专利摘要

一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，包括反力框架，反力框架上放置有顶面敞开的压力侧限盒，压力侧限盒的一侧面上设置有观察窗，压力侧限盒盒体内相邻的两个内部侧面各安装有侧旁压板，压力侧限盒盒体内底面紧贴设置有底旁压板，安装了侧旁压板和底旁压板的压力侧限盒盒体内部填充有填充物，填充物上方放置有上旁压板，千斤顶通过加载板设置于上旁压板上。本发明提供的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置及其使用方法，可以解决目前对围岩内部衬砌变形监测没有效果好的装置的问题，可以得到不同围岩衬砌物质在使用中的性能数据，对于选择更合适的围岩内部衬砌物质提供有效参考数据。

权利要求

1.一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，包括反力框架(8)，其特征在于：反力框架(8)上放置有顶面敞开的压力侧限盒(1)，压力侧限盒(1)的一侧面上设置有观察窗(2)，压力侧限盒(1)盒体内相邻的两个内部侧面各安装有侧旁压板(11)，压力侧限盒(1)盒体内底面紧贴设置有底旁压板(6)，安装了侧旁压板(11)和底旁压板(6)的压力侧限盒(1)盒体内部填充有填充物(16)，填充物(16)上方放置有上旁压板(12)，千斤顶(7)通过加载板(15)设置于上旁压板(12)上；

底旁压板(6)以及侧旁压板(11)上分别安装有多个压力传感器，上旁压板(12)上安装有一个上压力传感器(20)，各压力传感器与压力采集处理装置连接；

压力侧限盒(1)的各侧壁上均设置有刻度线(3)；

压力侧限盒(1)四周分别布置磁性表座(4)，磁性表座(4)通过磁力粘贴在反力框架(8)上，在磁性表座上固定有测量沉降量的百分表(5)，百分表(5)前段探头伸入压力侧限盒内(1)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，其特征在于：观察窗(2)中，压力侧限盒(1)的一侧面上开设有方形缺口，缺口上安装有透明钢化板，刻度线(3)设置于透明钢化板上。

3.根据权利要求1所述的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，其特征在于：加载板(15)为带提手的盖体。

4.根据权利要求1所述的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，其特征在于各压力传感器的布置位置为：

底旁压板(6)中心位置设置有一个底压力传感器(14)，底旁压板(6)四个角上各有一个角压力传感器(18)；

各侧旁压板(11)上沿对角线方向等距离布置有四个侧压力传感器(19)；

上旁压板(12)中心位置设置有一个上压力传感器(20)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，其特征在于：反力框架(8)中，穿过底板(9)和顶板的多根连接杆(10)通过螺母和垫片连接后形成框架体。

6.根据权利要求5所述的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，其特征在于：反力框架(8)的底板(9)下部安装有多个可拆卸滑轮(13)。

7.一种上述权利要求1-6中任一项所述的模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置的使用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：制作压力侧限盒(1)：根据尺寸要求焊接顶面敞开的压力侧限盒(1)，压力侧限盒(1)的其一侧壁面上设有长方形状的开口；

步骤2：组装压力侧限盒(1)：在压力侧限盒(1)的开口处安装配合使用的透明钢化板形成观察窗(2)，将透明钢化板有刻度的一面朝外放入压力侧限盒内正面开口处，压力侧限盒(1)内部侧壁表面及透明钢化板上均设置有刻度线(3)；

步骤3：反力框架(8)组装：将两端带有螺纹的连接杆(10)穿过四角开孔的顶板和底板(9)并将顶板调整至合适高度，通过垫片和螺母拧紧固定连接，组成反力框架(8)；

步骤4：部件组装：在反力框架(8)底部安装可拆卸滑轮(13)通过铰接的方式与底部铁板连接起来，使其在未进行试验时运输方便，在开始试验前拆卸可拆卸滑轮(13)；

步骤5：各压力传感器布置：在压力侧限盒(1)的相邻的两个内部侧面各安装一块侧旁压板(11)，在压力侧限盒(1)底部紧贴内侧安装一块底旁压板(6)，在各侧旁压板(11)对角线上均匀布置四个侧压力传感器(19)，在底旁压板(6)正中央布置一个底压力传感器(14)，在底旁压板(6)四个角上各布置一个角压力传感器(18)，将各压力传感器与压力采集处理装置连接；

步骤6：充填填充物：在压力侧限盒(1)中填充填充物；

步骤7：安装上旁压板(12)及压力传感器：将上旁压板(12)压覆在填充物上表面，再在上旁压板(12)正中央布置一个上压力传感器(20)，将上压力传感器(20)与压力采集处理装置电连接；

步骤8：调整装置：在压力侧限盒(1)顶部安装加载板(15)，将带有加载板(15)的压力侧限盒(1)整体放置到反力框架(8)内部的底板(9)上，并将千斤顶(7)放置于加载板(15)上，再次调整反力框架(8)上的连接螺栓，将压力侧限盒(1)调整至合适高度；

步骤9：安装磁性表座(4)：将四个磁性表座(4)底盘等距布置在反力框架(8)上，放置于压力侧限盒(1)四周，拧动磁性表座(4)的磁性开关使其具有磁性吸附在反力框架(8)上，把监测位移的百分表(5)连接到磁性表座(4)上，将百分表(5)探头抵在压力侧限盒(1)上表面，并压缩百分表(5)使其表盘上的读数达到最大量程；

步骤10：读数：通过刻度线读取四侧刻度线读数ai、四个百分表(5)读数bi，取其平均值得出填充材料初始高度h0；

步骤11：读数：利用千斤顶(7)施加不同等级的集中力，读取并记录不同荷载下填充物的刻度线读数ai、百分表读数bi、压力和荷载，最终可取四个刻度线(3)最后一次读数ai的平均值和百分表读数bi的平均值为最后一次沉降量h1的精准值，填充物的最大变形沉降量△h＝h1-h0；

步骤12：通过测得最大变形沉降量△h＝h1-h0及不同等级荷载下的压缩沉降量与荷载值的对应关系，定量研究填充物在不同等级集中力荷载作用下的力学响应及变形情况分析，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，分析陶粒式预留变形量缓冲层的作用效果，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果。

8.根据权利要求7所述的侧限装置的使用方法，其特征在于：步骤6中所选填充物为可以用于围岩内部衬砌的物质。

说明书

技术领域

本发明涉及围岩内部衬砌变形监测领域，尤其是一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置及其使用方法。

背景技术

在隧道实际修建过程所遇到的诸多问题里，最棘手的就是高地应力软岩隧洞位移收敛时间可长达3年，并且位移量大，开挖后围岩应力分布不均匀性显著，导致支护结构各部位受力差异巨大，从隧洞破坏特征也不得出其破坏的根源就是开挖后围岩蠕变量过大，支护结构强度小难以抵抗巨大的地应力作用导致支护结构乃至二衬变形破坏严重，从而造成了一系列导致经济损失甚至威胁施工安全的变形破坏。

综上可知高地应力软岩隧洞开挖后软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀高地应力软岩隧洞施工的成本高企，而现有的支护技术不能将围岩局部压力均匀传递给支护结构，导致支护结构局部破坏时受力较小部位远未发挥自身强度。

目前，高地应力软岩隧洞在治理隧道围岩大变形问题上，除了复杂的支护措施外，确定合理的预留变形量并合理利用预留变形量空间，让围岩释放适当的变形和应力，以保证二次衬砌的安全储备，也是一种切实可行的方法。相对于复杂的治理围岩大变形的方式，主动让围岩产生合理的变形量，且在隧道开挖过程中做好预留变形显得更为经济合理，而在有限的预留变形空间里，如何低成本，经济、高效地提高支护效果，缺少一套行之有效的理论与方法，因此，致力于解决这一系列问题的支护技术的研究对隧洞工程具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置及其使用方法，可以解决目前对围岩内部衬砌变形监测没有效果好的装置的问题，可定量研究隧洞初衬与二衬之间的预留变形量填充物(陶粒、泡沫混凝土等)在不同等级集中力荷载作用下的力学响应及变形情况分析，通过研究加载过程中柔性填充物的压缩沉降量与荷载值的对应关系，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果；可以得到不同围岩衬砌物质在使用中的性能数据，对于选择更合适的围岩内部衬砌物质提供有效参考数据。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，包括反力框架，反力框架上放置有顶面敞开的压力侧限盒，压力侧限盒的一侧面上设置有观察窗，压力侧限盒盒体内相邻的两个内部侧面各安装有侧旁压板，压力侧限盒盒体内底面紧贴设置有底旁压板，安装了侧旁压板和底旁压板的压力侧限盒盒体内部填充有填充物，填充物上方放置有上旁压板，千斤顶通过加载板设置于上旁压板上；

底旁压板、侧旁压板以及上旁压板上分别安装有多个压力传感器，各压力传感器与压力采集处理装置电连接；

压力侧限盒的各侧壁上均设置有刻度线；

压力侧限盒四周分别布置磁性表座，磁性表座通过磁力粘贴在反力框架上，在磁性表座上固定有测量沉降量的百分表，百分表前段探头伸入压力侧限盒内。

观察窗中，压力侧限盒的一侧面上开设有方形缺口，缺口上安装有透明钢化板，刻度线设置于透明钢化板上。

加载板为带提手的盖体。

各压力传感器的布置位置为：

底旁压板中心位置设置有一个底压力传感器，底旁压板四个角上各有一个角压力传感器；

各侧旁压板上沿对角线方向等距离布置有四个侧压力传感器；

上旁压板中心位置设置有一个上压力传感器。

反力框架中，穿过底板和顶板的多根连接杆通过螺母和垫片连接后形成框架体。

反力框架的底板下部安装有多个可拆卸滑轮。

一种上述模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制作压力侧限盒：根据尺寸要求焊接顶面敞开的压力侧限盒，压力侧限盒的其一侧壁面上设有长方形状的开口；

步骤2：组装压力侧限盒：在压力侧限盒的开口处安装配合使用的透明钢化板形成观察窗，将透明钢化板有刻度的一面朝外放入压力侧限盒内正面开口处，压力侧限盒内部侧壁表面及透明钢化板上均设置有刻度线；

步骤3：反力框架组装：将两端带有螺纹的连接杆穿过四角开孔的顶板和底板并将顶板调整至合适高度，通过垫片和螺母拧紧固定连接，组成反力框架；

步骤4：部件组装：在反力框架底部安装可拆卸滑轮通过铰接的方式与底部铁板连接起来，使其在未进行试验时运输方便，在开始试验前拆卸可拆卸滑轮；

步骤5：各压力传感器布置：在压力侧限盒的相邻的两个内部侧面各安装一块侧旁压板，在压力侧限盒底部紧贴内侧安装一块底旁压板，在各侧旁压板对角线上均匀布置四个侧压力传感器，在底旁压板正中央布置一个底压力传感器，在底旁压板四个角上各布置一个角压力传感器，将各压力传感器与压力采集处理装置电连接；

步骤6：充填填充物：在压力侧限盒中填充填充物；

步骤7：安装上旁压板及压力传感器：将上旁压板压覆在填充物上表面，再在上旁压板正中央布置一个上压力传感器，将上压力传感器与压力采集处理装置电连接；

步骤8：:调整装置：在压力侧限盒顶部安装加载板，将带有加载板的压力侧限盒整体放置到反力框架内部的底板上，并将千斤顶放置于加载板上，再次调整反力框架上的连接螺栓，将压力侧限盒调整至合适高度；

步骤9：安装磁性表座：将四个磁性表座底盘等距布置在反力框架上，放置于压力侧限盒四周，拧动磁性表座的磁性开关使其具有磁性吸附在反力框架上，把监测位移的百分表连接到磁性表座上，将百分表探头抵在压力侧限盒上表面，并压缩百分表使其表盘上的读数达到最大量程；

步骤10：读数：通过刻度尺读取四侧刻度尺读数ai、四个百分表读数bi，取其平均值得出填充材料初始高度h0；

步骤11：读数：利用千斤顶施加不同等级的集中力，读取并记录不同荷载下填充物的刻度尺读数ai、百分表读数bi、压力和荷载，最终可取四个刻度线最后一次读数ai的平均值 和百分表读数bi的平均值 为最后一次沉降量h1的精准值，填充物的最大变形沉降量△h＝h1-h0；

步骤12：通过测得最大变形沉降量△h＝h1-h0及不同等级荷载下的压缩沉降量与荷载值的对应关系，定量研究填充物在不同等级集中力荷载作用下的力学响应及变形情况分析，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，分析陶粒式预留变形量缓冲层的作用效果，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果。

步骤6中所选填充物为可以用于围岩内部衬砌的物质。

本发明提供的一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置及其使用方法，有益效果如下：

1、首次提出监测在隧洞围岩变形下预留变形量中填充物的变形及力学响应，创新性巨大，技术先进、经济合理，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

2、通过测得最大变形沉降量及不同等级荷载下的压缩沉降量与荷载值的对应关系，得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，分析陶粒式预留变形量缓冲层的作用效果，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果。

3、装置可模拟隧洞受力情况，并通过可视化随时监测填充物的变形及沉降量。

4、可以得到不同围岩衬砌填充物质在受力变形过程中的性能数据，对于选择更合适的围岩内部衬砌填充物提供有效参考数据。

5、可模拟围岩给填充物提供侧限压力，从而研究该体积下填充物的受力及压缩变形情况，再进一步分析得到单位体积下填充物的受力及压缩变形情况。

6、提出的装置材料易得，可操作性强，结构简单、成本低，有效解决隧洞开挖后软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀高地应力软岩隧洞施工的成本高企等问题，可供科研单位使用。

7、可以得到不同围岩衬砌物质在使用中的性能数据，对于选择更合适的围岩内部衬砌物质提供有效参考数据。

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为本发明装置的整体示意图；

图2为本发明装置的压力侧限盒示意图；

图3为本发明装置的压力侧限盒内部剖面示意图；

图4为本发明装置的反力框架示意图；

图5为本发明装置侧旁压板上侧压力传感器布置示意图；

图6为本发明装置底旁压板上压力传感器布置示意图；

图7为本发明装置上旁压板上上压力传感器布置示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图7所示，一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置，包括反力框架8，反力框架8上放置有顶面敞开的压力侧限盒1，压力侧限盒1的一侧面上设置有观察窗2，压力侧限盒1盒体内相邻的两个内部侧面各安装有侧旁压板11，压力侧限盒1盒体内底面紧贴设置有底旁压板6，安装了侧旁压板11和底旁压板6的压力侧限盒1盒体内部填充有填充物16，填充物16上方放置有上旁压板12，千斤顶7通过加载板15设置于上旁压板12上；

底旁压板6、侧旁压板11以及上旁压板12上分别安装有多个压力传感器，各压力传感器与压力采集处理装置电连接；

压力侧限盒1的各侧壁上均设置有刻度线3；

压力侧限盒1四周分别布置磁性表座4，磁性表座4通过磁力粘贴在反力框架8上，在磁性表座上固定有测量沉降量的百分表5，百分表5前段探头伸入压力侧限盒内1。

观察窗2中，压力侧限盒1的一侧面上开设有方形缺口，缺口上安装有透明钢化板，刻度线3设置于透明钢化板上。

加载板15为带提手的盖体，优选为铁盖。

各压力传感器的布置位置为：

底旁压板6中心位置设置有一个底压力传感器14，底旁压板6四个角上各有一个角压力传感器18；

各侧旁压板11上沿对角线方向等距离布置有四个侧压力传感器19；

上旁压板12中心位置设置有一个上压力传感器20。

反力框架8中，穿过底板9和顶板的多根连接杆10通过螺母和垫片连接后形成框架体。

反力框架8的底板9下部安装有多个可拆卸滑轮13。

压力采集处理装置为计算机17。

实施例二

一种上述模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制作压力侧限盒1：根据尺寸要求焊接顶面敞开的压力侧限盒1，压力侧限盒1的其一侧壁面上设有长方形状的开口；

步骤2：组装压力侧限盒1：在压力侧限盒1的开口处安装配合使用的透明钢化板形成观察窗2，将透明钢化板有刻度的一面朝外放入压力侧限盒内正面开口处，压力侧限盒1内部侧壁表面及透明钢化板上均设置有刻度线3；

步骤3：反力框架8组装：将两端带有螺纹的连接杆10穿过四角开孔的顶板和底板9并将顶板调整至合适高度，通过垫片和螺母拧紧固定连接，组成反力框架8；

步骤4：部件组装：在反力框架8底部安装可拆卸滑轮13通过铰接的方式与底部铁板连接起来，使其在未进行试验时运输方便，在开始试验前拆卸可拆卸滑轮13；

步骤5：各压力传感器布置：在压力侧限盒1的相邻的两个内部侧面各安装一块侧旁压板11，在压力侧限盒1底部紧贴内侧安装一块底旁压板6，在各侧旁压板11对角线上均匀布置四个侧压力传感器19，在底旁压板6正中央布置一个底压力传感器14，在底旁压板6四个角上各布置一个角压力传感器18，将各压力传感器与压力采集处理装置电连接；

步骤6：充填填充物：在压力侧限盒1中填充填充物；

步骤7：安装上旁压板12及压力传感器：将上旁压板12压覆在填充物上表面，再在上旁压板12正中央布置一个上压力传感器20，将上压力传感器20与压力采集处理装置电连接；

步骤8：:调整装置：在压力侧限盒1顶部安装加载板15，将带有加载板15的压力侧限盒1整体放置到反力框架8内部的底板9上，并将千斤顶7放置于加载板15上，再次调整反力框架8上的连接螺栓，将压力侧限盒1调整至合适高度；

步骤9：安装磁性表座4：将四个磁性表座4底盘等距布置在反力框架8上，放置于压力侧限盒1四周，拧动磁性表座4的磁性开关使其具有磁性吸附在反力框架8上，把监测位移的百分表5连接到磁性表座4上，将百分表5探头抵在压力侧限盒1上表面，并压缩百分表5使其表盘上的读数达到最大量程；

步骤10：读数：通过刻度尺读取四侧刻度尺读数ai、四个百分表5读数bi，取其平均值得出填充材料初始高度h0；

步骤11：读数：利用千斤顶7施加不同等级的集中力，读取并记录不同荷载下填充物的刻度尺读数ai、百分表读数bi、压力和荷载，最终可取四个刻度线3最后一次读数ai的平均值 和百分表读数bi的平均值 为最后一次沉降量h1的精准值，填充物的最大变形沉降量△h＝h1-h0；

步骤12：通过测得最大变形沉降量△h＝h1-h0及不同等级荷载下的压缩沉降量与荷载值的对应关系，定量研究填充物在不同等级集中力荷载作用下的力学响应及变形情况分析，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，分析陶粒式预留变形量缓冲层的作用效果，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果。

步骤6中所选填充物为可以用于围岩内部衬砌的物质，包括陶粒、泡沫混凝土、一定级配的碎石土等。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围,即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

一种模拟围岩内部衬砌变形条件的侧限装置及其使用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》。