考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置

1.本技术属于隧道物理相似模型实验技术领域。


背景技术：

2.自然界中的岩土体历经漫长而复杂的应力历史和地质作用等因素的影响，地层具有显著的不确定性，主要分为地层分布的变异性和岩土参数的空间变异性。地层分布的变异性也常常被称为地层的非均质性；不同空间位置的土体特性存在差异，这种差异被称为土体参数的空间变异性。地层不确定性是被广泛接受的，而地下隧道工程的建设和服役环境隐蔽，隧道周边地层分布不一、土体参数具有明显的空间变异性，大量研究表明，地层的不确定性对隧道结构有着显著的影响，且这种影响不容忽视。
3.随着我国地下空间的快速开发，地下空间隧道纵横交错，如何更好地在模型实验中综合考虑地层的不确定性和密集分布的纵横交错隧道结构是当前物理相似模型实验中亟待解决的难题之一！物理相似模型中现有的模型实验设备通常只能简单的对地层进行分层，不能对变异地层和岩土体参数的空间变异性进行很好的表征。为此，传统方法往往采用数值模拟的方式来对岩土参数空间变异性进行表征。目前大量研究方法主要采用随机有限元或者随机有限差分方法，该方法是结合有限元分析或有限差分分析、随机场理论和蒙特卡罗(monte-carlo)模拟的一种分析框架。然而随机有限元或随机有限差分计算结果的准确性并不能很好地得到验证。
4.目前物理相似模型装置通常将土体简化为层状土，不能很好地对变异地层和土体的参数的空间变异性进行考虑，另外也缺乏隧道纵、横向结构与不确定地层的耦合模拟，不能很好的对日渐复杂的隧道工程进行模拟和分析。综上所述，现有的隧道领域中由于结构更为复杂，现有的隧道工程实验模型箱一般无法满足更好地考虑变异地层和土体参数空间变异性的需求。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于克服现有技术的不足，本技术新型模拟装置为随机有限元或随机有限差分数值模拟方法的替代方案，在物理相似模型实验中也能模拟变异地层和土体参数空间变异性对纵横向复杂分布隧道结构的影响。本技术可用于研究不确定地层情况下隧道纵横向结构受力变形影响分析相关的模型实验。本技术在进行室内缩尺模型实验时，将申请的外部可拆卸框架、隧道开挖模拟模块、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置等组装为考虑变异地层和参数空间变异性土体的模型箱，适用于研究不确定地层情况下隧道纵横向结构力学响应。
6.本技术技术方案如下：
7.一种考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，应用于岩土工程领域的变异地层和土体参数的空间变异性对隧道纵横向结构影响的相关模拟，其包括隧道开挖模拟模块、外部可拆卸框架、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置。
8.所述隧道开挖模拟模块包括隧道模型5和带液囊体6；隧道模型5两端安装在外部可拆卸框架；带液囊体6全周包裹隧道模型5，同时隧道模型5底部设有开口，带液囊体6的排液口通过隧道模型5底部开口插入并从隧道模型5的拱底内弧面伸出。
9.所述外部可拆卸框架包括透明板1、锚固螺栓2、底板3；多块透明板1通过锚固螺栓2相互连接，固定于底板3上，组装成一个可拆卸的模型箱；与隧道模型两端相连的透明板1均预留矩形孔洞，用于安装可替换模型窗口；透明板1上有预留槽4，用于嵌入网格划分隔板。
10.所述可替换模型窗口包括透明矩形板7和锚固装置8；透明矩形板7与外部可拆卸框架的透明板1的预留矩形孔洞相匹配，通过锚固装置8安装在透明板1的预留矩形孔洞上；同时透明矩形板7设有开孔，其开孔形状与尺寸与研究的隧道模型5尺寸相匹配用于固定隧道模型5的端部，便于在隧道内部安装监测设备，并防止隧道模型5周围的土漏出；透明矩形板7开有与透明板1相对应的预留槽4以便网格划分隔板的安装。
11.所述网格划分隔板包括纵向隔板9和横向隔板10；通过将纵向隔板9或横向隔板10嵌入透明板1的预留槽4内，实现模型箱区域的划分。
12.所述窗口封堵装置包括透明遮挡板11和锚固装置12；透明遮挡板11的形状与透明矩形板7的开孔形状相匹配，透明遮挡板11通过锚固装置12安装在未安装隧道模型5两端的透明矩形板7的孔洞内。
13.进一步地，所述透明板1的尺寸与数量可根据实验模型箱的尺寸、隧道的埋深以及模型地层的厚度需求进行定制。
14.进一步地，所述透明板1可通过调整预留矩形孔洞透明板1的位置实现不同隧道埋深的模拟。
15.进一步地，所述隧道模型5根据需要采用不同种类的隧道，根据纵横向的研究问题确定隧道模型的长度。
16.进一步地，所述带液囊体6通过排液过程模拟隧道开挖的地层损失效应。
17.进一步地，所述网格划分隔板在进行隧道纵横向模型实验时，根据研究需要单独采用纵向隔板9或者横向隔板10，两者不能同时使用。
18.进一步地，所述窗口封堵装置在进行隧道纵向实验时需要封堵隧道横向方向的透明板1，反之同理。
19.与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：
20.本技术提供了一种可同时考虑地层不确定性和纵横向交错隧道的物理相似模型实验装置。通过网格划分隔板的纵向或横向隔板将模拟的土体单元离散化为独立的网格单元，在装填过程中通过装填配制的不同单元土体来实现变异地层和土体参数空间变异性的模拟。本技术创新性地实现了对纵横交错隧道密集分布情况下不确定地层的模拟，该装置的申请将对于研究纵横向复杂交错分布隧道结构在不确定地层中的受力变形特征起到极大的促进作用。
21.进一步改进，通过调整外部可拆卸框架中透明板的拼装数量和尺寸实现不同隧道埋深、不同深度土层的模拟；通过定制的可替换模型窗口的隧道两端透明矩形板的开口可以实现不同相似比、尺寸、形状的隧道模型模拟。
附图说明
22.图1为本技术装置整体示意图。
23.图2为本技术装置结构分解示意图。
24.图3为本技术装置的隧道开挖模拟模块图。
25.图4为本技术装置的可替换模型窗口示意图。
26.图5为本技术装置的网格划分隔板及填土的工作示意图。
27.附图标记：
28.1-透明板，2-锚固螺栓，3-底板，4-预留槽，5-隧道模型，6-带液囊体，7-透明矩形板，
29.8-锚固装置，9-纵向隔板，10-横向隔板，11-透明遮挡板，12-锚固装置。
具体实施方式
30.下面将结合具体实施例及其附图对本技术提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本技术的优点和特征将更加清楚。
31.本技术为一种考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，包括外部可拆卸框架、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置等，目的在于提供一种在隧道物理相似模型实验中有效考虑变异地层和土体的参数空间变异性，可用于研究不确定地层情况下隧道纵横向结构受力变形影响分析相关的模型实验。该申请装置整体示意图如图1所示。
32.如图1、图2所示，所述考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置包括外部可拆卸框架、隧道开挖模拟模块、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置。
33.如图1、图2、图4所示，所述外部可拆卸框架包括透明板1、锚固螺栓2、底板3；多块透明板1通过锚固螺栓2与底板3组装成模型箱；在盾构隧道模型5两端的埋深位置的特定透明板1需要预留一个矩形的可替换模型窗口；多块透明板1可以根据研究需要任意组合实现不同隧道埋深的变化模拟；透明板1内侧需要开预留槽4，用于网格划分隔板的安装与滑动。
34.如图1、图2、图3所示，所述隧道开挖模拟模块包括隧道模型5和带液囊体6；隧道模型5可以采用各种形状的隧道模型，包括圆形、马蹄形、矩形等；带液囊体6全周包裹住隧道模型5的外侧，其排液口通过隧道模型5的下部伸入隧道的内侧，通过排液法来模拟隧道开挖过程中的地层损失效应。
35.如图1、图2所示，所述可替换模型窗口包括透明矩形板7和锚固装置8；透明矩形板7通过锚固装置8安装在隧道埋深位置的特定透明板1的预留口上；透明矩形板7上根据隧道模型5的形状尺寸进行相应的开孔；透明矩形板7在安装固定后便于安装相关监测设备，同时防止模型土的出露。
36.如图1、图2、图5所示，所述网格划分隔板包括纵向隔板9和横向隔板10；根据隧道研究的纵横向问题，单独分别采用纵向隔板9或横向隔板10；纵向隔板9或横向隔板10可以安装在透明板1的预留槽4上，并能沿着预留槽的轨迹进行滑动，实现土体网格的划分；填土的顺序是从左往右并且从下到上分层分块填筑；填土一层的高度为纵向隔板9或者横向隔板10的高度，填满一层后将纵向隔板9或者横向隔板10沿着预留槽4向上移动并按照相同顺序填筑下一层模型土。
37.如图1、图2所示，所述窗口封堵装置包括透明遮挡板11和锚固装置12。透明遮挡板11通过锚固装置12安装在可替换模型窗口的透明矩形板7的孔洞内；透明遮挡板11的形状尺寸需要与透明矩形板7相匹配；未安装隧道模型5的两端的透明矩形板7需要采用透明遮挡板11进行封堵。
38.具体地，外部可拆卸框架中由多块透明板1通过锚固螺栓2拼装并固定在底板3上，形成模型箱的基本轮廓；根据实际研究对象隧道的埋深在特定位置的透明板1预留矩形孔洞以便安装可替换模型窗口以及窗口封堵装置；同时透明板1以及可替换模型窗口的透明矩形板7需要开预留槽4，以便后续网格划分隔板的安装；安装土体网格划分隔板的，根据实验设计的需求安装纵向隔板9或者横向隔板10，将纵向隔板9或者横向隔板10首先沿着预留槽4安装到底板3上，根据实验需要将不同类型的模型土装填在不同隔板分隔开的空位，并按照一定的规则进行填土；填土完毕后，根据实际中单向掘进或双向掘进进而去除相应位置的窗口封堵装置，进行隧道开挖的模拟，并将隧道模型5以及带液囊体6按照实验设计需求安装到位，并且安装相应的监测设备，从而实现考虑参数空间变异性土体中隧道开挖的实验模拟。
39.本技术用于考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，适用于探究位于不确定地层条件下隧道结构的纵横向力学特性，该装置能够充分考虑实际工程中的地层的变异性和土体参数的空间变异性，并且可以根据实际隧道的埋深、尺寸以及研究所需的各相似比进行灵活调整，具有广泛的适用性。
40.上述描述仅是对本技术较佳实施例的描述，并非是对本技术范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本技术技术方案保护的范围。

技术特征：
1.考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，应用于岩土工程领域的变异地层和土体参数的空间变异性对隧道纵横向结构影响的相关模拟，其特征在于，装置包括隧道开挖模拟模块、外部可拆卸框架、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置；所述隧道开挖模拟模块包括隧道模型(5)和带液囊体(6)；隧道模型(5)两端安装在外部可拆卸框架上；带液囊体(6)全周包裹隧道模型(5)，同时隧道模型(5)底部设有开口，带液囊体(6)的排液口通过隧道模型(5)底部开口插入并从隧道模型(5)的拱底内弧面伸出；所述外部可拆卸框架包括透明板(1)、锚固螺栓(2)、底板(3)；多块透明板(1)通过锚固螺栓(2)相互连接，固定于底板(3)上，组装成一个可拆卸的模型箱；与隧道模块相连的透明板(1)均预留矩形孔洞，用于安装可替换模型窗口；透明板(1)上有预留槽(4)，用于嵌入网格划分隔板；所述可替换模型窗口包括透明矩形板(7)和锚固装置(8)；透明矩形板(7)与外部可拆卸框架的透明板(1)的预留矩形孔洞相匹配，通过锚固装置(8)安装在透明板(1)的预留矩形孔洞上；同时透明矩形板(7)设有开孔，其开孔形状与尺寸与研究的隧道模型(5)尺寸相匹配用于固定隧道模型(5)的端部，便于在隧道内部安装监测设备，并防止隧道模型(5)周围的土漏出；透明矩形板(7)开有与透明板(1)相对应的预留槽(4)，以便安装网格划分隔板的安装；所述网格划分隔板包括纵向隔板(9)和横向隔板(10)；通过将纵向隔板(9)或横向隔板(10)嵌入透明板(1)的预留槽(4)内，实现模型箱的区域划分；所述窗口封堵装置包括透明遮挡板(11)和锚固装置(12)；透明遮挡板(11)的形状与透明矩形板(7)的开孔形状相匹配，透明遮挡板(11)通过锚固装置(12)安装在未安装隧道模型(5)的透明矩形板(7)的孔洞内。2.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述透明板(1)的尺寸与数量根据实验模型箱的尺寸、隧道的埋深以及模型地层的厚度需求进行定制。3.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述透明板(1)通过调整预留矩形孔洞透明板的位置实现不同隧道埋深的模拟。4.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述隧道模型(5)根据需要采用不同种类的隧道，根据纵横向的研究问题确定隧道模型的长度。5.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述带液囊体(6)通过排液过程模拟隧道开挖的地层损失效应。6.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述网格划分隔板在进行隧道纵横向模型实验时，根据研究需要单独采用纵向隔板(9)或者横向隔板(10)，两者不能同时使用。7.如权利要求1所述的考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，其特征在于，所述窗口封堵装置在进行隧道纵向实验时需要封堵隧道横向方向的透明板，反之同理。

技术总结
本申请属于隧道物理相似模型实验技术领域，提出了考虑地层不确定性的隧道纵横向物理相似模型实验装置，应用于岩土工程领域的变异地层和土体参数的空间变异性对隧道纵横向结构影响的相关模拟，包括隧道开挖模拟模块、外部可拆卸框架、可替换模型窗口、网格划分隔板和窗口封堵装置。本申请装置通过网格划分隔板的纵向或横向隔板将模拟的土体单元离散化为独立的网格单元，在装填过程中通过装填配制的不同单元土体来实现变异地层和土体参数空间变异性的模拟，创新性地实现了对纵横交错密集分布的隧道开挖和不确定地层的模拟，对于研究纵横向复杂交错分布隧道结构在不确定地层中的受力变形特征起到极大的促进作用。的受力变形特征起到极大的促进作用。的受力变形特征起到极大的促进作用。


技术研发人员：张晋彰 黄宏伟 张东明 叶振威
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/20