模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程中隧道开挖的三维试验模型领域，特别是一种模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置。

背景技术

随着我国经济社会的发展，城市化的推进，国家对地下交通建设的需求越来越大。各地纷纷修建地铁、轻轨等轨道交通设施。城市的地铁隧道以及大量的公路、铁路隧道建设需求对岩土工程隧道修建技术提出了许多考验。目前，隧道修建的主要方式有盾构法、矿山法、顶管法等，对隧道开挖前后的科学研究及工程评估方法主要有模型试验法、数值模拟法等。其中，模型试验法能形象、直观地模拟隧道受力、变形及破坏的全过程，且能根据需要，全面、真实地模拟复杂的地质构造，揭示各类因素对隧道开挖过程中的影响，为建立新的理论和数学模型提供依据。

现有的隧道三维模型试验装置在如何风干土体、如何实现沉降位移测量、如何模拟隧道开挖过程、如何调整模拟隧道位置上有一系列不足之处。

在风干土体方面，现有的隧道三维模型试验装置均采用自然风干的方式，加入含水率较高的土后，静置1至2周，等待土体完全风干固结达到试验要求后再进行模型试验，此方法的弊端在于耗费了较多的固结时间。

观测点位移测量方面，现有的隧道三维模型装置多采用全站仪、激光测距仪等设备进行测量。全站仪多采用反光片、棱镜作为观测点，布点要求较高，且测量的步骤繁琐、仪器价格昂贵，在小型的模型试验系统中劣势明显；激光测距仪属于灵敏的光学仪器设备，对周围的光环境要求较高，在强光和逆光的环境中信号较差，且当被测物体反射性较弱，如为黑色时，难以保证测量精度，对综合环境的适应性较弱。

在模拟隧道开挖和调整隧道模型位置方面，现有的隧道三维模型试验装置多采用手动开挖的方式。即等待土体固结后，由人工手动按照预设隧道的埋深、直径等参数开挖。该过程往往对土体造成极大的扰动，甚至可能导致模型箱内土体发生崩塌，致使试验失败的情况。

发明内容

本发明的目的是针对现有的隧道三维模型试验装置，设计了一种模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置，克服现有隧道模型试验装置的局限性，实现快速风干，便捷而准确地测量位移，减小开挖对周围土体扰动，便于调整隧道埋深的隧道三维模型试验装置。

本发明的技术方案为，一种模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置，包括：箱体，用于放置土体；大气囊，通过伸缩装置设置于所述箱体内，用于模拟隧道埋深的变化；风干装置，设置于所述箱体上，用于加速所述箱体内土体风干；数个小气囊，设置于所述箱体的内部，用于形成地层空洞；以及沉降位移测量装置，设置于所述箱体上，用于测量箱体内土体的高度。

进一步的，所述箱体的侧面设有透水槽；所述风干装置为高速电风扇，所述风干装置正对所述箱体的透水槽。

进一步的，所述箱体的前端面设有至少两个滑块，至少一个所述滑块设有与所述大气囊对应的通孔。

进一步的，所述箱体的后端面设有可开关的小门，用于控制小气囊。

进一步的，所述箱体的底端设有透水孔，用于加快所述箱体内的土体风干固结。

进一步的，所述箱体的底端设有支脚，用于将所述箱体的底面与地面分离。

进一步的，所述伸缩装置为伸缩杆。

进一步的，所述沉降位移测量装置包括标识物、螺旋测微器和至少两根测量杆，所述标识物设置于所述箱体内的土体上，所述螺旋测微器的测砧和测微螺杆分别连接至少一根测量杆，所述测量杆用于所述箱体内测量标识物的高度。

进一步的，所述标识物为铁钉。

进一步的，所述标识物设有多排。

本发明的有益效果是：增设了风干装置以及大量的透水孔、透水槽等，可以加快箱体内的土风干固结，能够节省大量的试验时间；箱体内的沉降位移测量装置使用经过改装的高精度螺旋测微器，测量更加便捷简单，且能抵抗外界环境的干扰，精度较高；通过伸缩装置、大气囊以及滑块上的通孔，实现了隧道埋深位置的调整和对比试验；分别使用大气囊和小气囊模拟隧道和地层空洞，通过缓慢放气并取出的方式，尽可能地减小对周围土体的扰动，最大程度上模拟了真实隧道施工中的工程环境。

附图说明

图1是本申请隧道试验装置的结构示意图；

图2是本申请箱体的结构示意图，其中未含有滑块；

图3是本申请沉降位移测量装置的结构示意图。

以上各图中，1、箱体；11、透水槽；12、透水孔；13、支脚；14、滑块；

2、大气囊；21、伸缩装置；

3、风干装置；

4、沉降位移测量装置；41、螺旋测微器；42、测量杆。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置，如图1至图3所示，包括箱体1，大气囊2，风干装置3，数个小气囊和沉降位移测量装置4。

参考图1，箱体1内放置摸底隧道的土体。箱体1的背面、双侧面及底面采用不锈钢材料制作，正面采用钢化玻璃制作，便于观察。箱体1正面左侧安装有尺寸度量尺，用以测量埋置深度。

大气囊2通过伸缩装置21设置在箱体1内，大气囊2的形状设计成隧道的形状(部分)，利用伸缩装置21控制大气囊2在箱体1内的深度，从而实现模拟隧道埋深的变化。大气囊2上有充气口及排气口，可自由充气放气。伸缩装置21可以采用为伸缩杆。优选的，结合着参考图2，箱体1的侧面设有透水槽11；风干装置3为高速电风扇，风干装置3正对箱体1的透水槽11，风干装置3将风从透水槽11吹入，提高箱体1内土的加速风干固结。参考图1，可在箱体1的前端面滑动设置四个滑块14，一个滑块14设有与大气囊2对应的通孔，该通孔用于模拟隧道洞口，四个滑块14可按照不同的顺序放置，实现隧道洞口布置的不同埋深。这里，滑块4可以采用多个，并且设有通孔的滑块14的数量也不做具体的限定，需要根据实际情况来处理。

参考图1，风干装置3可采用直径略小于箱体1的高速电风扇，采用四个螺栓固定于箱体1上，正对箱体1侧面的透水槽，应用空气流动原理加速箱体1内土体风干。在此基础上，还可以在箱体1的底端设置透水孔12，用于加快箱体1内的土体风干固结，在此基础上，箱体1的底端设有支脚13，将箱体1的底面与地面分离，进一步加速透水过程。

数个小气囊设置在箱体1的内部(图未示)，小气囊预先充满气埋设在箱体1内的土中，待土体完全风干固结后，再缓慢放气并取出，以形成地层空洞。为便于使用，可在箱体1的背面设置一扇可开关的小门，用于方便控制小气囊以制造地层空洞。

参考图1和图3，沉降位移测量装置4设置在箱体1上，优选的，在箱体1上设置一个滑槽，该滑槽用于实现沉降位移测量装置4的滑动。先测量箱体1内土体风干前的高度，然后测量风干后的高度，从而实现沉降位移的测量。优选的，沉降位移测量装置4可采用经过改装的高精度螺旋测微器，分度值为0.01mm，其包括标识物、螺旋测微器41和两根测量杆42。标识物设置在箱体1内的土体上，螺旋测微器41的测砧和测微螺杆分别连接至少一根测量杆42，将测量杆42伸长并覆盖整个箱体1，测量杆42用于箱体1内测量标识物的高度。标识物可使用直径为5.5mm、长度为70mm的普通铁钉，在箱体1布设2至3排，使用沉降位移测量装置4测量其指定时间间隔后的沉降。

使用时，配置好指定的土样后，调整伸缩装置21的长度和滑块14的顺序，使模拟隧道的大气囊2正对滑块14的通孔，用箱体1左侧的尺寸度量尺记录隧道埋深。将大气囊2充满气，分别在箱体1底部和侧面的透水槽11和透水孔12处铺一层海绵，以免土颗粒流出。向箱体1内填土，同时在预先设定的位置布设孔隙水压力传感器和土压力传感器，用于监测箱体1内部的土压力和孔隙水压力，同时在预先设定的位置上布设好用于模拟地层空洞的充满气的小气囊。填满土后，打开快速风干的风扇装置3，加速箱体1内的土风干固结。经过一段时间，待其风干完成后，打开箱体1背后小门，将预先埋置的用于模拟地层空洞的小气囊以极缓慢的速度放气，放气完成后将其取出。一段时间后，在箱体1顶部土层布设2至3排用于监测沉降的铁钉，将测量杆42推入箱体1内，记录每个铁钉的原始高度。随后对模拟隧道的大气囊2缓慢放气，记录该过程中土压力及水压力的变化，放气完成后重新测量每个铁钉的高度，每隔一天测量一次铁钉的高度变化，结合箱体1内水土压力，对其结果进行分析。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。