隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置及使用方法
【專利摘要】本發明公開了一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置及使用方法，包括側壁、用于提供加載地應力平臺的頂蓋和設于鋼筋混凝土支撐架頂部的底板，所述的側壁垂直設立于底板且與底板連接，頂蓋設于側壁的頂部且與側壁相連；所述的側壁由多個在豎直方向上疊放在一起的模型環單元依次連接而成；且在隧道設計位置對應模型環單元的直徑方向正對設置兩個圓形空洞，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵圓形孔洞，在弧形封閉鋼板四個角的位置開孔，弧形封閉鋼板與側壁之間相連接。本裝置可以連續系統模擬隧道開挖過程中的地質災害發生過程與之后的注漿加固過程。該裝置具有強度高、采用模塊化組裝方式使得組裝及拆卸方便的優點。
【專利說明】隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置及使用方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種巖土工程模型試驗臺架裝置，具體涉及一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置及使用方法。
【背景技術】
[0003]隧道工程開挖時，經常發生圍巖變形大、涌水量大等問題，甚至會發生突水突泥災害，造成巨大的人員財產損失。注漿作為一種加固軟弱圍巖、治理突水突泥災害的一種有效手段在隧道突水突泥災害治理工程中得到了越來越廣泛的應用。模型試驗是研究隧道突水突泥災害形成過程中的災變機理、注漿治理過程中漿液擴散規律及加固機理的重要方法。但是目前針對隧道開挖及注漿的模型試驗臺架較少，嚴重影響相關研究的進展。
[0004]隧道開挖與注漿加固是連續的過程，在隧道開挖與注漿模型試驗中，需要模型試驗臺架既可以模擬開挖過程中 的地質災害發生過程，又可以模擬之后的注漿治理加固過程。為滿足隧道開挖與注漿模型試驗的要求，模型試驗臺架須具有如下特點:1、可以預置不良地質結構體；2、具備地應力加載平臺，承受地應力加載所產生的反力作用；3、具備輸水管路，為供水系統連接管路使用；4、具備注漿管安裝平臺，為注漿提供工作平臺。
[0005]目前的試驗裝置或者只模擬隧道開挖過程或者只模擬注漿過程，還沒有可以實現連續系統模擬隧道開挖過程中地質災害發生過程與之后注漿加固過程的模型試驗裝置。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架，本裝置可以連續系統模擬隧道開挖過程中的地質災害發生過程與之后的注漿加固過程。該裝置具有強度高、采用模塊化組裝方式使得組裝及拆卸方便的優點。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，包括側壁、用于提供加載地應力平臺的頂蓋和設于鋼筋混凝土支撐架頂部的底板，所述的側壁垂直設立于底板且與底板連接，頂蓋設于側壁的頂部且與側壁相連；所述的側壁由多個在豎直方向上疊放在一起的模型環單元依次連接而成；且在隧道設計位置對應的模型環單元的直徑方向正對設置兩個空洞，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵孔洞，弧形封閉鋼板與側壁之間相連接。
[0008]所述的模型環單元由兩個半圓弧單元連接而成；彼此相鄰模型環單元由半圓環式肋板連接構成側壁。
[0009]半圓弧單元包括弧板、半圓環式肋板、豎直肋板，所述弧板圓周方向的頂部、底部沿邊緣焊接半圓環式肋板；弧板的沿圓周方向的兩端與中部均設有與其相連的豎直肋板；且所述豎直肋板的在豎直方向上與半圓環式肋板連接，且在半圓環式肋板上鉆有孔。
[0010]所述的弧板上設置有作為模型內外的注漿管連接裝置使用或者作為監測系統的引線管使用的兩個連接管。
[0011]所述的頂蓋為圓形，其頂部設有用于提高頂蓋的強度和剛度交叉肋板，其上設有一個穿過其到達試驗臺架內部且作為地應力加載系統的連接孔使用的連接管。
[0012]所述的底板上設置有多根管道，管道穿過底板并與底板連接；且位于試驗臺架內部的管道端部通過絲扣與注漿管連接，試驗臺架外的管道端部連接注漿管路。
[0013]隧道開挖時，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準。
[0014]所述導向鋼板由平鋼板和兩個與側壁相同弧度的連接板構成，平鋼板與連接板連接；在平鋼板四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板的開孔位置相同。
[0015]隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置使用方法，步驟如下:
步驟一:在鋼筋混凝土支撐架上安裝試驗臺架；且固定試驗臺架的底板，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓連接成模型環單元，通過螺栓連接模型環單元、底板與支撐鋼板，所有螺栓連接處放置橡膠墊以保證密封性；隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元;
步驟二:安裝內部注漿管；在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設定的隧道位置布設4個內部預埋注漿管；
步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質并預置斷層；在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質；其他區域的圍巖介質正常填料；
步驟四:隧道開挖；用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，以導向鋼板上的開挖隧道口為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后按照設定的時間的停一下，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖；
步驟五:對隧道圍巖實施注漿；按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿加固；注漿過程中記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化；
步驟六:注漿后開挖隧道；注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫
通；
步驟七:模型試驗系統拆除；拆除側壁，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并在重要位置取樣用于后續研究；模型試驗結束。
[0016]本發明的有益效果如下:
隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，它由側壁、頂蓋、底板、鋼筋混凝土支撐架構成。試驗臺架的側壁、頂蓋及底板均采用IOmm厚的鋼板焊接而成，保證了試驗臺架的強度和剛度。
[0017]半圓環式肋板和豎直肋板提高結構強度和剛度并起連接作用。
[0018]弧板上設置兩個連接管，連接管可作為模型內外的注漿管連接裝置使用，也可作為監測系統的引線管使用。
[0019]側壁由模型環單元組裝而成，在模型實驗準備過程中由下往上逐層組裝，為填料與布設監測元件提供更大的操作空間；在模型試驗結束后，由上往下逐層拆模，保證地層結構及注漿漿脈完整地保留下來并可以觀察漿液擴散形態。試驗臺架各個結構單元采用模塊化方式連接，組裝及拆卸方便，可根據不同模型高度采用相應數量的模型環組合。試驗臺架的設計更好地滿足了模型試驗可重復性的要求。[0020]在隧道設計位置對應模型環單元的直徑方向正對設置兩個圓形空洞，空洞直徑要大于按不同試驗比尺設計所取的最大隧道尺寸，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵圓形孔洞，在弧形封閉鋼板四個角的位置開孔，弧形封閉鋼板與側壁之間通過螺栓連接，中間放置橡膠墊。隧道開挖時用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準。導向鋼板與側壁之間通過螺栓連接。在平鋼板與圓形洞口對應位置根據不同的試驗比尺按實際隧道形狀設置開挖隧道口。
[0021]頂蓋上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板，交叉肋板提高頂蓋的強度和剛度，頂蓋與側壁通過螺栓連接。頂蓋焊接一根連接管，連接管作為地應力加載系統的連接孔使用。頂蓋的作用是提供加載地應力的平臺。
[0022]底板根據隧道位置設置4根帶絲鋼管，帶絲鋼管穿過底板并與底板通過焊接方式連接，試驗臺架內部的鋼管端部通過絲扣與注漿管連接，試驗臺架外的鋼管端部通過絲扣與閥門連接，閥門連接注漿管路。半圓弧單元之間的連接處、模型環單元之間的連接處、側壁與頂蓋的連接處、側壁與底板的連接處均放置IOmm厚的橡膠墊，保證模型的密封性。
[0023]試驗臺架放置在鋼筋混凝土支撐架上，鋼筋混凝土支撐架由支撐鋼板、4根鋼筋混凝土柱和鋼筋混凝土平臺構成。鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土平臺為一體化澆筑而成，每根鋼筋混凝土柱上預埋兩根螺絲桿，支撐鋼板在與螺絲桿相對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板與鋼筋混凝土柱通過螺絲桿連接。支撐鋼板為一圓環形鋼板，厚10mm，外徑2000mm，內徑1100mm。試驗臺架直接放置在支撐鋼板之上，支撐鋼板在底板螺栓對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板、底板和側壁通過螺栓連接。鋼筋混凝土支撐架保證了底板下部有足夠的操作空間。
[0024]本裝置可以連續系統模擬隧道開挖過程中的地質災害發生過程與之后的注漿加固過程。該裝置具有強度高、采用模塊化組裝方式使得組裝及拆卸方便的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為試驗臺架剖面圖；
圖2-1為試驗臺架側壁半圓弧單元結構主視圖；
圖2-2為試驗臺架側壁半圓弧單元結構俯視圖；
圖3-1為導向鋼板結構主視圖；
圖3-2為導向鋼板結構俯視圖；
圖4為試驗臺架底板結構圖；
圖5為試驗臺架頂蓋結構圖；
圖6-1為鋼筋混凝土支撐架的俯視圖；
圖6-2為鋼筋混凝土支撐架的主視圖；
圖7為試驗臺架整體圖；
圖中:1一一側壁；2—頂蓋；3—底板；4—高強螺栓；5—模型環單元；6—半圓弧單元；7—弧板；8—半圓環式肋板；9—豎直肋板；10—弧板連接管；11—圓形空洞；12—弧形封閉鋼板；13—橡膠墊；14—交叉肋板；15—頂蓋連接管；16—螺栓孔；17—帶絲鋼管；18—一底板閥門；19—鋼筋混凝土支撐架；20——支撐鋼板；21—鋼筋混凝土柱；22—鋼筋混凝土平臺；23—螺絲桿；24——導向鋼板；25——平鋼板；26——連接板；27——開挖隧道口?！揪唧w實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，該裝置可以連續系統模擬隧道開挖過程中的地質災害發生過程與之后的注漿加固過程，該裝置包括底板3、側壁1、頂蓋2與鋼筋混凝土支撐架19。
[0027]試驗臺架中的側壁I由高300_的模型環單元5通過高強螺栓4連接而成。所述的模型環單元5由兩個半圓弧單元6構成，所述半圓弧單元6由弧板7、半圓環式肋板8、豎直肋板9構成?；“?厚10mm、直徑1500mm，弧板7頂部、底部沿邊緣焊接寬100mm、厚IOmm的半圓環式肋板8,兩端與中部焊接寬100mm、高300mm、厚IOmm的豎直肋板9 ;半圓環式肋板8與豎直肋板通過焊接連接，并均勻鉆孔。兩個半圓弧單元6由端部的豎直肋板9通過高強螺栓連接構成模型環單元5 ;彼此相鄰模型環單元5由半圓環式肋板8通過高強螺栓連接構成側壁。半圓環式肋板8和豎直肋板9提高結構強度和剛度并起連接作用。試驗臺架各個結構單元采用模塊化方式連接，組裝及拆卸方便，可根據不同模型高度采用相應數量的模型環5組合。
[0028]所述弧板7上設置兩個弧板連接管10，弧板連接管10可作為模型內外的注漿管連接裝置使用，也可作為監測系統的引線管使用。
[0029]在隧道設計位置對應模型環單元5的直徑方向正對設置兩個圓形空洞11，空洞直徑要大于按實驗設計所取的最大隧道尺寸，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板12封堵圓形孔洞，在弧形封閉鋼板12四個角的位置開孔，弧形封閉鋼板12與側壁之間通過高強螺栓4連接，中間放置橡膠墊13。
[0030]隧道開挖時用導向鋼板24替換弧形封閉鋼板12，導向鋼板24為開挖隧道提供開挖基準。所述導向鋼板24由平鋼板25和兩個與側壁相同弧度的連接板26構成，平鋼板25與連接板26通過焊接連接。在平鋼板25四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板12的開孔位置相同。隧道開挖時導向鋼板24與側壁I之間通過高強螺栓4連接。在平鋼板25與圓形洞口 11對應位置根據不同的試驗比尺按實際隧道形狀設置開挖隧道口 27。
[0031]頂蓋2上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板14，交叉肋板14提高頂蓋2的強度和剛度，頂蓋2與側壁I通過螺栓4連接。頂蓋2焊接一根連接管15，連接管15作為地應力加載系統的連接孔使用。頂蓋的作用是提供加載地應力的平臺。
[0032]試驗臺架的底板3根據隧道位置設置4根帶絲鋼管17，帶絲鋼管17穿過底板3并與底板3通過焊接方式連接，試驗臺架內部的鋼管端部通過絲扣與預埋注漿管連接，試驗臺架外的鋼管端部通過絲扣與閥門連接，閥門連接注漿管路。底板3與側壁通過高強螺栓4連接。
[0033]半圓弧單元6之間的連接處、模型環單元5之間的連接處、側壁I與頂蓋2的連接處、側壁I與底板3的連接處均放置IOmm厚的橡膠墊，保證模型的密封性。
[0034]試驗臺架放置在鋼筋混凝土支撐架19上，鋼筋混凝土支撐架19由支撐鋼板20、4根鋼筋混凝土柱21和鋼筋混凝土平臺22構成。鋼筋混凝土柱21與鋼筋混凝土平臺22為一體化澆筑而成，每根鋼筋混凝土柱21上預埋兩根螺絲桿23，支撐鋼板20在與螺絲桿相對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板20與鋼筋混凝土柱21通過螺絲桿23連接。支撐鋼板20為一圓環形鋼板，厚IOmm,外徑2000mm,內徑1100mm。試驗臺架直接放置在支撐鋼板20之上，支撐鋼板20在底板3螺栓孔對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板20、底板3和側壁I通過高強螺栓4連接。鋼筋混凝土支撐架19保證了底板3下部有足夠的操作空間。
[0035]隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置使用方法，它的步驟為:
步驟一:在鋼筋混凝土支撐架上安裝試驗臺架。固定試驗臺架的底板，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓連接成模型環單元，通過螺栓連接模型環單元、底板與支撐鋼板，所有螺栓連接處放置橡膠墊以保證密封性。隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元，這樣可以避免一次性架設試驗臺架所帶來的填料與埋設監測元件操作空間不足的問題。
[0036]步驟二:安裝內部注漿管。在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設計的隧道位置布設4個內部預埋注漿管。
[0037]步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質并預置斷層。在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質，目的是提高其強度并降低其滲透率，防止漿液或水沿試驗臺架內部側壁流動，影響實驗結果。其他區域的圍巖介質正常填料。根據斷層的幾何參數預置斷層。根據上述斷層的幾何參數填筑斷層。
[0038]步驟四:隧道開挖。用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，以導向鋼板上的開挖隧道口為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后等待一段時間，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖。
[0039]步驟五:對隧道圍巖實施注漿。按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿堵水加固。注漿過程中利用P-Q-t記錄儀記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化。
[0040]步驟六:注漿后開挖隧道。注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫通。
[0041]步驟七:模型試驗系統拆除。拆除側壁，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并在重要位置取樣用于后續研究。模型試驗結束。
【權利要求】
1.一種隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:包括側壁、用于提供加載地應力平臺的頂蓋和設于鋼筋混凝土支撐架頂部的底板，所述的側壁垂直設立于底板且與底板連接，頂蓋設于側壁的頂部且與側壁相連；所述的側壁由多個在豎直方向上疊放在一起的模型環單元依次連接而成；且在隧道設計位置對應模型環單元的直徑方向正對設置兩個空洞，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵孔洞，弧形封閉鋼板與側壁相連接。
2.如權利要求1所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:所述的模型環單元由兩個半圓弧單元連接而成；彼此相鄰模型環單元由半圓環式肋板連接構成側壁。
3.如權利要求2所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:半圓弧單元包括弧板、半圓環式肋板、豎直肋板，所述弧板圓周方向的頂部、底部沿邊緣焊接半圓環式肋板；弧板的沿圓周方向的兩端與中部均設有與其相連的豎直肋板；且所述豎直肋板在豎直方向上與半圓環式肋板連接，且在半圓環式肋板上鉆有孔。
4.如權利要求3所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:所述的弧板上設置有作為模型內外的注漿管連接裝置使用或者作為監測系統的引線管使用的兩個連接管。
5.如權利要求1所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:所述的頂蓋為圓形，其頂部設有用于提高頂蓋的強度和剛度交叉肋板，其上設有一個穿過其到達試驗臺架內部且作為地應力加載系統的連接孔使用的連接管。
6.如權利要求1所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:所述的底板上設置有多根管道，管道穿過底板并與底板連接；且位于試驗臺架內部的管道端部通過絲扣與注漿管連接，試驗臺架外的管道端部連接注漿管路。
7.如權利要求1所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:隧道開挖時，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準。
8.如權利要求7所述的隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置，其特征在于:所述導向鋼板由平鋼板和兩個與側壁相同弧度的連接板構成，平鋼板與連接板連接；在平鋼板四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板的開孔位置相同。
9.隧道開挖及注漿模型試驗臺架裝置使用方法，其特征在于，步驟如下: 步驟一:在鋼筋混凝土支撐架上安裝試驗臺架；且固定試驗臺架的底板，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓連接成模型環單元，通過螺栓連接模型環單元、底板與支撐鋼板，所有螺栓連接處放置橡膠墊以保證密封性；隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元; 步驟二:安裝內部注漿管；在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設定的隧道位置布設4個內部預埋注漿管； 步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質并預置斷層；在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質；其他區域的圍巖介質正常填料； 步驟四:隧道開挖；用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，以導向鋼板上的開挖隧道口為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后按照設定的時間的停一下，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖；步驟五:對隧道圍巖實施注漿；按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿加固；注漿過程中利用記錄儀記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化； 步驟六:注漿后開挖隧道；注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫通； 步驟七:模型試驗系統拆除；拆除側壁，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并取樣用于后續研究；模型試 驗結束。
【文檔編號】G01N33/00GK103940968SQ201410181489
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張霄, 李志鵬, 張連震, 朱明聽, 譚英華, 李鵬, 鄭東柱 申請人:山東大學
專業數控銑床產品供應商
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