另一端形成空腔，相鄰的另一帶芯管柱的內(nèi)芯插入所述空腔內(nèi)，依次拼插接至預(yù)定隧道的長度。

本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法，其中，所述模擬開挖過程包括下述步驟：根據(jù)開挖順序用取芯拔管器的內(nèi)芯勾取部的第一套筒套在所述帶芯管柱的突出的內(nèi)芯上，在第一套筒套進(jìn)內(nèi)芯的過程中所述彈簧鉤針被擠壓縮回，隨著所述第一套筒前伸，在所述彈簧鉤針對準(zhǔn)所述第二凹槽時卡入，拉動取芯拔管器將所述內(nèi)芯拔出，按動開關(guān)使所述彈簧鉤針縮回，然后，用取芯拔管器的外管勾取部的第二套筒伸入需拔出的外管內(nèi)，鉤針伸入所述外管的第一凹槽內(nèi)，拉動取芯拔管器，將所述外管取出。

本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法，其中，在組裝隧道模型時，各相鄰的所述帶芯管柱的外管相切。

本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法，其中，所述組裝隧道模型過程中，在所述隧道斷面定型板外側(cè)設(shè)置有對隧道斷面的外輪廓局部缺失進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償管柱。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：由于本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法的組裝隧道模型中，在隧道斷面定型板的各固定槽內(nèi)分別插入一帶芯管柱，各帶芯管柱構(gòu)成與隧道斷面形狀相同的橫向集束，并且兩帶芯管柱可依次拼插接至預(yù)定隧道的長度，隧道斷面定型板的形狀可根據(jù)需要設(shè)定，因此可真實模擬任意進(jìn)尺、任意斷面形狀的隧道，使試驗結(jié)果更接近真實、更有指導(dǎo)意義，并且更經(jīng)濟(jì)、便捷、無危險。

另外，在模擬開挖過程中，根據(jù)開挖順序用取芯拔管器的內(nèi)芯勾取部拔出帶芯管柱的內(nèi)芯，用取芯拔管器的外管勾取部拔出外管，操作方便靈活，可模擬全斷面開挖、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、cd工法、crd工法、臺階法、鉆爆法、進(jìn)出洞管棚支護(hù)法等多種工法的隧道開挖過程，獲得更接近實際的地層響應(yīng)，為開挖工法、支護(hù)方式的選擇提供依據(jù)和指導(dǎo)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明帶芯管柱的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明帶芯管柱的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明隧道斷面定型板的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明取芯拔管器的內(nèi)芯勾取部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明取芯拔管器的外管勾取部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法中組裝隧道模型的過程圖；

圖7為本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法中模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的過程圖；

圖8為本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法中模擬三步臺階法開挖的過程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明一種帶芯管柱，包括長度相同的外管11及內(nèi)芯12，外管11由彈性塑料制成，內(nèi)芯12由硬質(zhì)、輕質(zhì)金屬制成，內(nèi)芯12放置于外管11內(nèi)腔并且內(nèi)芯12和外管11同軸，內(nèi)芯12與外管11直徑上嚴(yán)密嵌套，共同承受載荷，同時表現(xiàn)出與地層一致的骨架效應(yīng)和變形特性，外管11靠近一端部的內(nèi)壁設(shè)置有第一凹槽111，內(nèi)芯12靠近一端部的外壁設(shè)置有第二凹槽121。帶芯管柱分為多種尺寸類型，可根據(jù)模型試驗的實際要求兼顧精細(xì)程度和可操作性，在試驗準(zhǔn)備階段預(yù)先確定具體尺寸，在同一組試驗中，外徑較大的作為主體，用于模擬隧道主體，外徑較小的作為補(bǔ)償，用于在斷面輪廓缺失部分進(jìn)行填充，以獲得更加精細(xì)的隧道斷面形狀。

外管11和內(nèi)芯12之間設(shè)置有固體潤滑油層13，便于抽出內(nèi)芯12。

第一凹槽111為沿外管11內(nèi)壁周向延伸的環(huán)形凹槽，第二凹槽121為沿內(nèi)芯12外壁周向延伸的環(huán)形凹槽。

一種隧道斷面定型板，如圖3所示，包括基層21和若干個固定槽22，基層21為薄板狀，各固定槽22均位于基層21表面上并且固定槽22和基層21一體成型，基層21和各固定槽22均采用與外管11相同的材料，固定槽22內(nèi)腔用于插入外管11。

如圖3所示，固定槽22為空心塑料圓管，空心塑料圓管的內(nèi)徑小于外管11的外徑，相鄰兩空心塑料圓管之間的圓心距和外管11的外徑相等，空心塑料圓管成排布置，相鄰兩排的空心塑料圓管相互交錯，使用時，帶芯管柱的外管11擠壓入固定槽22內(nèi)，所有相鄰的兩帶芯管柱的外管11均相切，相鄰兩排帶芯管柱的外管相互交錯，這種緊密相切的方式形成的橫向集束可以很好的模擬各種開挖工法在斷面內(nèi)形成的曲線臨空面。

一種取芯拔管器，如圖4、5所示，包括內(nèi)芯勾取部、外管勾取部及連接于內(nèi)芯勾取部、外管勾取部之間的中間連接部，內(nèi)芯勾取部包括第一套筒31、設(shè)置于第一套筒31內(nèi)壁的一組彈簧鉤針32及設(shè)置于第一套筒31外壁的用于控制彈簧鉤針32的開關(guān)，第一套筒31安裝有彈簧鉤針32的一端內(nèi)徑大于內(nèi)芯12的外徑，平時彈簧鉤針32處于彈出狀態(tài)，兩針尖的距離小于帶芯管柱的內(nèi)芯12的外徑，外管勾取部包括第二套筒33及固定于第二套筒33內(nèi)壁的鉤針34，第二套筒33設(shè)置有鉤針34的一端外徑小于外管11的內(nèi)徑。中間連接部與第一套筒31、第二套筒33之間螺紋連接。

采用上述隧道斷面定型板、帶芯管柱及取芯拔管器可進(jìn)行多種工法的隧道開挖模型試驗精細(xì)模擬，包括但不限于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺階法、全斷面開挖法、cd工法、crd工法、鉆爆法、進(jìn)出洞管棚支護(hù)法等，下面以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為例具體說明隧道開挖模型試驗精細(xì)模擬的方法，該方法包括下述步驟：

(一)制定試驗方案，

(二)確定開挖工法，

(三)準(zhǔn)備模型模擬材料，

(四)組裝隧道模型，具體包括下述步驟：首先，根據(jù)隧道形狀加工隧道斷面定型板，然后在隧道斷面定型板的各固定槽22內(nèi)分別插入一帶芯管柱，拼插過程如圖6所示，各帶芯管柱構(gòu)成與隧道斷面形狀相同的橫向集束，各相鄰的帶芯管柱的外管11相切，一個帶芯管柱的內(nèi)芯12帶有第二凹槽121的一端突出外管11一段距離在外管11的另一端形成空腔，相鄰的另一帶芯管柱的內(nèi)芯12插入所述空腔內(nèi)，依次拼插接至預(yù)定隧道的長度，最后，在隧道斷面定型板外側(cè)設(shè)置對隧道斷面的外輪廓局部缺失進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償管柱，補(bǔ)償管柱可采用小直徑的上述帶芯管柱或?qū)嵭乃芰蠄A柱，

(五)埋置組裝好的隧道模型，

(六)分層填土、預(yù)壓，埋設(shè)傳感器，

(七)施加外部載荷，

(八)按工法開挖順序勾取帶芯管柱模擬開挖過程，具體包括下述步驟：根據(jù)如圖7所示開挖順序用取芯拔管器依次勾取各帶芯管柱，勾取各帶芯管柱時先用取芯拔管器內(nèi)芯勾取部的第一套筒31套在帶芯管柱的突出的內(nèi)芯12上，在第一套筒31套進(jìn)內(nèi)芯12的過程中彈簧鉤針32被擠壓縮回，隨著第一套筒31前伸，在彈簧鉤針32對準(zhǔn)第二凹槽121時卡入，拉動取芯拔管器將內(nèi)芯12拔出，按動開關(guān)使彈簧鉤針32縮回，然后，用取芯拔管器的外管勾取部的第二套筒33伸入需拔出的外管11內(nèi)，鉤針34伸入外管11的第一凹槽111內(nèi)，拉動取芯拔管器，將外管11取出，

(九)監(jiān)測、采集每個開挖步驟過程中的地層響應(yīng)，并整理、分析數(shù)據(jù)，撰寫試驗報告，

(十)試驗結(jié)束。

當(dāng)采用本發(fā)明隧道開挖模型試驗的模擬方法模擬三步臺階工法時，其開挖過程如圖8所示。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。