隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置及试验方法
【专利摘要】一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置及试验方法，其装置的构成是：侧壁与上盖及底座密封嵌置构成圆筒状的压力室；底座上表面中部的凹槽中固定有油缸，油缸的活塞向上伸入压力室；上盖靠近侧壁处设有排气阀；上盖底面中部的气缸槽上密封嵌置有直径小于油缸的气缸筒，所述的气缸槽设有穿出上盖的通气孔，气缸筒的活塞连有位移测量杆，位移测量杆的上端伸出上盖与位移百分表相连；底座位于压力室内腔与油缸之间的部位设有进水阀。该装置能较准确地测试出不同围岩条件下，隧道掌子面的约束压力与隧道掌子面的挤出变形量的关系，从而为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，在有效保证掌子面的稳定的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
【专利说明】隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]在隧道施工过程中，尤其是在软弱围岩的开挖中，掌子面(隧道的开挖面)的后方临空、而前方受围岩挤压，失去平衡，掌子面会产生向后凸起的挤出变形。当挤出变形过大(大于经验控制值7cm)时，会导致前方围岩破坏，掌子面崩坍，隧道失稳，影响施工进程，甚至造成事故。为确保隧道快速安全施工，需保证掌子面稳定，通常通过在掌子面注浆、打锚杆、分部开挖-留核心土等方法来增加掌子面(后方)的约束压力，以控制掌子面的挤出变形。目前的隧道施工中，掌子面的挤出变形与围岩及其施加的约束压力的关系靠经验估计，也即打锚杆的数量、长度，注浆量的多少，留核心土的面积大多靠经验得出；使得施加的约束压力要么过大、增加不必要的施工成本，减低施工速度；要么约束压力过小，不能有效保证掌子面的稳定，隧道施工的安全得不到保障。
【发明内容】
[0003]本发明的第一目的是提供一种隧道掌子面的约束压力与挤出变形关系的试验装置，该装置能较准确地测试出不同围岩条件下，隧道掌子面的约束压力与隧道掌子面的挤出变形量的关系，从而为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，在有效保证掌子面的稳定的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
[0004]本发明实现其第一目的所采用的技术方案是，一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置，其特征在于:
[0005]侧壁与上盖及底座密封嵌置构成圆筒状的压力室；所述的上盖与底座的外侧还通过拉杆螺纹连接，底座上表面中部的凹槽中固定有油缸，油缸的活塞向上伸入压力室，油缸的进出油接头穿出底座；上盖的靠近侧壁处设有排气阀；上盖底面中部的气缸槽上密封嵌置有直径小于油缸的气缸筒，所述的气缸槽设有穿出上盖的通气孔，气缸筒的活塞连有位移测量杆，位移测量杆的上端伸出上盖，且位移测量杆的上端与位移百分表相连；底座位于压力室内腔与油缸之间的部位设有进水阀；
[0006]本发明的第二目的是提供一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置进行隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验的方法，该方法能较准确、方便地测试出不同围岩条件下，隧道掌子面的约束压力与隧道掌子面的挤出变形量的关系。
[0007]本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种使用上述的隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置进行隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验的方法，其具体做法是:
[0008]A.将气缸筒从上盖气缸槽中取出，然后将气缸筒的气缸槽以下部位预埋入隧道土中制样，制得上部预埋气缸筒的试样，试样的高度等于压力室的高度，试样直径等于油缸的活塞直径；再将试样装入乳胶膜中并扎紧乳胶膜；随后取出上盖、将试样及乳胶膜放入压力室中，再将上盖的气缸槽与气缸筒的上部对中嵌置密封连接，同时使上盖与侧壁嵌置密封连接；然后，通过通气孔向气缸筒通气，使气缸筒的活塞运动到气缸筒的底部；
[0009]B.拧紧拉杆螺母，松开上盖的排气阀，水压系统通过进水阀向压力室注水，当排气阀处有水溢出时拧紧排气阀，随后关闭进水阀；
[0010]C.由油压装置通过进出油接头、油缸的活塞向试样施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向围岩压力；由水压装置通过进水阀、压力室向试样施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围岩压力；随后由气压装置通过通气孔、气缸筒的活塞向试样的凹面施加动态的压力以模拟隧道掌子面约束压力的变化，并同步记录位移百分表的位移数值；即得到设定的轴向围岩压力和径向围岩压力下，挤出压力与挤出变形的关系。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]本发明通过向压力室注水，在压力室内试样四周形成水压以模拟隧道围岩的径向压力；通过油缸向试样的端面施加压力以模拟隧道围岩的轴向压力；并在试样的另一端，通过气缸筒向嵌入气缸筒形成的试样凹槽的底面(凹面)施加动态的气压以模拟开挖过程中隧道掌子面的约束压力；并由位移百分表测出试样凹槽的底面(凹面)的变形数值。试验时，试样的形状、构造及其受力、变形与实际隧道的非常贴近。从而通过室内试验，可以较准确地得到设定轴向围岩压力和径向围岩压力下，掌子面约束压力与挤出位移量(变形)的对应关系，掌子面约束压力与挤出位移量(变形)的对应关系从而为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，在有效保证掌子面稳定，施工安全的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进行进一步的详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]图1示出，一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置，其组成是:
[0016]侧壁9与上盖7及底座15密封嵌置构成圆筒状的压力室；所述的上盖7与底座15的外侧还通过拉杆11螺纹连接，底座15上表面中部的凹槽中固定有油缸16，油缸16的活塞13向上伸入压力室，油缸16的进出油接头17穿出底座15 ;上盖7的靠近侧壁9处设有排气阀4 ;上盖7底面中部的气缸槽上密封嵌置有直径小于油缸16的气缸筒8，所述的气缸槽设有穿出上盖7的通气孔3，气缸筒8的活塞10连有位移测量杆1，位移测量杆I的上端伸出上盖7,且位移测量杆I的上端与位移百分表6相连；底座15位于压力室内腔与油缸16之间的部位设有进水阀19。
[0017]使用本例的隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置进行隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验的方法，其具体做法是:
[0018]A.将气缸筒8从上盖7气缸槽中取出，然后将气缸筒8的气缸槽以下部位预埋入隧道土中制样，制得上部预埋气缸筒8的试样12，试样12的高度等于压力室的高度，试样12直径等于油缸16的活塞13直径；再将试样12装入乳胶膜5中并扎紧乳胶膜5 ;随后取出上盖7、将试样12及乳胶膜5放入压力室中，再将上盖7的气缸槽与气缸筒8的上部对中嵌置密封连接，同时使上盖7与侧壁9嵌置密封连接；然后，通过通气孔3向气缸筒8通气，使气缸筒8的活塞10运动到气缸筒的底部；
[0019]B.拧紧拉杆11螺母，松开上盖7的排气阀4，水压系统通过进水阀19向压力室注水，当排气阀4处有水溢出时拧紧排气阀4，随后关闭进水阀19 ；
[0020]C.由油压装置通过进出油接头17、油缸16的活塞13向试样12施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向围岩压力；由水压装置通过进水阀19、压力室向试样12施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围岩压力；随后由气压装置通过通气孔3、气缸筒8的活塞10向试样12的凹面施加动态的压力以模拟隧道掌子面约束压力的变化，并同步记录位移百分表6的位移数值；即得到设定的轴向围岩压力和径向围岩压力下，挤出压力与挤出变形的关系。
【权利要求】
1.一种隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置，其特征在于: 侧壁(9)与上盖(7)及底座(15)密封嵌置构成圆筒状的压力室；所述的上盖(7)与底座(15)的外侧还通过拉杆(11)螺纹连接，底座(15)上表面中部的凹槽中固定有油缸(16)，油缸(16)的活塞(13)向上伸入压力室，油缸(16)的进出油接头(17)穿出底座(15)；上盖(7)靠近侧壁(9)处设有排气阀(4);上盖(7)底面中部的气缸槽上密封嵌置有直径小于油缸(16)的气缸筒(8)，所述的气缸槽设有穿出上盖(7)的通气孔(3)，气缸筒⑶的活塞(10)连有位移测量杆(I)，位移测量杆⑴的上端伸出上盖(7)，且位移测量杆⑴的上端与位移百分表(6)相连；底座(15)位于压力室内腔与油缸(16)之间的部位设有进水阀(19)。
2.一种使用上述的隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验装置进行隧道掌子面约束压力与挤出变形关系试验的方法，其具体做法是: A.将气缸筒(8)从上盖(7)气缸槽中取出，然后将气缸筒(8)的气缸槽以下部位预埋入隧道土中制样，制得上部预埋气缸筒(8)的试样(12)，试样(12)的高度等于压力室的高度，试样(12)直径等于油缸(16)的活塞(13)直径；再将试样(12)装入乳胶膜(5)中并扎紧乳胶膜(5);随后取出上盖(7)、将试样(12)及乳胶膜(5)放入压力室中，再将上盖(7)的气缸槽与气缸筒(8)的上部对中嵌置密封连接，同时使上盖(7)与侧壁(9)嵌置密封连接；然后，通过通气孔⑶向气缸筒⑶通气，使气缸筒⑶的活塞(10)运动到气缸筒的底部; B.拧紧拉杆(11)螺母，松开上盖(7)的排气阀(4)，水压系统通过进水阀(19)向压力室注水，当排气阀 (4)处有水溢出时拧紧排气阀(4)，随后关闭进水阀(19)； C.由油压装置通过进出油接头(17)、油缸(16)的活塞(13)向试样(12)施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向围岩压力；由水压装置通过进水阀(19)、压力室向试样(12)施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围岩压力；随后由气压装置通过通气孔(3)、气缸筒(8)的活塞(10)向试样(12)的凹面施加动态的压力以模拟隧道掌子面约束压力的变化，并同步记录位移百分表(6)的位移数值；即得到设定的轴向围岩压力和径向围岩压力下，挤出压力与挤出变形的关系。
【文档编号】G01N33/24GK104007247SQ201410210387
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】张志强, 李化云, 阚呈, 李永珑, 张彪 申请人:西南交通大学