适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作装置的制作方法

本发明涉及隧道施工模拟实验技术领域,具体涉及一种适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作装置及其方法。

背景技术：

随我国地下轨道交通快速发展，隧道的数量也急剧增加，我国现已迈入隧道大国行列。隧道开挖时为控制围岩应力变化和地下结构的安全，通常需要做初期支护来承载上覆地层大部分的荷载，二次衬砌在隧道施工中仅扮演安全设备的角色。

若要研究隧道工程施工主要的研究手段有：理论分析、现场考察、模型试验和数值模拟，而模型试验是一种定性的研究手段，能有效的模拟现实施工中规律性结论；但一般情况下，在模拟中对施工以及参数做理想化处理，从而影响所得结论的有效性。在目前的室内模型试验里，常采用特定尺寸的预制铁片作为初支，相似材料模筑作为二次衬砌，两者均为预制，并在开挖后分块或由内即外的安装，这并不符合实际施工中边开挖边支护的施工方案；尤其对于较长隧道开挖模拟时支护的安装与施作都成为模型试验的难点。

基于上述问题，亟待提出一种新的技术手段，以更加贴近实际支护施工工法。

技术实现要素：

本发明为解决现有模型试验操作中相关技术不符合边开挖边支护的实际施工方案，在研究实际隧道工程施工中，无法直观呈现出实际施工遇到的现象与问题，提供一种适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作装置，不仅能够连续支护、控制步长，且能有效退出，更加贴近实际支护施工工法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作装置，包括推进杆机构和模筑环机构；

所述推进杆机构包括依次连接的前挡板、方形滑动杆和圆形滑动杆，方形滑动杆上套设有第一滑动控制环，且在第一滑动控制环上连接有第一滑动推动杆；

所述前挡板包括呈对角设置的挡板a和挡板b，相邻挡板a和挡板b之间交错咬合、形成密封结合缝；前挡板的根部通过旋转折页与方形滑动杆的端部相连，前挡板在外力作用下实现沿旋转折页的中轴前向或后向转动；前挡板的内侧与第一滑动控制环之间通过折页传动杆相连，且在连接端点处设置控制折页，在第一滑动推动杆控制下，第一滑动控制环沿方形滑动杆的前后滑动，将带动折页传动杆顶升或拉退前挡板，从而实现前挡板的折合或展开；

所述第一滑动控制环设置两个，包括后拉控制环和前推控制环，分别控制挡板a和挡板b分块的前后同步叠合，对应的，第一滑动推动杆包括后拉滑动推动杆和前推滑动推动杆；

所述模筑环机构包括模筑环底板、固定支撑、第二滑动控制环、第二滑动推动杆、定位堵浆板；前挡板的内侧设置有模筑环定位卡槽，模筑环底板的前端卡进模筑环定位卡槽内实现定位，固定支撑与模筑环底板固定连接，并通过第二滑动控制环在圆形滑动杆上前后滑动，在洞外控制第二滑动推动杆进行控制；所述模筑环底板表面设置多个注浆口，并通过注浆管与输浆管相连接，通过一定的注浆压力来实现模筑空间的注浆；

所述模筑环底板上安装定位堵浆板，采用紧固螺栓紧固于模筑环底板上，通过调整螺栓实现拆卸、位移，洞口注浆(即首次注浆支护)通过在前挡板、隧道侧壁以及模筑环底板、定位堵浆版形成的空间d内注浆；洞中支护方式为：在前挡板、隧道侧壁以及模筑环底板与上一步注浆成形的模筑组成的密闭空间内注浆，实现边开挖边支护的施作方式。

进一步的，所述推进机构还包括锁定结构，所述锁定结构包括锁定传动轴、锁定卡和锁定控制旋钮，锁定卡和锁定控制旋钮分别对应的设置在锁定传动轴的两端，锁定控制旋钮与锁定卡通过锁定传动轴相连接，圆形滑动杆与方形滑动杆均为中空结构，锁定传动轴设置在圆形滑动杆与方形滑动杆内部；

锁定卡设置在前挡板的前侧，前挡板上还开设有镂空部c，锁定卡在锁定控制旋钮的控制下实现对前挡板的折合解锁或展开固定，在圆形滑动杆与方形滑动杆的内部还设置有限位卡齿，锁定传动轴上设置有与限位卡齿相啮合的卡齿；锁定控制旋钮克服限位卡齿的咬合力带动锁定传动轴旋转，进而实现锁定卡的旋转，折合时，当锁定卡旋转至前挡板的镂空部c位置时，挡板a和挡板b则可以实现旋转折合；在锁定时，挡板a限位，进而锁定挡板b的位置，实现展开固定。

进一步的，所述圆形滑动杆上还套设有滑动支撑环，滑动支撑环与第一滑动推动杆固定连接；

滑动支撑环包括两个，分别对应的与后拉滑动推动杆和前推滑动推动杆相连，且在圆形滑动杆上沿其长度方向还设置有滑动定位槽，滑动支撑环内侧设置有与所述滑动定位槽适配的定位凸起，保证第一滑动推动杆沿直线运动，实现更稳定的操作。

进一步的，所述前挡板的形状与隧道截面的形状相适配，采用圆形或马蹄形结构。

进一步的，为了适应隧道开挖洞壁的不平整性，在前挡板边沿外侧设置粘性弹性层进行封堵，比如采用海绵，防止浆液流出。

上述技术方案，进一步地，

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明所提出支护施作方案，用于室内模型试验中模拟长距离隧道在开挖后模拟初期支护或者二次衬砌施作，代替了使用模铸法或铁片支撑的支护模拟手段，形象的在室内呈现出隧道实际施工过程，支护施作装置结构设计巧妙，布局合理，且操作方便，有效缩短了模型试验的模拟时间，提高了模拟效率，使室内模型试验步骤与结果更加贴切实际隧道施工工程，具有较高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1所述支护施作装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1所述推进杆机构示意图；

图3为本发明实施例1所述模筑环机构示意图；

图4为本发明实施例1针对不同隧道形态设计的支护施作装置的结构示意图，(a)为适用于圆形隧道；(b)为适用于马蹄形隧道；

图5为本发明实施例1折合结构示意图；

图6为本发明实施例1所述前挡板折合退出状态示意图；

图7为本发明实施例1所述锁定结构示意图；

图8为本发明实施例2所述支护施作过程示意图，(a)为洞口模筑示意图，(b)为洞中模筑示意图；(c)为折合退出示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。本实施例中所述的“前”、“后”等位置方向，以图1为准，左侧为前，即施工前进方向为前，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1，一种适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作装置，所述支护施作装置包括推进杆机构与模筑环机构；

如图1和图2所示，所述推进杆机构包括前挡板1、方形滑动杆8、圆形滑动杆9和锁定结构，前挡板1、方形滑动杆8和圆形滑动杆9依次连接，圆形滑动杆9与方形滑动杆8均为中空结构，方形滑动杆8上还设置有第一滑动控制环4，第一滑动控制环4套设在方形滑动杆8上，且在第一滑动控制环4上连接有第一滑动推动杆6，圆形滑动杆9与方形滑动杆8焊接；

所述前挡板1包括呈对角设置的挡板a和挡板b，从图1可以看出，相邻挡板a和挡板b之间交错咬合，以形成密封性较好的结合缝；前挡板1上还开设有镂空部c，以与锁定结构配合，实现前挡板1更好的折合与展开固定；

所述前挡板1的根部通过旋转折页5与方形滑动杆8的端部相连接(旋转折页5一半结构与前挡板1根部焊接在一起，另一半结构焊接在方形滑动杆8前端，这两半结构通过中轴相套合，如图5所示)，前挡板1在外力作用下实现沿旋转折页5中轴的前向或后向转动，前挡板1的内侧与第一滑动控制环4表面设置有控制折页2(控制折页2的结构与旋转折页5类似)，并通过折页传动杆3连接前挡板1与第一滑动控制环4，在第一滑动推动杆6控制下，第一滑动控制环4沿方形滑动杆8的前后滑动将带动折页传动杆3顶升或拉退前挡板1，从而实现前挡板1的折合或展开，如图2所示，第一滑动控制环4设置两个，包括后拉控制环41和前推控制环42(后拉和前推仅表示同步动作反向，并不限定只能后拉或前推)，分别控制挡板a和挡板b分块的前后同步叠合，对应的，第一滑动推动杆6包括后拉滑动推动杆61和前推滑动推动杆62，通过在洞外控制第一滑动推动杆6的前后推动(一对侧向前，一对侧向后)，即可实现前挡板1的折合，即图6为折合状态示意图。

继续参考图2，为了实现更好的操作，在圆形滑动杆9上还套设有滑动支撑环7，滑动支撑环7与第一滑动推动杆6固定连接(同理，滑动支撑环7包括两个，分别对应的与后拉滑动推动杆61和前推滑动推动杆62相连)，起到支撑、借力的作用，且在圆形滑动杆9上沿其长度方向还设置有滑动定位槽10，滑动支撑环7内侧设置有与所述滑动定位槽10适配的定位凸起，保证第一滑动推动杆6沿直线运动，实现更稳定的操作。

如图7所示，所述锁定结构包括锁定传动轴11、锁定卡12和锁定控制旋钮13，锁定卡12和锁定控制旋钮13分别对应的设置在锁定传动轴11的两端，锁定控制旋钮13与锁定卡12通过锁定传动轴11相连接，锁定传动轴11设置在圆形滑动杆9与方形滑动杆8内部，锁定卡12设置在前挡板1的前侧，以实现对前挡板1的整体固定，锁定控制旋钮13凸出于圆形滑动杆9设置，圆形滑动杆9与方形滑动杆8的两端设置带孔封塞24，在圆形滑动杆9与方形滑动杆8的内部还设置有限位卡齿25，锁定传动轴11上设置有与限位卡齿25相啮合的卡齿，锁定控制旋钮13克服限位卡齿25的咬合力带动锁定传动轴11旋转，进而实现锁定卡12的旋转，折合时，当锁定卡12旋转至前挡板1的镂空部c位置时，挡板a和挡板b则可以实现旋转折合；在锁定时，挡板a限位，进而锁定挡板b的位置，实现展开固定。

需要说明的是，本实施例中，前端滑动杆采用方形的主要目的是防止折合或展开时发生扭转，方形设计由四个棱限位，实现更稳定的操作，而后方滑动杆采用圆形，则是为了更方便滑动。

如图1和3所示，模筑环机构包括模筑环底板14、固定支撑15、第二滑动控制环16、第二滑动推动杆17、注浆口18、注浆管19、输浆管20、定位堵浆板22；前挡板1的内侧设置有模筑环定位卡槽21，模筑环底板14的前端卡进模筑环定位卡槽21内实现定位，固定支撑15与模筑环底板14固定连接(焊接)，并通过第二滑动控制环16在圆形滑动杆9上前后滑动，在洞外控制第二滑动推动杆17进行控制；模筑环底板14表面前部设置多个注浆口18，并通过注浆管19与输浆管20相连接，通过一定的注浆压力来实现模筑空间的注浆；另外，在洞口模筑时，需在模筑环底板14上安装定位堵浆板22，其采用左右合、紧固螺栓23紧固于模筑环底板14上，通过调整螺栓实现拆卸、位移，洞口注浆(即首次注浆支护)通过在前挡板、隧道侧壁以及模筑环底板、定位堵浆版22形成的空间d内注浆；洞中支护方式为：在前挡板、隧道侧壁以及模筑环底板与上一步注浆成形的模筑组成的密闭空间内注浆，实现边开挖边支护的施作方式。

本方案中，推进杆机构的前端设置有向两相反方向折叠的挡板，由对应的控制环滑动控制，对角一致动作、并相互咬合，以防止浆液流出，向两相反方向折叠的挡板作为支护模筑的前挡板1；前挡板整体形状可根据开挖断面形状进行定制，一般分为两种类型，本实施例给出圆形和马蹄形两种结构形式，具体如图4所示，当然也可以根据隧道实际形态进行定制，在此不做详述，另外，为了适应隧道开挖洞壁的不平整性，在前挡板1边沿外侧设置粘性弹性层进行封堵，比如采用海绵，防止浆液流出。

另外，在推进杆两侧开设定位槽，允许前挡板控制环以及模筑环定位装置在其上前后滑动，实现装置的退出，所述模筑环机构根据支护内形态进行定制，模筑区域分布注浆口，并能调整浇筑步长；通过支撑杆与推进杆相连接，在其上前后滑动，并能完全退出。

实施例2，基于实施例1所述的支护施作装置，本实施例提出一种适用于模型试验中隧道长距离开挖支护施作方法，所述支护施作装置通过设置有效的模筑空间来实现隧道开挖模拟的支护施作，装置通过注入流动的相似材料浆液来进行支护的模拟，使所筑支护更加贴合洞壁，发挥支护的作用；在浆液凝固后，脱模前移，实现支护的连续模筑；在模筑支护到达掌子面一定距离后，后退装置继续开挖，然后循环支护，直至隧道开挖完成，整个过程仅仅需要洞外操作，即可实现洞内支护模筑，具体的，如图8所示，包括以下步骤：

(1)组装支护施作装置，将模筑环底板14的前端卡进模筑环定位卡槽21内进行定位；

(2)为适应试验箱隧道开挖洞壁的不平整，前挡板1外侧设置粘贴弹性层进行封堵；

(3)为方便脱模，在前挡板1与模筑环底板14内表面脱模润滑剂；

(4)根据模筑步长(一般为衬砌台车长度的相似长度)安装定位堵浆板22并通过紧固螺栓23紧固；

(5)将支护施作装置放置于试验箱隧道开挖洞口，前挡板1位于隧道洞内，并将定位堵浆板22通过螺钉紧固与试验箱上；

(6)利用压力泵进行注浆，注浆压力不能太大，在注浆压力增大时表明模筑空间浆液充满，停止注浆，静待凝固；

(7)在首环支护凝固稳定后，解锁紧固螺栓23，克服新筑支护与模筑环的摩擦力将推动杆向前推移至下一设置步长(第一滑动推动杆6推动作用下，前挡板1和模筑环底板14同步向前推移)，此时前挡板1、洞壁、模筑环底板14以及前环侧边形成新的、封闭的模筑空间(这里的空间是指：前支护凝固后的模筑与前挡板、洞壁、模筑环底板以及前环侧边形成新的、封闭的模筑组成的密闭空间)，再次注浆，凝固后循环操作；

(8)在模筑至开挖面一定距离后，需退出模筑支护装置；

首先回拉第二滑动控制环16，将模筑环完全拉出洞内；

其次旋转锁定控制旋钮3解锁锁定卡12，并操作第一滑动推动杆6控制挡板a和挡板、b向相反方向折叠，实现前挡板1的折合；

(9)回拉推动杆，将整个装置拉出洞外；

(10)继续隧道开挖，开挖至一定距离后，重复以上步骤进行模筑，直至隧道开挖完成。

整个装置在洞口位置模筑时，由前挡板、洞壁、模筑环底板以及定位堵浆板形成封闭的环形空间，进行支护的模筑；在洞中位置模筑时，由前挡板、隧道侧壁以及模筑环底板与上一步注浆成形的模筑组成的密闭空间进行支护的模筑，为实现边开挖、边支护的工法顺序，装置设置了退出机构，模筑环通过滑动后退可从支护的内侧完全退出；而前挡板则采用了分块设计，通过前后折页缩小所占空间，从而从支护的内侧实现退出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。