CN108648603B - 一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道分部开挖的气囊‑支护试验装置，包括分段气囊，衬砌结构，充‑放气系统及数据监测系统。圆形衬砌结构采用PVC材料来制作模拟。气囊置于PVC管道内部，共分为5段，每段气囊通过PE圆形隔板进行分隔，隔板通过螺丝和衬砌结构固定，保证系统工作时气囊的稳定性。气囊和管壁之间设置压力传感器，各分段气囊通过各自气管进行充气和放气。由空压机进行充气，通过气阀控制放气，采用压力表及气体体积流量计精确控制充放气过程量，通过压力传感器测量气囊与管壁之间接触压力。本发明操作方便，可进行重复性充放气操作，试验过程能够真实反映隧道开挖过程，为隧道开挖模型试验提供解决方案。

Description

一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置

技术领域

本发明属于地下工程试验设备领域，具体来说，涉及到一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置，主要用来模拟隧道实际施工时的分部开挖过程。

背景技术

随着地下资源的大力开发和隧道建设的快速发展，隧道施工安全也受到越来越多关注和重视。为了有效评价隧道施工过程的安全性，需要更多地通过模型试验对隧道的开挖过程进行模拟。而实际施工中，隧道的开挖过程是一个动态的非线性过程，其开挖过程模拟的不够准确，隧道开挖模型试验就无法反映实际工程的非线性行为。

现在关于隧道开挖过程的模拟多采用预埋衬砌后开挖土体方式，或采用单独预埋气囊或水囊，通过放气或排水方式来模拟隧道开挖过程。一方面，上述开挖方式无法有效反映隧道开挖卸荷的动态过程，也无法很好地实现隧道分部开挖过程；另一方面，单独采用气囊和水囊来模拟隧道开挖，无法模拟开挖后的支护情况，与实际开挖状态不符，同时，缺少支护的模拟容易引起土体塌陷，不利于对开挖过程中的相关规律进行总结。

由上可知，当前对于隧道开挖过程的模拟还不够准确，无法更加真实的反映出实际工程中隧道开挖过程，而开挖过程模拟不准确，就会造成模型试验对工程中的问题提炼不够，使结果缺乏说服力。本发明研制了一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置，包括分段气囊，隧道支护结构及开挖过程控制系统等，可以真实反映隧道分部开挖过程，反映隧道实际的支护情况。

发明内容

本发明的目的是针对现有隧道开挖试验装置的不足，提供了一种能够真实模拟隧道分部开挖，同时也能够模拟隧道实际支护情况的隧道开挖-支护试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置，包括气囊设备，管道支护设备，气囊隔板，开挖过程气压控制设备以及数据监测设备。

所述气囊设备为多个聚酯制气囊，每个气囊制作规格相同。气囊为圆柱形，其直径大小与用来模拟隧道的管道直径一致，单个气囊的气压承载力均不低于0.2MPa。每个气囊的侧壁上安装圆形金属法兰，圆形金属法兰上接圆钢管，钢管连接导气管，用来给每个气囊进行充放气作业。充放气时每个气囊均是各自独立工作，互不干扰。充气时，每个气囊的囊内压力与所模拟的模型应力保持一致，而多个气囊再通过依次放气来模拟隧道分部开挖过程。

用PVC圆形管道来模拟隧道的支护。其内径与气囊直径相同，各个气囊依次排列放置于圆形管道内。在管道外壁上开一系列圆孔，每个圆孔的开孔位置均与气囊侧壁上圆钢管位置相对应，保证圆钢管可以伸到管壁外部。每个气囊之间均使用PE材质圆形隔板隔开，以保证气囊在充放气时保持稳定，不会沿着管道径向来回移动。圆形隔板的直径小于管道内径，每个圆形隔板均通过四个螺丝和管壁相连。

每个气囊设备均连接有PU塑料材质制成的导气管，导气管与气压控制设备相连接，整个装置由气压控制设备来控制充放气及调节每个气囊内的压力，并且提供气囊内气体排出通道。

所述气压控制设备包括气压表，控制阀门和空气压缩机。每个气囊设备均配备一个气压表，用来读取和监测充放气时气囊内实时气体压力。气压表量程为1MPa，测量精度为0.02MPa。通过调节控制阀门来控制充放气的速度，关闭阀门可进行气囊保压。气压计和控制阀门均安装在一方形金属操作台上，以方便人员操作。整个气囊装置通过活塞式空气压缩机供气，空压机可最大可提供1.6MPa压力。

所述开挖过程数据监测设备包括薄膜压力传感器和涡街式气体流量计。薄膜压力传感器安装在气囊设备和管道之间，用于测量气囊和管壁之间的接触压力，每个气囊均配备一个压力传感器，压力传感器精度达到0.1N。涡街式气体流量计用于测量充气和放气时的气体体积变化量，通过读取放气量来反映隧道开挖时的体积损失量。涡街式气体流量计最小测量精度为0.001m³。

附图说明

图1是气囊及支护装置结构图；

图2是气囊装置结构示意图；

图3是气囊圆形隔板安装示意图；

图4是开挖装置及气压控制、监测装置示意图。

图中，1.气囊，2.PVC管道，3.气囊隔板，4.金属法兰，5.圆形钢管，6.薄膜压力传感器，7.压力传感器采集盒，8.螺丝，9.涡街流量计，10.空气压缩机，11.控制阀门，12.气压表，13.导气管，14.操作台，15.隔板安装孔，16.计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方法作进一步说明。

如图1-4所示为一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验装置。包括气囊设备，管道支护设备，开挖过程气压控制设备以及数据监测设备等。

气囊1由聚酯制成，直径与PVC管道2直径相同。气囊1侧壁上安装圆形金属法兰4，法兰4中间安装圆形钢管5，试验时通过钢管5及法兰4对气囊1进行充气或放气。在气囊1另一侧壁上用胶粘贴薄膜压力传感器6，每个薄膜压力传感器6均通过导线与多通道压力传感器采集盒7相连，用于充放气时气囊1与管道2之间压力数据的采集。压力数据采集结果通过计算机16实时显示。

气囊隔板3为PE材质的圆形隔板，在厚度方向上打四个带螺纹的圆孔，通过螺丝8与管壁2相连。气囊隔板3的直径要小于管道2的直径，从而不影响试验时管道2的变形。在气囊隔板3上开有两个圆孔15，用于将气囊隔板3从管道外部挑入管道内，便于安装。

气囊-支护装置通过导气管13与气压控制设备相连。气压控制设备包括气压表12，控制阀门11和空气压缩机10。气压表12，控制阀门11和导气管13均安装在金属操作台14上。通过开启和关闭操作台14上不同位置的控制阀门11，来起到控制充气和放气的功能。

整个气囊-支护装置均通过空气压缩机10供气，最大供气压力为1.6MPa。

在进气的导气管13和放气的导气管13处均安装涡街流量计9，用来测量试验时充气气体体积和放气气体体积。

试验时的具体操作步骤为：

1)在管道2的外壁上进行打孔，预留出气囊1上圆形钢管5的孔洞和螺丝8需要的孔洞，同时在气囊隔板3侧壁上打孔；

2)安装第一块气囊隔板3，用两根金属杆通过隔板安装孔15将气囊隔板3挑到管道2相应安装部位，通过四个螺丝8将气囊隔板3安装到相应位置。将薄膜压力传感器6粘到气囊1外壁上，再将气囊放入管道2内，使气囊1一端紧靠隔板，同时使圆形钢管5通过预留孔伸到管道2外面，从而完成一块隔板3和一个气囊设备1的安装；

3)重复步骤2)，依次逐个安装所需要的气囊隔板3和气囊1；

4)如图4所示，在操作台14上安装所需要的气压表12，控制阀门11和导气管13，并通过导气管13使操作台14和各个气囊上圆形钢管5相连接。气压表12的安装数量和气囊1的数量相同，控制阀门11的安装数量设气囊1数量的两倍；

5)在进气管道13和排气管道13处分别安装涡街流量计9，同时进气管道13和空气压缩机10相连；

6)检查气密性，开始充气试验。开始前先将各个压力传感器6和压力传感器采集盒7及计算机16连接。给空气压缩机10充气，充好后打开操作台下部的所有进气控制阀门11，同时关闭操作台上部的所有排气的控制阀门11，为各个气囊进行充气，同时观察各个气压表12读数，待每个气压表12读数与试验时模型地层应力平衡时，关闭空压机10的阀门及操作台下部的所有进气的控制阀门11，同时读取记录气囊1和管道2接触压力和进气体积量，之后进行保压。

7)放气试验。保压一段时间后，在操作台14上从左向右，先打开在操作台14上部的第一个排气控制阀门11，为第一个气囊1放气，待压力下降为0后，关闭该控制阀门11，表示该步骤开挖完成，记录放气量，之后保压半分钟。

8)重复7)操作，依次给各个气囊1放气，直到所有气囊内的气体全部放完，表示模拟分部开挖结束。在试验过程中实时读取记录压力传感器数据和放气量的数据。

各气囊为圆柱形聚酯气囊，单个承压能力不低于0.2MPa，每个气囊侧面安装钢制法兰及3.2厘米直径，10厘米长钢管，用于气囊和导气管间连接。

气囊圆形隔板直径略小于管道内径，隔板材质为PE塑料，厚度2厘米，每个隔板在厚度方向上均打设4个小孔，通过4个螺丝和管道连接到一起。隔板可以保证在充气和放气过程中，气囊位置不发生变化。

每个气囊均通过气压表控制囊内气压大小，气压表最大量程为1MPa，测量精度为0.02MPa。

气囊和管壁之间安装薄膜压力传感器，用来监测充、放气过程中，气囊和管壁之间的接触压力变化情况，通过外接采集仪实时收集压力监测数据。压力传感器精度达到0.1N。

气囊外接涡街式气体流量计，可以读取充气和放气过程中气体体积的变化量，流量计测量的气体体积精度为0.001m³。

采用活塞式空气压缩机给气囊供气，可提供1.6MPa的最大压力。各气囊和空压机通过PU导气管相连，导气管上设有气压计和控制阀门，导气管和、气压计和控制阀门均安装在一方形金属操作台上。

Claims (3)

1.一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验方法，实现该方法的装置包括气囊设备，管道支护设备，开挖过程气压控制设备以及数据监测设备；

气囊(1)由聚酯制成，气囊为圆柱形，直径与PVC制成的管道(2)直径相同，单个气囊的气压承载力均不低于0.2MPa；气囊(1)侧壁上安装圆形金属的法兰(4)，法兰(4)中间安装圆形钢管(5)，试验时通过圆形钢管(5)及法兰(4)对气囊(1)进行充气或放气；在气囊(1)另一侧壁上用胶粘贴薄膜压力传感器(6)，每个薄膜压力传感器(6)均通过导线与多通道压力传感器采集盒(7)相连，用于充放气时气囊(1)与管道(2)之间压力数据的采集；压力数据采集结果通过计算机(16)实时显示；

气囊隔板(3)为PE材质的圆形隔板，在厚度方向上打四个带螺纹的圆孔，通过螺丝(8)与管道(2)的管壁相连；气囊隔板(3)的直径要小于管道(2)的直径，从而不影响试验时管道(2)的变形；在气囊隔板(3)上开有两个圆孔(15)，用于将气囊隔板(3)从管道外部挑入管道内，便于安装；隔板可以保证在充气和放气过程中，气囊位置不发生变化；

气囊-支护装置通过导气管(13)与气压控制设备相连；气压控制设备包括气压表(12)，控制阀门(11)和空气压缩机(10)；气压表(12)，控制阀门(11)和导气管(13)均安装在操作台(14)上；通过开启和关闭操作台(14)上不同位置的控制阀门(11)，来起到控制充气和放气的功能；

其特征在于：试验时的具体操作步骤为：

1)在管道(2)的外壁上进行打孔，预留出气囊(1)上圆形钢管(5)的孔洞和螺丝(8)需要的孔洞，同时在气囊隔板(3)侧壁上打孔；

2)安装第一块气囊隔板(3)，用两根金属杆通过隔板安装孔(15)将气囊隔板(3)挑到管道(2)相应安装部位，通过四个螺丝(8)将气囊隔板(3)安装到相应位置；将薄膜压力传感器(6)粘到气囊(1)外壁上，再将气囊放入管道(2)内，使气囊(1)一端紧靠隔板，同时使圆形钢管(5)通过预留孔伸到管道(2)外面，从而完成一块气囊隔板(3)和一个气囊(1)的安装；

3)重复步骤2)，依次逐个安装所需要的气囊隔板(3)和气囊(1)；

4)所有操作控制设备均安装在一方形金属操作台上(14)上，包括气压表(12)，控制阀门(11)和导气管(13)，并通过导气管(13)使操作台(14)和各个气囊上圆形钢管(5)相连接；气压表(12)的安装数量和气囊(1)的数量相同，控制阀门(11)的安装数量是气囊(1)数量的两倍；

5)在进气的导气管(13)和排气的导气管(13)处分别安装涡街流量计(9)，同时进气的导气管(13)和空气压缩机(10)相连；

6)检查气密性，开始充气试验；开始前先将各个压力传感器(6)和压力传感器采集盒(7)及计算机(16)连接；给空气压缩机(10)充气，充好后打开操作台下部的所有进气控制阀门(11)，同时关闭操作台上部的所有排气的控制阀门(11)，为各个气囊进行充气，同时观察各个气压表(12)读数，待每个气压表(12)读数与试验时模型地层应力平衡时，关闭空气压缩机(10)的阀门及操作台下部的所有进气的控制阀门(11)，同时读取记录气囊(1)和管道(2)接触压力和进气体积量，之后进行保压；

7)放气试验；保压一段时间后，在操作台(14)上从左向右，先打开在操作台(14)上部的第一个排气控制阀门(11)，为第一个气囊(1)放气，待压力下降为0后，关闭该控制阀门(11)，表示该步骤开挖完成，记录放气量，之后保压半分钟；

8)重复7)操作，依次给各个气囊(1)放气，直到所有气囊内的气体全部放完，表示模拟分部开挖结束；在试验过程中实时读取记录压力传感器数据和放气量的数据。

2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验方法，其特征在于：整个气囊-支护装置均通过空气压缩机(10)供气，最大供气压力为1.6MPa。

3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道分部开挖的气囊-支护试验方法，其特征在于：在进气的导气管(13)和放气的导气管(13)处均安装涡街流量计(9)，用来测量试验时充气气体体积和放气气体体积。

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