一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法，它包括支架，在支架的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件；所述固定杆件的侧端面垂直焊接有凸出螺杆，所述凸出螺杆将螺纹固定杆安装在固定杆件的末端；所述螺纹固定杆上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒相配合，所述固定筒固定在隧洞衬片的内壁上，所述隧洞衬片设置在模拟隧洞的内壁。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法
本专利技术涉及一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法，主要适用于对隧洞围岩开挖后隧洞的变形及支护的力学响应监测，属于隧道工程领域，具体涉及一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置及使用方法。
技术介绍
隧洞工程如今常见于水利、岩土及地下工程等各个领域的施工范围中，包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道，以及地下铁道和水底隧道等；工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军用方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的地下发电厂房以及其他各种水工隧洞等。因此隧洞施工逐渐变得日常化以及频繁化，而对隧洞的施工的要求也逐渐提高，尤其是在其耐久性以及稳定性方面；如关角铁路隧道施工期间，隧底上鼓约1m，通车后隧底上鼓30cm；辛普伦铁路隧道横通道边墙、拱部和底部破裂、隆起。因此，解决这一系列问题支护技术的研究对隧洞工程具有重要意义。作为隧洞施工中必不可缺的一个步骤，支护及衬砌是十分重要的，只有做好支护衬砌才能保证隧洞的整体稳定性以及稳定性。而通过对隧洞岩土体开挖及支护的模拟，施工人员才能更好的了解隧洞的局部及整体受力和后期的形变，以此作为施工中的一个重要参考资料。但现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，此专利技术针对隧洞开挖后整体稳定性的监测需求及现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差等问题。创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，根据监测结果为实际工程的施工提供有效参考数据。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。本专利技术通过调节弹簧弹力作用在隧洞上，来模拟隧洞开挖后受力特征，通过压缩弹簧来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，利用该装置可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测，得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，它包括支架，所述支架放置在模拟隧洞的内部，在支架的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件；所述固定杆件的侧端面垂直焊接有凸出螺杆，所述凸出螺杆将螺纹固定杆安装在固定杆件的末端；所述螺纹固定杆上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒相配合，所述固定筒固定在隧洞衬片的内壁上，所述隧洞衬片设置在模拟隧洞的内壁；所述固定筒所在位置的隧洞衬片上固定有扣环；所述隧洞衬片和模拟隧洞之间的接触面贴合有多个压力传感器。所述螺纹固定杆采用变截面结构，分为两部分，上部为一段带有螺纹的圆柱钢筋，其下部并位于圆柱钢筋的底部末端焊接一块带有圆孔的长方体钢板，所述圆孔与凸出螺杆相配合，并通过安装在凸出螺杆上的螺母将螺纹固定杆固定在固定杆件上。所述加卸载结构包括调节板，所述调节板通过螺纹配合安装在螺纹固定杆的螺纹段上，所述螺纹固定杆的外部套装有弹簧，所述弹簧的一端与调节板接触配合，另一端设置在固定筒内部，并与扣环相连。所述螺纹固定杆的顶端与隧洞衬片的顶部内壁之间存在一定间距。所述压力传感器布置在隧洞衬片的中心位置和四个角上。所述模拟隧洞内部需要监测的位置布置有多个多点位移计。所述模拟隧洞采用现场取样的材料模拟制成，所述隧洞衬片的形状根据隧洞内壁的弧度变化调整，并采用强力胶将隧洞衬片与模拟隧洞直接粘贴在一起，使得衬片表面和模拟隧洞洞壁完全贴合固定在一起。所述弹簧包括多根不同劲度系数K。采用任意一项模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：Step1：根据合适的尺寸制作模拟隧洞，预制合适尺寸的隧洞衬片，在每一块隧洞衬片的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器，并用强力胶将衬片粘贴在模拟隧洞的内壁；Step2：在模拟隧洞两端洞口组装支架，每隔一段距离在支架上的绝缘管同一截面的不同方位角上焊接有固定杆件与支架形成一个整体，并且与固定杆件垂直面上焊接有凸出螺杆；Step3：根据弹簧尺寸制作合适尺寸的开孔的调节板，并将弹簧焊接在中心开孔的调节板上；Step4：在固定杆件上通过螺纹固定好调节板和弹簧，并将弹簧的另一端与隧洞衬片的扣环连接，将其置于固定筒内；Step5：根据压力传感器所测得压力值，通过旋转调节板改变其在螺纹固定杆上的位置以调节弹簧所施加的力；Step6：模拟隧洞开挖后整体衬砌支护力学响应具体操作如下：同时向上旋转调节板旋转调节各个独立的调节板使其各个弹簧的弹力相等，弹簧所施加的荷载为向上的压力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；Step7：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：针对局部位置向下旋转所对应的调节板，弹簧所施加的荷载为向下的拉力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；Step8：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：针对局部需加强支护的位置向上旋转所对应的调节板，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应。本专利技术与现有的技术相比，具有的有益效果为：1、创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，每个部分可独立工作，可对所需监测的位置实时监测，简单快捷。2、本专利技术通过调节弹簧弹力作用在隧洞上，来模拟隧洞开挖后受力特征，通过压缩弹簧来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测。3、本专利技术可得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。4、本专利技术装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，所测得的数据更加接近真实值，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。5、该装置可长时间对隧洞受力变形进行监测和实时监测，且该装置可拆卸，所述的结构均可以根据实际情况进行改变，提高了装置的灵活性以及可模拟性。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术所涉及装置某一截面整体详图。图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：它包括支架（1），所述支架（1）放置在模拟隧洞（2）的内部，在支架（1）的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件（3）；所述固定杆件（3）的侧端面垂直焊接有凸出螺杆（4），所述凸出螺杆（4）将螺纹固定杆（5）安装在固定杆件（3）的末端；所述螺纹固定杆（5）上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒（12）相配合，所述固定筒（12）固定在隧洞衬片（11）的内壁上，所述隧洞衬片（11）设置在模拟隧洞（2）的内壁；所述固定筒（12）所在位置的隧洞衬片（11）上固定有扣环（13）；所述隧洞衬片（11）和模拟隧洞（2）之间的接触面贴合有多个压力传感器（14）。

【技术特征摘要】
1.一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：它包括支架（1），所述支架（1）放置在模拟隧洞（2）的内部，在支架（1）的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件（3）；所述固定杆件（3）的侧端面垂直焊接有凸出螺杆（4），所述凸出螺杆（4）将螺纹固定杆（5）安装在固定杆件（3）的末端；所述螺纹固定杆（5）上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒（12）相配合，所述固定筒（12）固定在隧洞衬片（11）的内壁上，所述隧洞衬片（11）设置在模拟隧洞（2）的内壁；所述固定筒（12）所在位置的隧洞衬片（11）上固定有扣环（13）；所述隧洞衬片（11）和模拟隧洞（2）之间的接触面贴合有多个压力传感器（14）。2.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述螺纹固定杆（5）采用变截面结构，分为两部分，上部为一段带有螺纹的圆柱钢筋（6），其下部并位于圆柱钢筋（6）的底部末端焊接一块带有圆孔的长方体钢板（7），所述圆孔与凸出螺杆（4）相配合，并通过安装在凸出螺杆（4）上的螺母（8）将螺纹固定杆（5）固定在固定杆件（3）上。3.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述加卸载结构包括调节板（9），所述调节板（9）通过螺纹配合安装在螺纹固定杆（5）的螺纹段上，所述螺纹固定杆（5）的外部套装有弹簧（10），所述弹簧（10）的一端与调节板（9）接触配合，另一端设置在固定筒（12）内部，并与扣环（13）相连。4.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述螺纹固定杆（5）的顶端与隧洞衬片（11）的顶部内壁之间存在一定间距。5.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述压力传感器（14）布置在隧洞衬片（11）的中心位置和四个角上。6.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述模拟隧洞（2）内部需要监测的位置布置有多个多点位移计（15）。7.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，其特征在于：所述模拟隧洞（2）采用现场取样的材料模拟制成，所述隧洞衬片（11）的形状根据隧洞内壁的弧度变化调整，并采用强力胶将隧洞衬片（11）与模拟隧洞（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，兰俊，罗越文，高素芳，高进，张罗送，黎照，孙涛，莫承林，姜锋，韩绍康，周克虎，李骁霖，周文俊，武杰宾，蒋旭，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42