CN107576761B - 一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置，包括中轴、支撑结构和钢管片，钢管片为弧形片且有两片以上，钢管片的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的钢管片依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，且两片以上的钢管片之间构成了圆柱形内腔；中轴设置在圆柱形内腔的中心轴线处，支撑结构包括连杆和分别连接在连杆两端的支撑杆，其中连杆通过支撑杆固定安装在中轴上，连杆上还安装有轴承，轴承与钢管片的内管壁滑动支撑连接；本发明的有益效果是：能很好的代替传统方案中的水囊和蜡，来实现“先加载，后开挖”。

Description

一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，涉及深埋高地应力隧道物理模型试验，具体涉及一种模拟隧道开挖卸载的试验装置，为隧道相关物理模型试验提供优良的开挖解决方案，进而为研究分析隧道开挖过程中围岩应力变化及岩爆等脆性破坏特征提供科学的认识。

背景技术

随着我国西部大开发的进行，西部地下及隧道工程逐渐向西藏高原发展，大埋深、高地应力等复杂地质条件已经成为了建设者以及科研人员面临的重大问题，其中，对硬脆性岩体而言，高地应力岩爆是隧道施工的主要工程地质问题。在复杂地应力环境下建设的深埋长大隧道，以及在建设过程中开展的高地应力岩爆分析研究，对保证隧道顺利施工发挥了重要作用。因此，对隧道开挖后引起的岩爆等脆性破坏特征进行研究是十分必要的。

目前，地下工程岩石隧道岩爆等脆性破坏的研究方法主要有理论分析、数值模拟、物理模拟、现场观测监控等多种研究方法。

理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程上的应用等课题进行探讨，在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散介质理论进行研究。但由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论如非连续介质理论，但都不够成熟。数值分析方法虽然可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力－应变的非线性和流变性，粘、弹、塑性等，但是，由于当前岩石力学试验方法较落后，以至于还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，这就使计算技术的应用受到影响。因此，目前岩土工程数值分析大多只能用于辅助其它研究手段进行验证或者定性分析。

物理模型试验是将现场实际的缩放模型置于实验体如模型架、风洞、水槽、实验装置等内，以相似理论为基础，在满足基本相似条件下，通过在模型上的试验所获得的某些量间的规律再回推到原型上，从而获得对原型的规律性认识，以此模拟真实过程主要特征的实验方法。由于物理模型试验方法可以在实验室内模拟再现现场无法观测的具体工程现象，在各个方面和领域有很强的适用性，具有直接、形象、真实等特性，而且物理模拟结果可以和理论计算结果、数值计算结果相互验证。所以，对于一些复杂地下工程的非线性变形与强度破坏问题而言，采用物理模型试验是最佳的研究手段。

目前，物理模型试验模拟隧道开挖方法有两种，一种是“先开挖，后加载”；另一种是“先加载，后开挖”。对于“先开挖，后加载”技术方案，一般是在制作相似材料模型时，通过预留孔洞来代替隧道开挖部分，待模型达到预期强度后对其进行加载，其缺点主要在于不能实现对实际工程在初始应力状态下隧道开挖卸荷过程的真实模拟。对于“先加载，后开挖”技术方案，一般有两种方法。一种是用机械钻掘设备对加载后的模型直接开挖，其缺点是：1、耗时费力且洞壁极其不规则；2、开挖过程中对周围岩体扰动很大，影响围岩二次应力分布；3、开挖引起的震动会影响监测仪器对数据的收集，进而影响试验结果。另一种开挖方法是填充卸载型，主要代表有“水囊法”和“加热融化法”，其原理大致为：在预留好的孔洞内填入水囊或蜡、松香等物质来代替隧道开挖部分，然后在模型加载期卸掉水压或加热使蜡融化，以此来实现对隧道的开挖。其缺点是：1、开挖时突然卸载，仅能模拟全断面瞬时开挖，忽略了开挖导致围岩变形的时空效应；2、水囊或蜡、松香等物质质地较软，模型加载时不能承受较大应力，模拟高地应力状态下，如果隧道开挖体替代部分刚度不够，则隧道会发生较大变形，进而引起隧道未开挖就已经发生变形破坏；3、对于“加热融化法”，由于蜡、松香等物质受热后融化程度不均匀，导致围岩应力表现差异性分布。总结以上技术方案，其缺陷主要为：操作繁琐、效率低，刚度小，不能承受较大应力，仅能模拟全断面开挖，不足以模拟高地应力状态下隧道的开挖。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟隧道开挖卸载的试验装置，解决模型开挖时，仅能模拟全断面瞬时开挖从而忽略了开挖导致围岩变形的时空效应，特别是对于“加热融化法”而言，其融化程度不均匀导致围岩应力表现差异性分布的不足的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置，包括中轴、支撑结构和钢管片，钢管片为弧形片且有两片以上，钢管片的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的钢管片依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，且两片以上的钢管片之间构成了圆柱形内腔；

中轴设置在圆柱形内腔的中心轴线处，支撑结构包括连杆和分别连接在连杆两端的支撑杆，其中连杆通过支撑杆固定安装在中轴上，连杆上还安装有轴承，轴承与钢管片的内管壁滑动支撑连接。

更进一步的技术方案是，上述中沿连杆的杆身开设有轴承安装通孔，轴承有两个以上，且依次排列安装在轴承安装通孔内。

更进一步的技术方案是，上述中连杆的两端端面上设置有限位槽，支撑杆与连杆的连接处设置有限位块，限位块位于限位槽内并通过螺栓和螺母使连杆和限位槽固定连接。

更进一步的技术方案是，上述中每根支撑杆与中轴的连接处均设置有卡扣，卡扣安装在中轴上，且卡扣上设置有一对平行设置的翅板，支撑杆的一端位于两个翅板之间，并通过螺栓和螺母固定连接在一起。

更进一步的技术方案是，上述中每片钢管片均对应设置有一组以上的支撑结构。

更进一步的技术方案是，上述中钢管片有四片，支撑结构有四组；

每个卡扣上均设置有四对平行设置的翅板，翅板与卡扣构成“井”字型结构，每组支撑结构上的支撑杆均通过螺栓和螺母一一对应固定连接在四对平行设置的翅板上。

更进一步的技术方案是，上述中中轴的轴身上设置有螺纹，有调整螺母旋接在中轴上，调整螺母有两个，且分别卡在两个卡扣的外侧。

更进一步的技术方案是，上述中任意相邻的两片钢管片之间存在间隙。

更进一步的技术方案是，上述中中轴上还固定连接有把手。

更进一步的技术方案是，上述中轴承的外圈外侧壁上套接有橡胶垫圈。

本发明原理：

为了实现“先加载，后开挖”的试验方式，模型加载前先将开挖试验装置安装好待用，本次自主研制的隧道开挖试验装置具有较大的刚度，能很好的代替“隧道开挖体”，同时试验装置设计尺寸具有较高的精度，能均匀接触隧道内壁，并且可承受洞壁传给试验装置的压力，在温度和应力加载过程中避免隧道发生较大变形，此过程模型内部的应力分布和实际深埋地层的应力分布相近；因此，开挖试验装置和物理模型完美结合模拟了现实中未进行隧道开挖的均质各向同性原始地质环境，直到开挖试验装置抽出后，模型隧道洞壁才会因开挖卸荷而发生应力重分布以及变形破坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能很好的代替传统方案中的水囊和蜡，来实现“先加载，后开挖”；

2、具有两种卸荷方式，可根据具体情况自由选择；

3、既适用于三维模型，又适用于平面模型；

4、设计了滑动轴承结构来实现开挖卸荷过程，并且可控制开挖卸荷速度；

5、刚度大且不易变形，能承受较大应力，可替代隧道开挖体部分；

6、构造简单，由常用零件组装而成，各部件组装方便，拆卸简单，能自主更换破损零件；

7、在一定范围内能随意调节支撑高度，完美匹配不同尺寸的模型隧道开挖高度；

8、造价低廉，可重复使用，经济环保。

附图说明

图1为本发明中轴与支撑结构的结构示意图。

图2为本发明两块钢管片的结构示意图。

图3为本发明连杆的结构示意图。

图4为本发明支撑杆的结构示意图。

图5为本发明带有四对翅板的卡扣结构示意图。

图6为本发明连杆与支撑杆的连接结构示意图。

图7为本发明卡扣与支撑杆的连接结构示意图。

图8为本发明使用时的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、2所示，一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置，包括中轴1、支撑结构2和钢管片3，钢管片3为弧形片且有两片以上，钢管片3的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的钢管片3依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，且两片以上的钢管片3之间构成了圆柱形内腔4；中轴1设置在圆柱形内腔4的中心轴线处，支撑结构2包括连杆5和分别连接在连杆5两端的支撑杆6，其中连杆5通过支撑杆6固定安装在中轴1上，连杆5上还安装有轴承7，轴承7与钢管片3的内管壁滑动支撑连接。

在本实施例中，通过将连杆5的两端固定安装支撑杆6，使得连杆5、支撑杆6和中轴1构成了类似梯形的结构，而连杆5安装的轴承7，使得中轴1和支撑结构2通过轴承7能沿钢管片3滑动，这样可以通过驱动中轴1实现控制卸荷的快慢。

实施例2

如图1、3所示，对比于实施例1，本实施例优化了连杆5，沿连杆5的杆身开设有轴承安装通孔8，轴承7有两个以上，且依次排列安装在轴承安装通孔8内。

在本实施例中，多个轴承7能更稳定的实现卸荷，同时通过开设轴承安装通孔8，使得多个轴承7安装更加整齐，避免各个轴承7之间的水平度误差较大的问题。

实施例3

如图3、4、6所示，对比于实施例1，本实施例优化了连杆5与支撑杆6的连接，连杆5的两端端面上设置有限位槽9，支撑杆6与连杆5的连接处设置有限位块10，限位块10位于限位槽9内并通过螺栓和螺母使连杆5和限位槽9固定连接。

在本实施例中，通过螺栓和螺母将支撑杆6与连杆5固定连接在一起，同时当为了适应模拟隧道内部的大小时，也可以通过调整支撑杆6与连杆5之间的角度来改变连杆5相对于中轴1的位置，调整时，只需要将螺母扭松，然后调整角度，等角度调整好后，再扭紧螺母从而固定。

实施例4

如图5、7、8所示，对比于实施例1，本实施例优化了支撑杆6与中轴1的连接，每根支撑杆6与中轴1的连接处均设置有卡扣11，卡扣11安装在中轴1上，且卡扣11上设置有一对平行设置的翅板12，支撑杆6的一端位于两个翅板12之间，并通过螺栓和螺母固定连接在一起。

在本实施例中，通过卡扣能方便支撑杆6的安装，而支撑杆6的一端设置在两个平行设置的翅板12之间，并通过螺栓和螺母固定连接，则也实现了角度的调整功能。

实施例5

如图8所示，对比于实施例1，本实施例优化了支撑结构2，每片钢管片3均对应设置有一组以上的支撑结构2。

实施例6

如图8所示，对比于实施例4，本实施例优化了钢管片3和卡扣11，钢管片3有四片，支撑结构2有四组；每个卡扣11上均设置有四对平行设置的翅板12，翅板12与卡扣11构成“井”字型结构，每组支撑结构2上的支撑杆6均通过螺栓和螺母一一对应固定连接在四对平行设置的翅板12上。

实施例7

如图1、8所示，对比于实施例1，本实施例优化了中轴1，中轴1的轴身上设置有螺纹，有调整螺母13旋接在中轴1上，调整螺母13有两个，且分别卡在两个卡扣11的外侧。

在本实施例中，通过螺纹能调整调整螺母13在中轴1上的位置，从而控制两个卡扣11的位置，进而改变支撑杆6倾斜角度，连杆5相对于中轴1的位置。

实施例8

如图8所示，对比于实施例1，本实施例优化了钢管片3，任意相邻的两片钢管片3之间存在间隙14。

实施例9

如图1所示，对比于实施例1，本实施例优化了中轴1，中轴1上还固定连接有把手15。

在本实施例中，把手15方便操作中轴1。

实施例10

如图8所示，对比于实施例1，本实施例优化了轴承7，轴承7的外圈外侧壁上套接有橡胶垫圈16。

在本实施例中，在轴承7上套接有橡胶垫圈16，能通过橡胶垫圈16的弹力减小轴承7因为安装误差产生的对钢管片3受力不均的问题，从而进一步提高了试验的精准度，同时橡胶垫圈16也使得轴承7与钢管片3从刚性接触变为柔性接触，从而延长轴承的使用寿命。

针对上述一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置的实施例，下面介绍本试验装置的具体操作过程。

一、试验装置各部件组装；

先依次在中轴1上套接一个调整螺母13、两个带有四对翅板12的卡扣11，再套入一个调整螺母13，然后把连杆5与支撑杆6通过螺栓和螺母固定在一起，再把支撑杆6与卡扣11上的翅板12通过螺栓和螺母固定在一起，最后通过螺栓和螺母将轴承7安装在连杆5上的轴承安装通孔8内。

二、安装模型试验装置；

将具有一定刚度的四个钢管片3拼合于隧道洞壁，每个钢管片3相互之间留有一定的间距，作用是方便安装和开挖后取出，然后把开挖试验装置的内部支撑结构放进隧道内，通过转动中轴1上的调整螺母13调节内部撑起高度，使每个轴承7都能紧贴钢管片3，并使钢管片3能贴紧隧道洞壁，然后通过手柄15慢慢用力调整支撑结构位置，使其在模型隧道洞轴方向居中，至此，开挖试验装置安装完成。

三、模拟隧道开挖卸荷；

开挖试验装置安装好后，给模型加载，当加载至要模拟的地应力值时，停止加载，保持应力条件不变，稳定一段时间后进行模型隧道开挖。本发明试验装置具有两种开挖方式，可根据不同试验要求来选择具体的开挖方式。对于试验要求高的（如三维模型试验）可采用轴承抽拉来完成开挖，对于试验要求一般的（如平面模型实验）可选择轴承抽拉或转动中轴1上的调整螺母13使内部支撑结构松垮卸力来完成开挖。模拟的隧道开挖为瞬间开挖，迅速将开挖试验装置内部的支撑滑动结构抽出或转动调整螺母13卸力，洞壁围岩上的钢管片3由于失去支撑而瞬间塌落，再快速将钢管片3从隧道内拿出，完成隧道开挖卸荷模拟。

通过上述方法，本发明实现了在模拟高地应力工程地质条件下不易变形，易于人工操作且能真实模拟隧道“先加载，后开挖”的开挖卸荷过程。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置，包括中轴（1）、支撑结构（2）和钢管片（3），所述钢管片（3）为弧形片且有两片以上，钢管片（3）的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的所述钢管片（3）依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，且两片以上的钢管片（3）之间构成了圆柱形内腔（4）；

其特征在于：所述中轴（1）设置在圆柱形内腔（4）的中心轴线处，所述支撑结构（2）包括连杆（5）和分别连接在连杆（5）两端的支撑杆（6），其中连杆（5）通过支撑杆（6）固定安装在中轴（1）上，所述连杆（5）上还安装有轴承（7），所述轴承（7）与钢管片（3）的内管壁滑动支撑连接；

其中，每根所述支撑杆（6）与中轴（1）的连接处均设置有卡扣（11），所述卡扣（11）安装在中轴（1）上，且卡扣（11）上设置有一对平行设置的翅板（12），所述支撑杆（6）的一端位于两个翅板（12）之间，并通过螺栓和螺母固定连接在一起；所述中轴（1）的轴身上设置有螺纹，有调整螺母（13）旋接在中轴（1）上，所述调整螺母（13）有两个，且分别卡在两个卡扣（11）的外侧。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：沿所述连杆（5）的杆身开设有轴承安装通孔（8），所述轴承（7）有两个以上，且依次排列安装在轴承安装通孔（8）内。

3.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：所述连杆（5）的两端端面上设置有限位槽（9），支撑杆（6）与连杆（5）的连接处设置有限位块（10），所述限位块（10）位于限位槽（9）内并通过螺栓和螺母使连杆（5）和限位槽（9）固定连接。

4.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：每片所述钢管片（3）均对应设置有一组以上的支撑结构（2）。

5.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：所述钢管片（3）有四片，所述支撑结构（2）有四组；

每个所述卡扣（11）上均设置有四对平行设置的翅板（12），所述翅板（12）与卡扣（11）构成“井”字型结构，每组所述支撑结构（2）上的支撑杆（6）均通过螺栓和螺母一一对应固定连接在四对平行设置的翅板（12）上。

6.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：任意相邻的两片所述钢管片（3）之间存在间隙（14）。

7.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：所述中轴（1）上还固定连接有把手（15）。

8.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖卸荷的试验装置，其特征在于：所述轴承（7）的外圈外侧壁上套接有橡胶垫圈（16）。

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