隧道开挖及注浆模型试验台架装置及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道开挖及注浆模型试验台架装置及使用方法，包括侧壁、用于提供加载地应力平台的顶盖和设于钢筋混凝土支撑架顶部的底板，所述的侧壁垂直设立于底板且与底板连接，顶盖设于侧壁的顶部且与侧壁相连；所述的侧壁由多个在竖直方向上叠放在一起的模型环单元依次连接而成；且在隧道设计位置对应模型环单元的直径方向正对设置两个圆形空洞，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵圆形孔洞，在弧形封闭钢板四个角的位置开孔，弧形封闭钢板与侧壁之间相连接。本装置可以连续系统模拟隧道开挖过程中的地质灾害发生过程与之后的注浆加固过程。该装置具有强度高、采用模块化组装方式使得组装及拆卸方便的优点。
【专利说明】隧道开挖及注浆模型试验台架装置及使用方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种岩土工程模型试验台架装置，具体涉及一种隧道开挖及注浆模型试验台架装置及使用方法。
【背景技术】
[0003]隧道工程开挖时，经常发生围岩变形大、涌水量大等问题，甚至会发生突水突泥灾害，造成巨大的人员财产损失。注浆作为一种加固软弱围岩、治理突水突泥灾害的一种有效手段在隧道突水突泥灾害治理工程中得到了越来越广泛的应用。模型试验是研究隧道突水突泥灾害形成过程中的灾变机理、注浆治理过程中浆液扩散规律及加固机理的重要方法。但是目前针对隧道开挖及注浆的模型试验台架较少，严重影响相关研究的进展。
[0004]隧道开挖与注浆加固是连续的过程，在隧道开挖与注浆模型试验中，需要模型试验台架既可以模拟开挖过程中 的地质灾害发生过程，又可以模拟之后的注浆治理加固过程。为满足隧道开挖与注浆模型试验的要求，模型试验台架须具有如下特点:1、可以预置不良地质结构体；2、具备地应力加载平台，承受地应力加载所产生的反力作用；3、具备输水管路，为供水系统连接管路使用；4、具备注浆管安装平台，为注浆提供工作平台。
[0005]目前的试验装置或者只模拟隧道开挖过程或者只模拟注浆过程，还没有可以实现连续系统模拟隧道开挖过程中地质灾害发生过程与之后注浆加固过程的模型试验装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种隧道开挖及注浆模型试验台架，本装置可以连续系统模拟隧道开挖过程中的地质灾害发生过程与之后的注浆加固过程。该装置具有强度高、采用模块化组装方式使得组装及拆卸方便的优点。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种隧道开挖及注浆模型试验台架装置，包括侧壁、用于提供加载地应力平台的顶盖和设于钢筋混凝土支撑架顶部的底板，所述的侧壁垂直设立于底板且与底板连接，顶盖设于侧壁的顶部且与侧壁相连；所述的侧壁由多个在竖直方向上叠放在一起的模型环单元依次连接而成；且在隧道设计位置对应的模型环单元的直径方向正对设置两个空洞，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵孔洞，弧形封闭钢板与侧壁之间相连接。
[0008]所述的模型环单元由两个半圆弧单元连接而成；彼此相邻模型环单元由半圆环式肋板连接构成侧壁。
[0009]半圆弧单元包括弧板、半圆环式肋板、竖直肋板，所述弧板圆周方向的顶部、底部沿边缘焊接半圆环式肋板；弧板的沿圆周方向的两端与中部均设有与其相连的竖直肋板；且所述竖直肋板的在竖直方向上与半圆环式肋板连接，且在半圆环式肋板上钻有孔。
[0010]所述的弧板上设置有作为模型内外的注浆管连接装置使用或者作为监测系统的引线管使用的两个连接管。
[0011]所述的顶盖为圆形，其顶部设有用于提高顶盖的强度和刚度交叉肋板，其上设有一个穿过其到达试验台架内部且作为地应力加载系统的连接孔使用的连接管。
[0012]所述的底板上设置有多根管道，管道穿过底板并与底板连接；且位于试验台架内部的管道端部通过丝扣与注浆管连接，试验台架外的管道端部连接注浆管路。
[0013]隧道开挖时，用导向钢板替换弧形封闭钢板，导向钢板为开挖隧道提供开挖基准。
[0014]所述导向钢板由平钢板和两个与侧壁相同弧度的连接板构成，平钢板与连接板连接；在平钢板四个角的位置开孔，开孔位置与弧形封闭钢板的开孔位置相同。
[0015]隧道开挖及注浆模型试验台架装置使用方法，步骤如下:
步骤一:在钢筋混凝土支撑架上安装试验台架；且固定试验台架的底板，将两个半圆弧单元通过高强螺栓连接成模型环单元，通过螺栓连接模型环单元、底板与支撑钢板，所有螺栓连接处放置橡胶垫以保证密封性；随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元;
步骤二:安装内部注浆管；在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设定的隧道位置布设4个内部预埋注浆管；
步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质并预置断层；在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质；其他区域的围岩介质正常填料；
步骤四:隧道开挖；用导向钢板替换弧形封闭钢板，以导向钢板上的开挖隧道口为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后按照设定的时间的停一下，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖；
步骤五:对隧道围岩实施注浆；按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆加固；注浆过程中记录注浆压力、注浆速率随时间的变化；
步骤六:注浆后开挖隧道；注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯
通；
步骤七:模型试验系统拆除；拆除侧壁，拆模过程中记录浆液扩散形态，并在重要位置取样用于后续研究；模型试验结束。
[0016]本发明的有益效果如下:
隧道开挖及注浆模型试验台架装置，它由侧壁、顶盖、底板、钢筋混凝土支撑架构成。试验台架的侧壁、顶盖及底板均采用IOmm厚的钢板焊接而成，保证了试验台架的强度和刚度。
[0017]半圆环式肋板和竖直肋板提高结构强度和刚度并起连接作用。
[0018]弧板上设置两个连接管，连接管可作为模型内外的注浆管连接装置使用，也可作为监测系统的引线管使用。
[0019]侧壁由模型环单元组装而成，在模型实验准备过程中由下往上逐层组装，为填料与布设监测元件提供更大的操作空间；在模型试验结束后，由上往下逐层拆模，保证地层结构及注浆浆脉完整地保留下来并可以观察浆液扩散形态。试验台架各个结构单元采用模块化方式连接，组装及拆卸方便，可根据不同模型高度采用相应数量的模型环组合。试验台架的设计更好地满足了模型试验可重复性的要求。[0020]在隧道设计位置对应模型环单元的直径方向正对设置两个圆形空洞，空洞直径要大于按不同试验比尺设计所取的最大隧道尺寸，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵圆形孔洞，在弧形封闭钢板四个角的位置开孔，弧形封闭钢板与侧壁之间通过螺栓连接，中间放置橡胶垫。隧道开挖时用导向钢板替换弧形封闭钢板，导向钢板为开挖隧道提供开挖基准。导向钢板与侧壁之间通过螺栓连接。在平钢板与圆形洞口对应位置根据不同的试验比尺按实际隧道形状设置开挖隧道口。
[0021]顶盖上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板，交叉肋板提高顶盖的强度和刚度，顶盖与侧壁通过螺栓连接。顶盖焊接一根连接管，连接管作为地应力加载系统的连接孔使用。顶盖的作用是提供加载地应力的平台。
[0022]底板根据隧道位置设置4根带丝钢管，带丝钢管穿过底板并与底板通过焊接方式连接，试验台架内部的钢管端部通过丝扣与注浆管连接，试验台架外的钢管端部通过丝扣与阀门连接，阀门连接注浆管路。半圆弧单元之间的连接处、模型环单元之间的连接处、侧壁与顶盖的连接处、侧壁与底板的连接处均放置IOmm厚的橡胶垫，保证模型的密封性。
[0023]试验台架放置在钢筋混凝土支撑架上，钢筋混凝土支撑架由支撑钢板、4根钢筋混凝土柱和钢筋混凝土平台构成。钢筋混凝土柱与钢筋混凝土平台为一体化浇筑而成，每根钢筋混凝土柱上预埋两根螺丝杆，支撑钢板在与螺丝杆相对应位置设置螺栓孔，支撑钢板与钢筋混凝土柱通过螺丝杆连接。支撑钢板为一圆环形钢板，厚10mm，外径2000mm，内径1100mm。试验台架直接放置在支撑钢板之上，支撑钢板在底板螺栓对应位置设置螺栓孔，支撑钢板、底板和侧壁通过螺栓连接。钢筋混凝土支撑架保证了底板下部有足够的操作空间。
[0024]本装置可以连续系统模拟隧道开挖过程中的地质灾害发生过程与之后的注浆加固过程。该装置具有强度高、采用模块化组装方式使得组装及拆卸方便的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为试验台架剖面图；
图2-1为试验台架侧壁半圆弧单元结构主视图；
图2-2为试验台架侧壁半圆弧单元结构俯视图；
图3-1为导向钢板结构主视图；
图3-2为导向钢板结构俯视图；
图4为试验台架底板结构图；
图5为试验台架顶盖结构图；
图6-1为钢筋混凝土支撑架的俯视图；
图6-2为钢筋混凝土支撑架的主视图；
图7为试验台架整体图；
图中:1一一侧壁；2—顶盖；3—底板；4—高强螺栓；5—模型环单元；6—半圆弧单元；7—弧板；8—半圆环式肋板；9—竖直肋板；10—弧板连接管；11—圆形空洞；12—弧形封闭钢板；13—橡胶垫；14—交叉肋板；15—顶盖连接管；16—螺栓孔；17—带丝钢管；18—一底板阀门；19—钢筋混凝土支撑架；20——支撑钢板；21—钢筋混凝土柱；22—钢筋混凝土平台；23—螺丝杆；24——导向钢板；25——平钢板；26——连接板；27——开挖隧道口。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明进行详细说明:
一种隧道开挖及注浆模型试验台架装置，该装置可以连续系统模拟隧道开挖过程中的地质灾害发生过程与之后的注浆加固过程，该装置包括底板3、侧壁1、顶盖2与钢筋混凝土支撑架19。
[0027]试验台架中的侧壁I由高300_的模型环单元5通过高强螺栓4连接而成。所述的模型环单元5由两个半圆弧单元6构成，所述半圆弧单元6由弧板7、半圆环式肋板8、竖直肋板9构成。弧板7厚10mm、直径1500mm，弧板7顶部、底部沿边缘焊接宽100mm、厚IOmm的半圆环式肋板8,两端与中部焊接宽100mm、高300mm、厚IOmm的竖直肋板9 ;半圆环式肋板8与竖直肋板通过焊接连接，并均匀钻孔。两个半圆弧单元6由端部的竖直肋板9通过高强螺栓连接构成模型环单元5 ;彼此相邻模型环单元5由半圆环式肋板8通过高强螺栓连接构成侧壁。半圆环式肋板8和竖直肋板9提高结构强度和刚度并起连接作用。试验台架各个结构单元采用模块化方式连接，组装及拆卸方便，可根据不同模型高度采用相应数量的模型环5组合。
[0028]所述弧板7上设置两个弧板连接管10，弧板连接管10可作为模型内外的注浆管连接装置使用，也可作为监测系统的引线管使用。
[0029]在隧道设计位置对应模型环单元5的直径方向正对设置两个圆形空洞11，空洞直径要大于按实验设计所取的最大隧道尺寸，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板12封堵圆形孔洞，在弧形封闭钢板12四个角的位置开孔，弧形封闭钢板12与侧壁之间通过高强螺栓4连接，中间放置橡胶垫13。
[0030]隧道开挖时用导向钢板24替换弧形封闭钢板12，导向钢板24为开挖隧道提供开挖基准。所述导向钢板24由平钢板25和两个与侧壁相同弧度的连接板26构成，平钢板25与连接板26通过焊接连接。在平钢板25四个角的位置开孔，开孔位置与弧形封闭钢板12的开孔位置相同。隧道开挖时导向钢板24与侧壁I之间通过高强螺栓4连接。在平钢板25与圆形洞口 11对应位置根据不同的试验比尺按实际隧道形状设置开挖隧道口 27。
[0031]顶盖2上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板14，交叉肋板14提高顶盖2的强度和刚度，顶盖2与侧壁I通过螺栓4连接。顶盖2焊接一根连接管15，连接管15作为地应力加载系统的连接孔使用。顶盖的作用是提供加载地应力的平台。
[0032]试验台架的底板3根据隧道位置设置4根带丝钢管17，带丝钢管17穿过底板3并与底板3通过焊接方式连接，试验台架内部的钢管端部通过丝扣与预埋注浆管连接，试验台架外的钢管端部通过丝扣与阀门连接，阀门连接注浆管路。底板3与侧壁通过高强螺栓4连接。
[0033]半圆弧单元6之间的连接处、模型环单元5之间的连接处、侧壁I与顶盖2的连接处、侧壁I与底板3的连接处均放置IOmm厚的橡胶垫，保证模型的密封性。
[0034]试验台架放置在钢筋混凝土支撑架19上，钢筋混凝土支撑架19由支撑钢板20、4根钢筋混凝土柱21和钢筋混凝土平台22构成。钢筋混凝土柱21与钢筋混凝土平台22为一体化浇筑而成，每根钢筋混凝土柱21上预埋两根螺丝杆23，支撑钢板20在与螺丝杆相对应位置设置螺栓孔，支撑钢板20与钢筋混凝土柱21通过螺丝杆23连接。支撑钢板20为一圆环形钢板，厚IOmm,外径2000mm,内径1100mm。试验台架直接放置在支撑钢板20之上，支撑钢板20在底板3螺栓孔对应位置设置螺栓孔，支撑钢板20、底板3和侧壁I通过高强螺栓4连接。钢筋混凝土支撑架19保证了底板3下部有足够的操作空间。
[0035]隧道开挖及注浆模型试验台架装置使用方法，它的步骤为:
步骤一:在钢筋混凝土支撑架上安装试验台架。固定试验台架的底板，将两个半圆弧单元通过高强螺栓连接成模型环单元，通过螺栓连接模型环单元、底板与支撑钢板，所有螺栓连接处放置橡胶垫以保证密封性。随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元，这样可以避免一次性架设试验台架所带来的填料与埋设监测元件操作空间不足的问题。
[0036]步骤二:安装内部注浆管。在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设计的隧道位置布设4个内部预埋注浆管。
[0037]步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质并预置断层。在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质，目的是提高其强度并降低其渗透率，防止浆液或水沿试验台架内部侧壁流动，影响实验结果。其他区域的围岩介质正常填料。根据断层的几何参数预置断层。根据上述断层的几何参数填筑断层。
[0038]步骤四:隧道开挖。用导向钢板替换弧形封闭钢板，以导向钢板上的开挖隧道口为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后等待一段时间，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖。
[0039]步骤五:对隧道围岩实施注浆。按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆堵水加固。注浆过程中利用P-Q-t记录仪记录注浆压力、注浆速率随时间的变化。
[0040]步骤六:注浆后开挖隧道。注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯通。
[0041]步骤七:模型试验系统拆除。拆除侧壁，拆模过程中记录浆液扩散形态，并在重要位置取样用于后续研究。模型试验结束。
【权利要求】
1.一种隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:包括侧壁、用于提供加载地应力平台的顶盖和设于钢筋混凝土支撑架顶部的底板，所述的侧壁垂直设立于底板且与底板连接，顶盖设于侧壁的顶部且与侧壁相连；所述的侧壁由多个在竖直方向上叠放在一起的模型环单元依次连接而成；且在隧道设计位置对应模型环单元的直径方向正对设置两个空洞，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵孔洞，弧形封闭钢板与侧壁相连接。
2.如权利要求1所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:所述的模型环单元由两个半圆弧单元连接而成；彼此相邻模型环单元由半圆环式肋板连接构成侧壁。
3.如权利要求2所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:半圆弧单元包括弧板、半圆环式肋板、竖直肋板，所述弧板圆周方向的顶部、底部沿边缘焊接半圆环式肋板；弧板的沿圆周方向的两端与中部均设有与其相连的竖直肋板；且所述竖直肋板在竖直方向上与半圆环式肋板连接，且在半圆环式肋板上钻有孔。
4.如权利要求3所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:所述的弧板上设置有作为模型内外的注浆管连接装置使用或者作为监测系统的引线管使用的两个连接管。
5.如权利要求1所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:所述的顶盖为圆形，其顶部设有用于提高顶盖的强度和刚度交叉肋板，其上设有一个穿过其到达试验台架内部且作为地应力加载系统的连接孔使用的连接管。
6.如权利要求1所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:所述的底板上设置有多根管道，管道穿过底板并与底板连接；且位于试验台架内部的管道端部通过丝扣与注浆管连接，试验台架外的管道端部连接注浆管路。
7.如权利要求1所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:隧道开挖时，用导向钢板替换弧形封闭钢板，导向钢板为开挖隧道提供开挖基准。
8.如权利要求7所述的隧道开挖及注浆模型试验台架装置，其特征在于:所述导向钢板由平钢板和两个与侧壁相同弧度的连接板构成，平钢板与连接板连接；在平钢板四个角的位置开孔，开孔位置与弧形封闭钢板的开孔位置相同。
9.隧道开挖及注浆模型试验台架装置使用方法，其特征在于，步骤如下: 步骤一:在钢筋混凝土支撑架上安装试验台架；且固定试验台架的底板，将两个半圆弧单元通过高强螺栓连接成模型环单元，通过螺栓连接模型环单元、底板与支撑钢板，所有螺栓连接处放置橡胶垫以保证密封性；随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元; 步骤二:安装内部注浆管；在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设定的隧道位置布设4个内部预埋注浆管； 步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质并预置断层；在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质；其他区域的围岩介质正常填料； 步骤四:隧道开挖；用导向钢板替换弧形封闭钢板，以导向钢板上的开挖隧道口为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后按照设定的时间的停一下，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖；步骤五:对隧道围岩实施注浆；按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆加固；注浆过程中利用记录仪记录注浆压力、注浆速率随时间的变化； 步骤六:注浆后开挖隧道；注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯通； 步骤七:模型试验系统拆除；拆除侧壁，拆模过程中记录浆液扩散形态，并取样用于后续研究；模型试 验结束。
【文档编号】G01N33/00GK103940968SQ201410181489
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】张霄, 李志鹏, 张连震, 朱明听, 谭英华, 李鹏, 郑东柱 申请人:山东大学