本發(fā)明涉及一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置及其使用方法，屬于土木建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著隧道施工技術(shù)在國內(nèi)外的快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的迅速推進(jìn)，隧道施工項(xiàng)目也越來越多。地下隧道工程的施工所引起的地面沉陷將有可能危及周圍建筑設(shè)施和地下管線等安全，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。巖土體本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得模型試驗(yàn)在巖土力學(xué)和工程的研究中進(jìn)行比較普遍，尤其是針對隧道施工過程的模擬。通過對隧道施工過程的模擬和對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考，同時(shí)也為保障隧道結(jié)構(gòu)高效、安全的運(yùn)行提供有效的研究手段和途徑。

在本發(fā)明之前，王明年（1995）在專門制作的試驗(yàn)坑內(nèi)以臥式方式對試驗(yàn)體進(jìn)行加載，但其采取的是“先挖洞，后加載”的方式模擬隧道開挖，與實(shí)際工程有所區(qū)別；中國專利（CN201650298U）公開了一種模擬隧道全斷面開挖的平面應(yīng)變式模型試驗(yàn)裝置，它包含若干可拆裝的隧道模塊子片，通過控制隧道模塊拆除的順序可實(shí)現(xiàn)對隧道開挖的模擬，該種方法和實(shí)際情況較為接近，可以模擬隧道施工的開挖工程，但對于隧道的結(jié)構(gòu)施工和推進(jìn)過程無法模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置及其使用方法，可以模擬地下隧道開挖、結(jié)構(gòu)施工和推進(jìn)的全過程。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置，包括混凝土砂漿制造設(shè)備、水箱、模型槽、若干個(gè)分段式水囊、若干個(gè)排水管道、若干個(gè)注漿管道、若干個(gè)鋼絲籠和總水道；

若干個(gè)所述分段式水囊首尾相互固定連接呈線型排列，若干個(gè)所述分段式水囊均為封閉式結(jié)構(gòu)，若干個(gè)所述分段式水囊固定設(shè)置在所述模型槽內(nèi)；

若干個(gè)所述分段式水囊均包括外層水囊和內(nèi)層水囊，所述內(nèi)層水囊為封閉式結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)層水囊固定設(shè)置在所述外層水囊內(nèi)，所述外層水囊內(nèi)設(shè)置有一所述鋼絲籠，所述鋼絲籠環(huán)繞所述內(nèi)層水囊外表面；

若干個(gè)所述外層水囊均分別連通若干個(gè)所述排水管道的一端和若干個(gè)所述注漿管道的一端，若干個(gè)所述注漿管道的另一端固定連接所述混凝土砂漿制造設(shè)備，若干個(gè)所述內(nèi)層水囊均分別連通若干個(gè)所述排水管道的一端，若干個(gè)所述排水管道的另一端均連通所述總水道，所述總水道連通所述水箱。

優(yōu)先地，還包括水泵；所述水泵設(shè)置在所述總水道上。

優(yōu)先地，所述混凝土砂漿制造設(shè)備包括注漿泵和制漿槽；所述注漿泵的一端連接所述制漿槽，所述注漿泵的另一端連接若干個(gè)所述注漿管道。

優(yōu)先地，還包括若干個(gè)注漿閥門和若干個(gè)排水閥門；所述排水管道上均設(shè)置有一所述排水閥門，所述注漿管道上均設(shè)置有一所述注漿閥門。

優(yōu)先地，還包括若干個(gè)用于測試土壓力、孔隙壓力的測試儀器，所述測試儀器圍繞若干個(gè)所述分段式水囊外表面等間距設(shè)置。

一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟一：在所述模型槽內(nèi)分層填入并壓實(shí)所述試驗(yàn)填料，直至高度達(dá)到預(yù)置若干個(gè)所述分段式水囊的預(yù)定高度；

步驟二：將每個(gè)所述外層水囊均密封固定連接一所述排水管道和一所述注漿管道，將每個(gè)所述內(nèi)層水囊均密封固定連接一所述排水管道，每個(gè)所述排水管道上均設(shè)置有一所述排水閥門，每個(gè)所述注漿管道上均設(shè)置有一所述注漿閥門，在每個(gè)所述外層水囊內(nèi)放置一所述鋼絲籠；

步驟三：打開每個(gè)所述排水閥門，所述水泵通過所述總管道向每個(gè)所述外層水囊和每個(gè)所述內(nèi)層水囊內(nèi)注水直至注滿水，當(dāng)所有所述分段式水囊內(nèi)注滿水后關(guān)閉所有所述排水閥門，將若干個(gè)所述分段式水囊首尾相連呈線型放置在所述模型槽內(nèi)，線型排列的若干個(gè)所述分段式水囊模擬待開挖隧道；

步驟四：將若干個(gè)所述分段式水囊連帶若干個(gè)所述排水管道和若干個(gè)所述注漿管道放置在所述模型槽內(nèi)后，向所述模型槽內(nèi)繼續(xù)分層填入所述試驗(yàn)填料，并壓實(shí)每層所述試驗(yàn)填料，沿若干個(gè)所述分段式水囊的外圍等間距地埋設(shè)好若干個(gè)用于測試土壓力、孔隙壓力的測試儀器；

步驟五：待所述模型槽內(nèi)所述試驗(yàn)填料填筑完成后，靜置一段時(shí)間，同時(shí)通過測試儀器監(jiān)測所述試驗(yàn)填料內(nèi)土壓力、孔隙壓力的變化情況；

步驟六：待測試儀器監(jiān)測的所述試驗(yàn)填料中的土壓力值穩(wěn)定后，打開第一段所述內(nèi)層水囊的所述排水閥門進(jìn)行排水直至排完，模擬第一段隧道的開挖過程；

步驟七：打開第一段所述外層水囊的所述排水閥門進(jìn)行排水直至排完，所述外層水囊排水完畢后關(guān)閉所述排水閥門并打開第一段所述外層水囊的所述注漿閥門，向第一段所述外層水囊內(nèi)注入所述混凝土砂漿直至注滿，靜置一段時(shí)間等待第一段所述外層水囊內(nèi)所述混凝土砂漿凝固完畢，模擬第一段隧道的結(jié)構(gòu)施工過程；

步驟八：打開相鄰下一段所述內(nèi)層水囊的所述排水閥門進(jìn)行排水直至排完，模擬相鄰下一段隧道的開挖過程；

步驟九：打開相鄰下一段所述外層水囊的所述排水閥門進(jìn)行排水，當(dāng)所述外層水囊排水完畢后，關(guān)閉所述排水閥門并打開所述外層水囊的所述注漿閥門向所述外層水囊內(nèi)進(jìn)行注漿直至注滿，模擬相鄰下一段隧道的結(jié)構(gòu)施工過程；

步驟十：待所述外層水囊內(nèi)所述混凝土砂漿凝固完畢后，重復(fù)步驟八、步驟九兩步直至試驗(yàn)完成。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

埋入模型槽中的分段式水囊模擬即將開挖的隧道部分，將內(nèi)層水囊中水排完模擬隧道的開挖過程，將外層水囊中水排完并注入混凝土砂漿模擬隧道的結(jié)構(gòu)施工的過程，通過對多個(gè)分段式水囊中逐個(gè)進(jìn)行排水注漿模擬隧道施工的推進(jìn)過程；本發(fā)明模擬地下隧道施工的開挖、結(jié)構(gòu)施工和推進(jìn)的全過程。將實(shí)際操作空間很大的施工過程通過一個(gè)模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬，使得技術(shù)人員能夠直觀地觀測到隧道施工過程并發(fā)現(xiàn)可能存在的對隧道施工產(chǎn)生的影響因素，并輔以測試儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道施工過程中周圍土壤的土壓力和孔隙壓力數(shù)據(jù)，模型簡單、使用方便、試驗(yàn)費(fèi)用低、模擬效果好，具有很好的教學(xué)指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中分段式水囊裝滿水的示意圖。

圖2是本發(fā)明中排放完內(nèi)層水囊中水的示意圖。

圖3是本發(fā)明中排放完外層水囊中水的示意圖。

圖4是本發(fā)明中向外層水囊中注完混凝土砂漿的示意圖。

圖5是圖1的俯視圖。

圖6是圖2的俯視圖。

圖7是圖3的俯視圖。

圖8是圖4的俯視圖。

附圖中標(biāo)記含義，1、模型槽；2、分段式水囊；3、外層水囊；4、內(nèi)層水囊；5、排水管道；6、注漿管道；7、排水閥門；8、注漿閥門； 10、混凝土砂漿；11、試驗(yàn)填料；12、鋼絲籠；13、水泵；14、注漿泵；15、總水道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置，包括混凝土砂漿制造設(shè)備、水箱、模型槽1、多個(gè)分段式水囊2、若干個(gè)排水管道5、若干個(gè)注漿管道6、若干個(gè)鋼絲籠12和總水道15；

多個(gè)分段式水囊2首尾相互固定連接呈線型排列，多個(gè)分段式水囊2均為封閉式結(jié)構(gòu)，多個(gè)分段式水囊2固定設(shè)置在模型槽1內(nèi)；

多個(gè)分段式水囊2均包括外層水囊3和內(nèi)層水囊4，內(nèi)層水囊4為封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層水囊4固定設(shè)置在外層水囊3內(nèi)，分段式水囊2之間相互獨(dú)立且均為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層水囊之間不透水。外層水囊3內(nèi)設(shè)置有一鋼絲籠12，鋼絲籠12環(huán)繞內(nèi)層水囊4外表面；

若干個(gè)外層水囊3均分別連通一個(gè)排水管道5的一端和一個(gè)注漿管道6的一端，若干個(gè)注漿管道6的另一端固定連接混凝土砂漿制造設(shè)備，若干個(gè)內(nèi)層水囊4均分別連通一個(gè)排水管道5的一端，若干個(gè)排水管道5的另一端均連通總水道15，總水道15連通水箱。

進(jìn)一步地，還包括水泵13；水泵13設(shè)置在總水道15上。

進(jìn)一步地，混凝土砂漿制造設(shè)備包括注漿泵14和制漿槽；注漿泵14的一端連接制漿槽，注漿泵14的另一端連接若干個(gè)注漿管道6。

進(jìn)一步地，還包括試驗(yàn)填料11；根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況，利用相似理論計(jì)算出試驗(yàn)填料的物理力學(xué)指標(biāo)，包括幾何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、壓縮模量等，然后選擇相似性質(zhì)的材料，調(diào)整各類材料的比例，配制出符合相似條件的試驗(yàn)填料11。進(jìn)一步地，還包括若干個(gè)注漿閥門8和若干個(gè)排水閥門7；排水管道5上均設(shè)置有一排水閥門7，注漿管道6上均設(shè)置有一注漿閥門8。

進(jìn)一步地，還包括若干個(gè)用于測試土壓力、孔隙壓力的測試儀器，測試儀器圍繞多個(gè)分段式水囊2外表面等間距設(shè)置。

一種模擬地下隧道施工的模型試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟一：在模型槽1內(nèi)分層填入并壓實(shí)試驗(yàn)填料11，直至高度達(dá)到預(yù)置多個(gè)分段式水囊2的預(yù)定高度；

步驟二：如圖1所示，將每個(gè)外層水囊3均密封固定連接一排水管道5和一注漿管道6，將每個(gè)內(nèi)層水囊4均密封固定連接一排水管道5，每個(gè)排水管道5上均設(shè)置有一排水閥門7，每個(gè)注漿管道6上均設(shè)置有一注漿閥門8，在每個(gè)外層水囊3內(nèi)放置一鋼絲籠12模擬實(shí)際隧道施工中的鋼筋籠；

步驟三：打開每個(gè)排水閥門7，水泵13通過總管道15向每個(gè)外層水囊3和每個(gè)內(nèi)層水囊4內(nèi)注水直至注滿水，當(dāng)所有分段式水囊2內(nèi)注滿水后關(guān)閉所有排水閥門7，將多個(gè)分段式水囊2首尾相連呈線型放置在模型槽1內(nèi)，呈線型排列的多個(gè)分段式水囊2模擬待開挖隧道；

步驟四：將多個(gè)分段式水囊2連帶若干個(gè)排水管道5和若干個(gè)注漿管道6放置在模型槽1內(nèi)后，向模型槽1內(nèi)繼續(xù)分層填入試驗(yàn)填料11，并壓實(shí)每層試驗(yàn)填料11，沿多個(gè)分段式水囊2的外圍等間距地埋設(shè)好若干個(gè)用于測試土壓力、孔隙壓力的測試儀器；

步驟五：待模型槽1內(nèi)試驗(yàn)填料11填筑完成后，靜置一段時(shí)間，同時(shí)通過測試儀器監(jiān)測試驗(yàn)填料11內(nèi)土壓力、孔隙壓力的變化情況；

步驟六：如圖2所示，待測試儀器檢測的試驗(yàn)填料11中的土壓力值穩(wěn)定后，打開第一段內(nèi)層水囊4的排水閥門7進(jìn)行排水直至排完，模擬第一段隧道的開挖過程；

步驟七：如圖3所示，打開第一段外層水囊3的排水閥門7進(jìn)行排水直至排完，外層水囊3排水完畢后關(guān)閉排水閥門7并打開第一段外層水囊3的注漿閥門6，向第一段外層水囊3內(nèi)注入混凝土砂漿10直至注滿，靜置一段時(shí)間等待第一段外層水囊3內(nèi)混凝土砂漿10凝固完畢，模擬第一段隧道的結(jié)構(gòu)施工過程；

步驟八：打開相鄰下一段內(nèi)層水囊4的排水閥門7進(jìn)行排水直至排完，模擬相鄰下一段隧道的開挖過程；

步驟九：打開相鄰下一段外層水囊3的排水閥門7進(jìn)行排水，當(dāng)外層水囊3排水完畢后，如圖4所示，關(guān)閉排水閥門7并打開外層水囊3的注漿閥門8向外層水囊3內(nèi)進(jìn)行注漿直至注滿，模擬相鄰下一段隧道的結(jié)構(gòu)施工過程；

步驟十：待外層水囊3內(nèi)混凝土砂漿10凝固完畢后，重復(fù)步驟八、步驟九兩步直至試驗(yàn)完成。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。