CN108344640B - 一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法，它包括矩形反力框架，所述矩形反力框架的内部设置有千斤顶，所述千斤顶的底座与矩形反力框架的内侧壁相接触，其活塞杆的顶部通过传力装置与半圆形轮廓模具相接触，所述半圆形轮廓模具共有两个，对称焊接固定在矩形反力框架的内部，所述半圆形轮廓模具的内壁上紧贴设置有胎式衬砌。采用此装置和方法，可以定量的模拟出隧道衬砌实际受力变形情况，为隧道衬砌支护工程提供理论依据。

Description

一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法。

背景技术

目前，测量衬砌变形位移的方法有：实际工程中，在隧道开挖后利用螺旋测微器测量隧道断面上几条测线的长度与设计长度对比计算变形量；实验室中，采用在模型箱上先后标定隧道的轮廓，通过对比前后隧道轮廓进而计算变形量。以上所采用的测量方法均有一定的不足，测量位置难以精确保证，人为测量误差客观存在，往往不能测得实际情况下隧道衬砌的真实变形，所测数据很难有较高的说服力。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法，采用此装置和方法，可以定量的模拟出隧道衬砌实际受力变形情况，为隧道衬砌支护工程提供理论依据。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，它包括矩形反力框架，所述矩形反力框架的内部设置有千斤顶，所述千斤顶的底座与矩形反力框架的内侧壁相接触，其活塞杆的顶部通过传力装置与半圆形轮廓模具相接触，所述半圆形轮廓模具共有两个，对称焊接固定在矩形反力框架的内部，所述半圆形轮廓模具的内壁上紧贴设置有胎式衬砌。

所述胎式衬砌的内部均布安装有多个位移计，在胎式衬砌上连接有充气管，所述充气管上安装有自动卸压阀和数显气压表。

所述矩形反力框架采用钢板焊接而成。

所述传力装置包括两块滑动钢板，在滑动钢板端面上设置有多个凸点，所述凸点之间定位安装有多根弹簧。

所述矩形反力框架沿其两内侧长边设置滑条，所述滑条与设置在滑动钢板两侧的滑槽构成滑动配合，并对其限位。

所述胎式衬砌内部可填充流体。

所述弹簧包括多种不同的规格，其位置、数量和长度均可调节。

所述自动卸压阀包括螺母套，所述螺母套的一端设置有进气口，所述进气口与胎式衬砌的胎体连接，在螺母套的侧壁上加工有出气口；所述螺母套内部靠近进气口的一端设置有止塞球，所述止塞球通过限位弹簧封堵进气口，所述限位弹簧通过安装在螺母套尾部的螺栓限位固定。

所述位移计的数量为四个，上下左右各一个，并测量试验过程中胎式衬砌的径向变形位移。

一项所述模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力装置的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：胎式衬砌的制备，胎体制作材料经过多次调整由普通PVC改成硅橡胶制作；

Step 2：将自动卸压阀和数显气压表与胎式衬砌的胎体连接为一个整体，并将密闭胎体内充入气体；

Step 3：制作半圆形轮廓模具作为衬砌拱圈，采用钢板，将其卷两个拱圈；

Step 4：粘贴应变片，将制作好的衬砌拱圈表面打磨并用酒精擦拭干净，粘贴应变片，用锡焊将应变片引线与导线焊接，涂上封闭胶水，并用绝缘胶布包扎后，最后进行应变片电阻测量，以检测应变片的粘贴效果，并与应变采集仪连接读取各监测点应变值；

Step 5：组装传力装置，试验前根据试验需要选用合适的弹簧规格及数量，利用钢板处的凸点将两块滑动钢板进行连接组装；

Step 6：安装整体试验装置，按照千斤顶、传力装置、胎式衬砌的顺序进行安装，调试好其相对位置，保证滑动钢板能够在滑槽中自由滑动；

Step 7：安装位移计，将四个位移计分别安装在胎式衬砌内侧上下左右位置，位移计的探头应与胎式衬砌支护结构相接触，准确测量读数；

Step 8：设定自动卸压阀的卸压阈值P，根据实际工程情况通过拧动螺栓改变限位弹簧伸长长度，来改变止塞球所能承受压强值来设定卸压阈值P；

Step 9：进行试验，利用千斤顶施加不同等级荷载模拟围岩蠕变变形作用在胎式衬砌支护结构上，进行加载、卸压试验，通过数显气压表监测胎体内气压，当胎式衬砌胎体内压强达到设计自动卸压阀的卸压阈值时，利用自动卸压阀对整体支护结构进行卸压，同时读取记录荷载值、应变值、位移值；

Step 10：计算，通过记录的荷载值、应变值、位移值计算弯矩、应变、挠度和剪力值，从而利用该装置定量研究实际工程中胎式衬砌支护结构整体支护效果和变形规律，为隧洞支护技术提供理论支撑。

本发明有如下有益效果：

1、本发明所涉及的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置及方法，在进行试验前通过FLAC 3D软件及相关计算设定自动卸压阀的卸压阈值，利用千斤顶模拟隧洞围岩局部变形给胎式衬砌支护结构造成的偏压力，分别施加不同等级的围岩压力，在加载段，千斤顶作用的集中力通过传力装置将转化为均布力均匀的施加到胎式衬砌上，通过事先安装在胎式衬砌上的数显气压表、位移计以及粘贴好的应变片，实时测量模拟隧道衬砌结构受力过程中衬砌的应力、应变及位移；在卸压段，待胎内压强达到卸压阈值时，作用的荷载通过自动卸压阀使胎体内压强卸除，从而保证支护结构整体趋于稳定，装置简单、技术先进、操作便利、经济合理，可广泛应用于隧道工程中模拟衬砌结构受力的试验中。

2、提出胎式衬砌支护结构解决高地应力软岩隧洞蠕变量大、施工工期长、成本高昂等问题，开拓了隧道支护新的研究领域。

3、自主研发自动卸压阀，可根据实际工程情况设定卸压阈值P，通过自动卸压装置可及时卸除胎式衬砌支护结构所受荷载，保证实际工程中隧洞胎式衬砌支护结构整体稳定性

4、利用该装置可以更为真实的模拟环形隧道支护结构的受力和变形，测到不同围压下位移值，定量研究胎式衬砌支护结构整体支护效果和变形规律，为隧洞支护技术提供理论支撑。

5、该装置可将千斤顶提供的集中力转化为均布力，模拟实际情况下围岩蠕变过程中均化衬砌受力。

6、可通过改变弹簧的刚度和数量模拟各种复杂的岩体，使得试验条件更加接近实际，试验结果更具有说服力。

7、本发明所涉及到的试验装置与方法可以达到模拟不同的围岩压力值，以此来研究不同围岩压力情况下衬砌结构的实际受力变形状态。

8、本发明所涉及的一种模拟环形隧道衬砌受力的试验装置，构造简单、材料易得、操作便捷、实用性强，可广泛应用于模拟隧道衬砌受力状态的试验中，为实际隧道施工过程提供一定的理论支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉及的试验模拟装置整体示意图。

图2为本发明所涉及的传力装置示意图。

图3为本发明所涉及的滑条示意图。

图4为本发明所涉及的滑槽示意图。

图5为本发明所涉及的应变片粘贴示意图。

图6为本发明所涉及的自动卸压阀装置未卸压时详图。

图7为本发明所涉及的自动卸压阀装置卸压时详图。

图中：矩形反力框架1、千斤顶2、传力装置3、胎式衬砌4、滑动钢板5、弹簧6、自定卸压阀7、数显气压表8、位移计9、半圆形轮廓模具10、凸点11、滑条12、滑槽13、螺栓14、螺母套15、出气口16、进气口17、止塞球18、弹簧19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-7所示，一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，它包括矩形反力框架1，所述矩形反力框架1的内部设置有千斤顶2，所述千斤顶2的底座与矩形反力框架1的内侧壁相接触，其活塞杆的顶部通过传力装置3与半圆形轮廓模具10相接触，所述半圆形轮廓模具10共有两个，对称焊接固定在矩形反力框架1的内部，所述半圆形轮廓模具10的内壁上紧贴设置有胎式衬砌4。通过千斤顶模拟隧道围岩施加压力，利用传力装置将力传递到胎式衬砌上，模拟隧道衬砌实际受力状态。

进一步的，所述胎式衬砌4的内部均布安装有多个位移计9，在胎式衬砌4上连接有充气管，所述充气管上安装有自动卸压阀7和数显气压表8。通过数显气压表监测胎体内气压，达到设定的卸压阀值时开始卸压，通过自动卸压阀使得整个胎式衬砌支护结构起到减载效果和应力均化效果，保证胎式衬砌支护整体结构稳定。

进一步的，所述自动卸压阀其目的在为使作用在胎式衬砌支护结构上的作用力更好达到自主卸压效果，研发自动卸压阀泄压阀，可根据实际工程情况设定卸压阈值P，该装置可通过拧动螺母改变弹簧伸长长度来改变止塞球所能承受压强值。

进一步的，所述矩形反力框架1采用钢板焊接而成。避免试验过程中产生过大的变形，在框架短边直角处焊接半圆形轮廓模具，使其与胎式衬砌相紧密接触。

进一步的，所述传力装置3包括两块滑动钢板5，在滑动钢板5端面上设置有多个凸点11，所述凸点11之间定位安装有多根弹簧6。

进一步的，所述胎式衬砌支护结构，通过千斤顶施加不同等级荷载模拟围岩蠕变变形作用在胎式衬砌支护结构上，通过数显气压表监测胎体内气压，当胎式衬砌胎体内压强达到设计自动卸压阀的卸压阈值时，弹簧被压缩，止塞球被逐渐挤开，胎体内部压强从出气口卸除。反之，则止塞球封住进气口，气体不会泄漏。

进一步的，所述矩形反力框架1沿其两内侧长边设置滑条12，所述滑条12与设置在滑动钢板5两侧的滑槽13构成滑动配合，并对其限位。便于千斤顶施加压力使得滑动钢板沿平行于滑条的方向上滑动，也使得胎式衬砌受到的压力与滑条的方向平行。

进一步的，所述千斤顶可采用液压式千斤顶，置于矩形反力框架没有焊接半圆形轮廓模具的另一端。

进一步的，所述胎式衬砌4内部可填充流体。

进一步的，所述弹簧6包括多种不同的规格，其位置、数量和长度均可调节。

进一步的，所述自动卸压阀7包括螺母套15，所述螺母套15的一端设置有进气口17，所述进气口17与胎式衬砌4的胎体连接，在螺母套15的侧壁上加工有出气口16；所述螺母套15内部靠近进气口17的一端设置有止塞球18，所述止塞球18通过限位弹簧19封堵进气口17，所述限位弹簧19通过安装在螺母套15尾部的螺栓14限位固定。

进一步的，所述位移计9的数量为四个，上下左右各一个，并测量试验过程中胎式衬砌4的径向变形位移。

进一步的，将应变片粘贴在胎式衬砌内侧，环形隧洞衬砌支护结构左右所测应变值对称，因此只布置半圈，测量在试验过程中胎式衬砌的应变值，定量研究胎式衬砌支护结构整体支护效果。

实施例2：

一项所述模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力装置的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：胎式衬砌4的制备，胎体制作材料经过多次调整由普通PVC改成硅橡胶制作；

Step 2：将自动卸压阀7和数显气压表8与胎式衬砌4的胎体连接为一个整体，并将密闭胎体内充入气体；

Step 3：制作半圆形轮廓模具10作为衬砌拱圈，采用钢板，将其卷两个拱圈；

Step 4：粘贴应变片，将制作好的衬砌拱圈表面打磨并用酒精擦拭干净，粘贴应变片，用锡焊将应变片引线与导线焊接，涂上封闭胶水，并用绝缘胶布包扎后，最后进行应变片电阻测量，以检测应变片的粘贴效果，并与应变采集仪连接读取各监测点应变值；

Step 5：组装传力装置3，试验前根据试验需要选用合适的弹簧规格及数量，利用钢板处的凸点11将两块滑动钢板5进行连接组装；

Step 6：安装整体试验装置，按照千斤顶2、传力装置3、胎式衬砌4的顺序进行安装，调试好其相对位置，保证滑动钢板5能够在滑槽13中自由滑动；

Step 7：安装位移计9，将四个位移计9分别安装在胎式衬砌4内侧上下左右位置，位移计9的探头应与胎式衬砌4支护结构相接触，准确测量读数；

Step 8：设定自动卸压阀7的卸压阈值P，根据实际工程情况通过拧动螺栓14改变限位弹簧19伸长长度，来改变止塞球18所能承受压强值来设定卸压阈值P；

Step 9：进行试验，利用千斤顶2施加不同等级荷载模拟围岩蠕变变形作用在胎式衬砌4支护结构上，进行加载、卸压试验，通过数显气压表8监测胎体内气压，当胎式衬砌4胎体内压强达到设计自动卸压阀7的卸压阈值时，利用自动卸压阀7对整体支护结构进行卸压，同时读取记录荷载值、应变值、位移值；

Step 10：计算，通过记录的荷载值、应变值、位移值计算弯矩、应变、挠度和剪力值，从而利用该装置定量研究实际工程中胎式衬砌支护结构整体支护效果和变形规律，为隧洞支护技术提供理论支撑。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：它包括矩形反力框架（1），所述矩形反力框架（1）的内部设置有千斤顶（2），所述千斤顶（2）的底座与矩形反力框架（1）的内侧壁相接触，其活塞杆的顶部通过传力装置（3）与半圆形轮廓模具（10）相接触，所述半圆形轮廓模具（10）共有两个，对称焊接固定在矩形反力框架（1）的内部，所述半圆形轮廓模具（10）的内壁上紧贴设置有胎式衬砌（4）；

所述胎式衬砌（4）的内部均布安装有多个位移计（9），在胎式衬砌（4）上连接有充气管，所述充气管上安装有自动卸压阀（7）和数显气压表（8）；

所述自动卸压阀（7）包括螺母套（15），所述螺母套（15）的一端设置有进气口（17），所述进气口（17）与胎式衬砌（4）的胎体连接，在螺母套（15）的侧壁上加工有出气口（16）；所述螺母套（15）内部靠近进气口（17）的一端设置有止塞球（18），所述止塞球（18）通过限位弹簧（19）封堵进气口（17），所述限位弹簧（19）通过安装在螺母套（15）尾部的螺栓（14）限位固定。

2.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述矩形反力框架（1）采用钢板焊接而成。

3.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述传力装置（3）包括两块滑动钢板（5），在滑动钢板（5）端面上设置有多个凸点（11），所述凸点（11）之间定位安装有多根弹簧（6）。

4.根据权利要求3所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述矩形反力框架（1）沿其两内侧长边设置滑条（12），所述滑条（12）与设置在滑动钢板（5）两侧的滑槽（13）构成滑动配合，并对其限位。

5.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述胎式衬砌（4）内部可填充流体。

6.根据权利要求3所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述弹簧（6）包括多种不同的规格，其位置、数量和长度均可调节。

7.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述位移计（9）的数量为四个，上下左右各一个，并测量试验过程中胎式衬砌（4）的径向变形位移。

8.采用权利要求4所述模拟环形隧道胎式衬砌支护结构受力的 装置的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：胎式衬砌（4）的制备，胎体制作材料经过多次调整由普通PVC改成硅橡胶制作；

Step 2：将自动卸压阀（7）和数显气压表（8）与胎式衬砌（4）的胎体连接为一个整体，并将密闭胎体内充入气体；

Step 3：制作半圆形轮廓模具（10）作为衬砌拱圈，采用钢板，将其卷两个拱圈；

Step 4：粘贴应变片，将制作好的衬砌拱圈表面打磨并用酒精擦拭干净，粘贴应变片，用锡焊将应变片引线与导线焊接，涂上封闭胶水，并用绝缘胶布包扎后，最后进行应变片电阻测量，以检测应变片的粘贴效果，并与应变采集仪连接读取各监测点应变值；

Step 5：组装传力装置（3），试验前根据试验需要选用合适的弹簧规格及数量，利用钢板处的凸点（11）将两块滑动钢板（5）进行连接组装；

Step 6：安装整体试验装置，按照千斤顶（2）、传力装置（3）、胎式衬砌（4）的顺序进行安装，调试好其相对位置，保证滑动钢板（5）能够在滑槽（13）中自由滑动；

Step 7：安装位移计（9），将四个位移计（9）分别安装在胎式衬砌（4）内侧上下左右位置，位移计（9）的探头应与胎式衬砌（4）支护结构相接触，准确测量读数；

Step 8：设定自动卸压阀（7）的卸压阈值P，根据实际工程情况通过拧动螺栓（14）改变限位弹簧（19）伸长长度，来改变止塞球（18）所能承受压强值来设定卸压阈值P；

Step 9：进行试验，利用千斤顶（2）施加不同等级荷载模拟围岩蠕变变形作用在胎式衬砌（4）支护结构上，进行加载、卸压试验，通过数显气压表（8）监测胎体内气压，当胎式衬砌（4）胎体内压强达到设计自动卸压阀（7）的卸压阈值时，利用自动卸压阀（7）对整体支护结构进行卸压，同时读取记录荷载值、应变值、位移值；

Step 10：计算，通过记录的荷载值、应变值、位移值计算弯矩、应变、挠度和剪力值，从而利用该装置定量研究实际工程中胎式衬砌支护结构整体支护效果和变形规律，为隧洞支护技术提供理论支撑。

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