专利摘要

本发明专利涉及一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置及方法，在矩形坑体的四个侧面以及顶部分别设置有侧板，在四个侧面所在位置的侧板外部设置有用于施加压力的液压千斤顶，位于顶部的侧板通过锚杆锚固在矩形坑体的地面以下部位；所述侧板的其中一个侧面中心位置加工有卸荷孔，所述卸荷孔所在位置的软岩岩样上加工有孔洞，所述孔洞的内壁上布设压力传感器和应变片；所述压力传感器和应变片分别通过导线与采集系统相连；所述孔洞内部设置有分区支架，在分区支架的不同分区设置有油囊。解决隧洞流质衬砌最佳支护力大小的确定问题，而且此方法操作简便，成本低，测量时间短和测量精度高。

权利要求

1.采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，所述模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置包括用于放置软岩岩样的矩形坑体，在矩形坑体的四个侧面以及顶部分别设置有侧板（2），在四个侧面所在位置的侧板（2）外部设置有用于施加压力的液压千斤顶（3），位于顶部的侧板（2）通过锚杆（4）锚固在矩形坑体的地面以下部位；所述侧板（2）的其中一个侧面中心位置加工有卸荷孔（8），所述卸荷孔（8）所在位置的软岩岩样上加工有孔洞，所述孔洞的内壁上布设压力传感器（6）和应变片（5）；所述压力传感器（6）和应变片（5）分别通过导线（13）与采集系统（12）相连；所述孔洞内部设置有分区支架（10），在分区支架（10）的不同分区设置有油囊（9）；

其特征在于，所述模拟的方法包括如下步骤：

S1，获取应力状态：

S1.1，现场使用应力恢复法或应力解除法获取山体的地应力大小；

S1.2，在现场地势开阔处开挖方形空间构成矩形坑体，将获取的软岩岩样放置在矩形坑体，用五块侧板（2）将软岩岩样封闭；

S1.3，通过液压千斤顶（3）对侧面四块侧板（2）进行施压，顶部的侧板（2）通过深入地面的锚杆（4）固定锁死，形成对软岩岩样的封闭空间；

S1.4，在顶部的侧板（2）上使用打孔器打出四排深入岩样内部的竖直孔，压力传感器（6）通过固定带固定在长度为装置高度一半的杆件（7）末端，然后将杆件（7）放入竖直孔内，再将杆件（7）上端固定在顶部的侧板（2）上，用来测量岩样内部的应力状况，便于调节软岩岩样应力状态与原位一致；

S2，开挖卸荷：

S2.1，使用高压水刀在一侧板（2）上切割出一个圆形的卸荷孔（8），然后在卸荷孔（8）处进行人工或打孔机开挖横向的孔洞；

S2.2，开挖之后再孔洞内壁贴上与采集系统（12）连接的应变片（5）和压力传感器（6），开启应变片（5）和压力传感器（6），监测临空面的位移和应力大小，同时通过非金属超声监测仪（11）检测松动圈的深度；

S3，充填支护：

先在卸荷孔（8）内放入分区支架（10），然后再在分区支架（10）不同区域各放置一个油囊（9），采用先往油囊（9）内填充液体然后装换为泥沙固体来模拟支护力 ，同时应变片（5）处于工作状态；

S4，数据监测与处理：

S4.1，通过应变片（5）测出隧洞临空面位移l支护力P，得出l随着指定支护力P的变化曲线，找出p-l曲线斜率△l/△P突变点对应的支护力Pj1，即为围岩所需最佳支护力；若支护结构提供的支护力Pz＜Pj1，则单位支护力的降低会导致位移迅速增大；若Pz＞Pj1，则单位荷载的变化量对应的位移变化值较小；

S4.2，通过非金属超声监测仪（11）测量隧洞松动圈深度lz，具体操作为，用普通锚杆钻机钻孔，在卸荷孔内壁打一个信号接收孔，然后再在外部打一个对应信号发射孔，测量结束后，利用计算机数据分析系统，将效果最好的、并且具有代表性的读数作为测量结果的最终分析数据；

S4.3，通过压力传感器（6）测量支护力，绘制lz随指定支护力P的变化曲线，找出P-lz曲线斜率△lz/△P突变点对应的支护力Pj2，即为围岩所需最佳支护力；若Pz＜Pj2，则单位支护力的降低会导致松动圈深度迅速增大；若Pz＞Pj2，则单位支护力对应的位移变形值较小。

2.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：所述软岩岩样为从现场提取的方形软岩岩体。

3.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：多块所述侧板（2）之间围成对软岩岩样的封闭空间，使获取的软岩岩样压实的同时模拟原环境内四周岩体对软岩岩样的应力。

4.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：所述侧板（2）采用透明的高强度板材制成。

5.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：位于顶部的侧板（2）上加工有多个竖直孔，所述竖直孔深入到软岩岩样的内部一定深度，在竖直孔内部设置有杆件（7），在杆件（7）的末端安装压力传感器（6），所述杆件（7）的顶部末端固定在侧板（2）上。

6.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：所述侧板（2）上并位于卸荷孔（8）所在的一侧沿着其中心轴线位置对称设置有刻度线。

7.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：所述分区支架（10）采用两块钢板焊接成X形，构成四块分隔开的区域，分区支架（10）由油囊（9）支撑，不与孔洞内壁产接触，在每个区域放一个油囊（9）。

8.根据权利要求1或7所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：所述油囊（9）是采用TPU材料粘接而成的容器，具有强度较高、耐磨性特性，采取先填充油液体，然后将泥沙固体物质泵送进油囊（9）从而把液体挤压排出的方式，油和泥沙混合后凝固，降低油囊（9）内填充物泄露可能性的同时，提供稳定持久的支护；通过给油囊加压的装置来控制油囊提供的支护力的加载速率和量级。

9.根据权利要求1所述的采用模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，其特征在于：开挖孔洞之后，采用非金属超声监测仪（11）并结合双孔测试法测量松动圈的深度。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程领域，涉及一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的技术。

背景技术

隧洞衬砌支护的核心内容是围岩和支护，隧洞设计的主要目的是针对围岩制定与其相对应的支护和施工方法。为了能有效的对围岩变形进行控制，就必须搞清楚围岩的受力变形特征，并进一步解决围岩和支护结构的相互作用。当支护结构的支持力不够时，将会导致围岩的临空面移动并且松动圈深度增大，不足以保证围岩的稳定；而当支护结构的支持力过大时，会对围岩产生过大的压力，将会导致围岩破碎，反而降低了围岩的稳定性。

如今随着新技术、新科学的引入，隧道工程中对围岩与支护相互作用的研究也正逐步深化，但是对于衬砌最佳支护力方面的研究有所缺失。

现今并没有能直接简便快速测量隧洞衬砌最佳支护力的装置，而有较大的具有围岩测试功能的装置存在以下问题：占地面积大，设备进场困难，现场测量工期长，成本高，设备测量运行过程中，破坏了原有土体的应力分布，测量不准确。

发明内容

本发的目的是提供一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置及方法，解决隧洞流质衬砌最佳支护力大小的确定问题，当隧洞岩体在最佳支护力的支撑下，将保持更加稳定持久的支护，避免了因支护力过大或过小引起的支护结构垮塌；而且此方法操作简便，成本低，测量时间短和测量精度高。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置，它包括用于放置软岩岩样的矩形坑体，在矩形坑体的四个侧面以及顶部分别设置有侧板，在四个侧面所在位置的侧板外部设置有用于施加压力的液压千斤顶，位于顶部的侧板通过锚杆锚固在矩形坑体的地面以下部位；所述侧板的其中一个侧面中心位置加工有卸荷孔，所述卸荷孔所在位置的软岩岩样上加工有孔洞，所述孔洞的内壁上布设压力传感器和应变片；所述压力传感器和应变片分别通过导线与采集系统相连；所述孔洞内部设置有分区支架，在分区支架的不同分区设置有油囊。

所述软岩岩样为从现场提取的方形软岩岩体。

多块所述侧板之间围成对软岩岩样的封闭空间，使获取的软岩岩样压实的同时模拟原环境内四周岩体对软岩岩样的应力。

所述侧板采用透明的高强度板材制成。

位于顶部的侧板上加工有多个竖直孔，所述竖直孔深入到软岩岩样的内部一定深度，在竖直孔内部设置有杆件，在杆件的末端安装压力传感器，所述杆件的顶部末端固定在侧板上。

所述侧板上并位于卸荷孔所在的一侧沿着其中心轴线位置对称设置有刻度线。

所述分区支架采用两块钢板焊接成X形，构成四块分隔开的区域，分区支架由油囊支撑，不与孔洞内壁产接触，在每个区域放一个油囊。

所述油囊是采用TPU材料粘接而成的容器，具有强度较高、耐磨性特性，采取先填充油液体，然后将泥沙固体物质泵送进油囊从而把液体挤压排出的方式，油和泥沙混合后凝固，降低油囊内填充物泄露可能性的同时，提供稳定持久的支护；通过给油囊加压的装置来控制油囊提供的支护力的加载速率和量级。

开挖孔洞之后，采用非金属超声监测仪并结合双孔测试法测量松动圈的深度。

采用任意一项所述模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，它包括如下步骤：

S1，获取应力状态：

S1.1，现场使用应力恢复法或应力解除法等获取山体的地应力大小；

S1.2，在现场地势开阔处开挖方形空间构成矩形坑体，将获取的软岩岩样放置在矩形坑体，用五块侧板将软岩岩样封闭；

S1.3，通过液压千斤顶对侧面四块侧板进行施压，上侧板通过深入地面的锚杆固定锁死，形成对软岩岩样的封闭空间；

S1.4，在上侧板上使用打孔器打出四排深入岩样内部的竖直孔，压力传感器通过固定带固定在长度为装置高度一半的杆件末端，然后将杆件放入竖直孔内，再将杆件上端固定在上侧板上，用来测量岩样内部的应力状况，便于调节软岩岩样应力状态与原位一致；

S2，开挖卸荷：

S2.1，使用高压水刀在一侧板上切割出一个圆形的卸荷孔，然后在卸荷孔处进行人工或打孔机开挖横向的孔洞；

S2.2，开挖之后再孔洞内壁贴上与采集系统连接的应变片和压力传感器，开启应变片和压力传感器，监测临空面的位移和应力大小，同时通过非金属超声监测仪检测松动圈的深度；

S3，充填支护：

先在卸荷孔内放入分压支架，然后再在分压支架不同区域各放置一个油囊，采用先往油囊内填充液体然后装换为泥沙等固体来模拟支护力 ，同时应变片处于工作状态；

S4，数据监测与处理：

S4.1，通过应变片测出隧洞临空面位移l支护力P，得出l随着指定支护力P的变化曲线，找出p-l曲线斜率△l/△P突变点对应的支护力P_j1，即为围岩所需最佳支护力；若支护结构提供的支护力P_z＜P_j1，则单位支护力的降低会导致位移迅速增大；若P_z＞P_j1，则单位荷载的变化量对应的位移变化值较小；

S4.2，通过非金属超声监测仪测量隧洞松动圈深度l_z，具体操作为，用普通锚杆钻机钻孔，在卸荷孔内壁打一个信号接收孔，然后再在外部打一个对应信号发射孔，测量结束后，利用计算机数据分析系统，将效果最好的、并且具有代表性的读数作为测量结果的最终分析数据；

S4.3，通过压力传感器测量支护力，绘制l_z随指定支护力P的变化曲线，找出P-l_z曲线斜率△l_z/△P突变点对应的支护力P_j2，即为围岩所需最佳支护力；若P_z＜P_j2，则单位支护力的降低会导致松动圈深度迅速增大；若P_z＞P_j2，则单位支护力对应的位移变形值较小。

本发明有如下有益效果：

本发明克服了现有测试装置成本高，操作复杂，测量不准确的问题，具有结构简单，可模拟隧洞衬砌最佳支护力，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的侧板组成的封闭空间与压力传感器布设的结构示意图。

图3为本发明的结构俯视图。

图4为本发明的应变片、压力传感器以及非金属超声探测仪连接示意图。

图5为松动圈的深度和临空面的位移与支护力大小的关系。

图中：侧板2、液压千斤顶3、锚杆4、应变片5、压力传感器6、杆件7、卸荷孔8、油囊9、分区支架10、非金属超声监测仪11、采集系统12、导线13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-5，一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置，它包括用于放置软岩岩样的矩形坑体，在矩形坑体的四个侧面以及顶部分别设置有侧板2，在四个侧面所在位置的侧板2外部设置有用于施加压力的液压千斤顶3，位于顶部的侧板2通过锚杆4锚固在矩形坑体的地面以下部位；所述侧板2的其中一个侧面中心位置加工有卸荷孔8，所述卸荷孔8所在位置的软岩岩样上加工有孔洞，所述孔洞的内壁上布设压力传感器6和应变片5；所述压力传感器6和应变片5分别通过导线13与采集系统12相连；所述孔洞内部设置有分区支架10，在分区支架10的不同分区设置有油囊9。通过采用上述的装置，能够用于模拟隧洞流质衬砌支护最佳支护力，其有效的克服了原隧洞支护力现场测量复杂、劳动强度大、成本高等问题，具有结构简单、成本低、测量简便和可快速获取隧洞衬砌最佳支护力等特点。

进一步的，所述软岩岩样为从现场提取的方形软岩岩体。

进一步的，所提取的软岩岩体边长为2m。与软岩岩样相匹配的矩形坑体深2m，边长为2.8m的方形空间。

进一步的，多块所述侧板2之间围成对软岩岩样的封闭空间，使获取的软岩岩样压实的同时模拟原环境内四周岩体对软岩岩样的应力。其中所述的液压千斤顶3用于对侧板2的四个侧面施加压力，通过顶部的锚杆4用于锁定顶部的侧板4，进而使得空间内部的软岩岩样受到模拟原位岩体的三向应力。

进一步的，所述侧板2采用透明的高强度板材制成。通过采用上述的材质便于观测内部岩样变形程度的同时能承受较大的压力。

进一步的，位于顶部的侧板2上加工有多个竖直孔，所述竖直孔深入到软岩岩样的内部一定深度，在竖直孔内部设置有杆件7，在杆件7的末端安装压力传感器6，所述杆件7的顶部末端固定在侧板2上。用来测量岩样内部的应力状况，便于调节软岩岩样应力状态与原位一致。

进一步的，所述侧板2上并位于卸荷孔8所在的一侧沿着其中心轴线位置对称设置有刻度线。便于定位和监测临空面与松动圈的情况。其中所述的液压千斤顶3一端与侧板2抵触施压，另一端与开挖的方形空间内壁抵触施压；所述锚杆4一端与上侧板2通过螺母锁死，另一端深锚处理。

进一步的，所述应变片5和压力传感器6在开挖孔洞后使用环氧胶贴在孔洞内壁，用来测量临空面的位移和应力状况，应变片5和压力传感器6通过导线13与采集系统12相连接。所述压力传感器6和应变片5各三环分布在孔洞内壁，每环三个以上，分布位置可以根据实际情况进行适当的改变，提高数据的精确性。

进一步的，所述卸荷孔8由高压水刀切割一侧板2而成，大小直径约为0.7m，卸荷孔边缘距PC板边缘约0.6m，便于之后在卸荷孔8处人工或打孔机开挖孔洞。

进一步的，所述分区支架10采用两块钢板焊接成X形，构成四块分隔开的区域，分区支架10由油囊9支撑，不与孔洞内壁产接触，在每个区域放一个油囊9。便于在不同的部位提供不同大小的支护力。

进一步的，所述油囊9是采用TPU材料粘接而成的容器，具有强度较高、耐磨性特性，采取先填充油液体，然后将泥沙固体物质泵送进油囊9从而把液体挤压排出的方式，油和泥沙混合后凝固，降低油囊9内填充物泄露可能性的同时，提供稳定持久的支护；通过给油囊加压的装置来控制油囊提供的支护力的加载速率和量级。

进一步的，开挖孔洞之后，采用非金属超声监测仪11并结合双孔测试法测量松动圈的深度。

实施例2：

采用任意一项所述模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置进行模拟的方法，它包括如下步骤：

S1，获取应力状态：

S1.1，现场使用应力恢复法或应力解除法等获取山体的地应力大小；

S1.2，在现场地势开阔处开挖方形空间构成矩形坑体，将获取的软岩岩样放置在矩形坑体，用五块侧板2将软岩岩样封闭；

S1.3，通过液压千斤顶3对侧面四块侧板3进行施压，上侧板2通过深入地面的锚杆4固定锁死，形成对软岩岩样的封闭空间；

S1.4，在上侧板2上使用打孔器打出四排深入岩样内部的竖直孔，压力传感器6通过固定带固定在长度为装置高度一半的杆件7末端，然后将杆件7放入竖直孔内，再将杆件7上端固定在上侧板2上，用来测量岩样内部的应力状况，便于调节软岩岩样应力状态与原位一致；

S2，开挖卸荷：

S2.1，使用高压水刀在一侧板2上切割出一个圆形的卸荷孔8，然后在卸荷孔8处进行人工或打孔机开挖横向的孔洞；

S2.2，开挖之后再孔洞内壁贴上与采集系统12连接的应变片5和压力传感器6，开启应变片5和压力传感器6，监测临空面的位移和应力大小，同时通过非金属超声监测仪11检测松动圈的深度；

S3，充填支护：

先在卸荷孔8内放入分压支架10，然后再在分压支架10不同区域各放置一个油囊9，采用先往油囊9内填充液体然后装换为泥沙等固体来模拟支护力 ，同时应变片5处于工作状态；

S4，数据监测与处理：

S4.1，通过应变片5测出隧洞临空面位移l支护力P，得出l随着指定支护力P的变化曲线，找出p-l曲线斜率△l/△P突变点对应的支护力P_j1，即为围岩所需最佳支护力；若支护结构提供的支护力P_z＜P_j1，则单位支护力的降低会导致位移迅速增大；若P_z＞P_j1，则单位荷载的变化量对应的位移变化值较小；

S4.2，通过非金属超声监测仪11测量隧洞松动圈深度l_z，具体操作为，用普通锚杆钻机钻孔，在卸荷孔内壁打一个信号接收孔，然后再在外部打一个对应信号发射孔，测量结束后，利用计算机数据分析系统，将效果最好的、并且具有代表性的读数作为测量结果的最终分析数据；

S4.3，通过压力传感器6测量支护力，绘制l_z随指定支护力P的变化曲线，找出P-l_z曲线斜率△l_z/△P突变点对应的支护力P_j2，即为围岩所需最佳支护力；若P_z＜P_j2，则单位支护力的降低会导致松动圈深度迅速增大；若P_z＞P_j2，则单位支护力对应的位移变形值较小。

本发明的工作原理为：

利用应变片5测得临空面的位移与压力传感器6测得的支护力得出位移随着支护力的变化曲线，找出曲线斜率突变点对应的支护力，即为所需最佳支护力；或利用非金属超声监测仪和压力传感器6得出围岩松动圈深度随着支护力的变化曲线，找到曲线斜率突变点对应的支护力，即为围岩所需最佳支护力。

一种模拟获取隧洞流质衬砌支护最佳支护力的装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。