隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置及試驗方法，其裝置的構(gòu)成是：側(cè)壁與上蓋及底座密封嵌置構(gòu)成圓筒狀的壓力室；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壓力室；上蓋靠近側(cè)壁處設(shè)有排氣閥；上蓋底面中部的氣缸槽上密封嵌置有直徑小于油缸的氣缸筒，所述的氣缸槽設(shè)有穿出上蓋的通氣孔，氣缸筒的活塞連有位移測量桿，位移測量桿的上端伸出上蓋與位移百分表相連；底座位于壓力室內(nèi)腔與油缸之間的部位設(shè)有進水閥。該裝置能較準確地測試出不同圍巖條件下，隧道掌子面的約束壓力與隧道掌子面的擠出變形量的關(guān)系，從而為隧道的設(shè)計與施工提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，在有效保證掌子面的穩(wěn)定的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
【專利說明】隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置及試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置及試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在隧道施工過程中，尤其是在軟弱圍巖的開挖中，掌子面(隧道的開挖面)的后方臨空、而前方受圍巖擠壓，失去平衡，掌子面會產(chǎn)生向后凸起的擠出變形。當擠出變形過大(大于經(jīng)驗控制值7cm)時，會導(dǎo)致前方圍巖破壞，掌子面崩坍，隧道失穩(wěn)，影響施工進程，甚至造成事故。為確保隧道快速安全施工，需保證掌子面穩(wěn)定，通常通過在掌子面注漿、打錨桿、分部開挖-留核心土等方法來增加掌子面(后方)的約束壓力，以控制掌子面的擠出變形。目前的隧道施工中，掌子面的擠出變形與圍巖及其施加的約束壓力的關(guān)系靠經(jīng)驗估計，也即打錨桿的數(shù)量、長度，注漿量的多少，留核心土的面積大多靠經(jīng)驗得出；使得施加的約束壓力要么過大、增加不必要的施工成本，減低施工速度；要么約束壓力過小，不能有效保證掌子面的穩(wěn)定，隧道施工的安全得不到保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的第一目的是提供一種隧道掌子面的約束壓力與擠出變形關(guān)系的試驗裝置，該裝置能較準確地測試出不同圍巖條件下，隧道掌子面的約束壓力與隧道掌子面的擠出變形量的關(guān)系，從而為隧道的設(shè)計與施工提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，在有效保證掌子面的穩(wěn)定的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
[0004]本發(fā)明實現(xiàn)其第一目的所采用的技術(shù)方案是，一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置，其特征在于:
[0005]側(cè)壁與上蓋及底座密封嵌置構(gòu)成圓筒狀的壓力室；所述的上蓋與底座的外側(cè)還通過拉桿螺紋連接，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壓力室，油缸的進出油接頭穿出底座；上蓋的靠近側(cè)壁處設(shè)有排氣閥；上蓋底面中部的氣缸槽上密封嵌置有直徑小于油缸的氣缸筒，所述的氣缸槽設(shè)有穿出上蓋的通氣孔，氣缸筒的活塞連有位移測量桿，位移測量桿的上端伸出上蓋，且位移測量桿的上端與位移百分表相連；底座位于壓力室內(nèi)腔與油缸之間的部位設(shè)有進水閥；
[0006]本發(fā)明的第二目的是提供一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置進行隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗的方法，該方法能較準確、方便地測試出不同圍巖條件下，隧道掌子面的約束壓力與隧道掌子面的擠出變形量的關(guān)系。
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)其第二目的所采用的技術(shù)方案是，一種使用上述的隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置進行隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗的方法，其具體做法是:
[0008]A.將氣缸筒從上蓋氣缸槽中取出，然后將氣缸筒的氣缸槽以下部位預(yù)埋入隧道土中制樣，制得上部預(yù)埋氣缸筒的試樣，試樣的高度等于壓力室的高度，試樣直徑等于油缸的活塞直徑；再將試樣裝入乳膠膜中并扎緊乳膠膜；隨后取出上蓋、將試樣及乳膠膜放入壓力室中，再將上蓋的氣缸槽與氣缸筒的上部對中嵌置密封連接，同時使上蓋與側(cè)壁嵌置密封連接；然后，通過通氣孔向氣缸筒通氣，使氣缸筒的活塞運動到氣缸筒的底部；
[0009]B.擰緊拉桿螺母，松開上蓋的排氣閥，水壓系統(tǒng)通過進水閥向壓力室注水，當排氣閥處有水溢出時擰緊排氣閥，隨后關(guān)閉進水閥；
[0010]C.由油壓裝置通過進出油接頭、油缸的活塞向試樣施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向圍巖壓力；由水壓裝置通過進水閥、壓力室向試樣施加設(shè)定的徑向壓力以模擬隧道的徑向圍巖壓力；隨后由氣壓裝置通過通氣孔、氣缸筒的活塞向試樣的凹面施加動態(tài)的壓力以模擬隧道掌子面約束壓力的變化，并同步記錄位移百分表的位移數(shù)值；即得到設(shè)定的軸向圍巖壓力和徑向圍巖壓力下，擠出壓力與擠出變形的關(guān)系。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明通過向壓力室注水，在壓力室內(nèi)試樣四周形成水壓以模擬隧道圍巖的徑向壓力；通過油缸向試樣的端面施加壓力以模擬隧道圍巖的軸向壓力；并在試樣的另一端，通過氣缸筒向嵌入氣缸筒形成的試樣凹槽的底面(凹面)施加動態(tài)的氣壓以模擬開挖過程中隧道掌子面的約束壓力；并由位移百分表測出試樣凹槽的底面(凹面)的變形數(shù)值。試驗時，試樣的形狀、構(gòu)造及其受力、變形與實際隧道的非常貼近。從而通過室內(nèi)試驗，可以較準確地得到設(shè)定軸向圍巖壓力和徑向圍巖壓力下，掌子面約束壓力與擠出位移量(變形)的對應(yīng)關(guān)系，掌子面約束壓力與擠出位移量(變形)的對應(yīng)關(guān)系從而為隧道的設(shè)計與施工提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，在有效保證掌子面穩(wěn)定，施工安全的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進行進一步的詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]圖1示出，一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置，其組成是:
[0016]側(cè)壁9與上蓋7及底座15密封嵌置構(gòu)成圓筒狀的壓力室；所述的上蓋7與底座15的外側(cè)還通過拉桿11螺紋連接，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向上伸入壓力室，油缸16的進出油接頭17穿出底座15 ;上蓋7的靠近側(cè)壁9處設(shè)有排氣閥4 ;上蓋7底面中部的氣缸槽上密封嵌置有直徑小于油缸16的氣缸筒8，所述的氣缸槽設(shè)有穿出上蓋7的通氣孔3，氣缸筒8的活塞10連有位移測量桿1，位移測量桿I的上端伸出上蓋7,且位移測量桿I的上端與位移百分表6相連；底座15位于壓力室內(nèi)腔與油缸16之間的部位設(shè)有進水閥19。
[0017]使用本例的隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置進行隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗的方法，其具體做法是:
[0018]A.將氣缸筒8從上蓋7氣缸槽中取出，然后將氣缸筒8的氣缸槽以下部位預(yù)埋入隧道土中制樣，制得上部預(yù)埋氣缸筒8的試樣12，試樣12的高度等于壓力室的高度，試樣12直徑等于油缸16的活塞13直徑；再將試樣12裝入乳膠膜5中并扎緊乳膠膜5 ;隨后取出上蓋7、將試樣12及乳膠膜5放入壓力室中，再將上蓋7的氣缸槽與氣缸筒8的上部對中嵌置密封連接，同時使上蓋7與側(cè)壁9嵌置密封連接；然后，通過通氣孔3向氣缸筒8通氣，使氣缸筒8的活塞10運動到氣缸筒的底部；
[0019]B.擰緊拉桿11螺母，松開上蓋7的排氣閥4，水壓系統(tǒng)通過進水閥19向壓力室注水，當排氣閥4處有水溢出時擰緊排氣閥4，隨后關(guān)閉進水閥19 ；
[0020]C.由油壓裝置通過進出油接頭17、油缸16的活塞13向試樣12施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向圍巖壓力；由水壓裝置通過進水閥19、壓力室向試樣12施加設(shè)定的徑向壓力以模擬隧道的徑向圍巖壓力；隨后由氣壓裝置通過通氣孔3、氣缸筒8的活塞10向試樣12的凹面施加動態(tài)的壓力以模擬隧道掌子面約束壓力的變化，并同步記錄位移百分表6的位移數(shù)值；即得到設(shè)定的軸向圍巖壓力和徑向圍巖壓力下，擠出壓力與擠出變形的關(guān)系。
【權(quán)利要求】
1.一種隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置，其特征在于: 側(cè)壁(9)與上蓋(7)及底座(15)密封嵌置構(gòu)成圓筒狀的壓力室；所述的上蓋(7)與底座(15)的外側(cè)還通過拉桿(11)螺紋連接，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)向上伸入壓力室，油缸(16)的進出油接頭(17)穿出底座(15)；上蓋(7)靠近側(cè)壁(9)處設(shè)有排氣閥(4);上蓋(7)底面中部的氣缸槽上密封嵌置有直徑小于油缸(16)的氣缸筒(8)，所述的氣缸槽設(shè)有穿出上蓋(7)的通氣孔(3)，氣缸筒⑶的活塞(10)連有位移測量桿(I)，位移測量桿⑴的上端伸出上蓋(7)，且位移測量桿⑴的上端與位移百分表(6)相連；底座(15)位于壓力室內(nèi)腔與油缸(16)之間的部位設(shè)有進水閥(19)。
2.一種使用上述的隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗裝置進行隧道掌子面約束壓力與擠出變形關(guān)系試驗的方法，其具體做法是: A.將氣缸筒(8)從上蓋(7)氣缸槽中取出，然后將氣缸筒(8)的氣缸槽以下部位預(yù)埋入隧道土中制樣，制得上部預(yù)埋氣缸筒(8)的試樣(12)，試樣(12)的高度等于壓力室的高度，試樣(12)直徑等于油缸(16)的活塞(13)直徑；再將試樣(12)裝入乳膠膜(5)中并扎緊乳膠膜(5);隨后取出上蓋(7)、將試樣(12)及乳膠膜(5)放入壓力室中，再將上蓋(7)的氣缸槽與氣缸筒(8)的上部對中嵌置密封連接，同時使上蓋(7)與側(cè)壁(9)嵌置密封連接；然后，通過通氣孔⑶向氣缸筒⑶通氣，使氣缸筒⑶的活塞(10)運動到氣缸筒的底部; B.擰緊拉桿(11)螺母，松開上蓋(7)的排氣閥(4)，水壓系統(tǒng)通過進水閥(19)向壓力室注水，當排氣閥 (4)處有水溢出時擰緊排氣閥(4)，隨后關(guān)閉進水閥(19)； C.由油壓裝置通過進出油接頭(17)、油缸(16)的活塞(13)向試樣(12)施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向圍巖壓力；由水壓裝置通過進水閥(19)、壓力室向試樣(12)施加設(shè)定的徑向壓力以模擬隧道的徑向圍巖壓力；隨后由氣壓裝置通過通氣孔(3)、氣缸筒(8)的活塞(10)向試樣(12)的凹面施加動態(tài)的壓力以模擬隧道掌子面約束壓力的變化，并同步記錄位移百分表(6)的位移數(shù)值；即得到設(shè)定的軸向圍巖壓力和徑向圍巖壓力下，擠出壓力與擠出變形的關(guān)系。
【文檔編號】G01N33/24GK104007247SQ201410210387
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】張志強, 李化云, 闞呈, 李永瓏, 張彪 申請人:西南交通大學(xué)