CN103822794A - 一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统及方法，包括：反力墙模型、拱式试验架、数据采集及液压控制装置和数据终端；所述反力墙模型浇筑于预先开挖好的坑槽内，拱式试验架与反力墙模型连接，数据终端通过数据采集及液压控制装置控制拱式试验架；所述拱式试验架包括布置在不同方向的若干柔性均布加载装置，所述若干柔性均布加载装置与钢筋混凝土反力墙模型连接。本发明有益效果：本发明可以实现模拟隧道的全断面多方向柔性均布加载，加载方式更接近隧道支护结构的实际受力状况，具有造价低、易于拆装、隧道开挖尺寸大、加载方式多样化、适应性强、自动化程度高、数据精度高等优点。

Description

一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种大型岩土工程模型试验系统，具体涉及一种用于岩土工程中大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统及方法。

背景技术

近些年来，随着国内岩土工程的广泛发展，大量的地质力学模型试验技术也随之方兴未艾。尽管在国内，清华大学、武汉大学、总参工程兵科研三所等多家单位先后对国内许多大型工程项目进行了不同的地质力学模型试验研究，并取得了一大批科研成果。然而，特地针对岩土工程中隧道支护问题的大型模型试验研究却少之又少。

在实际工程建设中，隧道支护破坏及参数优化，直接关系到工程安全和质量。随着大量隧道工程的建设，各种各样的隧道支护问题层出不穷，急需科研单位对隧道支护相关问题，展开深入研究。常规的岩土工程地质力学模型试验装置，一般采用x、y、z三轴进行加载。然而，隧道的开挖轮廓线一般为拱式结构。三轴式加载需要考虑边界效应问题，一般试验架体积十分大，而隧道的开挖尺寸却非常小，无法很好的满足隧道支护结构的要求。

《岩石力学与工程学报》2009年第28期，软岩隧道锚杆支护作用的模型试验研究，对隧道的锚杆支护作用的模型试验在大型岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行，隧道开挖的跨度仅为22cm，高度为17cm，对模型在x、y两个方向进行加载，无法真实表现隧道围岩的真事受力分布情况，模拟隧道支护效果并不理想。

《土木工程学报》2011年第11期，海底隧道支护结构受力特征的模型试验研究，对海底隧道支护结构的模型试验在大型隧道模型试验系统上进行。试验架整体尺寸为260cm×100cm×180cm，隧道开挖尺寸：跨度为20cm左右，高度为15cm左右，竖向4个液压加载千斤顶，水平方向左右各2个液压加载千斤顶，进行加载，模拟尺度较小，无法充分体现隧道支护局部受力特征及破坏现象，效果较差。

《岩石力学与工程学报》2012年第5期，膏溶角砾岩隧道支护体系力学特性试验研究，对隧道支护体系的力学特性直接在工程现场进行试验段研究，进一步印证了国内在隧道支护领域大型模型试验系统的匮乏和缺失。

因此，可以看出我国在针对隧道支护的大型模型试验系统的研究领域，是十分匮乏的。现有的大型岩土工程地质力学模型试验系统，从加载方式上一般为三轴式（X、Y、Z）或XY轴式加载，无法很好的满足隧道支护模型试验的要求。并且现有的地质力学模型试验系统由于考虑边界效应，体积较大，而隧道开挖尺寸却非常小，并不适合进行隧道支护模型试验研究。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种用于岩土工程中拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统及方法。其结构简单，易于拆装、造价低廉，可实现拱式多方向柔性均布加载，从加载方式和方向保证了模型受力最大限度接近真实的隧道围岩受力状况，并且消除了应力集中现象，真实、高效地实现对隧道支护结构工程模型的加载。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，包括：反力墙模型、拱式试验架、数据采集及液压控制装置和数据终端；所述反力墙模型浇筑于预先开挖好的坑槽内，拱式试验架与反力墙模型连接，数据终端通过数据采集及液压控制装置控制拱式试验架；所述拱式试验架外层设有布置在不同方向的若干柔性均布加载装置，所述若干柔性均布加载装置与钢筋混凝土反力墙模型连接。

所述拱式试验架由内向外依次设有隧道支护结构、类围岩相似材料填充区和稳定支架；若干柔性均布加载装置沿不同方向分别固定在稳定支架上；柔性均布加载装置的组合根据模拟隧道的形状和大小可调。

所述隧道支护结构、类围岩相似材料填充区和稳定支架均设置在刚性底座上。

所述拱式试验架克服了原有模拟试验系统单纯的X、Y两方向加载，实现对隧道支护结构的环向多方向控制加载，更接近原位隧道的整体受力情况和局部特殊受力特征。

所述反力墙模型为极限承载力可调的钢筋混凝土结构，满足不同试验对加载强度的要求。

所述柔性均布加载装置包括双向液压油缸、推力装置以及柔性橡胶垫；推力装置通过柔性橡胶垫连接在拱式试验架上，柔性橡胶垫贴合在推力装置的底面，双向液压油缸固定在推力装置上；所述柔性均布加载装置根据模拟隧道的形状和大小可调整。

所述刚性高强底座包括连接在一起高强度钢架和钢板。

所述稳定支架为高强型钢支架，用于稳定并加固柔性均布加载装置。

所述类围岩相似材料填充区可预埋多点位移或压力传感器，用于监测模拟隧道的围岩受力及变形状况。

所述隧道支护结构可模拟多种支护方式，自由度高。

所述类围岩相似材料填充区的轮廓线通过高模量的PVC管控制，所述类围岩相似材料填充区的充填厚度根据试验要求调整。

所述数据采集及液压控制装置包括：用于接受数据终端传来的指令并同时控制若干柔性均布加载装置的动态伺服液压自动控制系统；以及用于采集预埋在试验架中传感器输送的数据并传输至数据终端的数据采集器。

一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统的安装方法，包括：

（1）根据隧道模型试验要求的最大加载力和开挖形状，确定钢筋混凝土的相关参数及反力墙模型形状。

（2）浇筑钢筋混凝土反力墙模型，并预埋与柔性均布加载装置连接的钢板。

（3）根据隧道开挖形状和大小确定柔性均布加载装置的组合方式，将柔性均布加载装置安装在钢筋混凝土反力墙模型上，安装稳定支架和刚性高强底座。

（4）利用高模量PVC管辅助控制类围岩相似材料填充区的填充轮廓并压实，确定好隧道开挖轮廓，预埋相关传感器。

（5）根据试验要求，安装隧道支护结构。

（6）连接数据采集及液压控制装置与拱式试验架。

（7）连接数据终端与数据采集及液压控制装置。

（8）整个隧道支护模型试验系统安装完成。

本发明的有益效果是：

本发明可以实现模拟隧道的全断面多方向柔性均布加载，加载方式更接近隧道支护结构的实际受力状况，具有造价低、易于拆装、隧道开挖尺寸大、加载方式多样化、适应性强、自动化程度高、数据精度高等优点。

本发明与现有的地质力学模型试验相比，具有如下明显优势：

（1）实现对隧道支护结构的拱式多方向柔性均布加载。

（2）突破现有模型试验三轴加载的模式，实现拱式加载。

（3）加载装置为组合式，可根模拟隧道形状进行调整组合。

（4）通过钢筋混凝土反力墙模型的方式，避免现有模型试验反力架的变形，且造价低廉。

（5）隧道开挖尺寸较大，易调节，便于模拟各种支护结构组合；

填料方便，试验架拆装简单。

（6）设计巧妙，结构简单，可广泛应用于煤矿、地铁、国防建设等各领域隧道建设中的支护问题研究。

附图说明

图1为本发明隧道支护模型试验系统结构组成示意图；

图2为本发明拱式试验架结构组成示意图；

图3为本发明柔性均布加载装置结构组成示意图。

其中，1.地表，2.钢筋混凝土反力墙模型部分，3.拱式试验架，4.数据采集及液压控制装置，5.数据终端，6.特定数据线，7.柔性均布加载装置，8.稳定支架，9.特制柔性橡胶垫，10.类围岩相似材料填充区，11.隧道支护结构，12.刚性高强底座，13.双向液压油缸，14.推力装置。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

一种用于岩土工程中的大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，包括钢筋混凝土反力墙模型2、拱式试验架3、数据采集及液压控制4、数据终端处理5四大部分。其中拱式试验架3又包括柔性均布加载装置7（独立体）、稳定支架8、类围岩相似材料填充区10、隧道支护结构11、刚性高强底座12，柔性均布加载装置7（独立体）又包括双向液压油缸13、推力装置14、特制柔性橡胶垫9。

钢筋混凝土反力墙模型2，浇筑于预先开挖好的坑槽内，其极限承载力可根据试验要求调整。

拱式试验架3部分包括多套组合式的液压柔性均布加载装置7、试验架刚性高强底座12、类围岩相似材料填充区10及隧道支护结构11，柔性均布加载装置7的组合可以根据模拟隧道的形状和大小调整，其各部分位置关系如图2所示。

拱式试验架3由内向外依次设有隧道支护结构11、类围岩相似材料填充区10和稳定支架8；若干柔性均布加载装置7沿不同方向分别固定在稳定支架8上；隧道支护结构11、类围岩相似材料填充区10和稳定支架8均设置在刚性高强底座12上。

刚性高强底座12包括连接在一起高强度钢架和钢板；稳定支架8为高强型钢支架，用于稳定并加固柔性均布加载装置7；类围岩相似材料填充区10可预埋多点位移或压力传感器，用于监测模拟隧道的围岩受力及变形状况；隧道支护结构11可模拟多种支护方式，自由度高。

柔性均布加载装置7包括双向液压油缸13、推力装置14及特制柔性橡胶垫9（5cm厚）。推力装置14和双向液压油缸13采用焊接固定，控制加载，特制柔性橡胶垫9贴合在推力装置14的底面，承受来自双向液压油缸13的加载力，并均布施加在类围岩相似材料填充区10。

稳定支架8为高强型钢支架，用于稳定并加固柔性均布加载装置7。

类围岩相似材料填充区10，可通过高模量的PVC管控制其轮廓线，并可根据试验要求调整其充填厚度。类围岩相似材料填充区10，可预埋多点位移计、压力盒等多种传感器，从而更好地反映监测模拟隧道的围岩受力及变形状况。

隧道支护结构11，可根据实际隧道支护结构，进行相似模拟，可模拟初期锚喷支护、型钢支护及二次衬砌等多种支护方式，自由度高。

试验架刚性高强底座12，为高强度钢架和钢板通过高强螺栓连接在一起，可以在实现在100Mpa内保持不发生变形（误差范围内）。

钢筋混凝土反力墙模型2和每套柔性均布加载装置7，采用钢板+螺栓相连接。

数据采集及液压控制装置4包括动态伺服液压自动控制系统和数据采集器，主要用于接受数据终端传来的指令，控制试验架的柔性均布加载装置7，并及时采集安装在试验架的传感器输送的数据，然后传输至数据终端。用于数据采集的测点套管下端嵌入类围岩相似材料填充区10或隧道支护结构11中。动态伺服液压自动控制系统，可以同时并行控制多套加载装置，实现不同围岩条件下的围岩应力模拟。数据采集器，可同时接受采集多点位移计、压力盒、应变计等多种传感器的反馈数据。

钢筋混凝土反力墙模型2，可以通过调整混凝土的配比和配筋，控制其极限承载力，从而满足不同试验对加载强度的要求。

拱式试验架3部分和数据采集及液压控制部分通过特定数据线和液压管连接。

数据采集及液压控制部分与数据终端5通过特定数据线6连接，进行数据的传输。

数据终端5主要组成为：一台电脑、动态伺服液压自动控制系统软件及传感器数据分析软件，用于设定试验参数，发送控制指令，并保存试验数据结果。

具体安装流程如下：

（1）根据隧道模型试验要求，确定最大加载力和开挖形状，确定钢筋混凝土的相关参数及反力墙模型形状；然后进一步进行钢筋混凝土反力墙模型2的浇筑，并预埋和柔性均布加载装置7的连接钢板。

（2）根据隧道开挖形状和大小确定柔性加载装置7的组合方式，并和钢筋混凝土反力墙模型2固定安装，安装稳定支架8及刚性高强底座12。

（3）利用高模量PVC管辅助控制类围岩相似材料填充区10的填充轮廓并压实，确定好隧道开挖轮廓，并预埋相关传感器。

（4）根据试验要求，确定支护结构，并进行隧道支护结构11的安装。

（5）连接数据采集及液压控制装置4与拱式试验架3。

（6）连接数据终端5与数据采集及液压控制装置4。

（7）进行连接、控制及传感器等相关调试。

（8）开始试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，包括：反力墙模型、拱式试验架、数据采集及液压控制装置和数据终端；所述反力墙模型浇筑于预先开挖好的坑槽内，拱式试验架与反力墙模型连接，数据终端通过数据采集及液压控制装置控制拱式试验架；所述拱式试验架外层设有布置在不同方向的若干柔性均布加载装置，所述若干柔性均布加载装置与钢筋混凝土反力墙模型连接；

所述拱式试验架由内向外依次设有隧道支护结构、类围岩相似材料填充区和稳定支架；若干柔性均布加载装置沿不同方向分别固定在稳定支架上；柔性均布加载装置的组合根据模拟隧道的形状和大小可调；

所述隧道支护结构、类围岩相似材料填充区和稳定支架均设置在刚性底座上。

2.如权利要求1所述的一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，所述反力墙模型为极限承载力可调的钢筋混凝土结构，满足不同试验对加载强度的要求。

3.如权利要求1所述的一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，所述柔性均布加载装置包括双向液压油缸、推力装置以及柔性橡胶垫；推力装置通过柔性橡胶垫连接在拱式试验架上，柔性橡胶垫贴合在推力装置的底面，双向液压油缸固定在推力装置上；所述柔性均布加载装置根据模拟隧道的形状和大小可调整。

4.如权利要求1所述的一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，

所述刚性高强底座包括连接在一起高强度钢架和钢板；

所述稳定支架为高强型钢支架，用于稳定并加固柔性均布加载装置；

所述类围岩相似材料填充区可预埋多点位移或压力传感器，用于监测模拟隧道的围岩受力及变形状况；

所述隧道支护结构可模拟多种支护方式，自由度高。

5.如权利要求1所述的一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，所述类围岩相似材料填充区的轮廓线通过高模量的PVC管控制，所述类围岩相似材料填充区的充填厚度根据试验要求调整。

6.如权利要求1所述的一种大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统，其特征是，所述数据采集及液压控制装置包括：用于接受数据终端传来的指令并同时控制若干柔性均布加载装置的动态伺服液压自动控制系统；以及用于采集预埋在试验架中传感器输送的数据并传输至数据终端的数据采集器。

7.一种如权利要求1所述的大型拱式柔性均布加载隧道支护模型试验系统的安装方法，其特征是，包括：

（1）根据隧道模型试验要求的最大加载力和开挖形状，确定钢筋混凝土的相关参数及反力墙模型形状；

（2）浇筑钢筋混凝土反力墙模型，并预埋与柔性均布加载装置连接的钢板；

（3）根据隧道开挖形状和大小确定柔性均布加载装置的组合方式，将柔性均布加载装置安装在钢筋混凝土反力墙模型上，安装稳定支架和刚性高强底座；

（4）利用高模量PVC管辅助控制类围岩相似材料填充区的填充轮廓并压实，确定好隧道开挖轮廓，预埋相关传感器；

（5）根据试验要求，安装隧道支护结构；

（6）连接数据采集及液压控制装置与拱式试验架；

（7）连接数据终端与数据采集及液压控制装置；

（8）整个隧道支护模型试验系统安装完成。

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