(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210933662.9 (22)申请日 2022.08.04 (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923号 (72)发明人 杨磊　王湃　马徐晋　盛祥超　 王小龙　 (74)专利代理 机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 372 21 专利代理师 陈晓敏 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 1/28(2006.01) (54)发明名称 运营隧道围岩 -衬砌长期相互作用模拟试验 装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种运营隧道围岩 ‑衬砌长期 相互作用模拟试验装置及方法， 属于隧道与地下 工程长期运维安全控制技术研究领域， 包括模型 试验箱体和恒压加载装置， 恒压加载装置包括加 载框架、 施力机构， 模型试验箱体位于加载框架 内， 施力机构包括上部施力机构和侧部施力机 构， 上部施力机构包括上部升降机、 第一丝杠和 上压板， 上部升降机和第一丝杆连接， 第一丝杠 端部和上压板连接； 侧部施力机构 包括侧部升降 机、 第二丝杠和侧压板， 侧部升降机和第二丝杠 连接， 第二丝杠端部和侧压板连接。 该装置能够 模拟不同围岩特性与地应力特征， 充分考虑围 岩‑衬砌相互作用变化的时效性规律， 较为真实 地反映长期加载条件下隧道围岩 ‑衬砌结构应力 和变形变化情况。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115436167 A 2022.12.06 CN 115436167 A 1.一种运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 包括模型试验箱体 和恒压加载装置， 恒压加载装置包括加载框架、 施力机构， 模型试验箱体位于加载框架内， 施力机构包括上部施力机构和侧部施力机构， 上部施力机构包括上部升降机、 第一丝杠和 上压板， 上部升降机和第一丝杆连接以带动其竖向移动， 第一丝杠端部和上压板连接； 侧部 施力机构包括侧部升降机、 第二丝杠和侧压板， 侧部升降机和第二丝杠连接以带动其水平 移动， 第二丝杠端部和 侧压板连接。 2.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述上部升降机固定 于加载框架 顶部。 3.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述侧部升降机固定 于加载框架侧部 。 4.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述测力机构包括上部传感器， 上部传感器固定于第一丝杠末端与上压板之间， 上部传感器 与控制单 元连接。 5.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述测力机构还包括侧部传感器， 侧部传感器固定于第二丝杆末端与侧压板之间， 侧部传感 器与控制单 元连接。 6.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述模型试验箱体包括连接成箱体的底壁、 右侧 壁、 后侧壁、 前侧壁， 前侧壁以可拆卸 方式固 定连接在底壁， 上压 板设置于模型试验箱体顶部， 侧压 板设置于模型试验箱体侧部 。 7.如权利要求6所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述前侧壁设置用于观测模型试验箱体内部的观测组件， 观测组件包括透明亚克力板， 透明 亚克力板固定 于安装框架内， 安装框架与底壁可拆卸连接 。 8.如权利要求1所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 其特征是， 所 述加载框架包括立柱和底板， 立柱设置相对的两组， 两组立柱之间连接底板， 立柱上部之间 设置连接件 Ⅰ， 立柱下部之间设置用于支撑的连接件 Ⅱ。 9.如权利要求1 ‑8任一项所述的运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置的试 验方法， 其特 征是， 包括以下步骤： 进行模型试验箱体的拼装， 对模型试验箱体进行填料， 布置监测元件， 将隧道衬砌结构 进行预埋设； 待填料达到设定高度后， 将前侧壁固定在底壁， 进行试验箱体的组合， 并将上压板调节 至填料顶部位置； 待模型整体铺设完成后， 进入 模型整体养护阶段； 在对模型整体养护完成后， 运用施力机构进行恒压加载试验， 试验完成后得到试验数 据， 并分析 数据从而得到 长期加载 条件下隧道围岩 ‑衬砌结构应力和变形变化情况。 10.如权利要求9所述的试验方法， 其特征是， 根据隧道断面形状和试验选择的相似比， 确定前侧壁透明亚克力板的预留孔径的大小和位置， 在透明亚克力板设置预留孔。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115436167 A 2运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装 置及方法 技术领域 [0001]本发明属于隧道与地下工程长期运维安全控制理论与技术研究领域， 具体涉及一 种运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验 装置及方法。 背景技术 [0002]这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技 术， 而不必然地构成现有技 术。 [0003]随着隧道与地下工程建设规模和数量的增多， 在公路、 铁路、 市政等领域有大量隧 道投入运营。 在隧道运营过程中， 围岩与衬砌结构存在复杂的相互作用模式， 成为影响隧道 结构长期安全的关键因素。 在环境荷载作用下， 围岩产生 蠕变效应， 导致衬砌结构承受的围 岩压力不断增大， 进而出现衬砌变形、 开裂甚至失效等问题。 另一方面， 衬砌结构的变形破 坏又会影响围岩受力变形状态， 导致围岩 ‑衬砌相互作用模式发生变化。 因此， 研究考虑蠕 变影响下 的围岩‑衬砌结构相互作用机制， 可为运营隧道的长期服役状态判别与灾害防控 提供理论与技 术指导。 [0004]模型试验是隧道与地下工程领域广泛采用的重要研究手段， 可为理论分析与数值 模拟提供基础数据支撑。 然而， 现有隧道模型试验方法大多将围岩与隧道结构分开研究， 对 围岩‑衬砌相互作用研究也缺乏对于长期服役性能的考虑。 此外， 现有隧道模型试验装置存 在体积大、 操作复杂、 加载灵活性差等问题。 发明内容 [0005]针对现有技术存在的不足， 本发明的目的是提供一种运营 隧道围岩 ‑衬砌长期相 互作用模拟试验装置及方法， 该装置能够 模拟不同围岩特性与地应力特征， 充分考虑围岩 ‑ 衬砌相互作用变化的时效性规律， 较为真实地反 映长期加载条件下隧道围岩 ‑衬砌结构应 力和变形变化情况。 [0006]为了实现上述目的， 本发明是通过如下的技 术方案来实现： [0007]第一方面， 本 发明提供了一种运营隧道围岩 ‑衬砌长期相互作用模拟试验装置， 包 括模型试验箱体和恒压加载装置， 恒压加载装置包括加载框架、 施力机构， 模型试验箱体位 于加载框架内， 施力机构包括上部施力机构和侧部施力机构， 上部施力机构包括上部升降 机、 第一丝杠和上压板， 上部升降机和 第一丝杆连接以带动其竖向移动， 第一丝杠端部和上 压板连接； 侧部施力机构包括侧部升降机、 第二丝杠和侧压板， 侧部升降机和 第二丝杠连接 以带动其水平 移动， 第二丝杠端部和 侧压板连接。 [0008]作为进一 步的技术方案， 所述上部 升降机固定 于加载框架 顶部。 [0009]作为进一 步的技术方案， 所述侧部 升降机固定 于加载框架侧部 。 [0010]作为进一步的技术方案， 所述测力机构包括上部传感器， 上部传感器固定于第一 丝杠末端与上压 板之间， 上部传感器与控制单 元连接。 [0011]作为进一步的技术方案， 所述测力机构还包括侧部传感器， 侧部传感器固定于第 二丝杆末端与侧压 板之间， 侧部传感器与控制单 元连接。说　明　书 1/5 页 3 CN 115436167 A 3