隧道开挖面模型试验装置和开挖面塌陷模型的获取方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及隧道模型技术领域，具体涉及一种隧道开挖面模型试验装置和开挖面塌陷模型的获取方法，隧道开挖面模型试验装置包括：隧道模型模块，包括试验土箱；多层标定层，形成在试验土内；X射线发射器和X射线接收器，分别设置在隧道模型模块的两侧；驱动机构，与X射线发射器和X射线接收器相连，适于驱动X射线发射器和X射线接收器沿第一方向同步运动；控制模块，适于将多张土体断面影像依次拼接。本发明专利技术的隧道开挖面模型试验装置能够克服现有的隧道开挖面模型试验装置获得的土体断面影像难以对齐，构建的三维模型无法直观地反映开挖破坏体的剪切面的缺陷，其构建的三维模型能够清晰准确地反映开挖面破坏体的剪切面。确地反映开挖面破坏体的剪切面。确地反映开挖面破坏体的剪切面。

【技术实现步骤摘要】
隧道开挖面模型试验装置和开挖面塌陷模型的获取方法


[0001]本专利技术涉及隧道模型
，具体涉及一种隧道开挖面模型试验装置和开挖面塌陷模型的获取方法。

技术介绍

[0002]随着社会经济和城市需求的不断发展，我国城市地下空间的开发进程逐渐加快，地下隧道成为我国地下基础设施中的重要组成部分。目前，开挖面模型试验中，如何监测地下深层土体的位移场是较难解决的技术问题。
[0003]例如，申请号为CN113432997A的中国专利技术专利公开了一种越江海盾构隧道掌子面土体三维破坏模式测试装置及方法，装置包括模型箱、传动装置及测试系统。模型箱包括主箱体，钢支架和开挖模块。主箱体由填土箱和水箱组成，安装在钢支架上方。开挖模块由模型隧道和活动挡板构成，位于填土箱内部，与填土箱侧壁相连，用以模拟实际盾构掘进过程中开挖面的变位模式。传动装置包括减速电机、齿轮组、螺杆，通过传动装置控制开挖模块的运行。测试系统包括X射线发射装置及观测装置，用以对土体三维破坏过程进行观测。在监测地下位移场时，调整X射线发射装置及观测装置的位置，使X射线发射装置每间隔一个固定角度拍摄一张射线照片，试验结束后将拍摄的照片通过软件重构得到完整的三维土体位移场。
[0004]然而X射线发射装置及观测装置获得的多个断面难以精确地对齐，容易产生误差。且由于在X光下，土体的颜色相近，即使通过这种方式获得了完整的三维土体位移场，操作者也无法清晰准确地观测破坏体的剪切面。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的隧道开挖面模型试验装置获得的X射线影像难以精确地对齐，且构建的三维模型无法直观地反映开挖破坏体的剪切面的缺陷，从而提供一种能够精准地拼接X射线影像，且构建的三维模型能够清晰准确地反映开挖面破坏体的剪切面的隧道开挖面模型试验装置和开挖面塌陷模型的获取方法。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术第一方面提供了一种隧道开挖面模型试验装置，包括：隧道模型模块，隧道模型模块包括试验土箱，试验土箱内适于填设试验土，试验土内设置有隧道模型；多层标定层，多层标定层形成在试验土内并沿高度方向彼此间隔开；X射线发射器和X射线接收器，X射线发射器和X射线接收器分别设置在隧道模型模块的两侧；驱动机构，其与X射线发射器和X射线接收器相连，适于驱动X射线发射器和X射线接收器沿第一方向同步运动，以使X射线发射器和X射线接收器拍摄试验土箱内土体的多张土体断面影像，第一方向与隧道模型的长度方向呈预设角度；控制模块，其与X射线发射器和X射线接收器通信连接，适于将多张土体断面影像
依次拼接，以生成试验土箱内的土体三维模型。
[0007]进一步地，标定层为平铺在试验土表面的硅粉层。
[0008]进一步地，隧道开挖面模型试验装置还包括设置在试验土箱内，并分别位于隧道模型的两侧的起始标定物和终止标定物。
[0009]进一步地，隧道开挖面模型试验装置还包括铺设在试验土的上方并沿试验土箱的边缘设置的反光带，隧道开挖面模型试验装置还包括设置在试验土箱的上方的三维激光扫描仪，三维激光扫描仪与控制模块通信连接，适于获取试验土箱上方的地表三维点云数据。
[0010]进一步地，隧道模型包括埋设在试验土内的支护筒。
[0011]进一步地，隧道模型模块还包括：可编程电机；传动轴，其伸入到隧道模型内并沿隧道模型的轴线设置，传动轴由可编程电机驱动；万向轴，其与传动轴相连；开挖面面板，其与万向轴相连，开挖面面板位于隧道模型内并与试验土的开挖面相抵。
[0012]进一步地，隧道开挖面模型试验装置还包括：张拉压力传感器，其连接在万向轴与开挖面面板之间；土压力盒，其嵌入式设置在开挖面面板背离可编程电机的一侧；孔隙水压力计，其嵌入式设置在开挖面面板背离可编程电机的一侧；应变片，其贴设在支护筒的外表面上，控制模块与张拉压力传感器、土压力盒、孔隙水压力计和应变片通信连接。
[0013]进一步地，隧道开挖面模型试验装置还包括：进水管路，其进水端与水源相连，出水端与试验土箱相连，进水管路内设置有进水阀；排水管路，其进水端与试验土箱相连，出水端适于向外排水，排水管路内设置有排水阀。
[0014]进一步地，驱动机构包括：第一定位导轨，其铺设在隧道模型模块的一侧并沿第一方向延伸；第一小车，其与第一定位导轨滑动连接，X射线发射器设置在第一小车上；第二定位导轨，其铺设在隧道模型模块的另一侧并沿第一方向延伸；第二小车，其与第二定位导轨滑动连接，X射线接收器设置在第二小车上。
[0015]本专利技术第二方面涉及了一种开挖面塌陷模型的获取方法，获取方法采用本专利技术第一方面的隧道开挖面模型试验装置进行试验得到，隧道开挖面模型试验装置还包括：支护筒，其埋设在试验土内；可编程电机；传动轴，其伸入到隧道模型内并沿隧道模型的轴线设置，传动轴由可编程电机驱动；万向轴，其与传动轴相连；开挖面面板，其与万向轴相连，开挖面面板位于隧道模型内并与试验土的开挖面
相抵；张拉压力传感器，其连接在万向轴与开挖面面板之间；土压力盒，其嵌入开挖面面板背离可编程电机的一侧；孔隙水压力计，其嵌入开挖面面板背离可编程电机的一侧；应变片，其贴设在支护筒的外表面上；获取方法包括：步骤S1，在试验土箱内依次铺设试验土层和标定层；步骤S2，通过X射线发射器和X射线接收器获取土体的第一土体三维模型，通过张拉压力传感器、土压力盒、孔隙水压力计和应变片获取隧道模型的第一应力数据；步骤S3，控制可编程电机将开挖面面板抽出预设距离，通过X射线发射器和X射线接收器获取土体的第二土体三维模型，通过张拉压力传感器、土压力盒、孔隙水压力计和应变片获取挖土过程中的第二应力数据；步骤S4，重复进行步骤S4，直至土体发生塌陷，获得多组第二应力数据{a1、a2
……ꢀ
an}和多组第二土体三维模型{b1、b2
……
bn}；步骤S5 通过多组第二应力数据和多组第二土体三维模型，获得支护力与土体变形的关系模型。
[0016]本专利技术具有以下优点：本专利技术第一方面的隧道开挖面模型试验装置包括隧道模型模块、多层标定层、X射线发射器、X射线接收器、驱动机构和控制模块。由于标定层与试验土的衰减频率不同，X射线在穿过实验土和标定层后会以不同的衰减频率投射到X射线接收器上，因此标定层在土体断面图像中的颜色与水不同，能够作为标定线，便于控制模块将多个土体断面影像准确地对齐拼接，以减少在拼接土体断面影像过程中存在的误差，使土体三维模型更加准确。又由于标定层在三维模型中的颜色与试验土的颜色不同，用户能够通过勾画标定层的变形点来清晰的识别出开挖面破坏体的剪切面。因此，本专利技术的隧道开挖面模型试验装置构建的三维模型能够清晰准确地反映开挖面破坏体的剪切面。综上所述，本专利技术的隧道开挖面模型试验装置能够将多个土体断面影像准确地对齐拼接，从而获得土体的准确的三维模型，该三维模型能够清晰准确地反映开挖面破坏体的剪切面。
[0017]本专利技术第二方面的开挖面塌陷模型的获取方法采用本专利技术第一方面的隧道开挖面模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，包括：隧道模型模块，所述隧道模型模块包括试验土箱（11），所述试验土箱（11）内适于填设试验土（12），所述试验土（12）内设置有隧道模型（13）；多层标定层，多层所述标定层形成在所述试验土（12）内并沿高度方向彼此间隔开；X射线发射器（21）和X射线接收器（22），所述X射线发射器（21）和X射线接收器（22）分别设置在所述隧道模型模块的两侧；驱动机构，其与所述X射线发射器（21）和X射线接收器（22）相连，适于驱动所述X射线发射器（21）和X射线接收器（22）沿第一方向同步运动，以使所述X射线发射器（21）和X射线接收器（22）拍摄所述试验土箱（11）内土体的多张土体断面影像，所述第一方向与所述隧道模型（13）的长度方向呈预设角度；控制模块（3），其与所述X射线发射器（21）和X射线接收器（22）通信连接，适于将多张所述土体断面影像依次拼接，以生成所述试验土箱（11）内的土体三维模型。2.根据权利要求1所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，所述标定层为平铺在所述试验土（12）表面的硅粉层。3.根据权利要求1所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，还包括设置在所述试验土箱（11）内，并分别位于所述隧道模型（13）的两侧的起始标定物（41）和终止标定物（42）。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，还包括铺设在所述试验土（12）的上方并沿所述试验土箱（11）的边缘设置的反光带（43），所述隧道开挖面模型试验装置还包括设置在所述试验土箱（11）的上方的三维激光扫描仪（5），所述三维激光扫描仪（5）与所述控制模块（3）通信连接，适于获取所述试验土箱（11）上方的地表三维点云数据。5.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型（13）包括埋设在所述试验土（12）内的支护筒。6.根据权利要求5所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型模块还包括：可编程电机（91）；传动轴（92），其伸入到所述隧道模型（13）内并沿所述隧道模型（13）的轴线设置，所述传动轴（92）由所述可编程电机（91）驱动；万向轴（93），其与所述传动轴（92）相连；开挖面面板（94），其与所述万向轴（93）相连，所述开挖面面板（94）位于所述隧道模型（13）内并与所述试验土（12）的开挖面相抵。7.根据权利要求6所述的隧道开挖面模型试验装置，其特征在于，还包括：张拉压力传感器（61），其连接在所述万向轴（93）与所述开挖面面板（94）之间；土压力盒（62），其嵌入式设置在所述开挖面面板（94）背离所述可编程电机（91）的一侧；孔隙水压力计（63），其嵌入式设置在所述开挖面面板（94）背离所述可编程电机（91）的一侧；应变片（64），其贴设在所述支护筒的外表面上，所述控制模块（3）与所述张拉压力传感
器（61）、土压力盒（62）、孔隙水压力计（63）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：董顺，杨鹏博，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：