CN111734456A - 一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，包括大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板、热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板、热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料仰拱模板，大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板的两端均通过拱顶拱腰模板间法兰盘分别连接有热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板。本发明的适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，通过调节温度使大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板的跨度变化，利于内部衬砌逐片拼装，使其更符合实际施工过程，通过螺栓紧闭环向单元提高试验准确率，获得精准、可靠的实验结果。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程、岩土工程技术领域，具体为一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构。
背景技术
近年来，随着科学技术以及国民经济的飞速发展，公路和铁路隧道数量呈现急剧增加趋势，隧道类别和施工方式也变得越来越多样化，隧道施工安全、经济引起更多的关注和重视。为了有效地评价施工过程中的安全性以及经济性，需要通过各种手段对隧道施工过程进行模拟分析，其中室内模型试验以造价低、效果明显、操作简单等优点成为研究和分析隧道施工问题的一种热门手段。在实际施工过程中，隧道开挖及支护是一个动态的非线性的过程，如果开挖和支护过程的模拟与实际过程有较大的差别，则室内模型试验所获得的试验结果就与实际施工过程中所得的真实值就有较大差别。
室内隧道模型试验主要通过两种方式来实现隧道开挖及支护：其一为预埋式，即在模型浇筑过程中将预制好的钢或者石膏衬砌及衬砌内部填充块提前埋入至模型中，通过取出内部填充块来实现隧道开挖模拟；其二为装配式，即在模型浇筑完成过后对土体进行开挖，再将预制好的衬砌块体进行安装。方式一操作简单，卸载过程中无土体掉落，并且由于不存在超挖欠挖情况，衬砌背面无空洞病害产生，但是模拟的开挖过程与实际相悖，并且可能出现由于衬砌整体刚度过大，卸载效果对试验不产生影响的结果。方式二与实际施工过程相符合，但是同样存在一定的缺陷，如在进行内部衬砌拼装时，如何将顶部设有土压力盒或者应变片的大跨度拱顶模板穿过前一环完整衬砌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，通过调节温度使大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板的跨度变化，有利于内部衬砌逐片拼装，使其更符合实际施工过程，又通过螺栓紧闭环向单元提高试验准确率，可获得精准、可靠的实验结果，可以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，包括大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板、热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板、热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料仰拱模板，所述大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板的两端均通过拱顶拱腰模板间法兰盘采用螺栓分别连接有热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板，所述热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板的一端均通过拱腰仰拱模板间法兰盘采用螺栓分别连接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板的两端，相邻的大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板之间通过前后两环间拱顶处法兰盘和前后两环间拱肩处法兰盘采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板之间通过前后两环间拱腰处法兰盘采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板之间也通过前后两环间拱腰处法兰盘采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料仰拱模板之间通过前后两环间仰拱处法兰盘采用螺栓连接。
优选的，所述拱顶拱腰模板间法兰盘、前后两环间拱顶处法兰盘和前后两环间拱肩处法兰盘均焊接在大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板上。
优选的，所述拱顶拱腰模板间法兰盘、拱腰仰拱模板间法兰盘和前后两环间拱腰处法兰盘均焊接在热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板上。
优选的，所述拱腰仰拱模板间法兰盘和前后两环间仰拱处法兰盘均焊接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，通过调节温度使大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板的跨度变化，有利于内部衬砌逐片拼装，使其更符合实际施工过程，又通过螺栓紧闭环向单元提高试验准确率，可获得精准、可靠的实验结果。
附图说明
图1为本发明的隧道衬砌初始状态下的平面示意图；
图2为本发明的组合一结构示意图；
图3为本发明的组合二结构示意图；
图4为本发明的组合四结构示意图；
图5为本发明的组合一临时变形M型结构示意图；
图6为本发明的组合一临时变形倒U型结构示意图；
图7为本发明的组合四砌临时变形U型结构示意图。
图中：1、大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板；2、热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板；3、热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板；4、热致型形状记忆高分子材料仰拱模板；5、拱顶拱腰模板间法兰盘；6、拱腰仰拱模板间法兰盘；7、前后两环间拱顶处法兰盘；8、前后两环间拱肩处法兰盘；9、前后两环间拱腰处法兰盘；10、前后两环间仰拱处法兰盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-7，一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，包括大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1、热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2、热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3和热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4，大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1通过升温、负荷及冷却处理可以减少其径向跨度，确保能通过已封闭的前一环衬砌，当变形后，大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1顶部接触到后一环顶部围岩时，再次升高温度，使大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1恢复到初始阶段，并拧紧两环间的前后两环间拱顶处法兰盘7和前后两环间拱肩处法兰盘8，即完成衬砌的分部拼装以及环向紧闭，热致型形状记忆高分子材料具有良好的形状记忆能力，初始状态下材料通过高温以及外力作用下可以改变其形状，在冷却处理后将保留临时形状，再次升高温度，临时形状将在短时间内完美恢复到初始状态，大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1的两端均通过拱顶拱腰模板间法兰盘5采用螺栓分别连接有热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3，热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3的一端均通过拱腰仰拱模板间法兰盘6采用螺栓分别连接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4的两端，相邻的大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1之间通过前后两环间拱顶处法兰盘7和前后两环间拱肩处法兰盘8采用螺栓连接，拱顶拱腰模板间法兰盘5、前后两环间拱顶处法兰盘7和前后两环间拱肩处法兰盘8均焊接在大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1上，相邻的热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2之间通过前后两环间拱腰处法兰盘9采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3之间也通过前后两环间拱腰处法兰盘9采用螺栓连接，拱顶拱腰模板间法兰盘5、拱腰仰拱模板间法兰盘6和前后两环间拱腰处法兰盘9均焊接在热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3上，相邻的热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4之间通过前后两环间仰拱处法兰盘10采用螺栓连接，拱腰仰拱模板间法兰盘6和前后两环间仰拱处法兰盘10均焊接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4上，选择不同的施工工法，则所需要的变形后模板形状亦不相同，但大体上呈倒U型或M型或U型，在正常情况下，整体单元中最大独立模板无法穿越完整封闭的前一环衬砌模板内部空间。
衬砌支护结构组装原理：大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1与拱顶拱腰模板间法兰盘5、前后两环间拱顶处法兰盘7和前后两环间拱肩处法兰盘8焊接形成组合一，热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板2与拱顶拱腰模板间法兰盘5、拱腰仰拱模板间法兰盘6和前后两环间拱腰处法兰盘9焊接形成组合二，初始状态下，组合一和组合二在变形温度、外力条件下径向跨度减少，再将其放置在温度为1℃的冰柜里冷却，获得变形后的模板，热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板3与拱顶拱腰模板间法兰盘5、拱腰仰拱模板间法兰盘6和前后两环间拱腰处法兰盘9焊接形成组合三，热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4与拱腰仰拱模板间法兰盘6和前后两环间仰拱处法兰盘10焊接形成组合四，组合一、组合二、组合三及组合四通过拱顶拱腰模板间法兰盘5和拱腰仰拱模板间法兰盘6上的螺栓连接，形成一个封闭整体单元，通过拧紧前后两环间拱顶处法兰盘7、前后两环间拱肩处法兰盘8、前后两环间拱腰处法兰盘9和前后两环间仰拱处法兰盘10上的螺栓使前后环衬砌模板连接密实，完成环间紧闭，当变形后，组合一顶部接触到后一环裸露的顶部围岩时，在组合一靠近前一环衬砌处放置一块石棉，再次升高温度，组合一将恢复到初始阶段，即恢复至衬砌原有的设计形态，并拧紧前后两环间的法兰盘，完成顶部衬砌的分部拼装以及环向紧闭状态；当外表面裹一层石棉的变形后，组合四底部接触到后一环裸露的底部围岩时，再次升高温度，组合四将恢复到初始阶段，即恢复至衬砌原有的设计形态，并拧紧前后两环间的法兰盘，完成底部衬砌的分片拼装以及环向紧闭状态。
以台阶法开挖为例，本次分部开挖实例中将进行两环开挖处理，且开挖完成后隧洞未通透，第二环大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1制备：将温度达到热致型形状记忆高分子材料变形温度的电热阻丝放置在组合一附近，并采用千斤顶对材料施加外力，考虑到上台阶开挖后有限高度和跨度，将大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1固定成M型，经过1℃冰水冷却处理，擦干，获得临时M型模板，第二环热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4制备：方法同上，但考虑仰拱安装时，环内土体已全部开完完毕，因此可以将热致型形状记忆高分子材料仰拱模板4临时形状制备成U型，并在其外表面裹一层石棉，第一环土体开挖支护模拟：首先对第一环上台阶进行开挖处理，待隧洞开挖至预设尺寸后，将第一环初始状态下组合一安装至孔洞内，然后对第一环下台阶土体进行开挖，同样待孔洞挖至预设界限后，将初始状态组合二、初始状态组合三、初始状态组合四安装至隧洞内部，并通过调节螺栓将各部分紧闭，形成封闭完整的第一环衬砌，完成第一环开挖支护模拟，第二环土体上台阶开挖支护模拟：首先，对第二环上台阶界限范围内的土体进行开挖，开挖完成后，将临时M型模板通过第一环衬砌内部送至第二环上台阶，并在组合一靠近前一环衬砌处放置一块石棉，然后利用电热阻丝升高临时M型结构温度，使结构恢复至初始状态，再使用临时撑杆把组合一固定好，最后通过拧紧前后两环间拱顶处法兰盘7和前后两环间拱肩处法兰盘8的螺栓，以此达到紧闭环缝的目的，第二环土体下台阶开挖支护模拟：进行下台阶开挖，待下台阶两侧土体开挖完毕后，将组合二、组合三通过第一环送至第二环内部，按顺序分别将组合二、组合三安装固定，拆除临时撑杆，把剩余土体全部清除，利用相同方式把外表面裹一层石棉的组合四送至第二环空间，然后利用伸入组合四与石棉间隙的电热阻丝临时升高U型结构的温度，使组合四恢复至初始状态，再分别拧紧拱顶拱腰模板间法兰盘5、拱腰仰拱模板间法兰盘6、前后两环间拱顶处法兰盘7、前后两环间拱肩处法兰盘8、前后两环间拱腰处法兰盘9和前后两环间仰拱处法兰盘10上的螺栓，以此达到紧闭环间和环向缝的目的，至此，隧道分部开挖及支护完成。
综上所述，本发明的适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，通过调节温度使大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板1的跨度变化，有利于内部衬砌逐片拼装，使其更符合实际施工过程，又通过螺栓紧闭环向单元提高试验准确率，可获得精准、可靠的实验结果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，包括大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板(1)、热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板(2)、热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板(3)和热致型形状记忆高分子材料仰拱模板(4)，其特征在于：所述大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板(1)的两端均通过拱顶拱腰模板间法兰盘(5)采用螺栓分别连接有热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板(2)和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板(3)，所述热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板(2)和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板(3)的一端均通过拱腰仰拱模板间法兰盘(6)采用螺栓分别连接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板(4)的两端，相邻的大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板(1)之间通过前后两环间拱顶处法兰盘(7)和前后两环间拱肩处法兰盘(8)采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板(2)之间通过前后两环间拱腰处法兰盘(9)采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板(3)之间也通过前后两环间拱腰处法兰盘(9)采用螺栓连接，相邻的热致型形状记忆高分子材料仰拱模板(4)之间通过前后两环间仰拱处法兰盘(10)采用螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，其特征在于：所述拱顶拱腰模板间法兰盘(5)、前后两环间拱顶处法兰盘(7)和前后两环间拱肩处法兰盘(8)均焊接在大跨度热致型形状记忆高分子材料拱顶模板(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，其特征在于：所述拱顶拱腰模板间法兰盘(5)、拱腰仰拱模板间法兰盘(6)和前后两环间拱腰处法兰盘(9)均焊接在热致型形状记忆高分子材料左拱腰模板(2)和热致型形状记忆高分子材料右拱腰模板(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种适用于室内模型试验隧道分部开挖的衬砌支护结构，其特征在于：所述拱腰仰拱模板间法兰盘(6)和前后两环间仰拱处法兰盘(10)均焊接在热致型形状记忆高分子材料仰拱模板(4)上。
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