一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统技术方案

本实用新型专利技术属于土木工程模型试验技术领域，具体而言，本实用新型专利技术涉及一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统。所述测量系统包括箱体、隧道模型、支承装置和三维扫描仪；所述箱体的底部设有矩形开槽；所述隧道模型封堵在所述矩形开槽处，且底部与所述支承装置相抵，所述隧道模型与所述箱体构成承载土体的空间；移动所述隧道模型时，所述土体由所述矩形开槽处塌落；所述支承装置在所述隧道模型的下方与所述隧道模型相抵；所述三维扫描仪位于所述箱体的下方。本实用新型专利技术能够对空间状态的土拱效应的拱轴线进行精确自动化测量，从而能够较好的反映出土拱效应的内在规律，掌握土拱效应对盾构隧道施工的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统
本技术属于土木工程模型试验
，具体而言，本技术涉及一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统。
技术介绍
隧道工程是如今土木工程领域中较为重要的一个发展方向。在当今隧道断面不断加大，埋深不断增加的背景下，开展隧道模型试验对隧道建设技术的发展有着重大的影响。荷载作用规律的研究是隧道工程设计中的重要部分，如何准确测量出隧道开挖后形成的拱轴线是研究荷载作用的重要问题。早在1884年，英国科学家Roberts首次发现了“粮仓效应”，即：粮仓底面所承受的力在粮食堆积到一定程度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的土拱效应。1943年，太沙基通过著名的“活动门”试验证实了土力学领域土拱效应的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础上，得出了土拱效应存在的条件。隧道开挖后，围岩作用于隧道支护结构上的荷载称为围岩压力，它是隧道支护结构的主要荷载来源。在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。由于土拱效应的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布。在试验中准确测量出拱轴线对土体“拱效应”的研究具有至关重要的作用，合理利用土拱效应可以使土体应力重分布向工程有利的方向发展，充分利用土体自身的抗变形能力。然而，目前仅仅是停留在对土拱效应的宏观观测上，大多都是通过肉眼观测到“土拱效应”的存在而不对其拱轴线进行精确的测量，不能较好的反映出“土拱效应”的内在规律，不能研究“土拱效应”对隧道所受荷载的影响。并且，大部分试验装置均是观测平面上的“土拱效应”，仅是一种平面应变问题，而对于空间状态下的“土拱效应”鲜有研究。
技术实现思路
本技术提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，能够对空间状态下的“土拱效应”的拱轴线进行精确测量，从而能够研究空间状态下的“土拱效应”，其技术方案如下：一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，包括：箱体、隧道模型、支承装置和三维扫描仪；所述箱体的底部设有矩形开槽；所述隧道模型封堵在所述矩形开槽处，且底部与所述支承装置相抵，所述隧道模型与所述箱体构成承载土体的空间；移动所述隧道模型时，所述土体由所述矩形开槽处塌落；所述支承装置在所述隧道模型的下方与所述隧道模型相抵，用于支撑所述隧道模型；所述三维扫描仪位于所述箱体的下方，用于测量模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述支承装置包括底座和滚轴；所述滚轴安装在底座上，所述滚轴与所述底座可转动的连接。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述滚轴为多个，沿所述矩形开槽的长度方向均匀分布，所述滚轴的轴线与所述矩形开槽的长度方向呈垂直设置。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述滚轴的圆周面上设有橡胶层。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：还包括：拉拽装置，所述拉拽装置与所述隧道模型相连，用于拉拽所述隧道模型。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述拉拽装置为液压缸、气缸、直线电机、丝杠传动装置、绳索、手柄的任一种。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述拉拽装置包括连轴、连杆、拉杆和扳杆；所述连轴位于所述隧道模型内，并与所述隧道模型固定连接；所述连杆位于所述隧道模型内，一端并与所述连轴固定连接；所述拉杆位于所述隧道模型外侧，所述拉杆的一端并与所述连杆的另一端相连，所述拉杆的另一端与所述扳杆相连。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述箱体包括依次相连的前板、左板、后板、右板，以及分别与所述前板、所述左板、所述后板、所述右板相连的底板，所述矩形开槽位于所述底板的中部。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述箱体的材质为透明有机玻璃。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述底板包括第一底板和第二底板，所述第一底板和/或所述第二底板可滑动的设置在所述前板、所述左板、所述后板、所述右板的下方。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述隧道模型的轴线与所述底板的上表面位于同一平面。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述隧道模型的材质为光滑亚克力材质。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述三维扫描仪的镜头位于所述矩形开槽的对称中心的正下方。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，进一步优选为：所述三维扫描仪为激光三维扫描仪。同时，本技术还提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，所述模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法基于所述模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统实现，包括：步骤一：将所述隧道模型置于所述矩形开槽处，并采用所述支承装置在所述隧道模型的底部支撑所述隧道模型，使所述隧道模型完全封堵所述矩形开槽；步骤二：向所述箱体与所述隧道模型构成的承载土体的空间内填充土体，完成土体填充后静置；步骤三：打开所述三维扫描仪，使所述隧道模型缓慢脱离所述箱体，直至所述隧道模型与所述箱体完全脱离；步骤四：将所述三维扫描仪的测量结果输出为CAD图，得到不同试验阶段空间土拱效应的拱轴线。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤一中，放置所述隧道模型时，使所述隧道模型的轴线与所述箱体的底板上表面位于同一平面。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤二中，分层填充不同种类不同参数的土体，每填充完一层后整平，静置不小于1小时后再填充下一层，完成所有土体填充后静置24小时至36小时。如上述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量方法，进一步优选为：在所述步骤三中，所述隧道模型缓慢脱离所述箱体时，若土体不稳定则需停止所述隧道模型的移动，直至土体稳定时再次移动所述隧道模型。分析可知，与现有技术相比，本技术的优点和有益效果在于：本技术能够对空间状态的土拱效应的拱轴线进行精确自动化测量，解决现有试验中难以对空间土拱效应的拱轴线进行精确测量的技术难题，从而能够较好的反映出土拱效应的内在规律，掌握土拱效应对盾构隧道施工的影响。附图说明图1为本技术的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统的结构示意图。图2为在设有三维扫描仪的位置垂直于隧道模型的轴线方向剖切时的剖视图。图3为隧道模型的连接关系示意图。图中：1-隧道模型；2-连杆；3-连轴；4-滚轴；5-箱体；6-底座；7-三维扫描仪；8-拉杆；9-扳杆。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于，包括：/n箱体、隧道模型、支承装置和三维扫描仪；/n所述箱体的底部设有矩形开槽；/n所述隧道模型封堵在所述矩形开槽处，且底部与所述支承装置相抵，所述隧道模型与所述箱体构成承载土体的空间；/n移动所述隧道模型时，所述土体由所述矩形开槽处塌落；/n所述支承装置在所述隧道模型的下方与所述隧道模型相抵，用于支撑所述隧道模型；/n所述三维扫描仪位于所述箱体的下方，用于测量模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。/n

【技术特征摘要】
1.一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于，包括：
箱体、隧道模型、支承装置和三维扫描仪；
所述箱体的底部设有矩形开槽；
所述隧道模型封堵在所述矩形开槽处，且底部与所述支承装置相抵，所述隧道模型与所述箱体构成承载土体的空间；
移动所述隧道模型时，所述土体由所述矩形开槽处塌落；
所述支承装置在所述隧道模型的下方与所述隧道模型相抵，用于支撑所述隧道模型；
所述三维扫描仪位于所述箱体的下方，用于测量模拟盾构隧道施工后形成的拱轴线。


2.根据权利要求1所述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于：
所述支承装置包括底座和滚轴；
所述滚轴安装在底座上，所述滚轴与所述底座可转动的连接；
所述滚轴为多个，沿所述矩形开槽的长度方向均匀分布，所述滚轴的轴线与所述矩形开槽的长度方向呈垂直设置。


3.根据权利要求2所述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于：
所述滚轴的圆周面上设有橡胶层。


4.根据权利要求1所述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于，还包括：
拉拽装置，所述拉拽装置与所述隧道模型相连，用于拉拽所述隧道模型。


5.根据权利要求4所述的模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统，其特征在于：
所述拉拽装置为液压缸、气缸、直线电机、丝杠传动装置、绳索、手柄的任一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：有智慧，蒲东均，封坤，郭洋洋，程韬，徐凯，杨仁杰，
申请(专利权)人：广州地铁设计研究院股份有限公司，西南交通大学，
类型：新型
国别省市：广东;44