CN107702680A - 一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置及其施工方法，装置包括用于嵌入拱形支撑的混凝土基座、用于固定拱形支撑的底板、用于提供测试支撑的拱形支撑、用于提供测试压力的施压装置以及用于测试拱形支撑应力及变形的测试装置，底板设置在混凝土基座上，拱形支撑与混凝土基座固接，施压装置嵌入拱形支撑内，测试装置的测试端设置在拱形支撑的待测区；施工方法包括：在混凝土基座上浇筑混凝土底板、钢底板、钢拱架和混凝土拱，并在混凝土拱凹腔内安装水囊；然后在钢拱架贴覆压力应变片和千分表，将压力应变片引线连接至应变仪，实时监控偏压状态下拱架的应力和变形。本发明有益效果：安装方便，性能可靠，实现在偏压荷载下钢拱架的受力与变形的量测。

Description

一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置及其施工方法，属于土木工程领域。

背景技术

隧道是一种线性建筑物，其穿越山体及各种复杂地层。其具有跨越能力大、适应深水施工、全天候运营，环保和经济性好等优点。隧道穿越山体或进出洞口时，由于地质构造及进出洞口的自然地形不对称等原因，隧道衬砌结构经常会出现偏压情况，结构受力复杂。爆破开挖等引起进出洞口围岩破碎，造成进出洞口围岩应力更加复杂。易出现围岩坍塌等灾害，对工程技术人员生命安全等造成危害。偏压隧道开挖过程中的及时支护是保证工程安全的关键措施，钢拱架支护是一种装配式支护，由工字钢加工而成的钢拱架具有施工速度快、支护力大，快速高效等优点，是隧道进出口施工过程中常用的支护措施。支护用钢拱架必须具有一定的刚度，以抵抗岩体的非均匀荷载，稳定隧道围岩、保证施工安全。但是现场测试钢拱架的应力、变形，受爆破施工、运输车辆等因素的影响，难以获取精确的数据。

发明内容

为了解决目前的现场测试钢拱架的应力、变形，受爆破施工、运输车辆等因素的影响，难以获取精确数据的问题，本发明提出了一种加载试验装置可反复使用，实验数据准确的隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置及其施工方法。

本发明所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：包括用于嵌入拱形支撑的混凝土基座、用于固定拱形支撑的底板、用于提供测试支撑的拱形支撑、用于提供测试压力的施压装置以及用于测试拱形支撑应力及变形的测试装置，所述底板设置在混凝土基座上，并且所述拱形支撑与安装在所述混凝土基座固接，所述施压装置嵌入所述拱形支撑内，所述测试装置的测试端设置在所述拱形支撑的待测区；

所述底板包括钢筋混凝土底板和钢底板，所述钢筋混凝土底板水平浇筑在混凝土基座上，所述钢筋混凝土底板的上表面设有用于嵌入钢底板的凹槽，所述钢底板嵌入钢筋混凝土底板的凹槽内，二者固接，并保持所述钢底板表面与所述钢筋混凝土底板上表面平齐；

所述拱形支撑为混凝土拱，所述混凝土拱的两底边与所述混凝土底板固接；所述混凝土拱的圆拱处沿其周向设有多个用于放置施压装置部分配件的凹腔，并且凹腔的底面与混凝土拱的内腔连通，凹腔的顶面与混凝土拱外腔连通的通道；

待测的钢拱架的底端与所述钢底板固接，并且所述钢拱架的外表面与所述混凝土拱的内表面贴合，所述钢拱架与相应的凹腔共同围成用于放置施压装置部分部件的密封容腔；

所述施压装置包括水囊、用于与外界水源连通的进水管、出水管、用于控制进出水量的控制阀以及用于测量管内水压的水压表，所述水囊置于所述混凝土拱的凹腔内；所述水囊的进水口、出水口分别通过对应的进水管、出水管相连，其中所述进水管、出水管贯穿相应的通道后与外界水源箱连通，所述进水管上设有控制阀和水压表；控制阀人工控制，水压表置于管道，有多少水压可以自动转动，出现读数。

所述测试装置包括用于实时监控偏压状态下钢拱架应力和变形的压力应变片、用于测定钢拱架形变量的千分表以及用于采集并记录处理应变量的应变仪，所述压力应变片贴覆在钢拱架的凹槽中心处下翼缘板上，并且压力应变片的引脚通过导线与应变仪的信号输入引脚电连；所述千分表安装在所述钢拱架的内表面，并且所述千分尺的探头轻触钢拱架的测试点。

所述混凝土拱分为三段，顶部为半圆拱型的第一混凝土块体、两侧为直线条段型的第二混凝土块体，所述第二混凝土块体的上端与第一混凝土块体的一端一体成型，第二混凝土块体的下端直接与混凝土底板浇筑在一起。

所述混凝土内配置受力筋、构造筋和加强筋，并与混凝土基座和混凝土底板一体浇筑。

所述混凝土拱的圆拱段沿其周向设有4个凹腔，其中3个凹腔的体积相同，一个凹腔的体积为其余3个凹腔体积的一半，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊。

所述钢拱架为工字钢，分为三段，顶部为用于贴覆在混凝土拱的圆拱内表面的半圆弧段，两侧为光滑连接在半圆弧段两端的直线段，并且每榀钢拱架的上翼缘板外表面与混凝土拱的内表面密封贴合围成密封的容腔，混凝土拱凹腔的宽度与钢拱架的翼缘板宽度相同；钢拱架的下翼缘板内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，用于贴覆压力应变片，另一类测试点落在容腔之外，用于与所述千分尺的探头轻触。

所述钢拱架与混凝土拱围成的容腔横截面为对称的六边形。

所述钢底板通过螺杆固装在所述混凝土底板上的凹槽槽底。

混凝土拱的内径与钢底板的长度相等，即混凝土拱的两底边内沿之间的间距与钢底板的长度相等。

如本发明所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置的施工方法，包括以下步骤：

1)在混凝土基座上浇筑混凝土底板，并在混凝土底板上预留凹槽；

2)将裁剪好的钢底板嵌入预留的凹槽内，并将钢底板与混凝土底板浇筑在一起，保持钢底板表面与混凝土底板上表面平齐，待浇筑好后用螺杆固接钢底板与混凝土底板；

3)将钢拱架的直线段底端焊接在钢底板两端，约束钢拱架的变形；

4)在钢拱架的外表面浇筑与钢拱架匹配的混凝土拱，混凝土拱与混凝土基座浇筑在一起，并在浇筑混凝土拱时，在钢拱架接触处预留凹腔，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊；每个凹腔外侧的混凝土拱中心设有供进水管、出水管贯穿的通道，凹腔内侧与混凝土拱的内腔连通；

5)将水囊置于凹腔内，并将与水囊连通的进水管、出水管从相应的通道内穿出，与相应的水源箱连通，进水管上装上用于控制管内液体流量及流速的控制阀和用于测定管内水压的水压表；

6)在钢拱架的下翼缘板内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，贴覆压力应变片，用于测定钢拱架所受应力；另一类测试点落在容腔之外，与所述千分尺的探头轻触，用于测定钢拱架的位移变量；

7)将压力应变片的输出引线通过导线连接至应变仪，从而实时监控偏压状态下拱架的应力和变形。

本发明的有益效果是：钢拱架室内试验是获取钢拱架在偏压状态下应力和变形的有效手段，具有试验环境稳定，测试数据准确等优点，可获取不同偏压组合方案下钢拱架的应力和变形规律，且加载试验装置可反复使用，实验数据和研究成果对隧道工程施工安全具重要意义。

附图说明

图1为本发明的整体装置示意图；

图2a为图1中底板主视图；

图2b为图1中底板俯视图；

图3为图1中拱形支撑结构示意图；

图4为图1中施压装置示意图；

图5为图1中测试装置示意图；

图6为图1中钢拱架立体图。

图7为图1中钢拱架主视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，包括用于嵌入拱形支撑的混凝土基座1、用于固定拱形支撑的底板2、用于提供测试支撑的拱形支撑3、用于提供测试压力的施压装置4、用于测试钢拱架变形及其应力应变的测试装置5，所述底板2设置在混凝土基座1上，并且所述拱形支撑3安装在所述混凝土基座1上并固接，所述施压装置4嵌入所述拱形支撑3内，所述测试装置5的测试端设置在所述拱形支撑3的待测区；

所述底板2包括钢筋混凝土底板2-1和钢底板2-2，所述钢筋混凝土底板2-1垂直浇筑在混凝土基座1上，所述钢筋混凝土底板2-1的上表面设有用于嵌入钢底板的凹槽，所述钢底板2-2嵌入钢筋混凝土底板的凹槽内，二者通过螺杆2-3使其固接，并保持所述钢底板2-2表面与所述钢筋混凝土底板2-1上表面平齐；

所述拱形支撑3为混凝土拱，所述混凝土拱的两底边与所述混凝土底板2-1固接；所述混凝土拱的圆拱处沿其周向设有多个用于放置施压装置部分配件的凹腔3-2，并且凹腔的底面与混凝土拱的内腔连通，凹腔的顶面与混凝土拱外腔连通的通道3-1；

待测的钢拱架6的底端与所述钢底板2-2固接，并且所述钢拱架6的外表面与所述混凝土拱的内表面贴合，所述钢拱架6与相应的凹腔共同围成用于放置施压装置部分部件的密封容腔；

所述施压装置4包括用于产生压力的水囊4-1、用于与外界水源连通的进、出水管4-2、用于控制进出水量的控制阀4-3以及用于测量管内水压的水压表4-4，所述水囊4-1置于所述混凝土拱的凹腔3-2内；所述水囊4-1的进、出水口均通过进、出水管4-2来实现进、出水，其中所述进、出水管4-2贯穿混凝土拱后与外界水源箱连通，所述进、出水管4-2上设有控制阀4-3和水压表4-4；

所述测试装置5包括用于实时监控偏压状态下钢拱架应力和应变的压力应变片5-1和用于采集并记录处理应变量的应变仪、用于测定钢拱架形变量的千分表5-2。所述压力应变片5-1贴覆在钢拱架的凹槽中心处下翼缘板上，并且压力应变片5-1的引脚通过导线5-3与应变仪的信号输入引脚电连；所述千分表5-2安装在所述钢拱架6的内表面，并且所述千分表5-2的探头轻触钢拱架6的测试点。

所述钢拱架6的底端与所述钢底板2-2固接，并且所述钢拱架6的外表面与所述混凝土拱3-1的内表面贴合，所述钢拱架6与相应的凹腔共同围成用于放置施压装置部分部件的密封容腔；

所述混凝土拱分为三段，顶部为半圆拱型的第一混凝土块体、两侧为直线条段型的第二混凝土块体，所述第二混凝土块体的上端与第一混凝土块体的一端一体成型，第二混凝土块体的下端直接与混凝土底板浇筑在一起。

所述混凝土拱内配置受力筋、构造筋和加强筋，并与混凝土基座和混凝土底板一体浇筑。

所述混凝土拱的圆拱段沿其周向设有4个凹腔，其中3个凹腔的体积相同，一个凹腔的体积为其余3个凹腔体积的一半，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊。

所述钢拱架6为工字钢，分为三段，顶部为用于贴覆在混凝土拱的圆拱内表面的半圆弧段，两侧为光滑连接在半圆弧段两端的直线段，并且每榀钢拱架的上翼缘板6-1外表面与混凝土拱的内表面密封贴合围成密封的容腔，混凝土拱凹腔的宽度与钢拱架的翼缘板宽度相同；钢拱架的下翼缘板6-2内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，用于贴覆压力应变片，另一类测试点落在容腔之外，用于与所述千分尺的探头轻触。

所述钢拱架6与混凝土拱围成的容腔横截面为对称的六边形。

所述钢底板2-2通过螺杆2-3固装在所述混凝土底板2-1上的凹槽槽底。

混凝土拱的内径与钢底板的长度相等，即混凝土拱的两底边内沿之间的间距与钢底板2-2的长度相等。

所述的混凝土拱采用整体性浇筑，每个容腔内放置相应尺寸的水囊。给水囊提供一定设计值的压力。水囊五个面受腔体混凝土壁约束，在另外一个面上向工字形钢拱架的翼缘板提供均布压力。钢拱架翼缘板的宽度与钢筋混凝土拱腔室的宽度相同，与腔体的五个混凝土壁将腔体围成一个密闭的空间，水囊放置于腔体内，充水后可以向钢拱架提供压力。

所述的底板包括钢筋混凝土底板和钢底板两部分。钢筋混凝凝土底板较厚，其内侧表面有一定长度和宽度的凹槽，钢底板嵌入其中，实际制作时，钢底板与混凝土底板是浇筑为一体。钢底板与混凝土内表面相平，钢底板长度与混凝土拱内直径相同。与混凝土拱厚度相同，且混凝土拱侧面板与钢筋混凝土拱侧面平齐。钢底板四个角位置各有一个螺栓孔，通过螺杆将钢底板与混凝土底板固定连接。钢底板与钢拱架焊接为一体，约束工字钢底端变形。钢拱架放置水平放置在地槽内，其下部用钢之支架支撑固定，在钢拱架圆拱顶端及其左右直线段中间各放置一个支架，以作支撑。

所述的水囊由类似于橡胶轮胎的材质制成，其置于密闭的腔体内，充水后自由膨胀，与腔室的六个壁面密贴。向钢拱架传递压力，不同的水囊内充盈不同压力的水，形成钢拱架的偏压状态。

所述的水压表安置于供、出水管上，其位置在阀门与混凝土拱之间，用以测量水囊压力，在关闭阀门，进行偏压实验的过程中，用于测量水囊压力是否稳定，实时监测液压的损失情况。

所述的千分表探头轻触钢拱架下翼缘内侧表面中心位置，其固定于相应的支架上。

所述的压力应变片按照规范要求贴于工字钢内侧翼缘，通过数据采集线与应变仪连接，实时监控偏压状态下拱架的应力和变形。

实施例2如实施例1所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置的施工方法，包括以下步骤：

1)在混凝土基座上浇筑混凝土底板，并在混凝土底板上预留凹槽；

2)将裁剪好的钢底板嵌入预留的凹槽内，并将钢底板与混凝土底板浇筑在一起，保持钢底板表面与混凝土底板上表面平齐，待浇筑好后用螺杆固接钢底板与混凝土底板；

3)将钢拱架的直线段底端焊接在钢底板两端，约束钢拱架的变形；

4)在钢拱架的外表面浇筑与钢拱架匹配的混凝土拱，混凝土拱与混凝土基座浇筑在一起，并在浇筑混凝土拱时，在钢拱架接触处预留凹腔，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊；每个凹腔外侧的混凝土拱中心设有供进水管、出水管贯穿的通道，凹腔内侧与混凝土拱的内腔连通；

5)将水囊置于凹腔内，并将与水囊连通的进水管、出水管从相应的通道内穿出，与相应的水源箱连通，进水管上装上用于控制管内液体流量及流速的控制阀和用于测定管内水压的水压表；

6)在钢拱架的下翼缘板内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，贴覆压力应变片，用于测定钢拱架所受应力；另一类测试点落在容腔之外，与所述千分尺的探头轻触，用于测定钢拱架的位移变量；

7)将压力应变片的输出引线通过导线连接至应变仪，从而实时监控偏压状态下拱架的应力和变形。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：包括用于嵌入拱形支撑的混凝土基座、用于固定拱形支撑的底板、用于提供测试支撑的拱形支撑、用于提供测试压力的施压装置以及用于测试拱形支撑应力及变形的测试装置，所述底板设置在混凝土基座上，并且所述拱形支撑与安装在所述混凝土基座固接，所述施压装置嵌入所述拱形支撑内，所述测试装置的测试端设置在所述拱形支撑的待测区；

所述底板包括钢筋混凝土底板和钢底板，所述钢筋混凝土底板水平浇筑在混凝土基座上，所述钢筋混凝土底板的上表面设有用于嵌入钢底板的凹槽，所述钢底板嵌入钢筋混凝土底板的凹槽内，二者固接，并保持所述钢底板表面与所述钢筋混凝土底板上表面平齐；

所述拱形支撑为混凝土拱，所述混凝土拱的两底边与所述混凝土底板固接；所述混凝土拱的圆拱处沿其周向设有多个用于放置施压装置部分配件的凹腔，并且凹腔的底面与混凝土拱的内腔连通，凹腔的顶面与混凝土拱外腔连通的通道；

待测的钢拱架的底端与所述钢底板固接，并且所述钢拱架的外表面与所述混凝土拱的内表面贴合，所述钢拱架与相应的凹腔共同围成用于放置施压装置部分部件的密封容腔；所述施压装置包括水囊、用于与外界水源连通的进、出水管、用于控制进出水量的控制阀以及用于测量管内水压的水压表，所述水囊置于所述混凝土拱的凹腔内；所述水囊的进、出水口均通过进、出水管相连，其中所述进、出水管贯穿通道后与外界水源箱连通，所述进水管上设有控制阀和水压表；所述测试装置包括用于实时监控偏压状态下钢拱架应力和变形的压力应变片、用于测定钢拱架形变量的千分表以及用于采集并记录处理应变量的应变仪，所述压力应变片贴覆在钢拱架的凹槽中心处下翼缘板上，并且压力应变片的引脚通过导线与应变仪的信号输入引脚电连；所述千分表安装在所述钢拱架的内表面，并且所述千分尺的探头轻触钢拱架的测试点。

2.如权利要求1所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述混凝土拱分为三段，顶部为半圆拱型的第一混凝土块体、两侧为直线条段型的第二混凝土块体，所述第二混凝土块体的上端与第一混凝土块体的一端一体成型，第二混凝土块体的下端直接与混凝土底板浇筑在一起。

3.如权利要求2所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述混凝土内配置受力筋、构造筋和加强筋，并与混凝土基座和混凝土底板一体浇筑。

4.如权利要求3所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述混凝土拱的圆拱段沿其周向设有4个凹腔，其中3个凹腔的体积相同，一个凹腔的体积为其余3个凹腔体积的一半，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊。

5.如权利要求1所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述钢拱架为工字钢，分为三段，顶部为用于贴覆在混凝土拱的圆拱内表面的半圆弧段，两侧为光滑连接在半圆弧段两端的直线段，并且每榀钢拱架的上翼缘板外表面与混凝土拱的内表面密封贴合围成密封的容腔，混凝土拱凹腔的宽度与钢拱架的翼缘板宽度相同；钢拱架的下翼缘板内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，用于贴覆压力应变片，另一类测试点落在容腔之外，用于与所述千分尺的探头轻触。

6.如权利要求5所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述钢拱架与混凝土拱围成的容腔横截面为对称的六边形。

7.如权利要求1所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：所述钢底板通过螺杆固装在所述混凝土底板上的凹槽槽底。

8.如权利要求7所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置，其特征在于：混凝土拱的内径与钢底板的长度相等，即混凝土拱的两底边内沿之间的间距与钢底板的长度相等。

9.如权利要求1～8任意一项权利要求所述的一种隧洞偏压状态下钢拱架变形测量装置的施工方法，包括以下步骤：

1)在混凝土基座上浇筑混凝土底板，并在混凝土底板上预留凹槽；

2)将裁剪好的钢底板嵌入预留的凹槽内，并将钢底板与混凝土底板浇筑在一起，保持钢底板表面与混凝土底板上表面平齐，待浇筑好后用螺杆固接钢底板与混凝土底板；

3)将钢拱架的直线段底端焊接在钢底板两端，约束钢拱架的变形；

4)在钢拱架的外表面浇筑与钢拱架匹配的混凝土拱，混凝土拱与混凝土基座浇筑在一起，并在浇筑混凝土拱时，在钢拱架接触处预留凹腔，并且每个凹腔均配置一个与之对应的水囊；每个凹腔外侧的混凝土拱中心设有供进水管、出水管贯穿的通道，凹腔内侧与混凝土拱的内腔连通；

5)将水囊置于凹腔内，并将与水囊连通的进水管、出水管从相应的通道内穿出，与相应的水源箱连通，进水管上装上用于控制管内液体流量及流速的控制阀和用于测定管内水压的水压表；

6)在钢拱架的下翼缘板内表面中心位置设有两类测试点，其中一类测试点位于凹腔处，贴覆压力应变片，用于测定钢拱架所受应力；另一类测试点落在容腔之外，与所述千分尺的探头轻触，用于测定钢拱架的位移变量；

7)将压力应变片的输出引线通过导线连接至应变仪，从而实时监控偏压状态下拱架的应力和变形。