本发明公开了一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法，它包括支架，在支架的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件；所述固定杆件的侧端面垂直焊接有凸出螺杆，所述凸出螺杆将螺纹固定杆安装在固定杆件的末端；所述螺纹固定杆上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒相配合，所述固定筒固定在隧洞衬片的内壁上，所述隧洞衬片设置在模拟隧洞的内壁。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
1.模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据合适的尺寸制作模拟隧洞（2），预制合适尺寸的隧洞衬片（11），在每一块隧洞衬片（11）的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器（14），并用强力胶将衬片粘贴在模拟隧洞（2）的内壁；
步骤2：在模拟隧洞（2）两端洞口组装支架（1），每隔一段距离在支架（1）上的绝缘管同一截面的不同方位角上焊接有固定杆件（3）与支架（1）形成一个整体，并且与固定杆件（3）垂直面上焊接有凸出螺杆（4）；
步骤3：根据弹簧（10）尺寸制作合适尺寸的开孔的调节板（9），并将弹簧（10）焊接在中心开孔的调节板（9）上；
步骤4：在固定杆件（3）上通过螺纹固定好调节板（9）和弹簧（10），并将弹簧（10）的另一端与隧洞衬片（11）的扣环（13）连接，将弹簧（10）置于固定筒（12）内；
步骤5：根据压力传感器（14）所测得压力值，通过旋转调节板改变其在螺纹固定杆（5）上的位置以调节弹簧（10）所施加的力；
步骤6：模拟隧洞开挖后整体衬砌支护力学响应具体操作如下：同时向上旋转调节板（9）旋转调节各个独立的调节板（9）使其各个弹簧（10）的弹力相等，弹簧（10）所施加的荷载为向上的压力，改变弹簧（10）的弹力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器（14）和多点位移计（15）监测隧洞各监测点的各项力学响应；
步骤7：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：针对局部位置向下旋转所对应的调节板（9），弹簧所施加的荷载为向下的拉力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器（14）和多点位移计（15）监测隧洞各监测点的各项力学响应；
步骤8：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：针对局部需加强支护的位置向上旋转所对应的调节板，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；
所述模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，它包括支架（1），所述支架（1）放置在模拟隧洞（2）的内部，在支架（1）的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件（3）；所述固定杆件（3）的侧端面垂直焊接有凸出螺杆（4），所述凸出螺杆（4）将螺纹固定杆（5）安装在固定杆件（3）的末端；所述螺纹固定杆（5）上安装有加卸载结构，所述加卸载结构的顶端与固定筒（12）相配合，所述固定筒（12）固定在隧洞衬片（11）的内壁上，所述隧洞衬片（11）设置在模拟隧洞（2）的内壁；所述固定筒（12）所在位置的隧洞衬片（11）上固定有扣环（13）；所述隧洞衬片（11）和模拟隧洞（2）之间的接触面贴合有多个压力传感器（14）；
所述加卸载结构包括调节板（9），所述调节板（9）通过螺纹配合安装在螺纹固定杆（5）的螺纹段上，所述螺纹固定杆（5）的外部套装有弹簧（10），所述弹簧（10）的一端与调节板（9）接触配合，另一端设置在固定筒（12）内部，并与扣环（13）相连。
2.根据权利要求1所述的模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于：所述螺纹固定杆（5）采用变截面结构，分为两部分，上部为一段带有螺纹的圆柱钢筋（6），其下部位于圆柱钢筋（6）的底部末端焊接一块带有圆孔的长方体钢板（7），所述圆孔与凸出螺杆（4）相配合，并通过安装在凸出螺杆（4）上的螺母（8）将螺纹固定杆（5）固定在固定杆件（3）上。
3.根据权利要求1所述的模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于：所述螺纹固定杆（5）的顶端与隧洞衬片（11）的顶部内壁之间存在一定间距。
4.根据权利要求1所述的模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于：所述模拟隧洞（2）内部需要监测的位置布置有多个多点位移计（15）。
5.根据权利要求1所述的模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于：所述模拟隧洞（2）采用现场取样的材料模拟制成，所述隧洞衬片（11）的形状根据隧洞内壁的弧度变化调整，并采用强力胶将隧洞衬片（11）与模拟隧洞（2）直接粘贴在一起，使得衬片表面和模拟隧洞（2）洞壁完全贴合固定在一起。
6.根据权利要求1所述的模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于：所述弹簧（10）包括多根不同劲度系数K。
一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置和方法，主要适用于对隧洞围岩开挖后隧洞的变形及支护的力学响应监测，属于隧道工程领域，具体涉及一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置及使用方法。
背景技术
[0002] 隧洞工程如今常见于水利、岩土及地下工程等各个领域的施工范围中，包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道，以及地下铁道和水底隧道等；工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军用方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的地下发电厂房以及其他各种水工隧洞等。因此隧洞施工逐渐变得日常化以及频繁化，而对隧洞的施工的要求也逐渐提高，尤其是在其耐久性以及稳定性方面；如关角铁路隧道施工期间，隧底上鼓约1m，通车后隧底上鼓30cm；辛普伦铁路隧道横通道边墙、拱部和底部破裂、隆起。因此，解决这一系列问题支护技术的研究对隧洞工程具有重要意义。
[0003] 作为隧洞施工中必不可缺的一个步骤，支护及衬砌是十分重要的，只有做好支护衬砌才能保证隧洞的整体稳定性以及稳定性。而通过对隧洞岩土体开挖及支护的模拟，施工人员才能更好的了解隧洞的局部及整体受力和后期的形变，以此作为施工中的一个重要参考资料。但现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，此发明针对隧洞开挖后整体稳定性的监测需求及现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差等问题。创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，根据监测结果为实际工程的施工提供有效参考数据。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
[0005] 本发明通过调节弹簧弹力作用在隧洞上，来模拟隧洞开挖后受力特征，通过压缩弹簧来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，利用该装置可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测，得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。
[0006] 为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，它包括支架，所述支架放置在模拟隧洞的内部，在支架的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件；所述固定杆件的侧端面垂直焊接有凸出螺杆，所述凸出螺杆将螺纹固定杆安装在固定杆件的末端；所述螺纹固定杆上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒相配合，所述固定筒固定在隧洞衬片的内壁上，所述隧洞衬片设置在模拟隧洞的内壁；所述固定筒所在位置的隧洞衬片上固定有扣环；所述隧洞衬片和模拟隧洞之间的接触面贴合有多个压力传感器。
[0007] 所述螺纹固定杆采用变截面结构，分为两部分，上部为一段带有螺纹的圆柱钢筋，其下部并位于圆柱钢筋的底部末端焊接一块带有圆孔的长方体钢板，所述圆孔与凸出螺杆相配合，并通过安装在凸出螺杆上的螺母将螺纹固定杆固定在固定杆件上。
[0008] 所述加卸载结构包括调节板，所述调节板通过螺纹配合安装在螺纹固定杆的螺纹段上，所述螺纹固定杆的外部套装有弹簧，所述弹簧的一端与调节板接触配合，另一端设置在固定筒内部，并与扣环相连。
[0009] 所述螺纹固定杆的顶端与隧洞衬片的顶部内壁之间存在一定间距。
[0010] 所述压力传感器布置在隧洞衬片的中心位置和四个角上。
[0011] 所述模拟隧洞内部需要监测的位置布置有多个多点位移计。
[0012] 所述模拟隧洞采用现场取样的材料模拟制成，所述隧洞衬片的形状根据隧洞内壁的弧度变化调整，并采用强力胶将隧洞衬片与模拟隧洞直接粘贴在一起，使得衬片表面和模拟隧洞洞壁完全贴合固定在一起。
[0013] 所述弹簧包括多根不同劲度系数K。
[0014] 采用任意一项模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：
[0015] Step1：根据合适的尺寸制作模拟隧洞，预制合适尺寸的隧洞衬片，在每一块隧洞衬片的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器，并用强力胶将衬片粘贴在模拟隧洞的内壁；
[0016] Step2：在模拟隧洞两端洞口组装支架，每隔一段距离在支架上的绝缘管同一截面的不同方位角上焊接有固定杆件与支架形成一个整体，并且与固定杆件垂直面上焊接有凸出螺杆；
[0017] Step3：根据弹簧尺寸制作合适尺寸的开孔的调节板，并将弹簧焊接在中心开孔的调节板上；
[0018] Step4：在固定杆件上通过螺纹固定好调节板和弹簧，并将弹簧的另一端与隧洞衬片的扣环连接，将其置于固定筒内；
[0019] Step5：根据压力传感器所测得压力值，通过旋转调节板改变其在螺纹固定杆上的位置以调节弹簧所施加的力；
[0020] Step6：模拟隧洞开挖后整体衬砌支护力学响应具体操作如下：同时向上旋转调节板旋转调节各个独立的调节板使其各个弹簧的弹力相等，弹簧所施加的荷载为向上的压力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；
[0021] Step7：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：针对局部位置向下旋转所对应的调节板，弹簧所施加的荷载为向下的拉力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；
[0022] Step8：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：针对局部需加强支护的位置向上旋转所对应的调节板，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应。
[0023] 本发明与现有的技术相比，具有的有益效果为：
[0024] 1、创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，每个部分可独立工作，可对所需监测的位置实时监测，简单快捷。
[0025] 2、本发明通过调节弹簧弹力作用在隧洞上，来模拟隧洞开挖后受力特征，通过压缩弹簧来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测。
[0026] 3、本发明可得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。
[0027] 4、本发明装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，所测得的数据更加接近真实值，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
[0028] 5、该装置可长时间对隧洞受力变形进行监测和实时监测，且该装置可拆卸，所述的结构均可以根据实际情况进行改变，提高了装置的灵活性以及可模拟性。
附图说明
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0030] 图1为本发明所涉及装置某一截面整体详图。
[0031] 图2为本发明所涉及装置的一个加卸载局部详图。
[0032] 图3为本发明涉及衬片压力传感器布置示意图。
[0033] 图4为本发明涉及隧洞装置整体结构示意图；
[0034] 图中，支架1、模拟隧洞2、固定杆件3、凸出螺杆4、螺纹固定杆5、圆柱钢筋6、长方体钢板7、螺母8、调节板9、弹簧10、隧洞衬片11、固定筒12、扣环13、压力传感器14、多点位移计15。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0036] 实施例1：
[0037] 参照图1-4，一种模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，它包括支架1，所述支架1放置在模拟隧洞2的内部，在支架1的顶部支撑安装有绝缘管；沿着绝缘管的长度方向每隔一段距离，并在其同一截面不同方位角上焊接固定有固定杆件3；所述固定杆件
3的侧端面垂直焊接有凸出螺杆4，所述凸出螺杆4将螺纹固定杆5安装在固定杆件3的末端；
所述螺纹固定杆5上安装有加卸载结构，所述加载结构的顶端与固定筒12相配合，所述固定筒12固定在隧洞衬片11的内壁上，所述隧洞衬片11设置在模拟隧洞2的内壁；所述固定筒12所在位置的隧洞衬片11上固定有扣环13；所述隧洞衬片11和模拟隧洞2之间的接触面贴合有多个压力传感器14。本发明通过调节弹簧弹力作用在隧洞上，来模拟隧洞开挖后受力特征，通过压缩弹簧来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，利用该装置可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测，得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。
[0038] 进一步的，所述支架及其他部分所采用的材料必须强度较大、刚性较好，且各部分的连接应牢固，以达到对模拟隧洞洞壁施加足够支持力或拉力的目的，同时可避免因形变而对数据结果产生影响。
[0039] 进一步的，所述螺纹固定杆5采用变截面结构，分为两部分，上部为一段带有螺纹的圆柱钢筋6，其下部并位于圆柱钢筋6的底部末端焊接一块带有圆孔的长方体钢板7，所述圆孔与凸出螺杆4相配合，并通过安装在凸出螺杆4上的螺母8将螺纹固定杆5固定在固定杆件3上。
[0040] 进一步的，所述加卸载结构包括调节板9，所述调节板9通过螺纹配合安装在螺纹固定杆5的螺纹段上，所述螺纹固定杆5的外部套装有弹簧10，所述弹簧10的一端与调节板9接触配合，另一端设置在固定筒12内部，并与扣环13相连。所述固定筒的半径应略大于弹簧但不宜过大，固定筒可以对弹簧进行固定，确保了在调节与监测过程中弹簧对垫片的施力点不发生改变，避免了因弹簧移动而导致结果出现较大偏差的情况的产生。
[0041] 进一步的，所述螺纹固定杆5的顶端与隧洞衬片11的顶部内壁之间存在一定间距。
[0042] 进一步的，所述压力传感器14布置在隧洞衬片11的中心位置和四个角上。
[0043] 进一步的，所述模拟隧洞2内部需要监测的位置布置有多个多点位移计15。所述模拟隧洞的大小及类型可根据实际情况进行改变，增强了装置的实用性及适用范围。
[0044] 进一步的，所述模拟隧洞2采用现场取样的材料模拟制成，所述隧洞衬片11的形状根据隧洞内壁的弧度变化调整，并采用强力胶将隧洞衬片11与模拟隧洞2直接粘贴在一起，使得衬片表面和模拟隧洞2洞壁完全贴合固定在一起。
[0045] 进一步的，所述弹簧10包括多根不同劲度系数K。可根据施加荷载的大小来更换劲度系数K。
[0046] 进一步的，所述的同一截面上的弹簧结构可独立工作，研究针对隧洞局部某一位置的坍塌变形时，可使得同一截面的其他弹力保持不变，只通过调节变形位置的弹簧，增大其拉力，用拉力来进行局部围岩大变形受力的模拟，而研究针对隧洞受力较大的局部位置，工程中加强支护时后的受力规律，可通过只调节该位置的弹簧，压缩弹簧来给隧洞施加支护荷载，来模拟工程中局部加强支护的效果，通过监测的结果可对实际工程中隧洞受力较大和危险区域进行重点加固和监测。
[0047] 实施例2：
[0048] 采用任意一项模拟隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：
[0049] Step1：根据合适的尺寸制作模拟隧洞2，预制合适尺寸的隧洞衬片11，在每一块隧洞衬片11的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器14，并用强力胶将衬片粘贴在模拟隧洞2的内壁；
[0050] Step2：在模拟隧洞2两端洞口组装支架1，每隔一段距离在支架1上的绝缘管同一截面的不同方位角上焊接有固定杆件3与支架1形成一个整体，并且与固定杆件3垂直面上焊接有凸出螺杆4；
[0051] Step3：根据弹簧10尺寸制作合适尺寸的开孔的调节板9，并将弹簧11焊接在中心开孔的调节板9上；
[0052] Step4：在固定杆件3上通过螺纹固定好调节板9和弹簧10，并将弹簧10的另一端与隧洞衬片11的扣环13连接，将其置于固定筒12内；
[0053] Step5：根据压力传感器14所测得压力值，通过旋转调节板改变其在螺纹固定杆5上的位置以调节弹簧10所施加的力；
[0054] Step6：模拟隧洞开挖后整体衬砌支护力学响应具体操作如下：同时向上旋转调节板9旋转调节各个独立的调节板9使其各个弹簧10的弹力相等，弹簧10所施加的荷载为向上的压力，改变弹簧10的弹力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器14和多点位移计15监测隧洞各监测点的各项力学响应；
[0055] Step7：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：针对局部位置向下旋转所对应的调节板9，弹簧所施加的荷载为向下的拉力，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器14和多点位移计15监测隧洞各监测点的各项力学响应；
[0056] Step8：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：针对局部需加强支护的位置向上旋转所对应的调节板，改变弹簧的弹力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的弹簧向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应。
[0057] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
