[发明专利]一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法

说明书

本发明属于土木工程模型试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法。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。所述测量方法基于所述测量系统实现。本发明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。

技术领域

本发明属于土木工程模型试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明提供了一种模型隧道开挖引起空间土拱的测量系统和测量方法，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。