一种隧道模型试验模拟开挖支护装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于隧道模拟开挖支护技术领域，具体涉及一种隧道模型试验模拟开挖支护装置及试验方法

【技术实现步骤摘要】
一种隧道模型试验模拟开挖支护装置及试验方法


[0001]本专利技术属于隧道模拟开挖支护
，具体涉及一种隧道模型试验模拟开挖支护装置及试验方法
。

技术介绍

[0002]随着我国经济的快速发展，大规模的工程建设逐步向西部山区推进，隧道工程面临越来越多的大埋深
、
高地应力
、
高地温
、
高渗透压力等特殊的地质环境
。
在这些恶劣的地质条件下，极易导致隧道施工过程中产生塌方冒顶
、
突水
、
涌泥等灾害，深部隧道工程的突涌水灾变机理与安全防控技术已成为地下隧道工程建设中亟待解决的重大技术难题
。
[0003]物理模型试验具有直观形象等优点，对于发现新现象
、
探索新规律
、
揭示新机理和验证新理论，具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用
。
依据相似原理，将隧道及周边工程围岩按照一定的比例缩尺，并模拟高地应力
、
高地温
、
高渗透压等复杂地质环境，在模型中开挖支护，研究隧道突涌水演化过程，为工程建设与运营提供技术支撑
。
在以往的隧道模型试验中，隧道和锚杆支护由于模型尺寸原因往往采用预留的方式进行模拟，不能真实模拟初始地应力条件下隧道开挖及锚杆支护
。
[0004]因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种隧道模型试验模拟开挖支护装置及试验方法，以至少解决现有技术中存在的上述问题
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种隧道模型试验模拟开挖支护装置，所述装置包括：反力框架，所述反力框架包括相互平行的顶梁与底座，以及相互平行的左力臂与右力臂，所述顶梁
、
底座
、
左力臂与右力臂围成方形的反力框架；模拟隧道围岩与隧道模型，所述模拟隧道围岩位于反力框架内部，所述模拟隧道围岩包裹在所述隧道模型外围；加载系统，所述加载系统设置反力框架与模拟隧道围岩之间，所述加载系统用于向模拟隧道围岩施加作用力；钻孔支护系统，所述钻孔支护系统包括转动架，所述转动架用于在开挖后的隧道模型中转动；钻孔锚固机构，所述钻孔锚固机构沿隧道轴向方向滑动设置在转动架上，所述钻孔锚固机构用于从隧道中向模拟隧道围岩钻孔并安装锚杆
。
[0007]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述加载系统为设置在顶梁
、
左力臂与右力臂上的加载组件，每个加载组件均包括多个加载油缸，在每个加载油缸的伸出端均设置有加载垫板，所述加载垫板与模拟隧道围岩接触
。
[0008]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述钻孔支护系统包括一
对转动环，一对所述转动环分别设置在隧道模型的轴向两侧，所述转动架在转动环内转动；所述转动架包括一对辅助定位杆，两个辅助定位杆分别转动设置在两个转动环上；在两个辅助定位杆之间连接有导轨尺
。
[0009]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述辅助定位杆的两端均设置有转动槽，转动槽内转动设置有滑轮，所述转动环卡在辅助定位杆两端的转动槽上，且所述转动环的环内壁与转动槽中的滑轮接触；所述辅助定位杆上设置有贯穿转动槽内壁的辅助定位杆螺纹孔，在辅助定位杆螺纹孔内螺纹装配有定位螺栓
。
[0010]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述钻孔支护系统包括滑动座，所述钻孔锚固机构设置在滑动座上，所述滑动座滑动设置在导轨尺上；所述导轨尺伸出隧道的一端设置有辅助杆，所述辅助杆平行于滑动座；在辅助杆与滑动座之间设置有伸缩杆
。
[0011]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述钻孔锚固机构包括液压装置，所述液压装置设置在滑动座上；所述液压装置用于将钻杆顶推进模拟隧道围岩中以形成钻孔，且液压装置还用于将锚杆顶推进钻孔中以实现锚杆安装
。
[0012]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，所述滑动座上还设置有导向架，在导向架内贯穿设置有导向筒，所述液压装置中的伸缩杆在导向筒中导向移动
。
[0013]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，当采用全断面开挖模拟时，所述隧道模型为气囊模型或高强泡沫模型；气囊模型包括多个独立充放气的气囊，多个气囊并列设置，开挖时释放气囊中的气体以完成开挖模拟；或者对高强泡沫模型喷涂泡沫溶解剂以完成开挖模拟
。
[0014]如上所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，优选地，当采用三台阶开挖模拟时，所述隧道模型包括多组并列设置的异形乳胶膜；每组异形乳胶膜均包括隧道顶部异形乳胶膜
、
隧道中部异形乳胶膜
、
隧道下部异形乳胶膜
。
[0015]本申请该提供一种模型试验模拟开挖支护试验方法，所述试验方法使用上述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，所述试验方法包括以下步骤：步骤1，根据模拟岩层岩石的强度，并依据相似远离换算对应的相似材料强度，以制作相应强度的单元板；在利用单元板搭建模拟隧道围岩时，将隧道模型设置在模拟隧道围岩中；模拟隧道围岩与隧道模型搭建完毕后，根据初始地应力参数，通过顶梁
、
左力臂与右力臂上设置的加载油缸，对模拟隧道围岩加载应力，加载完成并静置一段时间，以使加载应力传至隧道模拟内部；步骤2，当采用全断面开挖模拟，隧道模型采用高强泡沫模型时，对高强泡沫模型逐层喷涂泡沫溶解剂，待泡沫溶解，即可模拟隧道开挖过程模拟；当采用全断面开挖模拟，隧道模型为气囊模型时，根据开挖顺序，逐个控制每个气
囊内气体缓慢释放，即可模拟隧道开挖过程模拟；当采用三台阶开挖模拟，隧道模型采用异形乳胶膜时，在每个异形乳胶膜中填充粗砂以支撑隧道围岩，将异形乳胶膜按照三台阶开挖次序逐层回撤，即可模拟隧道开挖过程模拟；步骤3，在隧道开挖完成后，将钻孔支护系统中的两个转动环，分别通过螺栓安装在模拟隧道围岩的两侧，以使钻孔支护系统贯穿整个隧道；通过控制伸缩杆进行伸缩运动，使滑动座在辅助定位杆上滑动，以使钻孔锚固机构达到隧道中不同的轴向位置；通过控制辅助定位杆在转动环内转动，在转动到位后，拧紧辅助定位杆上螺栓孔中螺栓，以固定辅助定位杆，使钻孔锚固机构可朝向隧道内壁不同的径向位置；步骤4，在钻孔锚固机构的位置与角度调整到位后，将钻杆固定在液压装置的伸缩杆上，通过液压装置顶推将钻杆顶推进模拟隧道围岩中形成钻孔，然后缩回钻杆，将钻孔锚固机构沿着辅助定位杆滑动至隧道洞口处，取下液压装置伸缩杆上的钻杆；然后将锚杆放置在导向筒中，锚杆的一端涂抹胶水，再将钻孔锚固机构滑动至原钻孔位置，然后控制液压装置伸缩杆伸出，以将锚杆推至钻孔中；重复步骤
3、
步骤4，直至隧道中锚杆全部安装完成
。
[0016]有益效果：由气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于，所述装置包括：反力框架，所述反力框架包括相互平行的顶梁与底座，以及相互平行的左力臂与右力臂，所述顶梁
、
底座
、
左力臂与右力臂围成方形的反力框架；模拟隧道围岩与隧道模型，所述模拟隧道围岩位于反力框架内部，所述模拟隧道围岩包裹在所述隧道模型外围；加载系统，所述加载系统设置反力框架与模拟隧道围岩之间，所述加载系统用于向模拟隧道围岩施加作用力；钻孔支护系统，所述钻孔支护系统包括转动架，所述转动架用于在开挖后的隧道模型中转动；钻孔锚固机构，所述钻孔锚固机构沿隧道轴向方向滑动设置在转动架上，所述钻孔锚固机构用于从隧道中向模拟隧道围岩钻孔并安装锚杆
。2.
根据权利要求1所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于， 所述加载系统为设置在顶梁
、
左力臂与右力臂上的加载组件，每个加载组件均包括多个加载油缸，在每个加载油缸的伸出端均设置有加载垫板，所述加载垫板与模拟隧道围岩接触
。3.
根据权利要求2所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于，所述钻孔支护系统包括一对转动环，一对所述转动环分别设置在隧道模型的轴向两侧，所述转动架在转动环内转动；所述转动架包括一对辅助定位杆，两个辅助定位杆分别转动设置在两个转动环上；在两个辅助定位杆之间连接有导轨尺
。4.
根据权利要求3所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于，所述辅助定位杆的两端均设置有转动槽，转动槽内转动设置有滑轮，所述转动环卡在辅助定位杆两端的转动槽上，且所述转动环的环内壁与转动槽中的滑轮接触；所述辅助定位杆上设置有贯穿转动槽内壁的辅助定位杆螺纹孔，在辅助定位杆螺纹孔内螺纹装配有定位螺栓
。5.
根据权利要求4所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于， 所述钻孔支护系统包括滑动座，所述钻孔锚固机构设置在滑动座上，所述滑动座滑动设置在导轨尺上；所述导轨尺伸出隧道的一端设置有辅助杆，所述辅助杆平行于滑动座；在辅助杆与滑动座之间设置有伸缩杆
。6.
根据权利要求5所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于，所述钻孔锚固机构包括液压装置，所述液压装置设置在滑动座上；所述液压装置用于将钻杆顶推进模拟隧道围岩中以形成钻孔，且液压装置还用于将锚杆顶推进钻孔中以实现锚杆安装
。7.
根据权利要求6所述的隧道模型试验模拟开挖支护装置，其特征在于，所述滑动座上还设置有导向架，在导向架内贯穿设置有导向筒，所述液压装置中的伸缩杆在导向筒中导向移动
。8.

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志飚，高敬威，杨东山，尤静霖，李宇辉，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：