一种隧道模型试验装置

技术领域

本发明涉及隧道工程测试技术领域，特别涉及一种隧道模型试验装置。

背景技术

隧道是修建在地下、水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。随着工程设备和技术的发展，隧道已成为一种十分常见的建筑形式。模型试验是发展隧道相关技术的重要手段，现场隧道模型试验受场地、人为因素等影响，成本较大且费时较长，室内隧道模型试验具有成本低和操作简易等优点，是研究隧道受力机理的有效方法，能够直观地观测到隧道变形破坏过程，为隧道研究提供重要依据。

目前，在隧道模型加载试验中，大多数试验装置忽略地下水对隧道衬砌的作用，因而不能全面模拟隧道在地层中的状态；国内外隧道模型装置多采用直接向隧道衬砌施加荷载的加载方式，忽略了隧道在围岩地应力场中衬砌与围岩的相互作用因素，无法准确模拟隧道在地层中的受力变形情况。

而忽略了地下水影响以及衬砌与围岩相互作用的模型试验，所得出的试验数据是不全面的，对隧道相关技术发展的参考价值有限。因此，有必要将地下水作用以及隧道衬砌和围岩的相互作用考虑到隧道模型试验中，以提高对隧道相关研究的参考价值。

发明内容

本发明提供一种隧道模型试验装置，同时考虑衬砌和围岩相互作用，以隧道衬砌和围岩共同作为模拟对象，基于土质围岩的底部增湿隧道模型试验较真实地模拟了隧道的实际变形特征，解决了以往隧道模型试验忽略地下水作用以及直接对隧道衬砌直接施加荷载隧道受力变形不符合实际的问题。

本发明提供了一种隧道模型试验装置，包括：

模型箱，左右两侧及顶部开放，模型箱内可拆卸连接有横向的带孔隔板，模型箱的底部与横向隔板之间形成底部空腔，模型箱内放置有隧道模型，隧道模型放置于带孔隔板之上，隧道模型包括隧道衬砌模型以及填充于隧道衬砌模型外周的围岩模拟材料；

底部浸水增湿系统，与底部空腔连通，用于为底部空腔提供水流或水蒸气，以使水流或水蒸气透过带孔隔板进入隧道模型中；

双向加载系统，包括沿竖直方向设置于模型箱内的左侧压板和右侧压板，左侧压板和右侧压板沿水平方向与模型箱滑动配合，左侧压板和右侧压板分别向靠近隧道模型的方向移动以对隧道模型左右两侧施加均匀或不均匀的推力；

顶部加载系统，设置于模型箱内，以对隧道模型顶部施加均匀荷载。

可选的，底部浸水增湿系统包括：

连接管路，第一端与底部空腔内的进液口连通；

水流/水蒸气分路转换控制组件，连接于连接管路的第二端，通过连接管路向底部空腔内通入水流或水蒸气。

可选的，水流/水蒸气分路转换控制组件包括：

清水箱，设置于模型箱的外部，连接管路包括进液管、进气管和排液管，清水箱连接于进液管的第一端，进液管的第二端与进液口连通，进液管沿清水箱向进液口的方向上依次连接有水泵、水流阀门、第一单向阀和流量表，进气管的第一端连接于水泵和水流阀门之间的进液管上，进气管的第二端连接于水流阀门和第一单向阀之间的进液管上，进气管上依次设有水蒸汽发生器进水阀门、水蒸气发生器和第二单向阀；

废水箱，设置于模型箱外部，排液管的第一端与废水箱连通，排液管的第二端连接于流量表和进液口之间的进液管上，排液管上连接有排水阀门。

可选的，双向加载系统包括：

液压油缸组，一部分与左侧压板连接，另一部分与右侧压板连接，以推动左侧压板或右侧压板沿水平方向移动；

液压控制系统，与液压油缸组连接，以改变液压油缸组中的油压。

可选的，液压油缸组包括：

I号液压油缸和II号液压油缸，分别通过油缸支座固定于模型箱的左侧，左侧压板分别与I号液压油缸和II号液压油缸伸出的活塞铰接；

III号液压油缸和IV号液压油缸，分别通过油缸支座固定于模型箱的右侧，右侧压板分别与III号液压油缸和IV号液压油缸伸出的活塞铰接，I号液压油缸、II号液压油缸、III号液压油缸及IV号液压油缸分别与液压控制系统通过连接管相连接。

可选的，左侧压板和右侧压板相对的侧面分别可拆卸连接有压力计，压力计连接有静态应变测试仪。

可选的，顶部加载系统包括：

反压板，固定于模型箱的顶部；

加压气囊，放置于反压板和隧道模型之间；

可调压气泵，通过输气管线与加压气囊连接。

可选的，加压气囊和隧道模型之间活动设置有柔性垫层。

可选的，底部空腔内固定有竖向肋板，竖向肋板支撑于带孔隔板的下端。

可选的，模型箱包括：正面板、背面板、底板以及支撑框架，正面板固定于支撑框架的前端，背面板固定于支撑框架的后端，底板固定于支撑框架的底端，正面板及背面板上均设有坐标网格。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过将底部浸水增湿系统连通底部空腔可以向底部空腔中通入水或者水蒸气，从而对模型实施浸水试验或增湿试验，模拟地下水位，本发明以隧道及其围岩为模拟对象，考虑了隧道和围岩的相互作用，对围岩模拟材料施加荷载，较好地还原了地应力场，通过双向加载系统实现了隧道模型在实际地层中受多向不均匀荷载的作用，较真实地模拟了隧道的实际受力变形情况，通过对模型顶部进行均匀加载，通过顶部加载系统来对模型顶部施加载荷，能够较为准确地模拟实际情况，本发明试验装置操作简单，功能齐全，能够较为全面地模拟隧道在自然地层中复杂多样的受力情况，更加符合实际情况，有效提高了模拟试验对隧道研究的参考价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置的主视图；

图2是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置的左视图；

图3是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置的俯视图；

图4是图1中的A-A向剖面图；

图5是图1中的B-B向剖面图。

图6是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置的水流/水蒸气分路转换控制组件的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置的液压控制系统的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置中的带孔隔板的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置中的封闭板的结构示意图。

附图标记说明：

1-模型箱；2-支撑框架；3-正面板；4-背面板；5-油缸支座；6-I号液压油缸；7-II号液压油缸；8-III号液压油缸；9-IV号液压油缸；10-活塞；11-左侧压板；12-右侧压板；13-滑动轨道；14-反压板；15-加压气囊；16-带孔隔板；17-底部空腔；18-进液口；19-围岩模拟材料；20-隧道衬砌模型；21-密封圈；22-压力计；23-竖向肋板；24-可调压气泵；25-连接管；26-液压控制系统；260-粗滤油器；261-油泵；262-油箱；263-第三单向阀；264-细滤油器；265-溢流阀；266-压力表；267-方向控制阀；268-进油管线；269-回油管线269；27-连接管路；270-进液管；271-进气管；272-排液管；28-水流/水蒸气分路转换控制组件；280-清水箱；281-水泵；282-水流阀门；283-第一单向阀；284-流量表；285-水蒸汽发生器进水阀门；286-水蒸气发生器；287-第二单向阀；288-废水箱；289-排水阀门；29-静态应变测试仪；30-无孔盖板；31-电动机；32-输气管线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明的技术方案和简化描述，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发明的限制。

目前，在隧道模型加载试验中，大多数试验装置忽略地下水对隧道衬砌的作用，因而不能全面模拟隧道在地层中的状态；国内外隧道模型装置多采用直接向隧道衬砌施加荷载的加载方式，忽略了隧道在围岩地应力场中衬砌与围岩的相互作用因素，无法准确模拟隧道在地层中的受力变形情况。

而忽略了地下水影响以及衬砌与围岩相互作用的模型试验，所得出的试验数据是不全面的，对隧道相关技术发展的参考价值有限。因此，有必要将地下水作用以及隧道衬砌和围岩的相互作用考虑到隧道模型试验中，以提高对隧道相关研究的参考价值。

如图1-5所示，本发明实施例提供的一种隧道模型试验装置，包括：模型箱1、底部浸水增湿系统、双向加载系统和顶部加载系统，模型箱1的左右两侧及顶部开放，模型箱1内可拆卸连接有横向的带孔隔板16，模型箱1的底部与横向隔板16之间形成底部空腔17，模型箱1内放置有隧道模型，隧道模型放置于带孔隔板16之上，隧道模型包括隧道衬砌模型20以及填充于隧道衬砌模型20外周的围岩模拟材料19，底部浸水增湿系统与底部空腔17连通，用于为底部空腔17提供水流或水蒸气，以使水流或水蒸气透过带孔隔板16进入隧道模型中，双向加载系统包括沿竖直方向设置于模型箱1内的左侧压板11和右侧压板12，左侧压板11和右侧压板12沿水平方向与模型箱1滑动配合，左侧压板11和右侧压板12分别向靠近隧道模型的方向移动以对隧道模型左右两侧施加均匀或不均匀的推力，顶部加载系统设置于模型箱1内，以对隧道模型顶部施加均匀荷载。

本发明通过将底部浸水增湿系统连通底部空腔可以向底部空腔中通入水或者水蒸气，从而对模型实施浸水试验或增湿试验，模拟地下水位，本发明以隧道及其围岩为模拟对象，考虑了隧道和围岩的相互作用，对围岩模拟材料施加荷载，较好地还原了地应力场，通过双向加载系统实现了隧道模型在实际地层中受多向不均匀荷载的作用，较真实地模拟了隧道的实际受力变形情况，通过对模型顶部进行均匀加载，通过顶部加载系统来对模型顶部施加载荷，能够较为准确地模拟实际情况，本发明试验装置操作简单，功能齐全，能够较为全面地模拟隧道在自然地层中复杂多样的受力情况，更加符合实际情况，有效提高了模拟试验对隧道研究的参考价值。

在本实施例中，底部浸水增湿系统包括：连接管路27和水流/水蒸气分路转换控制组件28，连接管路27的第一端与底部空腔17内的进液口18连通，水流/水蒸气分路转换控制组件28连接于连接管路27的第二端，通过连接管路27向底部空腔17内通入水流或水蒸气。

具体的参考图6，水流/水蒸气分路转换控制组件28包括：清水箱280和废水箱288，清水箱280设置于模型箱1的外部，连接管路27包括进液管270、进气管271和排液管272，清水箱280连接于进液管270的第一端，进液管270的第二端与进液口18连通，进液管270沿清水箱280向进液口18的方向上依次连接有水泵281、水流阀门282、第一单向阀283和流量表284，进气管271的第一端连接于水泵281和水流阀门282之间的进液管270上，进气管271的第二端连接于水流阀门282和第一单向阀283之间的进液管270上，进气管271上依次设有水蒸汽发生器进水阀门285、水蒸气发生器286和第二单向阀287，废水箱288设置于模型箱1外部，排液管272的第一端与废水箱288连通，排液管272的第二端连接于流量表284和进液口18之间的进液管270上，排液管272上连接有排水阀门289。

进行增湿试验时，打开水蒸汽发生器进水阀门285，关闭水流阀门282及排水阀门289，接通水泵281和水蒸气发生器286电源，水泵281输送水流至水蒸气发生器286，产生的水蒸气通过进气管271经第二单向阀287和流量表284通入模型箱1底部空腔17；进行浸水试验时，关闭水蒸汽发生器进水阀门285及排水阀门289，打开水流阀门282，接通水泵281电源，水流通过进液管270经水流阀门282、第一单向阀283和流量表284通入模型箱1底部空腔17；试验结束后，断开水泵281及水蒸气发生器286电源，打开排水阀门289，模型箱1底部空腔17内残余积水在重力作用下通过排液管272经排水阀门289排入废水箱288。

在本实施例中参考图7，双向加载系统包括：液压油缸组和液压控制系统26，液压油缸组的一部分与左侧压板11连接，另一部分与右侧压板12连接，以推动左侧压板11或右侧压板12沿水平方向移动，液压控制系统26与液压油缸组连接，以改变液压油缸组中的油压，液压油缸组包括：I号液压油缸6和II号液压油缸7、III号液压油缸8和IV号液压油缸9，I号液压油缸6和II号液压油缸7分别通过油缸支座5固定于模型箱1的左侧，左侧压板11分别与I号液压油缸6和II号液压油缸7伸出的活塞10铰接，III号液压油缸8和IV号液压油缸9分别通过油缸支座5固定于模型箱1的右侧，右侧压板12分别与III号液压油缸8和IV号液压油缸9伸出的活塞10铰接，I号液压油缸6、II号液压油缸7、III号液压油缸8及IV号液压油缸9分别与液压控制系统26通过连接管25相连接，连接管25为压力胶管。

具体的，液压控制系统26由粗滤油器260、油泵261、油箱262、第三单向阀263、细滤油器264、溢流阀265、压力表266、方向控制阀267、油缸、活塞10以及连接这些元件的连接管25组成。每个油缸都通过连接管25连接着对应的方向控制阀267，方向控制阀267与油箱262之间设有两根管线，分别是进油管线268和回油管线269，进油管线268上连接着压力表266，然后四根进油管线268并联，之后依次连接第三单向阀263、油泵261、粗滤油器260，粗滤油器260安装在油箱262的出口，第三单向阀263安装在油泵261出口，油泵261还连接着电动机31，四根回油管线269并联后串接细滤油器264，然后连接到油箱262，节流器的出口与回油管线269之间连接有溢流阀265，通过液压控制系统26改变四个液压油缸中的油压，来调节活塞10的伸缩速度和方向，实现压力板的双向不均匀加载。左侧压板11及右侧压板12与带孔隔板、正面板3和背面板4接触处均设有密封圈21，能有效地防止隧道模型进行浸水增湿试验时出现渗水，左侧压板11及右侧压板12的加载速度通过溢流阀265调节，方向控制阀267控制加载方向，操作简便且压力值稳定。

具体的，左侧压板11和右侧压板12相对的侧面分别可拆卸连接有压力计22，压力计22连接有静态应变测试仪29，在本实施例中压力计22为电阻式微型土压力计。

左侧压板11及右侧压板12施加双向非均匀荷载时，油泵261由电动机31驱动后，从油箱262中吸油，液压油经过粗滤油器260进入油泵261，油液在泵腔中从入口低压到出口高压，压力值可由压力表266测量，油液通过进油管线268经第三单向阀263分流到四个液压油缸，通过溢流阀265对油压进行调节，经过方向控制阀267进入I号液压油缸6和II号液压油缸7左腔以及III号液压油缸8和IV号液压油缸9右腔，推动活塞10使左侧压板11向右移动，右侧压板12向左移动；调节四个液压油缸内不同的油压，使得各活塞10移动速度不同，从而实现压板呈多种角度前进，进而实现双向非均匀加载。左侧压板11和右侧压板12停止施加荷载时，调节方向控制阀，压力胶管25中的油将经过方向控制阀267进入I号液压油缸6和II号液压油缸7右腔以及III号液压油缸8和IV号液压油缸9左腔，推动活塞10使左侧压板11和右侧压板12加载时向相反方向移动，并使另一侧油腔内的油经方向控制阀267、回油管线269和细滤油器264排回油箱262。

在本实施例中，顶部加载系统包括：反压板14、加压气囊15和可调压气泵24，反压板14固定于模型箱1的顶部，加压气囊15放置于反压板14和隧道模型之间，可调压气泵24通过输气管线32与加压气囊15连接，施加顶部竖向荷载时，接通可调压气泵24的电源，调节气压至设计压力值，加载结束后断开可调压气泵24电源，释放加压气囊15内部气体，收回加压气囊15，顶部加载系统输气管线32使用快速接头连接，连接方便快捷，方便拆卸，可自由调节输气管线32的长度，加压气囊15中气体压力值大小主要通过可调压气泵24控制，当加压气囊15中气体压力达到可调压气泵24设置压力值时，自动停止向加压气囊15内部充气，加压气囊15因模型变形体积增大时，加压气囊15内部压力减小，可调压气泵24自动向加压气囊15内部输气，调节内部气压至预定值。

可选的，加压气囊15和隧道模型之间活动设置有柔性垫层，可以根据隧道模型高度在加压气囊15和隧道模型之间增加柔性垫层，保证加压气囊15加压均匀稳定。

可选的，底部空腔17内固定有竖向肋板23，竖向肋板23支撑于带孔隔板16的下端，竖向肋板23不影响空腔的连通，便于水流或水蒸气的流动。

参考图4、图8、图9，模型箱1包括：正面板3、背面板4、底板以及支撑框架2，正面板3固定于支撑框架2的前端，背面板4固定于支撑框架2的后端，底板固定于支撑框架2的底端，正面板3及背面板4上均设有坐标网格，在本实施例中模型箱1主体采用焊接处理，强度高，并能有效地防止渗水，以立方形不锈钢管焊接支撑框架2，模型箱1底部框架下沿焊接钢板，底部框架上沿覆盖分块的可活动带孔隔板16，由焊接在底板上的竖向肋板23支撑，在模型箱1底部形成连通的底部空腔17，满足浸水增湿试验需求，正面板3和背面板4采用加厚钢化玻璃制作，两块板上均设有坐标网格，通过坐标网格观测隧道衬砌模型20变形破坏过程，记录破坏位置和破坏过程，模型箱1框架前后两侧框架内圈布置有两公分高的卡槽用于固定钢化玻璃，钢化玻璃与卡槽之间的缝隙采用密封胶填充，两侧框架上焊接两道金属横梁用于固定油缸支座5，在本实施例中，横向隔板16板厚10mm，单块横向隔板16有5×10共50个孔，孔直径20mm，孔中心间距55mm，另外定制尺寸相同的5块无孔盖板30，在进行无地下水条件下的隧道模型试验时替代横向隔板16。

本发明中可以通过浸水增湿试验模拟地下水，同时考虑衬砌和围岩相互作用，以隧道衬砌和围岩共同作为模拟对象，基于土质围岩的底部增湿隧道模型试验较真实地模拟了隧道的实际变形特征，解决了以往隧道模型试验忽略地下水作用以及直接对隧道衬砌直接施加荷载隧道受力变形不符合实际的问题。底部浸水增湿系统通过水流/水蒸气分路转换控制组件28向模型箱1底部空腔17内通入水蒸气，实现对隧道模型的增湿试验；向模型箱1底部空腔17内通入水流时，实现对隧道模型的浸水试验；同时也可以通过更换底部空腔17的盖板完成无地下水影响时的隧道模型试验，操作简便有效。

方法及原理：

(1)本发明在进行基于土质围岩的底部增湿隧道模型试验时步骤如下：

步骤一、选择带孔隔板16覆盖模型箱1底部空腔17；

步骤二、调试水流/水蒸气分路转换控制组件28，检查液压控制系统26和可调压气泵24，确保运行正常。

步骤三、根据试验设计的隧道模型逐步填土，为了尽最大可能的保持坡体的均质性，分层填筑，逐层夯实，填筑至隧道衬砌模型20底部设计高度时，放入隧道衬砌模型20，然后填入剩余围岩模拟材料19至设计高度；

步骤四、隧道模型填筑完毕后，根据试验方案中设定的压力值，开启液压控制系统26和可调压气泵24，同时施加侧向荷载和顶部竖向荷载，电阻式微型土压力计22连接有静态应变测试仪29采集压力变化；

步骤五、通过水流/水蒸气分路转换控制组件28向模型箱1底部空腔17内通入水蒸气，进行增湿试验；

步骤六、增湿过程中，观测记录静态应变仪29数据，同时可通过正面板3和背面板4上的坐标网格观测记录隧道衬砌模型20和围岩模型的变形和破坏情况；

步骤七、观测结束后，停止向模型箱1底部空腔17通入水蒸气，排出底部空腔17内残余积水。关闭可调压气泵24，撤去顶部竖向荷载，然后操作液压控制系统26，调节方向控制阀267退回活塞10，左侧压板11和右侧压板12退回原位，清理模型箱1内围岩模拟材料19及隧道衬砌模型20，处理试验数据，隧道模型试验结束。

(2)本发明在进行基于土质围岩的底部浸水隧道模型试验时步骤如下：

步骤一、选择带孔隔板16覆盖模型箱1底部空腔17；

步骤二、调试水流/水蒸气分路转换控制组件28，检查液压控制系统26和可调压气泵24，确保运行正常。

步骤三、根据试验设计的隧道模型逐步填土，为了尽最大可能的保持坡体的均质性，分层填筑，逐层夯实，填筑至隧道衬砌模型20底部设计高度时，放入隧道衬砌模型20，然后填入剩余围岩模拟材料19至设计高度；

步骤四、隧道模型填筑完毕后，根据试验方案中设定的压力值，开启液压控制系统26和可调压气泵24，同时施加侧向荷载和顶部竖向荷载，压力计22连接有静态应变测试仪29采集压力变化；

步骤五、通过水流/水蒸气分路转换控制组件28向模型箱1底部空腔17内通入水流，进行增湿试验；

步骤六、增湿过程中，观测记录静态应变仪29数据，同时可通过正面板3和背面板4上的坐标网格观测记录隧道衬砌模型20和围岩模型的变形和破坏情况；

步骤七、观测结束后，停止向模型箱1底部空腔17通入水流，排出底部空腔17内残余积水；关闭可调压气泵24，撤去顶部竖向荷载，然后操作液压控制系统26，调节方向控制阀267退回活塞10，左侧压板11和右侧压板12退回原位，清理模型箱1内围岩模拟材料19及隧道衬砌模型20，处理试验数据，隧道模型试验结束。

(3)本发明在进行基于土质围岩的无地下水影响的隧道模型试验时步骤如下：

步骤一、选择无孔盖板30覆盖模型箱1底部空腔17；

步骤二、调试水流/水蒸气分路转换控制组件28，检查液压控制系统26和可调压气泵24，确保运行正常。

步骤三、根据试验设计的隧道模型逐步填土，为了尽最大可能的保持土体的均质性，分层填筑，逐层夯实，填筑至隧道衬砌模型20底部设计高度时，放入隧道衬砌模型20，然后填入剩余围岩模拟材料19至设计高度；

步骤四、隧道模型填筑完毕后，根据试验方案中设定的压力值，开启液压控制系统26和可调压气泵24，同时施加侧向荷载和顶部竖向荷载，电阻式微型土压力计22连接有静态应变测试仪29采集压力变化；

步骤五、加载过程中，观测记录静态应变仪29数据，同时可通过正面板3和背面板4上的坐标网格观测记录隧道衬砌模型20和围岩模型的变形和破坏情况；

步骤六、观测结束后，关闭可调压气泵24，撤去顶部竖向荷载，然后操作液压控制系统26，调节方向控制阀267退回活塞10，两侧压力板退回原位，清理模型箱1内围岩模拟材料19及隧道衬砌模型20，处理试验数据，隧道模型试验结束。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。