CN213875244U - 一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，属于地下工程技术领域；其特点是，由箱体、超前支护系统、橡胶充气装置、受力变形监测系统组成；不仅可以模拟在隧道开挖过程中超前支护对围岩的作用效果，其效果包括同一土体在不同超前支护情况下的围岩受力变形情况、同一超前支护系统在不同土体情况下的围岩受力变形情况；还可以模拟在超前支护情况下，通过改变隧道掘进施工方法，来反映其围岩受力变形情况；试验装置具有易于操作、步骤合理、加载精确等特点，实现了模拟不同超前支护类型情况下、不同隧道施工工艺情况下的围岩受力变形情况，并且通过橡胶充气装置为模拟隧道开挖提供了一种新的参考。

Description

一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置

技术领域

本实用新型涉及地下工程技术领域，具体地讲是一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置。

背景技术

目前，随着经济的飞速发展，城市化进程的不断加快，基础设施建设的发展成为了关键。为解决城市交通拥堵问题，隧道与地下工程的开发作为新兴产业，发挥了越来越重要的作用；在市区内修建地铁交通系统以及开发利用地下空间已经成为各个城市今后发展的主要趋势。

在隧道施工工程中，隧道塌方事故的发生造成一定程度的人员伤亡，所以，在隧道施工工程中如何更好的控制围岩变形防止塌方事故的发生是至关重要的。在隧道掘进过程中，洞口地段最容易发生事故；原因是洞口地段的埋深均较浅，所以在地层通常是松散破碎的，风化严重的、坡积或常受地表水冲刷的软弱岩层，在自然状态下不易破坏，但施工开挖破坏了围岩初始应力状态，况且围岩自身承载能力弱，这些导致了安全事故的频繁发生。

在地质条件差的地段进行隧道掘进施工时，为了确保工程的顺利完成，往往需要采取管棚、超前小导管和水平旋喷桩等超前支护技术控制围岩变形。超前支护是每个地质条件差的隧道进洞必要措施，而每个隧道洞口段的地形地貌、地质条件、围岩特性和设计参数等因素不尽相同，超前支护下围岩变形也不尽相同，这导致支护效果也不同。因此，对隧道掘进过程中，进行超前支护的模拟能够有效的在实际施工中提供有力的参考，对超前支护的选型、设计、施工等提供方案比选。目前，在模拟隧道超前支护的试验装置领域中仍然空白，亟待需要一款可以模拟隧道超前支护的试验装置。从试验中，可研究出工程中最适合的超前支护方案，从而提高隧道工程施工质量和生产效率，确保施工安全，同时还能够节约工期、降低成本及提高产能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服于现有技术的不足，而提供一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置。

本实用新型提供的技术方案是：一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，其特殊之处在于，由箱体、超前支护系统、橡胶充气装置、受力变形监测系统组成；

所述箱体上部敞口，由四块钢板及一块钢制地板装配而成；所述钢制地板上设有两道用于放置柔性材料的纵向滑槽，所述柔性材料的形状模拟隧道开挖洞口形状，柔性材料上设有用于定位锚杆的圆形孔；所述钢制地板轴部位设一道用于放置橡胶充气装置的导管的半圆形滑槽；所述箱体内填充原状土；

所述橡胶充气装置安装于箱体内，所述橡胶充气装置为多套，由多个橡胶组件组成；所述橡胶充气装置上设有充气口；所述橡胶充气装置内置多个气压传感器；

所述超前支护系统由钢拱架、锚杆、钢管和超前小导管组成；所述钢拱架与箱体固定连接；所述钢拱架上设有用于定位钢管及超前小导管位置的定位孔，定位孔用于安装钢管及超前小导管；所述锚杆通过圆形孔插入土体内；所述钢拱架含有多个单点应变片；所述超前小导管一端为锥头，另一端为开口，超前小导管侧端有注浆孔；

所述受力变形监测系统由至少三排单点位移计及至少五排单点应变片组成，所述单点位移计埋设于原状土体内，所述单点应变片安装于模拟隧道开挖洞口的柔性材料上。

进一步的，所述纵向滑槽上设用于封闭内部填土的纵向滑槽封板。

进一步的，所述单点位移计分别用单点位移计固定杆固定安装于箱体的上部；所述单点位移计为多个，且各个单点位移计埋设于原状土体内的埋深不同。

进一步的，所述橡胶充气装置通过打气筒连接导管打入气体。

本实用新型的有益效果：

1、不仅可以模拟在隧道开挖过程中超前支护对围岩的作用，还包括同一土体在不同超前支护情况下的围岩受力变形情况、同一超前支护系统在不同土体的情况下的围岩受力变形情况；还可以模拟在超前支护情况下，通过改变隧道掘进施工方法，来反映其围岩受力变形情况；

2、通过橡胶充气装置，为模拟隧道开挖提供了一种新的参考；

3、试验装置具有易于操作、步骤合理、加载精确等特点。

附图说明

图1是本实用新型的主视图；

图2是本实用新型的侧视图；

图3是本实用新型的实施例1的结构示意图；

图4是本实用新型的实施例2的结构示意图；

图5是本实用新型的实施例3的结构示意图；

图6是本实用新型的橡胶充气装置结构示意图；

图7是本实用新型的超前小导管结构示意图。

图中：100箱体，101半圆形滑槽，102纵向滑槽，103钢制地板，104柔性材料，105圆形孔，200钢拱架，201定位孔，202焊接钢筋，203锚杆，204钢管，205超前小导管，206注浆孔，207锥头，300橡胶充气装置，301第一橡胶组件，302第二橡胶组件，303第三橡胶组件，304第四橡胶组件，305第五橡胶组件，306第六橡胶组件，307第七橡胶组件，308第八橡胶组件，309第九橡胶组件，310第十橡胶组件，311充气口；312导管；401气压传感器；402单点应变片；403单点位移计。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、2所示，以橡胶充气装置300三套为例，一种模拟隧道超前支护的试验装置，由箱体100、超前支护系统、橡胶充气装置300、受力变形监测系统组成；

箱体100上部敞口，由四块钢板及一块钢制地板103装配而成，钢制地板103上开两道纵向滑槽102，用于放置柔性材料104，柔性材料104的形状模拟隧道开挖洞口形状；在柔性材料104上开设用于定位锚杆203的圆形孔105；在钢制地板103轴部位设一道半圆形滑槽101，用于放置橡胶充气装置的导管312；在箱体100内填充原状土，在纵向滑槽102上安装有纵向滑槽封板，用于封闭内部填土，保证箱体密实性；

橡胶充气装置300安装于箱体100内，通过打气筒连接导管312打入气体，在其膨胀后充当开挖土体，通过卸载气压来模拟隧道开挖过程，导管312中包含充气导管及气压传感器401连接线；橡胶充气装置300可以为多套，本实施方式为三套，第一套由第一橡胶组件301、第二橡胶组件302、第三橡胶组件303组成；第二套由第四橡胶组件304、第五橡胶组件305、第六橡胶组件306组成；第三套由第七橡胶组件307、第八橡胶组件308、第九橡胶组件309、第十橡胶组件310组成；在橡胶充气装置上开设充气口311；在橡胶充气装置300内置多个气压传感器401；

超前支护系统由钢筋和钢板组成的钢拱架200、锚杆203、钢管204和超前小导管205组成；钢拱架200由两根弯曲钢筋及钢板焊接而成，其弯曲钢筋两端各有一根焊接钢筋202与弯曲钢筋焊接连接；将焊接钢筋202与箱体100焊接连接；在钢拱架200的钢板上开设用于定位钢管204及超前小导管205位置的定位孔201，定位孔201用于安装钢管204及超前小导管205；锚杆203通过圆形孔105插入土体内；超前小导管205一端为锥头207，另一端为开口，超前小导管205侧端有注浆孔206；钢拱架200含有多个单点应变片402；可在模拟超前管棚支护情况下，观察管棚的受力变形情况；

受力变形监测系统由至少三排单点位移计403及至少五排单点应变片402组成，单点位移计403分别用单点位移计固定杆固定安装于箱体100的上部，单点位移计403的放置数量根据需要放置，且各个单点位移计403埋设于原状土内，埋深不同，单点应变片402安装于模拟隧道开挖洞口的柔性材料104上。

本实用新型为一种模拟隧道超前支护的试验装置，可模拟多种隧道超前支护方法及隧道施工方法。下面以超前锚杆支护、超前管棚支护、超前注浆小导管支护三种超前支护类型为例；以三种隧道新奥法施工工艺为例，包括台阶法、单侧壁开挖法、双侧壁开挖法；将上述超前支护类型与施工工艺结合，介绍三种具体实施例，但不用于限定本实用新型。

实施例1，模拟在超前锚杆支护的情况下，由台阶法施工的隧道开挖过程，观察围岩受力变形情况，如图3所示，具体步骤如下：

第一步，将柔性材料104安装于纵向滑槽102内，将橡胶充气装置300、第一橡胶组件301、第二橡胶组件302、第三橡胶组件303，依次安装于柔性材料104下部，启动计算机及气压控制，将橡胶充气装置300调整至稳定气压状态；启动受力变形监测，记录单点应变片402的应变值；

第二步，将土体填充至箱体100内，通过受力变形监测系统及柔性材料104上的单点应变片402，观察柔性材料变形情况，通过气压控制系统调节柔性材料应变情况，使其与第一步中单点应变片402的应变值相等；

第三步，根据台阶法施工工艺，将第一橡胶组件301卸压并拆除，通过柔性材料104的圆形孔将锚杆203打入土体中；将第二橡胶组件302卸压并拆除，通过柔性材料104的圆形孔将锚杆203打入土体中；将第三橡胶组件303卸压并拆除，通过柔性材料104的圆形孔将锚杆203打入土体中，重复上述步骤至本模型开挖完成，记录单点应变片402与单点位移计403的变化，并观察岩体变形情况。

实施例2，模拟在超前管棚支护的情况下，由单侧壁开挖法施工的隧道开挖过程，观察围岩受力变形情况，如图4所示，具体步骤如下：

第一步，将柔性材料104安装与纵向滑槽102内，将橡胶充气装置300、第四橡胶组件304、第五橡胶组件305、第六橡胶组件306，依次安装于柔性材料104下部，启动计算机及气压控制，将橡胶充气装置300调整至稳定气压状态；启动受力变形监测，记录单点应变片402的应变值；

第二步，将土体填充至箱体100内，通过受力变形监测系统及柔性材料104上的单点应变片402，观察柔性材料变形情况，通过气压控制系统调节柔性材料应变情况，使其与第一步中单点应变片402的应变值相等；

第三步，通过钢拱架200设置好的定位孔口201，将钢管204打入土体内；

第四步，根据单侧壁开挖法施工工艺，依次将第四橡胶组件304、第五橡胶组件305、第六橡胶组件306卸压，记录单点应变片402与单点位移计403的变化，并观察岩体变形情况。

实施例3，模拟在超前小导管支护的情况下，由双侧壁开挖法施工的隧道开挖过程，观察围岩受力变形情况，如图5所示，具体步骤如下：

第一步，将柔性材料104安装与纵向滑槽102内，将橡胶充气装置300、第七橡胶组件307、第八橡胶组件308、第九橡胶组件309、第十橡胶组件310，依次安装于柔性材料104下部，启动计算机及气压控制，将橡胶充气装置300调整至稳定气压状态；启动受力变形监测，记录单点应变片402的应变值；

第二步，将土体填充至箱体100内，通过受力变形监测系统及柔性材料104上的单点应变片402，观察柔性材料变形情况，通过气压控制系统调节柔性材料应变情况，使其与步骤一中单点应变片402的应变值相等；

第三步，通过钢拱架200设置好的定位孔口201，将超前小导管205打入土体内，并注入水泥砂浆；

第四步，根据单侧壁开挖法施工工艺，依次将第七橡胶组件307、第八橡胶组件308、第九橡胶组件309、第十橡胶组件310卸压，记录单点应变片402与单点位移计403的变化，并观察岩体变形情况。

Claims (4)

1.一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，其特征在于，由箱体（100）、超前支护系统、橡胶充气装置（300）、受力变形监测系统组成；

所述箱体（100）上部敞口，由四块钢板及一块钢制地板（103）装配而成；所述钢制地板（103）上设有两道用于放置柔性材料（104）的纵向滑槽（102），所述柔性材料（104）的形状模拟隧道开挖洞口形状，柔性材料（104）上设有用于定位锚杆（203）的圆形孔（105）；所述钢制地板（103）轴部位设一道用于放置橡胶充气装置的导管（312）的半圆形滑槽（101）；所述箱体（100）内填充原状土；

所述橡胶充气装置（300）安装于箱体（100）内，所述橡胶充气装置（300）为多套，由多个橡胶组件组成；所述橡胶充气装置上设有充气口（311）；所述橡胶充气装置（300）内置多个气压传感器（401）；

所述超前支护系统由钢拱架（200）、锚杆（203）、钢管（204）和超前小导管（205）组成；所述钢拱架（200）与箱体（100）固定连接；所述钢拱架（200）上设有用于定位钢管（204）及超前小导管（205）位置的定位孔（201），定位孔（201）用于安装钢管（204）及超前小导管（205）；所述锚杆（203）通过圆形孔（105）插入土体内；所述钢拱架（200）含有多个单点应变片（402）；所述超前小导管（205）一端为锥头（207），另一端为开口，超前小导管（205）侧端有注浆孔（206）；

所述受力变形监测系统由至少三排单点位移计（403）及至少五排单点应变片（402）组成，所述单点位移计（403）埋设于原状土体内，所述单点应变片（402）安装于模拟隧道开挖洞口的柔性材料（104）上。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，其特征在于，所述纵向滑槽（102）上设用于封闭内部填土的纵向滑槽封板。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，其特征在于，所述单点位移计（403）分别用单点位移计固定杆固定安装于箱体（100）的上部；所述单点位移计（403）为多个，且各个单点位移计（403）埋设于原状土体内的埋深不同。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟隧道多种超前支护的试验装置，其特征在于，所述橡胶充气装置（300）通过打气筒连接导管（312）打入气体。

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