模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種巖土工程中的試驗裝置，特別是涉及模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置。
【背景技術】
[0002]隨著我國現代化城市建設進度的加快，地下軌道交通建設需求越來越大，發展越來越快，目前地鐵隧道建設應用最廣泛的方法為盾構法，對于盾構法施工的工程評估和評價，主要可以采用經驗公式法、有限元數值模擬、模型試驗法，其中模型試驗方法具有獨特的優點，也具有很大的進步空間。
[0003]第一，模型試驗是研究盾構隧道施工關鍵技術非常重要的方法，對于盾構隧道關鍵技術的研究和驗證，通常需要幾種方法共同使用相互對比，在地下工程施工這種比較難以進行現場觀測和控制的工程領域，有效的模型試驗顯得尤為重要。
[0004]第二，模型試驗方法通過一定的簡化突出特定要素的影響，可以有效模擬實際工程的真實情況，能夠通過試驗對比得到有效的數據和實測進行分析，其結果對于對應的實際工程是比較可靠的參考。
[0005]現有模型試驗隧道裝置實現膨脹和收縮的辦法共兩種:
[0006]第一類可以概括為水囊法，即在剛性筒外包乳膠水囊，通過往囊中注水或排水來模擬隧道的膨脹和收縮(國內外采用這類試驗裝置的實例已有很多)。這種裝置雖然原理簡單，但在抽水或注水的過程中，盡管體積變化可以通過流量來精確的控制，但抽水或注水過程完成時乳膠囊形狀不好控制，很難保證隧道外輪廓仍然是規則的圓形，會對試驗結果造成很大影響。
[0007]第二類為機械式模型隧道(例如一些日本學者)，原理便是通過抽拉裝置內部的錐形芯，控制與錐形芯接觸的頂桿的運動來實現隧道的收縮和膨脹，如此隧道膨脹和收縮后的尺寸以及形狀都能夠精確的控制。然而，為了能夠實現隧道膨脹或收縮，該類裝置的管片外輪廓不能是一個整體的圓形，而需是一圈由若干塊管片布置拼成的，兩兩之間有間隙的多邊形。理論上講，管片片數越多越能接近真實的圓形，但分割越細加工難度也就越大。此夕卜，上述試驗裝置僅能實現隧道整體的膨脹和收縮，適用于假定為平面應變問題的二維模型試驗，而實際過程中管片的拼裝都是逐環進行的，施工過程是三維的，因此該裝置的應用受到很大限制。
【實用新型內容】
[0008]針對上述現有技術，本實用新型提出一種模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，可以實現逐環膨脹和收縮的同時能保持外輪廓圓度良好，從而克服了由于現有機械式模型隧道試驗裝置存在的技術問題而帶來的應用局限性。
[0009]為了解決上述技術問題，本實用新型提出的一種模擬隧道土體開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，包括固定圓筒、絲杠和軸套，所述軸套設有與所述絲杠配合的內螺紋孔，所述軸套的外形由軸向相連的圓柱和圓臺構成;所述圓柱的表面上設有一軸向凹槽，所述固定圓筒的內壁上設有與該軸向凹槽滑動配合的導向凸起;所述固定圓筒上設有多組通孔，每組通孔由在固定圓筒的同一橫截面上徑向布置的多個通孔構成，每個通孔內設有一頂桿，所述頂桿沿通孔滑動;所述固定圓筒上套裝有多個依次相鄰的開口彈性環，開口彈性環的數量與設置在固定圓筒上的多組頂桿的數量相同;所述頂桿的一端與所述軸套的外表面緊密接觸，所述頂桿的另一端與所述開口彈性環的內表面緊密接觸。
[0010]進一步講，本實用新型三維模型隧道試驗裝置中配制有多個軸套，軸套外形的圓柱和圓臺的幾何尺寸不同。
[0011]所述絲杠與所述軸套螺紋連接，所述絲杠上、在遠離所述軸套的一端設有搖柄，轉動所述搖柄時，所述絲杠帶動軸套沿固定圓筒軸向移動，進而通過所述頂桿使得開口彈性環漲開或收縮。
[0012]多個開口彈性環的漲開或收縮是相互獨立。
[0013]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0014]本實用新型三維模型隧道試驗裝置，采用開口彈性環代替分片式管片來模擬實際隧道的襯砌環，其中相鄰的開口彈性環之間均相互獨立，每個開口彈性環的運動狀態均由各自環內的頂桿控制，而頂桿的運動軌跡又由沿隧道軸線運動的(具有錐形芯)作用的軸套的形狀來決定。因此，如若要實現不同的隧道膨脹或收縮的行為過程時，僅需設計和更換不同形狀的軸套即可。整個裝置中僅有固定圓筒固定在模型箱上，其他組件均相對于固定圓筒運動。使用本實用新型三維模型隧道試驗裝置實現了開口彈性環逐環膨脹和收縮，可更真實的模擬實際隧道開挖和注漿過程。并始終保證隧道外輪廓為圓形，使得試驗更加符合真實實際情況。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型三維模型隧道試驗裝置的結構分解示意圖；
[0016]圖2為本實用新型三維模型隧道試驗裝置的結構示意圖。
[0017]圖中:1-開口彈性環，2-絲杠，3-軸套，31-圓柱，32-圓臺，4_頂桿，5_搖柄，6_固定圓筒，7-導向凸起，8-軸向凹糟。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本實用新型進行解釋說明，并不用以限制本實用新型。
[0019]如圖1和圖2所示，本實用新型提出的一種模擬隧道土體開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，包括固定圓筒6、絲杠2和軸套3，所述固定圓筒6固定在模型箱上，所述軸套3設有與所述絲杠2配合的內螺紋孔，所述軸套3的外形由軸向相連的圓柱31和圓臺32構成;所述圓柱31的表面上設有一軸向凹槽8，所述固定圓筒6的內壁上設有與該軸向凹槽8滑動配合的導向凸起7;所述固定圓筒6上設有多組通孔，每組通孔由在固定圓筒6的同一橫截面上徑向布置的多個通孔構成，每個通孔內設有一頂桿4，所述頂桿4沿通孔滑動;所述固定圓筒6上套裝有多個依次相鄰的開口彈性環1(即至少有一個開口彈性環I)，采用開口彈性環I代替分片式管片來模擬實際隧道的襯砌環，所述開口彈性環為至少一環，可多個組合，開口彈性環I的數量與設置在固定圓筒6上的多組頂桿4的數量相同，多個開口彈性環I的漲開或收縮是相互獨立。所述頂桿4的一端與所述軸套3的外表面緊密接觸，所述頂桿4的另一端與所述開口彈性環I的內表面緊密接觸。所述絲杠2與所述軸套3螺紋連接，所述絲杠2上、在遠離所述軸套3的一端設有搖柄5，每一開口彈性環I代表一環模型隧道管片，由于彈性環是開口的，所以可以膨脹和收縮，從而模擬真實隧道開挖過程中產生的土體體積損失以及補償注漿過程中產生的土體體積補償。轉動所述搖柄5時，所述絲杠2同時旋轉并帶動軸套3沿固定圓筒6軸向(即隧道軸線)移動，根據軸套3外形上的圓臺(即錐形芯)外輪廓形狀，所述頂桿4會產生靠近或遠離隧道軸線方向的位移，進而通過所述頂桿4使得與之接觸的開口彈性環I會產生膨脹或收縮，從而實現隧道逐環的收縮和膨脹，達到三維模型隧道試驗的目的。本實用新型拓展了機械式隧道在隧道模型試驗方面的應用，因為是三維隧道模型，可以實現隧道逐環的收縮和膨脹，對于實際工程的模擬更加逼真。同時，采用開口彈性環模擬實際管片，保證了試驗過程中隧道外輪廓的真圓度，使試驗更加精細化，對于模擬隧道開挖及補償注漿過程的室內模型試驗研究具有重要的意義
[0020]本實用新型中開口彈性環I的運動過程由各自環內的頂桿控制，而頂桿的運動軌跡又由沿隧道軸線運動的錐形芯的形狀決定。本實用新型三維模型隧道試驗裝置，配制有多個軸套3，軸套3外形的圓柱和圓臺的幾何尺寸不同，多個不同形狀的軸套3均可與所述絲杠2連接。故如若要實現不同的隧道膨脹或收縮行為過程時，僅需設計和更換不同外形幾何尺寸(即錐形芯部分)即可。本實用新型便于操作，試驗過程中隧道外輪廓形狀和尺寸精細可控，能夠滿足各種模型隧道膨脹和收縮試驗的需要。
[0021]盡管上面結合圖對本實用新型進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本實用新型的保護之內。
【主權項】
1.一種模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，包括固定圓筒(6)、絲杠(2)和軸套(3)，所述軸套(3)設有與所述絲杠(2)配合的內螺紋孔，所述軸套(3)的外形由軸向相連的圓柱(31)和圓臺(32)構成;所述圓柱(31)的表面上設有一軸向凹槽(8)，所述固定圓筒(6)的內壁上設有與該軸向凹槽(8)滑動配合的導向凸起(7);所述固定圓筒(6)上設有多組通孔，每組通孔由在固定圓筒(6)的同一橫截面上徑向布置的多個通孔構成，每個通孔內設有一頂桿(4)，所述頂桿(4)沿通孔滑動;其特征在于: 所述固定圓筒(6)上套裝有多個依次相鄰的開口彈性環(I)，開口彈性環(I)的數量與設置在固定圓筒(6)上的多組頂桿(4)的數量相同;所述頂桿(4)的一端與所述軸套(3)的外表面緊密接觸，所述頂桿(4)的另一端與所述開口彈性環(I)的內表面緊密接觸。2.根據權利要求1所述模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，其特征在于:配制有多個軸套(3)，軸套(3)外形的圓柱和圓臺的幾何尺寸不同。3.根據權利要求1所述模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，其特征在于，所述絲杠(2)與所述軸套(3)螺紋連接，所述絲杠(2)上、在遠離所述軸套(3)的一端設有搖柄(5)，轉動所述搖柄(5)時，所述絲杠(2)帶動軸套(3)沿固定圓筒(6)軸向移動，進而通過所述頂桿(4)使得開口彈性環(I)漲開或收縮。4.根據權利要求1所述模擬隧道開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，其特征在于:多個開口彈性環(I)的漲開或收縮是相互獨立。
【專利摘要】本實用新型公開了一種模擬隧道土體開挖及補償注漿過程的三維模型隧道試驗裝置，包括固定圓筒和與絲杠配合的內螺紋孔，軸套的外形包括圓臺部分；固定圓筒上設有多組通孔，每個通孔內設有一頂桿，頂桿沿通孔滑動；固定圓筒上套裝有多個依次相鄰的開口彈性環；頂桿的一端與軸套的外表面緊密接觸，頂桿的另一端與開口彈性環的內表面緊密接觸。本實用新型拓展了機械式隧道在隧道模型試驗方面的應用，因為是三維隧道模型，可以實現隧道逐環的收縮和膨脹，對于實際工程的模擬更加逼真。同時，采用開口彈性環模擬實際管片，保證了試驗過程中隧道外輪廓的真圓度，使試驗更加精細化，對于模擬隧道開挖及補償注漿過程的室內模型試驗研究具有重要的意義。
【IPC分類】G01N33/00
【公開號】CN205353060
【申請號】CN201620098659
【發明人】鄭剛, 查萬理, 刁鈺, 張天奇, 孫佳羽
【申請人】天津大學
【公開日】2016年6月29日
【申請日】2016年1月29日