CN113188514A - 定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置及方法，包括：支撑机构：用于放置在试验相似材料内部，支撑机构为由多个支撑板依次连接构成的两端敞口的筒型结构；调节机构：设置在筒型结构内部，用于带动多个支撑板做相互靠近或远离的运动以使得支撑机构收缩或涨开，采用本发明的装置操作方便，且能够精准控制隧洞截面尺寸。

Description

定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置及方法

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在矿山工程、岩土工程、地质工程、水利工程等领域，隧洞稳定性及其支护效果是非常重要的课题。通过模型试验，建立与隧洞原型结构几何相似的模型结构，深入研究隧洞围岩在复杂赋存环境和外部扰动作用下的力学特征，是重要的研究方法之一。

其中，一部分隧洞相关课题并不关注隧洞开挖过程。为提高效率，模型试验中隧洞模拟往往采用预成型的方式，即在模型制作阶段通过辅助装置和特殊的试验方法预留隧洞空间。与其他领域孔洞预成型需求不同，模型试验对隧洞成型过程有着特殊的要求：

(1)隧洞成型装置具有足够的强度和刚度，可承载巨大的上覆岩层压力，以保证隧洞在预成型阶段不变形；

(2)隧洞成型装置断面标准且完整，且沿隧洞轴向方向保持断面尺寸一致，以保证隧洞的几何相似；

(3)隧洞成型装置可方便取出，保证试验便捷性；

(4)隧洞成型装置的操作和调节方便，并可适应小断面隧洞(例如宽×高＝40×40mm)的成型需求；

(5)隧洞成型装置可定量内缩，以初步试探隧洞成型状况，保证小断面隧洞预成型的成功率。

目前，针对隧洞预成型问题，已研制了一系列装置，现状如下：

现有技术中存在一种建筑工程结构预留洞成型装置，通过两组楔形配合的弧形块组成对PVC管的内支承结构，保持稳定支撑效果的同时拆装操作非常便利和省力，拆除后由PVC管形成预留洞内壁。但发明人发现，由于适用领域不同，该装置的PVC管不可径向伸缩，不方便取出，也无法试探隧洞成型状况。

现有技术中还存在一种充气可调式混凝土结构板预留洞施工模具，包括由矩形铁皮卷成的圆筒、对圆筒的上端口进行封堵的圆形盖板和放置于圆筒内的充气气囊，充气气囊为圆柱状气囊，拆除简便且容易拔出。但发明人发现，由于适用领域不同，该装置用于承压的气囊具有受力压缩变形的缺点，不满足刚度需求，此外气囊也无法承载巨大的上覆岩层压力。

现有技术中还存在一种混凝土预留洞成型模具，包括筒体、拉杆、支撑杆，筒体沿周向分为至少两片，拉杆沿筒体的轴向插设在筒体中，该模具撑开时为筒状，收起时可收缩，能够实现混凝土预留洞口的完整。但发明人发现，由于适用领域不同，该装置的筒体轴向支撑结构不稳固，难以承载巨大的上覆岩层压力，此外，该装置收起时无法定量，无法初步试探隧洞成型状况。

现有技术中还存在一种矩形预留洞成型套盒，包括两个调节构件和一稳固构件，可灵活调节长宽。但发明人发现，由于适用领域不同，该装置调节结构复杂、过程繁琐，当应用于小断面隧洞成型时，设置在小断面隧洞中间的调节结构尺寸过小，难以操作；此外，该装置断面沿隧洞轴向方向难以保持尺寸一致，不满足隧洞的几何相似要求。

现有技术中还存在一种剪力墙预留洞定型模具，包括矩形框架以及内设的支撑调节装置，具有刚度高、预留洞口准确的优点。但发明人发现，由于适用领域不同，当该装置应用于小断面隧洞成型时，设置在小断面隧洞中间的支撑调节装置过小，难以操作；此外，在支撑状态下该装置各边框之间存在通长的缝隙且断面缺乏棱角，断面不是完整的矩形，且装置断面沿隧洞轴向方向难以保持尺寸一致，不满足隧洞的几何相似要求。

现有技术中还存在一种混凝土墙预留洞定型模具，包括组成模具框架的模板和框架内部支撑各模板的支撑装置，支撑装置中间为一正反螺纹交替排列的螺柱，连接模具框架的上下边框，进而调节模具上下高度，螺柱上连接有四连杆传动机构，连接模具框架的左右边框，进而调节模具左右宽度。但发明人发现，由于适用领域不同，当该装置应用于小断面隧洞成型时，设置在小断面隧洞中间的支撑调节装置过小，难以操作；此外，该装置断面沿隧洞轴向方向难以保持尺寸一致，不满足隧洞的几何相似要求。

综上所述，现有隧洞预成型装置均无法兼顾小断面隧洞预成型过程的断面完整且尺寸精准、断面定量同步伸缩、断面调节便捷，无法满足模型试验小断面隧洞精准预成型需求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，操作方便，而且成型的隧洞断面尺寸精准。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，包括：

支撑机构：用于放置在试验相似材料内部，支撑机构为由多个支撑板依次连接构成的两端敞口的筒型结构。

调节机构：设置在筒型结构内部，用于带动多个支撑板做相互靠近或远离的运动以使得支撑机构收缩或涨开。

可选的，所述支撑机构为两端敞口的立方体筒型结构，相应的，支撑机构的支撑板设置四块，四块支撑板依次垂直插接连接闭合成环，形成立方体筒型结构。

可选的，所述支撑板的一侧面开设有多个凹槽，另一侧设置有多个凸起，相互垂直的两个支撑板中，其中一个支撑板的凸起插入另一个支撑板的凹槽中。

可选的，所述支撑板一侧面的凹槽内设置有导向轴，所述导向轴的轴线与支撑板的长边平行设置，支撑板的另一侧面的凸起上设置有滑槽，滑槽的轴线与支撑板的边垂直设置。

相应的，相邻两个支撑板中，其中一个支撑板的导向轴穿过另一个支撑板的滑槽。

可选的，所述支撑板采用刚性材料制成。

可选的，所述调节机构包括设置在筒型结构内部两端的移动块，所述移动块为方锥台状结构，所述移动块的锥面与支撑板接触，移动块与驱动件连接，驱动件用于带动移动块做同步的相向或远离运动，进而带动多个支撑板相互远离或靠近；

相应的，所述支撑板端部设有与锥面贴合的倾斜面。

可选的，所述驱动件采用调节杆，所述调节杆两端分别具有旋向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段与筒型结构内部一端的移动块螺纹连接，第二螺纹段与筒型结构内部另一端的移动块螺纹连接。

可选的，其中一块支撑板固定有限位板，所述限位板开设有孔洞，所述调节杆外周面开设有环形槽形成限位部，限位部位于孔洞内部，且孔洞的直径大于限位部的直径小于调节杆的直径。

第二方面，本发明的实施例提供了定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的工作方法，包括以下步骤：

通过调节机构带动支撑板运动，使得支撑机构涨开或收缩至试验设定的隧洞的尺寸。

在支撑机构外部填充试验相似材料；

待试验相似材料干燥后，通过调节机构带动支撑板相互靠近运动，使得支撑机构收缩，取出支撑机构及调节机构。

可选的，填充试验相似材料前，在支撑板的外侧面设置聚四氟板。

本发明的有益效果：

1.本发明的装置，能够通过调节机构使得支撑机构收缩，相似材料干燥后，能够利用支撑机构的收缩方便支撑机构和调节机构的取出。

2.本发明的装置，由于移动块为锥台状结构，能够实现四个支撑板进行同步的收缩或涨开运动，而且能够通过调节杆转动的圈数进行支撑板涨开量的调节和控制，实现了隧洞断面尺寸精准成型。

3.本发明的装置，支撑板之间通过凹槽和凸起插接连接，可实现涨缩，同时可以保证成型断面具有完整棱角及非贯通裂隙,保证了成型断面尺寸的标准。

4.本发明的装置，通过转动调节杆即可实现断面涨缩的定量调节，可保证调节的便捷性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1底板和左侧板装配爆炸示意图；

图3为本发明实施例1涨开状态整体结构主视图；

图4为本发明实施例1涨开状态整体结构侧视图；

图5为本发明实施例1涨开状态下导向轴和滑槽配合示意图；

图6为本发明实施例1收缩状态整体结构主视图；

图7为本发明实施例1收缩状态整体结构侧视图；

图8为本发明实施例1收缩状态下导向轴和滑槽配合示意图；

其中，1.支撑机构，1-1.顶板，1-2.底板，1-3.右侧板，1-4.凸起，1-5.凹槽，1-6.滑槽，1-7.导向轴，1-8.倾斜面，1-9.左侧板，2.调节杆，3.限位板，4.移动块。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，如图1-图2所示，包括支撑机构及调节机构，所述支撑机构用于设置在试验时填充的相似材料内部，形成隧洞，所述调节机构能够带动支撑机构的涨开和收缩。

本实施例中，所述支撑机构1用于沿隧洞的纵向方向设置，采用由多个支撑板依次插接连接、闭合成环后形成的两端敞口设置的筒体结构。隧道的顶部为顶部方向、底部为底部方向，隧洞的两个侧部分别为左侧方向和右侧方向。

根据试验需求，本实施例需要开设截面为矩形的隧洞，因此将支撑机构设置为立方体的筒体结构，包括四个支撑板。

按照上述定义的方向，四个支撑板分别为顶板1-1、底板1-2、左侧板1-9和右侧板1-3。顶板、底板、左侧板和右侧板具有一致的外观结构，顶板和底板具有相同的规格尺寸，左侧板和右侧板具有相同的规格尺寸。

定义支撑板中最长的边为长边、其次长的边为宽边、厚度方向的边为短边。

顶板中，长边和短边构成的一侧侧面开设有多个凹槽1-5，该侧侧面为插接侧，所述凹槽的敞口端延伸至顶板下方长边和宽边所在的平面，顶板开设凹槽的侧面的对侧侧面设置有多个与所述凹槽相匹配的凸起1-4，该侧侧面作为插入侧。

通过凹槽和凸起的设置实现了支撑板的相互插接连接，本实施例中，所述凹槽采用矩形凹槽，相应的，所述凸起设置为立方体结构的凸起，在其他一些实施例中，所述凹槽也可采用弧形槽，相应的，所述凸起设置为弧形块，本领域技术人员可根据实际选择凹槽和凸起的具体形状。

具体的，所述右侧板上部的凸起插入顶板右侧的凹槽中，顶板的左侧的凸起插入左侧板顶部的凹槽中，左侧板底部的凸起插入底板左侧的凹槽中，底板右侧的凸起插入右侧板底部的凹槽中，实现了底板、顶板、左侧板和右侧板插接连接为两端敞口的立方体筒型结构。

凸起和凹槽的槽面能够相对滑动，实现了四个支撑板的涨开和收缩。

本实施例中，为了保证四个支撑板相对运动的平稳性，还设置了导向轴1-7和滑槽1-6。

所述导向轴设置在支撑板一侧的凹槽内部，导向轴两端分别与凹槽的两个侧部槽面固定，且多个凹槽内的导向轴同轴设置。

所述滑槽开设在支撑板另一侧的凸起上，且滑槽的轴线方向垂直于支撑板的长边。

通过此种设置，顶板左侧和底板右侧的滑槽水平设置，允许了左侧板和右侧板的水平运动，左侧板底部和右侧板上部的滑槽竖直设置，允许了顶板和底板的竖向运动。

在其他一种实施方式中，还可以在凹槽的槽面上开设滑槽，在两个凸起之间设置导向轴，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

本实施例中，通过支撑板采用凸起和凹槽的插接连接，在实现支撑机构涨缩的同时，还能够保证断面具有完整棱角及非贯通间隙，保证了隧洞的成型质量。

所述调节机构设置在支撑机构的筒型结构的内部，用于带动支撑机构的支撑板的涨开或收缩。

所述调节机构包括设置在筒型结构内部两端的移动块4，本实施例中，所述移动块采用方锥台状结构，具有四个锥面，四个锥面分别与顶板、底板、左侧板和右侧板接触，因此当两个移动块做同步的相向或远离运动时，能够带动四个支撑板做同步的相互远离或靠近的运动。

为了保证支撑板与移动块相对滑动的稳定性，所述支撑板的端部设有与锥面贴合的倾斜面1-8，倾斜面与锥面的坡度相同，与支撑板长边、宽边所在的平面呈夹角设置。

所述移动块与驱动件连接，驱动件能够带动两个移动块做同步的相向或远离运动。

本实施例中，所述驱动件采用调节杆2，所述调节杆与筒型结构同轴设置，调节杆的长度略大于支撑板的长度，所述调节杆的两端分别具有第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段和第二螺纹段的旋向相反，所述第一螺纹段与其中一个移动块螺纹连接，第二螺纹段与另一个移动块螺纹连接。

与之相匹配的，两个所述移动块上分别开设与第一螺纹段和第二螺纹段相匹配的螺纹孔，调节杆和移动块形成丝杠传动。

本实施例中，移动块采用方锥台状结构，使得移动块能够与支撑板形成面接触，一方面使得移动块能够与支撑板形成稳定的相对滑动，另一方面能够利用支撑板限制移动块的转动，使得移动块与调节杆之间能够形成丝杠传动。

可以理解的是，所述移动块也可设置为圆锥台状结构，但由于采用圆锥台结构时，锥面与支撑板的接触为线接触，因此支撑板无法限制移动块的转动，因此为了使得移动块与调节杆形成丝杠传动，需要额外设置导向件，例如导轨等用来限制移动块的转动，形成丝杠传动。

由于第一螺纹段和第二螺纹段旋向相反，当调节杆转动时，能够带动两个移动块做同步的相向或远离运动，进而实现支撑板的涨开或收缩，而且支撑板能够精确的做同步运动，通过倾斜面尺寸的设置及第一螺纹段、第二螺纹段螺距的设计能够实现涨缩量的定量化，保证了成型隧洞尺寸的准确性。

本实施例中，所述第一螺纹段和第二螺纹段的长度要满足涨开量的需求，当然可以理解的是，所述调节杆可以设置为整个均加工螺纹段，但采用此种方式会增加调节杆的制作成本。

优选的，所述调节杆的一侧或两侧端部设有与普通螺丝刀相匹配的十字型凹槽，方便实验人员转动调节杆。

在其他一些实施例中，所述调节杆的一侧或两侧端部还可以设置内六方或外六方或其他结构，方便实验人员通过工具转动调节杆即可。

为了限制调节杆沿其自身轴线方向的运动，所述底板上还固定有限位板3，所述限位板的中心位置开设有孔洞，所述调节杆的轴面上开设有环形槽，形成限位部，所述调节杆通过限位部穿过限位板，限位部设置在孔洞中，所述孔洞的直径大于限位部的直径小于调节杆的直径，使得限位板能够限制调节杆沿其自身轴线方向的运动，同时使得调节杆在径向具有一定的活动空间。

本实施例中，如图3-5所示，所述支撑结构在涨开状态下的高度为所述顶板或底板高度H1、所述左侧板或右侧板宽度W2与高度伸缩值△H之和，宽度为所述左侧板或右侧板高度H2、所述顶板或底板宽度W1与宽度伸缩值△W之和。如图6-8所示，在收缩状态下的高度为所述顶板或底板高度H1和所述左侧板或右侧板宽度W2之和，宽度为所述左侧板或右侧板高度H2和所述顶板或底板宽度W1之和。

所述调节杆、移动块、限位板和支撑板相互配合，可实现支撑结构的定量伸缩，其原理为：在所述限位板的限定之下，通过所述调节杆正转驱动位于两端的所述移动块同步靠近，进而挤压所述支撑机构两端由倾斜面形成的喇叭口内腔，四个支撑板做相互远离的运动，导向轴和滑槽产生相对运动，支撑机构伸展膨胀。类似的，通过所述调节杆反转即可实现所述支撑机构的收缩。所述支撑机构的伸缩量△H、△W取决于所述支撑板的端部坡度、所述调节杆的第一螺纹段和第二螺纹段的螺距。

实施例2：

本实施例公开了实施例1所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：预设隧洞的底部位置铺设一层薄薄的膨润土，并放置一张尺寸与隧洞底面尺寸一致的聚四氟板，因为膨润土具有粘结力强、可塑性好、脱模好、透气性好的特点，而且聚四氟板具有高润滑性，所以通过膨润土和聚四氟板的设置能够保证支撑机构的脱模方便以及成型隧洞的完整性。

步骤2：通过所述调节杆将支撑机构的外部尺寸调至预设隧洞的设定的尺寸，并置于预设隧洞位置的聚四氟板之上。

步骤3：在定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的左右两侧布设尺寸与预设隧洞左右面尺寸一致的聚四氟板，并完成左右两侧相似材料的填充；在所述定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的顶部布设尺寸与预设隧洞顶面尺寸一致的聚四氟板，并铺设一层薄薄的膨润土，随后完成预设隧洞顶部相似材料的填充:。

步骤4：待相似材料基本干燥后，反转所述调节杆使支撑机构轻微收缩，以试探预设隧洞的成型情况。

步骤5：如果所述定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置可轻易抽出，则证明预设隧洞成型；如果所述定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置难以抽出，则证明预设隧洞尚未成型，需恢复支撑机构的外部尺寸，使相似材料继续干燥，直至隧洞成型成功。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，包括：

支撑机构：用于放置在试验相似材料内部，支撑机构为由多个支撑板依次连接构成的两端敞口的筒型结构；

调节机构：设置在筒型结构内部，用于带动多个支撑板做相互靠近或远离的运动以使得支撑机构收缩或涨开。

2.如权利要求1所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述支撑机构为两端敞口的立方体筒型结构，相应的，支撑机构的支撑板设置四块，四块支撑板依次垂直插接连接闭合成环，形成立方体筒型结构。

3.如权利要求2所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述支撑板的一侧面开设有多个凹槽，另一侧设置有多个凸起，相互垂直的两个支撑板中，其中一个支撑板的凸起插入另一个支撑板的凹槽中。

4.如权利要求3所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述支撑板一侧面的凹槽内设置有导向轴，所述导向轴的轴线与支撑板的长边平行设置，支撑板的另一侧面的凸起上设置有滑槽，滑槽的轴线与支撑板的边垂直设置；

相应的，相邻两个支撑板中，其中一个支撑板的导向轴穿过另一个支撑板的滑槽。

5.如权利要求1所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述支撑板采用刚性材料制成。

6.如权利要求1所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述调节机构包括设置在筒型结构内部两端的移动块，所述移动块为方锥台状结构，所述移动块的锥面与支撑板接触，移动块与驱动件连接，驱动件用于带动移动块做同步的相向或远离运动，进而带动多个支撑板相互远离或靠近；

相应的，所述支撑板端部设有与锥面贴合的倾斜面。

7.如权利要求6所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，所述驱动件采用调节杆，所述调节杆两端分别具有旋向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段与筒型结构内部一端的移动块螺纹连接，第二螺纹段与筒型结构内部另一端的移动块螺纹连接。

8.如权利要求7所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置，其特征在于，其中一块支撑板固定有限位板，所述限位板开设有孔洞，所述调节杆外周面开设有环形槽形成限位部，限位部位于孔洞内部，且孔洞的直径大于限位部的直径小于调节杆的直径。

9.一种权利要求1-8任一项所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过调节机构带动支撑板运动，使得支撑机构涨开或收缩至试验设定的隧洞的尺寸；

在支撑机构外部填充试验相似材料；

待试验相似材料干燥后，通过调节机构带动支撑板相互靠近运动，使得支撑机构收缩，取出支撑机构及调节机构。

10.如权利要求9所述的定量涨缩式模型试验小断面隧洞精准预成型装置的工作方法，其特征在于，填充试验相似材料前，在支撑板的外侧面设置聚四氟板。

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