一种用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及隧道挖掘技术领域，更为具体地，本实用新型涉及用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置。


背景技术：

2.目前，在城市交通拥堵并且土地日趋紧张的背景下，城市的规划者正趋向于通过修建地铁项目来缓解这一矛盾。地铁的修建选址往往是在城市繁忙的道路，因此采用盾构法施工修建地铁往往是工程师的选择。但是在地铁修建过程当中，往往会对周边既有结构物造成影响。施工过程中很多种原因导致周围土体不均匀沉降，破坏了原有应力场，导致既有结构物毁坏。因此设计的时候需要通过模型试验来模拟施工过程中的力学影响，从而不断完善设计，保证设计的安全性。
3.但是目前并没有能较好的模拟盾构施工中对于既有结构物造成的力学影响的试验箱，因此本试验箱将会可以很好地模拟盾构施工对于既有结构物造成力学影响，更好地可以帮助研究者实施模型试验。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足之处，本实用新型的目的在于提出一种用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置，其通过管片、液压油、活塞等模拟盾构法隧道掘进过程。前后两侧的钢化玻璃可以根据实验者的要求调整断面类型以及断面的面积。
5.根据本实用新型的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置通过控制液压油的排出来模拟整个施工过程。模拟管片上的光纤光栅显示出模拟管片周围土体的不均匀沉降大小。油压表示出模型试验中掌子面前方土压力大小。流量表监测液压油排出流速，以模拟盾构施工中出渣的速度。通过加载设备控制活塞推进速度，模拟出盾构机掘进的速度。通过埋设在土中的多点位移计，监测出土体竖向的不均匀沉降。设计思路简单，作用机理明确，试验操作安全可靠，可以为盾构隧道施工对既有结构物影响的模型试验提供良好的技术支撑，具有良好的应用前景。
6.本实用新型的技术方案如下：
7.一种用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置，其为一种模拟盾构开挖过程对于既有结构影响试验装置，通过模拟管片、液压油与活塞模拟盾构法隧道掘进过程；其包括试验箱，所述活塞通过活塞杆与加载设备相连，所述液压油置于所述模拟管片与所述活塞形成的液压腔内；所述模拟管片置于所述试验箱的内部，通过土体将所述模拟管片埋设在所述试验箱内，所述箱体顶部为开口结构，在所述箱体顶部埋设既有结构物；所述既有结构物的外围的土体中设置多点位移计。
8.优选地，所述试验箱的箱体外侧设置加强肋。
9.优选地，所述试验箱的箱体前部具有局部开口。
10.优选地，所述试验箱的箱体前部的内侧设置有钢化玻璃。
11.优选地，所述钢化玻璃通过固定螺栓与箱体前部进行固定。
12.优选地，所述模拟管片的外侧设置光纤光栅。
13.优选地，所述箱体包括第一侧部、第二侧部、第三侧部、第四侧部和底部；所述第一侧部为箱体前部，所述第二侧部和第三侧部分别为箱体的两个侧壁，所述第四侧部为箱体后部，所述第二侧部分别位于第一侧部的两侧；所述箱体的第一侧部、第二侧部、第三侧部、第四侧部和底部为钢板。
14.优选地，所述试验箱的箱体的两个侧壁的钢板以及试验箱的箱体的底部的钢板均为整片钢板；试验箱的箱体前部设置有局部开口，所述箱体前侧的钢板为开口钢板。
15.优选地，所述模拟管片的长度从试验箱的箱体前部延伸至试验箱的箱体后部。
16.优选地，所述多点位移计的上端与箱体顶部的土体平齐且所述多点位移计的下部与所述模拟管片的最高点之间具有预设的距离h；所述既有结构物的底部埋入箱体顶部的土体中，所述既有结构物的上部暴露在空气中。
17.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
18.本实用新型的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置，箱子两侧及底板均为钢板，前侧为开口钢板。模型箱中有贯通的模拟管片。前后两侧有钢化玻璃，通过固定螺栓与钢板相连。所用的钢板有加劲肋维持钢板稳定。根据所需模拟隧道断面，钢化玻璃上开有所需要断面类型及面积。模拟管片为管节管节沿纵向贴有4条光纤光栅。管节一端为密封，另一端是有带有塑料密封胶塞的活塞，内部由液压油充满。活塞上有油压表及油阀，油阀端部安装有流量表。前后两侧的钢化玻璃可以根据实验者的要求调整断面类型以及断面的面积。实验过程中通过控制液压油的排出来模拟整个施工过程。模拟管片上的光纤光栅很好地可以显示出管片周围土体的不均匀沉降大小。油压表来表示模型试验中掌子面前方土压力大小。流量表监测液压油排出流速，可以代表盾构施工中出渣的速度。实验者通过加载仪器控制活塞推进速度，这样可以代表出盾构机掘进的速度。通过埋设在土中的多点位移计，监测出土体竖向的不均匀沉降。设计思路简单，作用机理明确，试验操作安全可靠，可以为盾构隧道施工对既有结构物影响的模型试验提供良好的技术支撑，具有良好的应用前景。
附图说明
19.本实用新型上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是根据本实用新型实施例的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置的结构示意图。
21.图2是根据本实用新型实施例的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置的正面示意图。
22.图3是根据本实用新型实施例的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置的侧面示意图。
23.图4是根据本实用新型实施例的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置的局部放大视图。
具体实施方式
24.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.根据本实用新型实施例的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置为一种模拟盾构开挖过程对于既有结构影响试验箱，其通过模拟管片、液压油、活塞模拟盾构法隧道掘进过程。如图1至图4所示，本实用新型的试验箱包括箱体、钢化玻璃2、加劲肋3、固定螺栓4、模拟管片5、光纤光栅6、液压油7、活塞8、塑料密封胶塞9、油阀10、流量表11、油压表12、多点位移计13、土体14以及既有结构物15。
26.所述箱体包括第一侧部、第二侧部、第三侧部、第四侧部和底部。所述第一侧部为箱体前部，所述第二侧部和第三侧部分别为箱体的两个侧壁，所述第四侧部为箱体后部，所述第二侧部分别位于第一侧部的两侧。
27.所述箱体的第一侧部、第二侧部、第三侧部、第四侧部和底部为钢板1。
28.所述箱体的两个侧壁的钢板以及箱体的底部的钢板均为整片钢板。
29.所述箱体的第一侧部具有开口，所述箱体前侧的钢板为开口钢板。
30.箱体前部的内侧均设置有钢化玻璃层，优选地，所述钢化玻璃层的钢化玻璃通过固定螺栓4与钢板1相连。
31.更进一步地，所述箱体后部的内侧设置钢化玻璃层优选地，所述钢化玻璃层的钢化玻璃通过固定螺栓4与钢板1相连。
32.模拟管片5贯穿设置于箱体内部。模拟管片5外侧的箱体内部空间内填充土体14，既有结构物15置于箱体顶部。多点位移计13埋设在箱体内部的土体14中，通过多点位移计13监测出土体竖向的不均匀沉降。
33.优选地，多点位移计埋设在模拟管片5上部的土体中。
34.优选地，模拟管片5上部的土体中设置多个多点位移计，更进一步地，所述多个多点位移计在模拟管片上部的土体中均匀分布。
35.优选地，所述多点位移计均匀分布在既有结构物15的周围的土体中，也就是说，既有建筑物15的下方未设置多点位移计。
36.优选地，所述多点位移计13的上端与箱体顶部的土体平齐。
37.所述多点位移计13的下部与所述模拟管片5的最高点之间具有预设的距离h。
38.优选地，箱体顶部开口，所述既有结构物15的底部埋入箱体顶部的土体中，所述既有结构物15的上部暴露在空气中。
39.在模拟管片5的外侧设置光纤光栅6；优选地，所述光纤光栅的数量为四条。四条光栅光纤在模拟管片5的外侧壁上沿周向均匀分布。
40.优选地，所述钢板的外表面设置有加劲肋3，通过加强肋3维持钢板稳定。
41.优选地，所述加强肋3为水平加强肋和竖直加强肋垂直交叉的网格结构。
42.在箱体前部的开口出的钢化玻璃层设置模拟管片孔，所述模拟管片5从所述圆形孔贯穿至所述箱体内部。
43.更进一步地，所述水平加强肋为相互平行的两条，第一水平加强肋的长度与第二水平加强肋的长度相等。
44.第一水平加强肋位于箱体前部的开口的第一边；第二水平加强肋位于箱体前部开口的第二边，所述箱边前部的开口的第一边为开口的上边缘，所述箱体前部的开口的第二边为开口的下边缘。
45.所述竖直加强肋包括第一竖直加强肋和第二竖直加强肋，所述第一竖直加强肋的长度大于所述第二竖直加强肋的长度。
46.优选地，所述第一水平加强肋的上方的钢板外侧壁被第二竖直加强肋分隔为多个尺寸相等的第一格。所述第二水平加强肋的下方的钢板外侧被第二竖直加强肋分隔为多个尺寸相等的第一格。
47.所述第一水平加强肋、第二水平加强肋以及第一竖直加强肋在箱体前部的开口的两个侧面分别形成了第二格。
48.优选地，第二格的面积大于第一格的面积。
49.优选地，在所述箱体前部的钢板的四个角处设置第一孔，在所述箱体前部内侧的钢化玻璃的四个角设置第二孔，所述第一孔和第二孔设置，以便固定螺栓4穿过第一孔和第二孔将钢化玻璃和箱体前部进行固定。
50.优选地，所述第一孔设置在箱体前部的钢板的四个角的第一格内。
51.优选地，所述箱体的两个侧壁的外表面也设置有加强肋3，加强肋3设置在钢板1的外侧壁。加强肋包括水平加强肋和竖直加强肋。水平加强肋和水平加强肋相互垂直。
52.更进一步地，所述水平加强肋为相互平行的两条，第一水平加强肋的长度与第二水平加强肋的长度相等。
53.第一水平加强肋与第二水平加强肋的距离为箱体前部的开口沿竖直方向的高度。箱体的侧壁的第一水平加强肋与箱体前部开口的上边缘位于同一水平面内，第二水平加强肋与箱体前部开口的下边缘位于同一水平面内。
54.箱体侧壁上的第一竖直加强肋与箱体侧壁上的第二竖直加强肋相互平行。箱体的侧壁上的竖直加强肋在垂直于箱体的侧壁上的水平加强肋的方向上均匀分布。
55.优选地，所述箱体后部的外侧壁也设置有加强肋。箱体后部的外侧壁包括水平加强肋和竖直加强肋，箱体后部的第一水平加强肋与箱体前部开口的上边缘位于同一水平面内，第二水平加强肋与箱体前部开口的下边缘位于同一水平面内。优选地，所述箱体后部的多条竖直加强肋均与箱体后部的各水平加强肋垂直，且箱体后部的竖直加强肋在垂直于箱体的侧壁上的水平加强肋的方向上均匀分布。
56.根据所需模拟隧道断面，也就是说，根据模拟管片5的断面形状在钢化玻璃上开有所需要断面类型及面积。
57.模拟管片的材料根据具体实验的要求进行设计与选择。
58.优选地，所述模拟管片沿纵向贴有4条光纤光栅。该纵向方向为与所述模拟管片的轴线平行的方向。
59.所述模拟管片一端封闭，一端开口；所述活塞从模拟管片的开口端伸入所述模拟管片内部，活塞8与模拟管片的封闭端之间形成液压腔，所述压力腔内设置液压油。
60.具体地，所述模拟管片的第一端密封；所述模拟管片的第二端设置带有塑料密封胶塞的活塞，活塞与模拟管片的第一端之间的模拟管片内部充满液压油7。
61.如图4所示，所述活塞处设置油压表12及油阀10，油阀端部安装有流量表11。
62.活塞的外侧设置活塞杆，活塞杆与加载设备相连。通过活塞杆带动活塞进行运动。活塞的活塞盘上设置油压表进油管安装孔，油压表的进油管置于油压表进口管安装孔处，以便实时测量液压腔内的液压油的压力。
63.活塞的活塞盘还设置进油孔，油管与进油孔相连，以便实现液压油的进出。在进油管处设置油阀10，通过油阀10的开关实现液压油的流入流出。在油阀10的外侧的进油管处设置流量11，以便计量流入流出液压腔的油液量。
64.优选地，在活塞与模拟管片之间设置塑料密封胶塞9，以便提高液压腔室的密封性。
65.优选地，箱体前部和箱体后部的钢化玻璃能够根据实验要求调整断面类型以及断面的面积。
66.根据本实用新型的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置通过控制液压油的排出来模拟整个施工过程。模拟管片上的光纤光栅显示出模拟管片周围土体的不均匀沉降大小。油压表示出模型试验中掌子面前方土压力大小。流量表监测液压油排出流速，以模拟盾构施工中出渣的速度。通过加载设备控制活塞推进速度，模拟出盾构机掘进的速度。通过埋设在土中的多点位移计，监测出土体竖向的不均匀沉降。设计思路简单，作用机理明确，试验操作安全可靠，可以为盾构隧道施工对既有结构物影响的模型试验提供良好的技术支撑，具有良好的应用前景。
67.根据本实用新型的用于盾构隧道挖掘模拟的实验装置为矩形试验箱，试验箱的内部尺寸为2.5m
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1.5m
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1.5m，该试验箱包括5块作为防护板的钢板。
68.试验箱的钢板支撑部分由1～2cm厚钢板加劲肋焊接成四边形框架形式，钢板中框架的边长为50cm
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50cm。通过固定螺栓在矩形框架的内侧安装开口钢化玻璃板，玻璃板厚度为2～3cm，用来模拟隧道洞口类型。在管片纵向贴上光纤光栅，填土后放置于模型箱中。继续填土，在其过程中埋入多点位移计，测量竖向位移变化。对于既有结构布置实验测试系统。将活塞放入管片中，通过油阀向管片中注入液压油至管片中充满。实验者通过对活塞施加力并且控制油阀的出油速度可以达到自己需要的参数，从而实现对盾构施工过程的模拟。通过油压表来表示模型试验中掌子面前方土压力大小。通过流量表监测液压油排出流速，可以代表盾构施工中出渣的速度。实验者通过加载仪器控制活塞推进速度，这样可以代表出盾构机掘进的速度。
69.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
70.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
71.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安
装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“至少三个”的含义是两个或两个以上。
72.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。