(12)实用新型专利
(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 204101382 U(45)授权公告日 2015.01.14
(21)申请号 201420463473.0(22)申请日 2014.08.18
(73)专利权人西南交通大学
地址611756 四川省成都市高新区西部园区
西南交通大学(72)发明人徐晨 刘书斌 郭建宁 崔戈
方勇(51)Int.Cl.
G01N 3/12(2006.01)G01N 3/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图5页权利要求书2页 说明书5页 附图5页
(54)实用新型名称
隧道模型试验水压加载装置(57)摘要
本实用新型公开了一种隧道模型试验水压加载装置，该装置包括台架、隧道模型、转向立柱、钢绞线张拉装置及四组钢绞线；对所述隧道模型采用钢绞线对拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别进行加载，所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，保证在该圆弧段产生均布径向接触压力，而对其他圆弧段无施加力；采用钢绞线环箍加载可以确保力与模型的紧密贴合，且对模型试验的其他项目不会产生影响；钢绞线的张拉装置位于模型纵向外侧，既有利于控制力的大小，又不会加载效果产生扰动；每根钢绞线都独立张拉，张拉应力采用振弦测试仪及时反映，做到模拟加载准确灵活。CN 204101382 U CN 204101382 U
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，包括台架(19)、隧道模型(21)、第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)及四组钢绞线；所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，钢绞线通过第一到第十四转向立柱(1-14)引导至位于模型中轴线的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)处。
2.根据权利要求1所述的隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述隧道模型(21)按照几何相似比1∶30制备，纵向长30cm。
3.根据权利要求1所述的隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述的钢绞线每组有6根，拱顶、拱腰、拱脚、拱底分别通过沿隧道模型竖向布置的该6根相互平行的钢绞线进行环箍，各钢绞线之间间距为5cm，隧道模型顶部和底部的钢绞线距离顶部和底部2.5cm。
4.根据权利要求1所述的隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述台架(19)为长80cm，宽65cm，高2cm的钢板，第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)以及隧道模型(21)固定在所述台架(19)上，沿隧道模型(21)的中线，在台架上布置有滑槽(20)。
5.根据权利要求1所述的隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的环箍结构具体如下：
拱顶环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)和第十五钢绞线张拉装置(15)进行转向和张拉；第七转向立柱(7)和第八转向立柱(8)对称设置在拱腰底部的外侧，第十一转向立柱(11)和第十二转向立柱(12)设置在仰拱的底部外侧且以隧道模型中轴线为轴对称，第十五钢绞线张拉装置(15)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部外侧，每根钢绞线都紧贴拱顶所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰所在的圆弧的分界点，从该两圆弧分界点引出钢绞线，通过第七转向立柱(7)、第八转向立 柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)连接到第十五钢绞线张拉装置(15)；
拱腰的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)和第十六钢绞线张拉装置(16)进行转向和张拉；第十四转向立柱(14)设置在隧道模型中轴线上的拱顶上部，第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)以隧道模型中轴线为轴对称分布在第十四转向立柱(14)的两侧，第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的下部外侧；第十六钢绞线张拉装置(16)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部以及第十五钢绞线张拉装置(15)的外侧，每根钢绞线都紧贴拱腰所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰、拱腰和拱脚所在的圆弧的四个分界点，从该四个分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)连接到第十六钢绞线张拉装置(16)；
拱脚的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)和第十七钢绞线张拉装置(17)进行转向和张拉；第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)以隧道模型中轴线为轴对称分布在两个拱腰的外侧，第十三转向立柱(13)设置在隧道模型中轴
2
CN 204101382 U
权 利 要 求 书
2/2页
线上且位于仰拱的下部外侧；第十七钢绞线张拉装置(17)设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于第十四转向装置(14)的的内侧，每根钢绞线都紧贴拱脚所在圆弧段，并相切于拱脚和拱腰、拱仰拱和拱脚所在的圆弧的四个分界点，从该四个分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)连接到钢绞线张拉装置(17)；
仰拱的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)、第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)和第十八钢绞线张拉装置(18)进行转向和张拉；第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱顶的上部，第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的两侧；第十八钢绞线张拉装置(18)设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于第十七钢绞线张拉装置(17)的外侧，每根钢绞线都紧贴仰拱所在圆弧段，并相切于拱脚和仰拱所在的圆弧的分界点，从该分界点引出钢绞线，通过第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)、第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)连接到第十八钢绞线张拉装置(18)。
6.根据权利要求1所述的隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述钢绞线张拉装置包括转向钮(21)、齿轮轴(22)、丝杠(23)、齿轮(24)、张拉装置主体(25)，张拉装置主体(25)竖直固定在台架上的滑槽中，张拉装置主体(25)上设置转向钮(21)，钢绞线绕过该转向钮(21)变换方向后连接到齿轮(24)的齿轮轴(22)上。
3
CN 204101382 U
说 明 书
隧道模型试验水压加载装置
1/5页
技术领域
本实用新型涉及富水隧道模型试验技术领域，尤其涉及的是一种隧道模型试验水压加载装置及其方法。
[0001]
背景技术
模型试验在隧道工程研究领域成为不可或缺的重要手段，在满足一定相似原理的
前提下，模型试验相对于现场测试及数学模型可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出围岩对隧道支护体系相互作用下的力学特征，对探究地下工程机理，以及工程实际起到指导作用。
[0003] 在富水区域修筑隧道，高水压作用下，结构要承受径向水压力，由拱顶到仰拱线性增大的非均匀分布。考虑到高水头，水头高度远远大于隧道高度，隧道不同位置承受的非均匀水压差别就很小，可以简化为拱顶、拱腰、拱脚和仰拱四部分均布荷载作用。在实际工程中水的径向压力对隧道支护结构有着较为显著的影响，具体表现在在围岩等级、开挖支护条件相同时，富水隧道开挖断面的沉降和收敛值大于一般隧道；围岩与初支应力大于一般断面；支护结构内力大于一般断面。同时水的径向作用明显区别于围岩对支护结构的水平与垂直作用，在模型试验中，现有的隧道土压加载设备基本无添加径向荷载，为准确模拟水压力的作用效果，必须使用单独的装置。[0004] 现代隧道断面一般设计为马蹄形，以《高速公路隧道设计规范》要求结合工程实际，多采用四心圆马蹄形，即拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别采用不同的圆心和半径连接而成。针对马蹄形断面采用现有的水压模拟装置，使用整体钢绞线环箍加载方式，由于径向力q与钢绞线紧固力F和圆弧半径R有关，且q＝FR，F相等，R不同，导致每个圆弧所施加的径向力不同，而且差异显著，不能模拟出水的均布围压作用。
[0002]
实用新型内容
[0005] 本实用新型为富水马蹄形断面隧道模型试验提供了一种隧道模型(马蹄形断面)试验水压加载装置，能够较为准确地模拟出水压对结构的非均布径向(围压)作用。[0006] 本实用新型实现其目的采用的技术方案是：[0007] 一种隧道模型试验水压加载装置，包括台架(19)、隧道模型(21)、第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)及四组钢绞线；所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，钢绞线通过第一到第十四转向立柱(1-14)引导至位于模型中轴线的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)处。
[0008] 所述的隧道模型试验水压加载装置，所述隧道模型(21)按照几何相似比1∶30制备，纵向长30cm。
[0009] 所述的隧道模型试验水压加载装置，所述的钢绞线每组有6根，拱顶、拱腰、拱脚、拱底分别通过沿隧道模型竖向布置的该6根相互平行的钢绞线进行环箍，各钢绞线之间间
4
CN 204101382 U
说 明 书
2/5页
距为5cm，隧道模型顶部和底部的钢绞线距离顶部和底部2.5cm。[0010] 所述的隧道模型试验水压加载装置，所述台架(19)为长80cm，宽65cm，高2cm的钢板，第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)以及隧道模型(21)固定在所述台架(19)上，沿隧道模型(21)的中线，在台架上布置有滑槽(20)。[0011] 所述的隧道模型试验水压加载装置，所述隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的环箍结构具体如下：[0012] 拱顶环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)和第十五钢绞线张拉装置(15)进行转向和张拉；第七转向立柱(7)和第八转向立柱(8)对称设置在拱腰底部的外侧，第十一转向立柱(11)和第十二转向立柱(12)设置在仰拱的底部外侧且以隧道模型中轴线为轴对称，第十五钢绞线张拉装置(15)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部外侧，每根钢绞线都紧贴拱顶所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰所在的圆弧的分界点，从该两圆弧分界点引出钢绞线，通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)连接到第十五钢绞线张拉装置(15)；[0013] 拱腰的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)和第十六钢绞线张拉装置(16)进行转向和张拉；第十四转向立柱(14)设置在隧道模型中轴线上的拱顶上部，第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)以隧道模型中轴线为轴对称分布在第十四转向立柱(14)的两侧，第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的下部外侧；第十六钢绞线张拉装置(16)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部以及第十五钢绞线张拉装置(15)的外侧，每根钢绞线都紧贴拱腰所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰、拱腰和拱脚所在的圆弧的四个分界点，从该四个分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)连接到第十六钢绞线张拉装置(16)；[0014] 拱脚的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)和第十七钢绞线张拉装置(17)进行转向和张拉；第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)以隧道模型中轴线为轴对称分布在两个拱腰的外侧，第十三转向立柱(13)设置在隧道模型中轴线上且位于仰拱的下部外侧；第十七钢绞线张拉装置(17)设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于第十四转向装置(14)的的内侧，每根钢绞线都紧贴拱脚所在圆弧段，并相切于拱脚和拱腰、拱仰拱和拱脚所在的圆弧的四个分界点，从该四个分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)连接到钢绞线张拉装置(17)；[0015] 仰拱的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)、第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)和第十八钢绞线张拉装置(18)进行转向和张拉；第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱顶的上部，第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的两侧；第十八钢绞线张拉装置(18)设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于第十七钢绞线张拉装置(17)的外侧，每根钢绞线都紧贴仰拱所在圆弧段，并相切于拱
5
CN 204101382 U
说 明 书
3/5页
脚和仰拱所在的圆弧的分界点，从该分界点引出钢绞线，通过第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)、第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)连接到第十八钢绞线张拉装置(18)。[0016] 所述的隧道模型试验水压加载装置，所述钢绞线张拉装置包括转向钮(21)、齿轮轴(22)、丝杠(23)、齿轮(24)、张拉装置主体(25)，张拉装置主体(25)竖直固定在台架上的滑槽中，张拉装置主体(25)上设置转向钮(21)，钢绞线绕过该转向钮(21)变换方向后连接到齿轮(24)的齿轮轴(22)上。[0017] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0018] 该装置可以对马蹄形断面隧道模型施加径向水压力；对每个圆弧段分别张拉钢绞线加载能确保模型的均布围压(高水头作用)，或上小下大(低水头作用)简化为拱顶、拱腰、拱脚、仰拱四部分有差别均布径向围压；采用钢绞线环箍加载可以确保力与模型的紧密贴合，且对模型试验的其他项目(土压加载、采空区模拟试验、隧道开挖试压等)不会产生影响；钢绞线的张拉装置位于模型纵向外侧，既有利于控制力的大小，又不会加载效果产生扰动；每根钢绞线都独立张拉，张拉应力采用振弦测试仪及时反映，做到模拟加载准确灵活。附图说明
图1是本实用新型隧道模型试验水压加载装置示意图(俯视图)。
[0020] 图2是拱顶的环箍示意图。[0021] 图3是拱腰的环箍示意图。[0022] 图4是拱脚的环箍示意图。[0023] 图5是仰拱的环箍示意图。[0024] 图6是钢绞线张拉装置正视图。[0025] 图7是钢绞线张拉装置后视图。[0026] 图8是钢绞线张拉装置局部放大图。[0027] 图中：圆弧AC代表拱顶，圆弧AB和CD代表拱腰，圆弧BG和HD代表拱脚，圆弧GH代表拱底；数字标注1-14分别代表14个转向立柱；数字标注15-18分别代表4个钢绞线张拉装置，19台架，20滑槽，21转向钮，22齿轮轴，23丝杠，24齿轮，25张拉装置主体。
[0019]
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
[0029] 隧道模型(本实施例给出的是马蹄形断面的隧道模型)试验水压加载装置包括台架19、隧道模型21、转向立柱1-14、钢绞线张拉装置15-18及钢绞线(图中连接各个转向立柱的线段即为钢绞线)。[0030] 台架19为长80cm，宽65cm，高2cm的钢板，作为固定转向立柱1-14、钢绞线张拉装置15-18以及模型的载体，沿模型中线台架布置有滑槽20，钢绞线张拉装置15-18可以沿着滑槽20移动和固定，以适应不同大小的隧道模型。
[0031] 如图1所示是本实用新型隧道模型试验水压加载装置的示意图，隧道模型21高度取30cm，隧道模型21外围布置转向立柱1-14和钢绞线张拉装置15-18，圆弧AC代表拱顶，圆弧AB和CD代表拱腰，圆弧BG和HD代表拱脚，圆弧GH代表拱底，拱顶、拱腰、拱脚、拱底
[0028]
6
CN 204101382 U
说 明 书
4/5页
分别通过沿隧道模型竖向布置的6根相互平行的钢绞线进行环箍，钢绞线之间间距为5cm，隧道模型顶部和底部的钢绞线距离顶部和底部2.5cm。[0032] 如图2所示是拱顶的环箍示意图，6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过转向立柱7、8、11、12和钢绞线张拉装置15进行转向和张拉；转向立柱7和转向立柱8对称设置在拱腰底部的外侧，转向立柱11和转向立柱12设置在仰拱的底部外侧且以隧道模型中轴线为轴对称，钢绞线张拉装置15设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部外侧，钢绞线张拉装置15可以对该6根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立 柱和张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱顶所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰所在的圆弧的分界点A和C，从该两圆弧分界点A和C引出钢绞线，通过转向立柱7、8、11、12连接到钢绞线张拉装置15。
[0033] 如图3所示是拱腰的环箍示意图，6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过转向立柱3、4、9、10、14和钢绞线张拉装置16进行转向和张拉；转向立柱14设置在隧道模型中轴线上的拱顶上部，转向立柱3、4以隧道模型中轴线为轴对称分布在转向立柱14的两侧，转向立柱9、10以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的下部外侧；钢绞线张拉装置16设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部以及钢绞线张拉装置15的外侧，钢绞线张拉装置16可以对该6根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和钢绞线张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱腰所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰、拱腰和拱脚所在的圆弧的分界点A和C、B、D，从该四个圆弧分界点A、B和C、D引出钢绞线，通过转向立柱3、4、14、9、10连接到钢绞线张拉装置16。
[0034] 如图4所示是拱脚的环箍示意图，6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过转向立柱3、4、5、6、13和钢绞线张拉装置17进行转向和张拉；转向立柱5、6以隧道模型中轴线为轴对称分布在两个拱腰的外侧，转向立柱13设置在隧道模型中轴线上且位于仰拱的下部外侧(张拉装置15和16之间)；钢绞线张拉装置17设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于转向装置14的的内侧，钢绞线张拉装置17可以对该6根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱脚所在圆弧段，并相切于拱脚和拱腰、拱仰拱和拱脚所在的圆弧的分界点B和G、H、D，从该四个圆弧分界点B、G和H、D引出钢绞线，通过转向立柱3、4、5、6、13连接到钢绞线张拉装置17。[0035] 如图5所示是仰拱的环箍示意图，6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过转向立柱1、2、7、8和钢绞线张拉装置18进行转向和张拉；转向立柱1、2以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱顶的上部，转向立柱7、8以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的两侧；钢绞线张拉装置18设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于张拉装置17的外侧，钢绞线张拉装置18可以对该6根钢绞线分别进行不同力度的张拉， 通过转向立柱和张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴仰拱所在圆弧段，并相切于拱脚和仰拱所在的圆弧的分界点G、H，从该分界点G和H引出钢绞线，通过转向立柱1、2、7、8连接到钢绞线张拉装置18。
[0036] 图6-8所示是钢绞线张拉装置的细部结构图，包括转向钮21、齿轮轴22、丝杠23、齿轮24、张拉装置主体25，张拉装置主体25竖直固定在台架上的滑槽中，张拉装置主体25固定转向钮21，钢绞线绕过转向钮21变换方向后连接到齿轮24的齿轮轴22上，齿轮24在丝杠23的作用下旋转，向钢绞线加力，钢绞线的张力由外置的振弦测试仪进行，将振弦传
7
CN 204101382 U
说 明 书
5/5页
感器固定于张拉装置主体25上，通过丝杠23对钢绞线张拉加力，通过振弦测试仪反馈的数据实时调整张力的大小。[0037] 综述，在水压模拟加载试验中，首先组装加载装置，将预制的隧道模型放置在台架上固定保证加载过程中不会发生移动或错位。按照上述图2-图5所示依次将拱顶、拱腰、拱脚和仰拱进行钢绞线环箍，钢绞线两端固定在钢绞线张拉装置的上。钢绞线添加的拉力和各弧段所受的径向均布荷载q有关，应提前计算出，径向水压q与钢绞线拉力F的关系如公式(1)给出。拧紧或放松丝杠23就是施加、卸除荷载的过程，通过振弦测试仪(CDJM-ZHX振弦测试仪)即时反映出钢绞线所施加的力，就能保证较为精确地模拟出径向水压作用。
[0038]
q：径向水压力(线荷载)(N/m)；[0040] F：钢绞线拉力(N)；[0041] R：模型各圆弧段半径(m)。[0042] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
[0039]
8
CN 204101382 U
说 明 书 附 图
1/5页
图1
图2
9
CN 204101382 U
说 明 书 附 图
2/5页
图3
10
CN 204101382 U
说 明 书 附 图
3/5页
图4
图5
11
CN 204101382 U
说 明 书 附 图
4/5页
图6
图7
12
CN 204101382 U
说 明 书 附 图
5/5页
8
13
图
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容