(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106324222 A(43)申请公布日 2017.01.11
(21)申请号 201610850198.1(22)申请日 2016.09.26
(71)申请人 河海大学
地址 211100 江苏省南京市江宁区佛城西
路8号(72)发明人 卢一为 丁选明 陈育民 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限
公司 32224
代理人 董建林(51)Int.Cl.
G01N 33/24(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图3页
(54)发明名称
一种模拟地下隧道施工的模型试验装置及其使用方法(57)摘要
本发明涉及一种模拟地下隧道施工的模型试验装置及其使用方法，属于土木建筑工程技术领域。包括混凝土砂浆制造设备、水箱、模型槽（1）、若干个分段式水囊（2）、若干个排水管道（5）、若干个注浆管道（6）、若干个钢丝笼（12）和总水道（15）；埋入模型槽中的分段式水囊模拟即将开挖的隧道部分，将内层水囊中水排完模拟隧道的开挖过程，将外层水囊中水排完并注入混凝土砂浆模拟隧道的结构施工的过程，通过对多个分段式水囊逐个进行排水注浆模拟隧道施工的推进过程；本发明模拟地下隧道施工的开挖、结构施工和推进的全过程。使得技术人员能够直观地观测到隧道施工过程并发现可能存在的对隧道施工产生的影响因素。
CN 106324222 ACN 106324222 A
权 利 要 求 书
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1.一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，其特征在于，包括混凝土砂浆制造设备、水箱、模型槽（1）、若干个分段式水囊（2）、若干个排水管道（5）、若干个注浆管道（6）、若干个钢丝笼（12）和总水道（15）；
若干个所述分段式水囊（2）首尾相互固定连接呈线型排列，若干个所述分段式水囊（2）均为封闭式结构，若干个所述分段式水囊（2）固定设置在所述模型槽（1）内；
若干个所述分段式水囊（2）均包括外层水囊（3）和内层水囊（4），所述内层水囊（4）为封闭式结构，所述内层水囊（4）固定设置在所述外层水囊（3）内，所述外层水囊（3）内设置有一所述钢丝笼（12），所述钢丝笼（12）环绕所述内层水囊（4）外表面；
若干个所述外层水囊（3）均分别连通若干个所述排水管道（5）的一端和若干个所述注浆管道（6）的一端，若干个所述注浆管道（6）的另一端固定连接所述混凝土砂浆制造设备，若干个所述内层水囊（4）均分别连通若干个所述排水管道（5）的一端，若干个所述排水管道（5）的另一端均连通所述总水道（15），所述总水道（15）连通所述水箱。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，其特征在于，还包括水泵（13）；所述水泵（13）设置在所述总水道（15）上。
3.根据权利要求1所述的一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，其特征在于，所述混凝土砂浆制造设备包括注浆泵（14）和制浆槽；所述注浆泵（14）的一端连接所述制浆槽，所述注浆泵（14）的另一端连接若干个所述注浆管道（6）。
4.根据权利要求1所述的一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，其特征在于，还包括若干个注浆阀门（8）和若干个排水阀门（7）；所述排水管道（5）上均设置有一所述排水阀门（7），所述注浆管道（6）上均设置有一所述注浆阀门（8）。
5.根据权利要求1所述的一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，其特征在于，还包括若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器，所述测试仪器围绕若干个所述分段式水囊（2）外表面等间距设置。
6.一种模拟地下隧道施工的模型试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在所述模型槽（1）内分层填入并压实所述试验填料（11），直至高度达到预置若干个所述分段式水囊（2）的预定高度；
步骤二：将每个所述外层水囊（3）均密封固定连接一所述排水管道（5）和一所述注浆管道（6），将每个所述内层水囊（4）均密封固定连接一所述排水管道（5），每个所述排水管道（5）上均设置有一所述排水阀门（7），每个所述注浆管道（6）上均设置有一所述注浆阀门（8），在每个所述外层水囊（3）内放置一所述钢丝笼（12）；
步骤三：打开每个所述排水阀门（7），所述水泵（13）通过所述总管道（15）向每个所述外层水囊（3）和每个所述内层水囊（4）内注水直至注满水，当所有所述分段式水囊（2）内注满水后关闭所有所述排水阀门（7），将若干个所述分段式水囊（2）首尾相连呈线型放置在所述模型槽（1）内，线型排列的若干个所述分段式水囊（2）模拟待开挖隧道；
步骤四：将若干个所述分段式水囊（2）连带若干个所述排水管道（5）和若干个所述注浆管道（6）放置在所述模型槽（1）内后，向所述模型槽（1）内继续分层填入所述试验填料（11），并压实每层所述试验填料（11），沿若干个所述分段式水囊（2）的外围等间距地埋设好若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器；
步骤五：待所述模型槽（1）内所述试验填料（11）填筑完成后，静置一段时间，同时通过
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测试仪器监测所述试验填料（11）内土压力、孔隙压力的变化情况；
步骤六：待测试仪器监测的所述试验填料（11）中的土压力值稳定后，打开第一段所述内层水囊（4）的所述排水阀门（7）进行排水直至排完，模拟第一段隧道的开挖过程；
步骤七：打开第一段所述外层水囊（3）的所述排水阀门（7）进行排水直至排完，所述外层水囊（3）排水完毕后关闭所述排水阀门（7）并打开第一段所述外层水囊（3）的所述注浆阀门（6），向第一段所述外层水囊（3）内注入所述混凝土砂浆（10）直至注满，静置一段时间等待第一段所述外层水囊（3）内所述混凝土砂浆（10）凝固完毕，模拟第一段隧道的结构施工过程；
步骤八：打开相邻下一段所述内层水囊（4）的所述排水阀门（7）进行排水直至排完，模拟相邻下一段隧道的开挖过程；
步骤九：打开相邻下一段所述外层水囊（3）的所述排水阀门（7）进行排水，当所述外层水囊（3）排水完毕后，关闭所述排水阀门（7）并打开所述外层水囊（3）的所述注浆阀门（8）向所述外层水囊（3）内进行注浆直至注满，模拟相邻下一段隧道的结构施工过程；
步骤十：待所述外层水囊（3）内所述混凝土砂浆（10）凝固完毕后，重复步骤八、步骤九两步直至试验完成。
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说 明 书
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一种模拟地下隧道施工的模型试验装置及其使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种模拟地下隧道施工的模型试验装置及其使用方法，属于土木建筑工程技术领域。
背景技术
[0002]近年来，随着隧道施工技术在国内外的快速发展和基础建设的迅速推进，隧道施工项目也越来越多。地下隧道工程的施工所引起的地面沉陷将有可能危及周围建筑设施和地下管线等安全，从而造成严重的经济损失和社会影响。岩土体本身结构的复杂性使得模型试验在岩土力学和工程的研究中进行比较普遍，尤其是针对隧道施工过程的模拟。通过对隧道施工过程的模拟和对试验数据的分析，可以为隧道的设计和施工提供借鉴和参考，同时也为保障隧道结构高效、安全的运行提供有效的研究手段和途径。[0003]在本发明之前，王明年（1995）在专门制作的试验坑内以卧式方式对试验体进行加载，但其采取的是“先挖洞，后加载”的方式模拟隧道开挖，与实际工程有所区别；中国专利（CN201650298U）公开了一种模拟隧道全断面开挖的平面应变式模型试验装置，它包含若干可拆装的隧道模块子片，通过控制隧道模块拆除的顺序可实现对隧道开挖的模拟，该种方法和实际情况较为接近，可以模拟隧道施工的开挖工程，但对于隧道的结构施工和推进过程无法模拟。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种模拟地下隧道施工的模型试验装置及其使用方法，可以模拟地下隧道开挖、结构施工和推进的全过程。[0005]为达到上述目的，本发明提供一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，包括混凝土砂浆制造设备、水箱、模型槽、若干个分段式水囊、若干个排水管道、若干个注浆管道、若干个钢丝笼和总水道；
若干个所述分段式水囊首尾相互固定连接呈线型排列，若干个所述分段式水囊均为封闭式结构，若干个所述分段式水囊固定设置在所述模型槽内；
若干个所述分段式水囊均包括外层水囊和内层水囊，所述内层水囊为封闭式结构，所述内层水囊固定设置在所述外层水囊内，所述外层水囊内设置有一所述钢丝笼，所述钢丝笼环绕所述内层水囊外表面；
若干个所述外层水囊均分别连通若干个所述排水管道的一端和若干个所述注浆管道的一端，若干个所述注浆管道的另一端固定连接所述混凝土砂浆制造设备，若干个所述内层水囊均分别连通若干个所述排水管道的一端，若干个所述排水管道的另一端均连通所述总水道，所述总水道连通所述水箱。[0006]优先地，还包括水泵；所述水泵设置在所述总水道上。[0007]优先地，所述混凝土砂浆制造设备包括注浆泵和制浆槽；所述注浆泵的一端连接所述制浆槽，所述注浆泵的另一端连接若干个所述注浆管道。
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优先地，还包括若干个注浆阀门和若干个排水阀门；所述排水管道上均设置有一所述排水阀门，所述注浆管道上均设置有一所述注浆阀门。[0009]优先地，还包括若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器，所述测试仪器围绕若干个所述分段式水囊外表面等间距设置。
[0010]一种模拟地下隧道施工的模型试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：在所述模型槽内分层填入并压实所述试验填料，直至高度达到预置若干个所述分段式水囊的预定高度；
步骤二：将每个所述外层水囊均密封固定连接一所述排水管道和一所述注浆管道，将每个所述内层水囊均密封固定连接一所述排水管道，每个所述排水管道上均设置有一所述排水阀门，每个所述注浆管道上均设置有一所述注浆阀门，在每个所述外层水囊内放置一所述钢丝笼；
步骤三：打开每个所述排水阀门，所述水泵通过所述总管道向每个所述外层水囊和每个所述内层水囊内注水直至注满水，当所有所述分段式水囊内注满水后关闭所有所述排水阀门，将若干个所述分段式水囊首尾相连呈线型放置在所述模型槽内，线型排列的若干个所述分段式水囊模拟待开挖隧道；
步骤四：将若干个所述分段式水囊连带若干个所述排水管道和若干个所述注浆管道放置在所述模型槽内后，向所述模型槽内继续分层填入所述试验填料，并压实每层所述试验填料，沿若干个所述分段式水囊的外围等间距地埋设好若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器；
步骤五：待所述模型槽内所述试验填料填筑完成后，静置一段时间，同时通过测试仪器监测所述试验填料内土压力、孔隙压力的变化情况；
步骤六：待测试仪器监测的所述试验填料中的土压力值稳定后，打开第一段所述内层水囊的所述排水阀门进行排水直至排完，模拟第一段隧道的开挖过程；
步骤七：打开第一段所述外层水囊的所述排水阀门进行排水直至排完，所述外层水囊排水完毕后关闭所述排水阀门并打开第一段所述外层水囊的所述注浆阀门，向第一段所述外层水囊内注入所述混凝土砂浆直至注满，静置一段时间等待第一段所述外层水囊内所述混凝土砂浆凝固完毕，模拟第一段隧道的结构施工过程；
步骤八：打开相邻下一段所述内层水囊的所述排水阀门进行排水直至排完，模拟相邻下一段隧道的开挖过程；
步骤九：打开相邻下一段所述外层水囊的所述排水阀门进行排水，当所述外层水囊排水完毕后，关闭所述排水阀门并打开所述外层水囊的所述注浆阀门向所述外层水囊内进行注浆直至注满，模拟相邻下一段隧道的结构施工过程；
步骤十：待所述外层水囊内所述混凝土砂浆凝固完毕后，重复步骤八、步骤九两步直至试验完成。
[0011]本发明所达到的有益效果：
埋入模型槽中的分段式水囊模拟即将开挖的隧道部分，将内层水囊中水排完模拟隧道的开挖过程，将外层水囊中水排完并注入混凝土砂浆模拟隧道的结构施工的过程，通过对多个分段式水囊中逐个进行排水注浆模拟隧道施工的推进过程；本发明模拟地下隧道施工
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的开挖、结构施工和推进的全过程。将实际操作空间很大的施工过程通过一个模型试验进行模拟，使得技术人员能够直观地观测到隧道施工过程并发现可能存在的对隧道施工产生的影响因素，并辅以测试仪器实时监测隧道施工过程中周围土壤的土压力和孔隙压力数据，模型简单、使用方便、试验费用低、模拟效果好，具有很好的教学指导意义。附图说明
[0012]图1是本发明中分段式水囊装满水的示意图。[0013]图2是本发明中排放完内层水囊中水的示意图。[0014]图3是本发明中排放完外层水囊中水的示意图。
[0015]图4是本发明中向外层水囊中注完混凝土砂浆的示意图。[0016]图5是图1的俯视图。[0017]图6是图2的俯视图。[0018]图7是图3的俯视图。[0019]图8是图4的俯视图。[0020]附图中标记含义，1、模型槽；2、分段式水囊；3、外层水囊；4、内层水囊；5、排水管道；6、注浆管道；7、排水阀门；8、注浆阀门； 10、混凝土砂浆；11、试验填料；12、钢丝笼；13、水泵；14、注浆泵；15、总水道。具体实施方式
[0021]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0022]一种模拟地下隧道施工的模型试验装置，包括混凝土砂浆制造设备、水箱、模型槽1、多个分段式水囊2、若干个排水管道5、若干个注浆管道6、若干个钢丝笼12和总水道15；
多个分段式水囊2首尾相互固定连接呈线型排列，多个分段式水囊2均为封闭式结构，多个分段式水囊2固定设置在模型槽1内；
多个分段式水囊2均包括外层水囊3和内层水囊4，内层水囊4为封闭式结构，内层水囊4固定设置在外层水囊3内，分段式水囊2之间相互独立且均为内外两层结构，内外两层水囊之间不透水。外层水囊3内设置有一钢丝笼12，钢丝笼12环绕内层水囊4外表面；
若干个外层水囊3均分别连通一个排水管道5的一端和一个注浆管道6的一端，若干个注浆管道6的另一端固定连接混凝土砂浆制造设备，若干个内层水囊4均分别连通一个排水管道5的一端，若干个排水管道5的另一端均连通总水道15，总水道15连通水箱。[0023]进一步地，还包括水泵13；水泵13设置在总水道15上。[0024]进一步地，混凝土砂浆制造设备包括注浆泵14和制浆槽；注浆泵14的一端连接制浆槽，注浆泵14的另一端连接若干个注浆管道6。[0025]进一步地，还包括试验填料11；根据实际工程地质情况，利用相似理论计算出试验填料的物理力学指标，包括几何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、压缩模量等，然后选择相似性质的材料，调整各类材料的比例，配制出符合相似条件的试验填料11。进一步地，还包括若干个注浆阀门8和若干个排水阀门7；排水管道5上均设置有一排水阀门7，注浆管道6上均设置有一注浆阀门8。
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进一步地，还包括若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器，测试仪器围绕多
个分段式水囊2外表面等间距设置。
[0027]一种模拟地下隧道施工的模型试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：在模型槽1内分层填入并压实试验填料11，直至高度达到预置多个分段式水囊2的预定高度；
步骤二：如图1所示，将每个外层水囊3均密封固定连接一排水管道5和一注浆管道6，将每个内层水囊4均密封固定连接一排水管道5，每个排水管道5上均设置有一排水阀门7，每个注浆管道6上均设置有一注浆阀门8，在每个外层水囊3内放置一钢丝笼12模拟实际隧道施工中的钢筋笼；
步骤三：打开每个排水阀门7，水泵13通过总管道15向每个外层水囊3和每个内层水囊4内注水直至注满水，当所有分段式水囊2内注满水后关闭所有排水阀门7，将多个分段式水囊2首尾相连呈线型放置在模型槽1内，呈线型排列的多个分段式水囊2模拟待开挖隧道；
步骤四：将多个分段式水囊2连带若干个排水管道5和若干个注浆管道6放置在模型槽1内后，向模型槽1内继续分层填入试验填料11，并压实每层试验填料11，沿多个分段式水囊2的外围等间距地埋设好若干个用于测试土压力、孔隙压力的测试仪器；
步骤五：待模型槽1内试验填料11填筑完成后，静置一段时间，同时通过测试仪器监测试验填料11内土压力、孔隙压力的变化情况；
步骤六：如图2所示，待测试仪器检测的试验填料11中的土压力值稳定后，打开第一段内层水囊4的排水阀门7进行排水直至排完，模拟第一段隧道的开挖过程；
步骤七：如图3所示，打开第一段外层水囊3的排水阀门7进行排水直至排完，外层水囊3排水完毕后关闭排水阀门7并打开第一段外层水囊3的注浆阀门6，向第一段外层水囊3内注入混凝土砂浆10直至注满，静置一段时间等待第一段外层水囊3内混凝土砂浆10凝固完毕，模拟第一段隧道的结构施工过程；
步骤八：打开相邻下一段内层水囊4的排水阀门7进行排水直至排完，模拟相邻下一段隧道的开挖过程；
步骤九：打开相邻下一段外层水囊3的排水阀门7进行排水，当外层水囊3排水完毕后，如图4所示，关闭排水阀门7并打开外层水囊3的注浆阀门8向外层水囊3内进行注浆直至注满，模拟相邻下一段隧道的结构施工过程；
步骤十：待外层水囊3内混凝土砂浆10凝固完毕后，重复步骤八、步骤九两步直至试验完成。
[0028]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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