[0001] 本发明属于深埋隧道及地下工程技术领域，具体涉及一种模拟深埋隧道开挖试验装置及方法。

[0002] 深埋隧道建设是缓解城市交通拥堵、改善城市环境的重要手段。深层地下环境具有“高水压、高应力”的特点，在该环境下进行隧道建设，施工难度高、风险大。目前，深埋隧道结构的静力设计还是采用浅层隧道结构设计方法。由此产生了两个主要问题：其一，浅层隧道结构设计的基础理论和计算方法基于浅层隧道开挖引起的地层响应规律，其在深埋隧道中的适用性未知；其二，深埋隧道工程建设对周围环境的影响机制不明，深层开挖扰动对周围环境影响难以准确预测，威胁邻近地下结构安全。

[0003] 物理模型试验是探究深埋隧道开挖土拱效应、隧道与土体相互作用机理的有效手段。现有盾构隧道开挖实验装置多通过对开挖区域抽液、抽气等方式模拟浅埋隧道开挖过程，采用此类方式，一方面不能有效模拟隧道超挖引起的地层均匀收缩；另一方面无法还原真实地层的应力水平，也无法得到隧道内力变化情况；此外，还无法还原实际工程中渗流对隧道周围地层应力应变、土拱效应的影响。

[0004] 因此，针对“高水压、高地应力”深埋盾构隧道在设计及建设时所面临的问题，急需一套能有效模拟地层均匀收缩、高度还原真实地层应力水平、还原实际地层渗流状况的装置，为提出深埋隧道开挖引起的地层应力和变形计算方法以及结构荷载设计方法提供支撑。

[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0047] 本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0048] 本发明实施例提供了一种模拟深埋隧道开挖试验装置，包括模型箱、高地应力加载系统、隧道开挖模拟系统以及DIC与传感器监测系统。

[0049] 请参见图1所示，所述模型箱包括箱体7、设置于所述箱体7顶部的模型箱顶盖19以及配置于所述模型箱顶盖19以用于对所述模型箱内的土体进行加压的加载构件。

[0050] 所述高地应力加载系统包括配置于所述模型箱底部的底座平台1、设置于所述底座平台1上的门式框架2、设置于所述门式框架2上的液压伺服油缸以3及设置于所述液压伺服油缸3下方并用于驱动所述加载构件的作动器4。

[0051] 再结合图2所示，所述模型箱还包括将所述箱体7可升降的设置于所述底座平台1上的可升降滚轮6，所述可升降滚轮6分升高与降低两种调节模式，包括连接于所述箱体7的滑块件602、可转动的连接于所述滑块件602底部的滚轮603以及设置于所述滑块件602中轴线处以用于调节所述滑块件602高度的旋拧螺母601。采用上述结构，由于门式框架2的高度有限，无法在门式框架区域打开模型箱顶盖19进行箱内作业，需要在底座平台1的后半段进行实验准备工作，可升降滚轮6方便地基土的制备以及装置的安装。

[0052] 所述加载构件包括装配于所述模型箱顶盖19中央的导向杆21、设置于所述导向杆21底部并位于所述箱体7内的加载推板20以及设置于所述加载推板20底部的橡胶盖板18。

[0053] 再结合图3所示，所述导向杆21安装于箱体顶盖19中轴线位置，杆体与所述模型箱顶盖19之间设有防尘圈2101、轴向密封2102、导向带2103、存油槽2104以及径向密封2105，这样，可以保证作动器4施加荷载沿竖直方向加载，同时避免土体喷砂至导向杆21间隙，排除了水锈蚀导向杆21的可能，延长了加载系统的寿命，保障了装置结构安全。

[0054] 所述模型箱顶盖19上设有进水口22和进气口24；所述箱体7底部设有出水口12。再结合图4所示，所述箱体的后壁设有圆形洞口29，所述圆形洞口29配备有洞口塞2901，其上带有径向密封圈2903以及轴向密封圈2902。

[0055] 再结合图5所示，所述箱体7的前壁设有透明观察视窗28，所述透明观察视窗28包括高透POM板35以及与所述箱体7之间的径向密封34。

[0056] 再结合图6所示，所述模型箱还包括通过法兰803固设于所述箱体7的前壁中上部的传感器接线柱8，所述传感器接线柱8包括柱身和位于所述柱身顶部的两个分叉设置的柱头，每个所述柱头内均设有可接入多根传感器数据线802的接线板801，所述柱身上设有用于控制所述箱体7内部水位低于所述接线板801高度的进气通道31。

[0057] 所述隧道开挖模拟系统包括前端插入所述箱体7内部并可产生涨缩形变的机械涨缩装置9、套设于所述机械涨缩装置9上的渗流管网10、连接所述机械涨缩装置9尾端的伸缩驱动油缸15以及设置于所述机械涨缩装置9尾端的位移计16。

[0058] 再结合图7和图8所示，所述机械涨缩装置9包括伸缩主轴901、与所述伸缩主轴901联动的锁芯903以及与所述锁芯903连接以产生张开或收缩的翅片902。

[0059] 采用上述结构，所述机械涨缩装置9可以实现隧道的开挖，通过箱体7外部的所述伸缩驱动油缸15配合伸缩主轴901后端的位移计16，同时可以精确控制机械涨缩装置9的变形量，高精度还原开挖程度。

[0060] 再结合图9和图10所示，所述渗流管网10包括八条绕所述机械涨缩装置的圆周方向设置的纵管101、用于连通八条所述纵管101的三条环管102以及连通所述纵管101和所述横管102的排水总管103，所述排水总管103与所述出水口12连通，所述渗流管网设有23个入水口，所述入水口上安装有可替换式细孔筛网11。

[0061] 通过在渗流管网10的入水口上设置有可替换式细孔筛网11，即每条环管102上均匀安装八个筛网。由于地层渗流会使土颗粒发生迁移，采用细孔筛网很好的解决了管道堵塞的问题。入水口带动细孔筛网可实现360°方向旋转，以使土体中的水沿设定的渗流方向流动，通过简单地控制排水总流量，还原深埋盾构隧道周围的渗流场。

[0062] 所述渗流管网10底部为排水总管103，从箱体7的出水口12通入箱体7外，排水总管103上安装有流量计13与流量阀14。流量计13用以实时测量渗流场总排水流量，当流量未达到设定值时，通过管段上的流量阀14对流量进行调整。

[0063] 所述渗流管网10可配套所述机械涨缩装置9使用，箱体7的顶部通入水源与加压气源，作动器4竖向加载时通过控制流量阀14调节流量，以实现深埋盾构隧道开挖掘进时的渗流场还原，进而探明地层渗流对于隧道开挖土拱效应的影响机理。

[0064] 所述DIC与传感器监测系统包括设置于所述箱体7内部的传感器17、设置于所述箱体7外部并对着所述透明观察视窗28设置以对所述箱体7内部进行视觉监测的DIC监测装置27以及与所述传感器17和所述DIC监测装置27连接的数据采集与处理系统33。

[0065] 具体的，所述传感器17的数据线分为两段，第一段从箱体7内接入传感器接线柱8内部，第二段从传感器接线柱8延伸连接至数据采集与处理系统33；所述DIC监测装置27布置于透明观察视窗28一定距离处。

[0066] 采用上述结构，可以将传感器17的数据线集成至传感器接线柱8的接线板801，避免箱体7内部线走线混乱，影响机械涨缩装置9工作，干扰土体应力状态的还原。

[0067] 请结合图11所示，本发明还提供了一种如所述的模拟深埋隧道开挖试验装置的使用方法，包括如下步骤：

[0068] 步骤S1，制备砂土，对传感器17进行标定；

[0069] 具体的，通过砂雨法制备砂土，通过重塑土制备装置制备黏土；通过标定罐以及数据采集系统对传感器17进行标定。

[0070] 步骤S2，将门式框架2安装于底座平台1的前段中部，之后将液压伺服油缸3安装于门式框架2顶端中轴线处，通过伺服控制系统5调试好液压伺服油缸3下方的作动器4；

[0071] 需要说明的是，作动器4安装好后需调至位移最小状态，以方便其与导向杆21连接。

[0072] 步骤S3，通过箱体前侧上部的传感器接线柱8完成传感器17接线，再将DIC监测装置27架设于透明观察视窗28前侧适当的观测位置处，利用DIC与传感器监测系统33完成所有监测仪器调试工作；

[0073] 步骤S4，将模型箱推至底座平台1后端，将机械涨缩装置9从箱体7后壁的圆形洞口29插入箱体7内部，机械涨缩装置9的伸缩主轴901的尾端连接外置的伸缩驱动油缸15；插入过程中，将渗流管网10绕套在机械涨缩装置9表面，渗流管网10底部的排水总管103与箱体7的排水口12连接，外侧的排水总管103安装有流量计13与流量阀14，根据实验需求可将部分传感器17安装于机械涨缩装置9表面；

[0074] 需要说明的是，在机械涨缩装置9插入圆形洞口29前，需在洞口内壁均匀涂抹硅脂。

[0075] 步骤S5，根据计算用量将试验制备的砂土分层填入模型箱内部，同步铺设传感器17，在土体顶部铺设橡胶盖板18；

[0076] 需要说明的是，将土体分层填入模型箱前，需在箱底铺设土工布，防止细颗粒土堵塞箱体7的排水口12。

[0077] 步骤S6，将加载推板20、导向杆21连同模型箱上盖19安装于模型箱顶部，通过调节模型箱下部的可升降滚轮6，推动模型箱至适当位置后连接导向杆21与作动器4；

[0078] 需要说明的是，密封箱体7时，可根据试验气密性相关要求，对箱体7顶部与模型箱顶盖19接缝处的密封圈适量补涂密封硅脂。

[0079] 步骤S7，将水源连23接模型箱顶盖的进水口22，通过流量计13与流量阀14调节土体渗流流量大小；将空压机26与稳压装置25连接后再将输气通道与进气口24连接，调节箱内气压至预设值；调整伺服控制系统5的控制模式，切换为“力‑位移”方式，根据试验需求设置加压速率，控制作动器4给加载推板20施加荷载至目标值；

[0080] 需要说明的是，伸缩驱动油缸15分三个档位：前进、后退、空档。当调至后退档位时，机械涨缩装置9的伸缩主轴901向箱体7外部运动，在与锁芯903联动作用下内部翅片902收缩，装置外径减小；当调至前进档位时，机械涨缩装置9的伸缩主轴901向箱体7内部运动，在锁芯903联动作用下内部翅片902张开，装置外径增大。

[0081] 步骤S8，将伸缩驱动油缸15切换至后退档位，配合读取伸缩主轴901末端固定的位移计16示数，控制伸缩主轴901的伸缩量至预设值，进而达到地层损失率目标值实现盾构隧道开挖；在机械涨缩装置9模拟开挖过程中通过DIC监测及传感器监测系统33采集数据，进而可以得到伸缩主轴901位移量与地层损失率的对应关系，具体参见图11所示；

[0082] 步骤S9，调节伺服控制系统5加载力为零后，由上到下对装置进行拆卸，并对箱体进行相应清理，准备下一轮试验。

[0083] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0084] 此外，需要指出的是，本发明实施方式中的方法和系统的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

[0085] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。