CN114720168B - 一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统 - Google Patents

一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，包括随动吊装平台、作动器、控制系统等，每个作动器包括加载垫块和驱动装置，驱动装置驱动加载垫块对缓冲层进行加载，且驱动装置固定在环形箱体反力架上，驱动装置与控制系统相连，控制系统可以通过编程方式实现对多个作动器的独立位移或者力加载控制。本发明为隧道工程支护结构变形与控制物理模型试验提供了良好的解决方案，有效缓解了环向收缩加载问题以及待测材料自重引起的摩擦效应对于试验结果的不利影响，且试验系统为卧式结构，相比于一般隧道物理模型试验装置，本发明功能丰富，控制精准，造价低，自动化程度高，操控安全、简便。

Description

一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统
技术领域
本发明属于隧道、巷道等地下工程领域，尤其涉及一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统。
背景技术
在隧道、巷道等地下工程领域，利用一定相似比例的大型物理模型试验装置近似模拟隧道支护结构的实际工况下的荷载与变形，是研究隧道衬砌结构力学性能及其安全性、耐久性的重要手段之一。以往多采用沙(土)箱为主体的模型试验加载系统，来近似模拟围岩以及一定地应力条件，随着一些新型让压支护结构的出现，如初期支护与二次衬砌之间铺设缓冲层以及初期支护结构环向设置可压缩单元等，这些具有让压力学特性的支护结构在荷载作用下会出现大尺度的收缩变形，这就要求试验系统与待测支护结构的缓冲变形相适应，并且内力与位移可以准确获取。
现有模型试验机存在如下问题：
(1)难以实现隧道支护结构环向收缩变形模式下精准加载与位移控制，尤其是偏压条件下以及长期加载条件下的精准加载与大变形位移控制；
(2)以土(沙)箱为主体的加载系统易产生粉尘污染，单次试验准备过程时间长；
(3)现有模型试验加载系统多采用立式结构，高空作业不利于人员安全；
(5)现有模型试验加载系统的加载功能单一且一般采用手动控制，通过人工读取压力盒、千分尺等元件车测试结果来研究待测结构的荷载与变形，自动化程度低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，该装置可以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，为卧式结构，包括随动吊装平台，在随动吊装平台的外周设有多个作动器，每个作动器包括加载垫块和驱动装置，每个加载垫块的两侧为齿状插装部，相邻的加载垫块之间通过齿状插装部相互插装在一起，驱动装置驱动加载垫块对试样进行加载，且驱动装置固定在环形箱体反力架上，驱动装置与控制系统相连。
作为进一步的技术方案，所述的加载垫块的加载面为曲面，曲面的曲率等于试样的初始曲率和预计极限压缩变形后的曲率的平均值。
作为进一步的技术方案，所述的加载垫块中与加载面相对的面通过球铰与驱动装置输出端相连。
作为进一步的技术方案，在驱动装置的两侧设有对驱动装置的加载方向进行导向的导向杆。
作为进一步的技术方案，所述的驱动装置为液压加载装置或者气压加载装置。
作为进一步的技术方案，所述的环形箱体反力架包括多个部分，相邻部分之间焊接在一起，其上预留有作动器安装孔位。
作为进一步的技术方案，所述的随动吊装平台包括顶板和底板，所述的底板内镶嵌有若干万向球，顶板通过所述的若干个万向球进行支撑，顶板用于承载试样。
作为进一步的技术方案，在所述的底板上还设有顶板对中装置。
作为进一步的技术方案，在所述的顶板上还设有试样对中装置。
作为进一步的技术方案，所述的控制系统可实现均匀加载、不均匀加载以及长期加载。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)试验系统采用的卧式结构，吊装、校准方便，并且有效降低了试验过程中的作业高度，安全性高；
(2)试验系统设有多对可独立编程控制的作动器，可以满足均匀加载、偏压加载以及长期加载等工况下的隧道缓冲层支护结构环向收缩变形的加载需求，且加载控制系统可以进行触屏式人机交互操作。
(3)对于常规的环向加载力学试验，本发明通过加载垫块特殊构型设计，每个加载垫块的两侧为齿状插装部，相邻的加载垫块之间通过齿状插装部相互插装在一起，确保装置顶推时，相邻加载垫块通过指缝相互穿插、嵌入，避免收缩加载时常规加载垫块的相互碰撞，从而实现环向收缩加载。
(4)本发明中的加载垫块与驱动装置之间铰接，试验过程中当待测隧道衬砌环或缓冲层发生局部变形时，铰接件可以辅助加载垫块左右偏离一定角度，进而在加载过程中实现与待测试样始终保持紧密接触。
(5)试验系统较于常规砂(土)箱，试验过程相对卫生，不易产生粉尘污染，试验准备工作简便；
(6)试验系统中的浮动平台采用的随动-吊装平台的结构形式，有效降低待测试样与底座的摩擦作用对试验结果的影响；同时随动吊装平台可以方便衬砌环以及缓冲层的制备、移运和吊装。
(7)试验系统采用的环形箱体反力架，可以将试验荷载转换为支护结构内力，有效避免实验室地基基础受试验荷载影响。
(8)内外部爬梯以及巡检平台可以方便操作人员进行试验操作以及维修养护安全作业。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明整体结构示意图；
图2、图3是本发明剖开后的结构示意图；
图4是衬砌环和缓冲层的结构示意图；
图5是整个衬砌环在吊装状态下的结构示意图；
图6是作动器的结构示意图；
图7是相邻作动器插装状态示意图；
图8是环形箱体反力架的结构示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
1环形箱体反力架，2作动器，3外部爬梯，4巡检及保护平台，5缓冲层，6衬砌环，7内部爬梯；8浮动平台，9地基。
1-1驱动油缸安装孔，1-2驱动油缸安装孔。
2-1油缸，2-2导向杆，2-3加载垫块，2-4球柱体，2-5环形箱体反力架部分装置；2-6连接板。
6-1万向吊环。
8-1底板，8-2顶板，8-3万向球，8-4顶板对中装置，8-5衬砌环对中装置，8-6万向球焊接板，8-7吊装耳。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图8所示，本实施例中公开的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，整体采用了卧式结构型式，与立式结构相比较，立式结构的浮动平台体积大、重量大、重心高；卧式结构的重心低，安全性高。立式结构中，衬砌环试样的吊装安放、调心困难，而卧式结构容易实现。立式结构中，维护、测量、巡检等均需要高空作业，需要增加升降操作平台。卧式结构则方便。
本实施例中公开的加载试验台主机部分由内部爬梯7、外部爬梯3、巡检及保护平台4、环形箱体反力架1、作动器2、浮动平台8等组成；在浮动平台8固定有衬砌环6(试样)，在衬砌环6的外圈设有缓冲层5(试样)，缓冲层5的外圈设有多个作动器2，作动器2固定在环形箱体反力架1上，每个作动器2包括加载垫块2-3和驱动装置，每个加载垫块2-3的两侧为齿状插装部，相邻的加载垫块2-3之间通过齿状插装部相互插装在一起，驱动装置驱动加载垫块对缓冲层进行加载，且驱动装置固定在环形箱体反力架上，驱动装置与控制系统相连。
上述的衬砌环6是支持和维护隧道的长期稳定和耐久性的永久结构物，是本试验系统的试样；衬砌环浇筑制作时，应将6个螺纹钢套筒预埋到衬砌环内部，螺纹钢内部与衬砌环内的钢筋焊接，以保证预埋牢靠，套筒外部安装万向吊环6-1。具体吊装时，如图5所示，使用6根长度相等的吊带对衬砌环进行吊装，每根吊带长度约4600mm，吊装高度约2850mm，吊带夹角约80°
本实施例中的环形箱体反力架1如图2所示，其设计为环形箱体结构，将加载过程中承受试样的反作用力转换为整体间的内力，地基的受力微小。且环形箱体反力架1分三部分，每一部分由4个最小单元组成；这三部分运抵实验室后，再在实验室定位组装后焊接成一个整体；每一部分的尺寸大小均满足货车高速运输条件以及进入实验室的条件。本实施例中的环形箱体反力架采用优质高强度结构钢、焊接性能高的材料焊接，结构布局合理，焊缝错位布置、重要处贴板补强的方式加强焊缝处的可靠性。
进一步的，在环形箱体反力架1上设有上下两层作动器安装孔，每个安装孔内均安装一个作动器，上下两层作动器对衬砌环6进行相应的加载。本实施例中，试验系统具有24个作动器，分上下两层，上下分别均匀布置12个。
进一步的，本实施例中作动器的驱动装置采用油缸2-1，内含位移传感器，具有冲击加载功能的油缸内部另装有力传感器，作动器的施加载荷利用油压间接计算得到，力传感器可局部提高测量精度，并用于与油压计算得出的结果对比，修正测量数据。本实施例中的油缸2-1的推进行程可以为350mm；当油缸缩至极限时，加载垫块2-3与缓冲层5之间的间隙假设为100mm，伸出极限时，具有冲击功能的油缸超出缓冲层100mm，其余油缸超出缓冲层50mm。
进一步的，本实施例中的加载垫块2-3的加载面(正面)为曲面，曲面的曲率等于缓冲层的初始曲率和预计极限压缩变形后的曲率的平均值；加载垫块2-3中与加载面相对的面(背面)通过球柱体与油缸2-1相连；在油缸2-1的两侧设有对作动器的加载方向进行导向的导向杆2-2。
进一步的，油缸2-1的前端采用球形铰接的形式与加载垫块2-3相连，在导向装置的作用下对试样进行加载，在加载过程中，加载垫块可以随着衬砌环的非均匀变形自调节加载方向，摆动范围在±6°之间，在加载过程中实现与待测试样始终保持紧密接触。
本实施例中的作动器采用油缸油压计算得出加载力，另设24个力学传感器，可局部提高测量精度，并用于与油压计算得出的数据对比，修正测量数据。
本实施例中的加载垫块采用独特设计的“指相扣”结构，以适应环形缓冲层结构压缩过程中，向内收缩变形的特点以及解决加载垫块的无缝联接问题。采用“指相扣”的结构，均载、偏载、长期加载时均可满足要求；在油缸的两个极限位置既不会脱开也不会干涉；各“指头”间的间隙合理，涂抹润滑剂，并在导向装置的导向下，运动顺畅。
进一步的，本实施例中作动器偏向加载时，部分加载垫块与缓冲层间会产生切向载荷，相当于增加了一定负载；因此，本实施例中提出一种可摆动的作动器，通过上述的作动器，在偏向加载时，加载垫块可随着缓冲层的外轮廓旋转，不会产生切向载荷而增加额外负载；限位装置可限制加载垫块的最大摆动角度，摆动范围在±6°之间，保证机构安全。作动器设有活塞杆导向杆，确保了油缸活塞杆只能伸缩不能旋转。
进一步的，本实施例中的浮动平台8包括顶板8-2和底板8-1，底板8-1内镶嵌有若干万向球8-3，顶板8-2通过所述的若干个万向球8-3进行支撑，用于固定衬砌环；缓冲层和环形箱体反力架固定在8-2的外周，万向球8-3固定在万向球焊接板8-6上，万向球焊接板8-6固定在地基的凹槽内，且万向球焊接板8-6为环形结构。在所述的底板上还设有顶板对中装置，顶板对中装置驱动顶板相对于底板运动，实现对中；在顶板上还设有衬砌环对中装置，所述的衬砌环对中装置对衬砌环进行对中。
进一步的，本实施例中的顶板对中装置为现有的丝杠驱动装置。
进一步的，底板8-1为矩形板，固定在环形箱体反力架底部，环形箱体反力架底部其中一方向设置有底板8-1，在进行偏载实验时，应将较大载荷的方向与底板8-1的长度方向设置一致。
进一步的，本实施例中的衬砌环放置在由多个万向球支撑的顶板上，加载过程中试样保持浮动，确保了试样自重因素产生的摩擦力不会对试验结果产生影响，试验更精确；缓冲层5与随动吊装平台的顶板并未直接接触，留有一定空间，保证缓冲层径向受压条件下，发生一定程度的轴向膨胀时不会与平台相互作用。
进一步的，在顶板上还设有吊装耳，实现衬砌环与顶板的一起吊装。
进一步的，在顶板上设置一圈衬砌环对中装置，衬砌环对中装置包括安装座，在安装座上设有丝杠调节装置，在试验初始时，可以通过丝杠调节装置对试样进行调中，通过标线校准。在试样的吊装过程中，避免平台随动，可以通过丝杠调节装置将顶板调正后锁紧。进一步的，还可以在随动吊装平台设有限位柱，限位柱用于限制平台的最大浮动量，确保试验安全。
进一步的，本实施例中的衬砌环上还设有吊装耳，方便衬砌环的吊装。
进一步的，本实施例中的试验系统还配备有环形的巡检及保护平台和爬梯，试验人员可以在试验前、试验中及试验终止后，通过爬梯进入巡检及保护平台或试验装置内部，对试验情况进行巡检。巡检及保护平台的护栏高度按照相关标准要求设计。
进一步的，本实施例中的巡检及保护平台的设计使用鳄鱼嘴防滑板，增加平台防滑性，提高作业安全性。爬梯与巡检及保护平台采用螺栓固定、可拆卸的形式；内爬梯的设计为快卸式，在吊装试样时拆下，吊装安装完毕后再安装，内爬梯的弧度设计使其与试样有足够的距离，不影响试验进行。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，为卧式结构，包括随动吊装平台，在随动吊装平台的外周设有多个作动器，每个作动器包括加载垫块和驱动装置，每个加载垫块的两侧为齿状插装部，相邻的加载垫块之间通过齿状插装部相互插装在一起，驱动装置驱动加载垫块对试样进行加载，且驱动装置固定在环形箱体反力架上，驱动装置与控制系统相连。
2.如权利要求1所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的加载垫块的加载面为曲面，曲面的曲率等于试样的初始曲率和预计极限压缩变形后的曲率的平均值。
3.如权利要求1所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的加载垫块中与加载面相对的面通过球铰与驱动装置输出端相连。
4.如权利要求1所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，在驱动装置的两侧设有对驱动装置的加载方向进行导向的导向杆。
5.如权利要求4所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的驱动装置为液压加载装置或者气压加载装置。
6.如权利要求1所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的环形箱体反力架包括多个部分，相邻部分之间焊接在一起，其上预留有作动器安装孔位。
7.如权利要求1所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的随动吊装平台包括顶板和底板，所述的底板内镶嵌有若干万向球，顶板通过所述的若干万向球进行支撑，顶板用于制备、移运以及承载试样。
8.如权利要求7所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，在所述的底板上还设有顶板对中装置。
9.如权利要求7所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，在所述的顶板上还设有试样对中装置。
10.如权利要求7所述的隧道工程支护结构变形与控制模拟试验系统，其特征在于，所述的控制系统可实现均匀加载、不均匀加载以及长期加载功能，控制系统可以通过编程方式实现对多个作动器的独立位移或者力加载控制。
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