一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置及使用方法

1.本发明涉及隧道工程中的病害整治技术领域，尤其是涉及一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置及使用方法。


背景技术：

2.进入21世纪以来，中国铁路隧道工程迅猛发展，随着高速铁路、城际铁路的修建，铁路隧道呈现出建设标准高、长度大、断面大、地质复杂等特点。受限于施工技术以及地质条件等因素，诸多早期修建的隧道经常出现衬砌厚度不足、背后脱空、衬砌裂缝以及掉块等缺陷病害情况；不少修建完成的隧道在经由一定服役时限后，其衬砌也会逐渐劣化，进而产生一系列缺陷病害。
3.对于隧道衬砌缺陷病害的整治措施有注浆回填、螺栓加固、衬砌内表面加固、frp材料加固等措施，充分利用既有衬砌的支护潜力，在隧道结构整体的自稳能力较强时对隧道衬砌结构进行加固，改善隧道衬砌结构的受力状况，保障隧道安全。
4.针对上述隧道衬砌缺陷病害的修补加固措施，在将其应用在实际工程之前需进行相应的构件试验以确定其安全性，现有的隧道衬砌构件试验一般采用牛腿构件从两侧进行加载或者弧形的衬砌构件从环向背侧进行加载；隧道衬砌实际服役时承受压力，现有的约束衬砌构件两端，从构件环向背侧进行加载的加载方式无法很好地反应实际隧道衬砌受力状况。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，解决了现有的模拟隧道衬砌构件加载形式无法很好地反应实际隧道衬砌受力状况的问题。本发明的另一个目的是提供一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的使用方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，包括反力架、衬砌构件，所述衬砌构件呈弧形，所述反力架包括反力架横梁和反力架竖梁，所述反力架横梁和反力架竖梁各设有两个，两个所述反力架竖梁相隔一定距离平行放置，通过两个反力架横梁相连接，所述衬砌构件位于反力架内部，所述衬砌构件一端为固定端，其另一端为加载端，所述固定端设有固定端垫片，加载端设有加载端垫片，加载端垫片与加载端之间设有千斤顶。
7.优选的，所述固定端垫片一侧倾斜设置且与固定端的倾斜度保持一致，其另一侧与靠近固定端的反力架竖梁连接。
8.优选的，所述加载端垫片一侧倾斜设置且与加载端倾斜度保持一致，其另一侧与靠近加载端的反力架竖梁连接。
9.优选的，所述千斤顶背面紧贴加载端垫片放置，所述千斤顶顶端与衬砌构件侧面之间设有钢板，所述钢板之间通过铰接件连接。
10.优选的，所述衬砌构件背面环向设有多个均匀分布的硬橡胶垫，所述硬橡胶垫连
接工字钢，所述工字钢上方设有沿衬砌构件弧度环向设置的斜向支座，所述斜向支座与反力架横梁焊接。
11.上述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的使用方法，包括如下步骤：
12.s1、将两根反力架竖梁竖向相隔一定距离平行放置，中间以两根反力架横梁相连接，位于竖向反力架竖梁端头偏内侧一定距离处，与反力架横梁接头处进行焊接，完成反力架的安装；
13.s2、依据衬砌构件左右两侧倾角分别确定加载端垫片和固定端垫片的倾斜角度，加载端垫片和固定端垫片制作完成后将其焊接在反力架的对应位置上；
14.s3、将衬砌构件一侧紧贴固定端垫片放置，将千斤顶背面紧贴加载端垫片放置，加载端垫片横向长度需预先计算好以保证在放置衬砌构件和千斤顶后，千斤顶顶端与衬砌构件侧面之间垫钢板；
15.s4、衬砌构件背侧环向均匀布置若干硬橡胶垫，橡胶垫后连接工字钢，依据衬砌构件弧度环向设置斜向支座，将工字钢与斜向支座焊接在一起，斜向支座焊接在反力架横梁上，通过千斤顶油泵车对衬砌构件施加荷载。
16.本发明所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置及使用方法的优点和积极效果是：
17.本发明拓展了隧道构件试验的加载形式，通过设置衬砌构件背侧环向的硬橡胶垫以及工字钢和斜向支座模拟实际隧道衬砌所受的围岩抗力；通过设置加载端垫片调整千斤顶角度，保证千斤顶能够垂直于衬砌构件加载端截面施加荷载，以模拟隧道二次衬砌构件实际受力。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的整体结构示意图；
20.图2为本发明一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置中的斜向支座示意图；
21.图3为本发明一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置中的加载端垫片和固定端垫片倾角及衬砌构件截面布置示意图；
22.图4为本发明一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置中的千斤顶示意图。
23.附图标记
24.1、反力架横梁；2、反力架竖梁；3、斜向支座；4、工字钢；5、硬橡胶垫；6、衬砌构件；7、钢板；8、铰接件；9、千斤顶；10、加载端垫片；11、固定端垫片。
具体实施方式
25.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
26.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理
的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
27.实施例
28.一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，包括反力架、衬砌构件6，衬砌构件6呈弧形，反力架包括反力架横梁1和反力架竖梁2，反力架横梁1和反力架竖梁2各设有两个，两个反力架竖梁2相隔一定距离平行放置，通过两个反力架横梁1相连接，衬砌构件6位于反力架内部，衬砌构件6一端为固定端，其另一端为加载端，固定端设有固定端垫片11，加载端设有加载端垫片10，加载端垫片10与加载端之间设有千斤顶9。
29.整个加载装置由反力架横梁1、反力架竖梁2、加载端垫片10、固定端垫片11、斜向支座3、硬橡胶垫5、千斤顶9、工字钢4、钢板7、铰接件8、衬砌构件6等部件组成，在布置具体部件位置前需完成反力架横梁1以及反力架竖梁2的安装与焊接。
30.固定端垫片11一侧倾斜设置且与固定端的倾斜度保持一致，其另一侧与靠近固定端的反力架竖梁2连接。加载端垫片10一侧倾斜设置且与加载端倾斜度保持一致，其另一侧与靠近加载端的反力架竖梁2连接。
31.加载端垫片10和固定端垫片11的倾角都需与衬砌构件6对应侧的截面倾角保持一致，固定端垫片11截面需与衬砌构件6固定端截面紧贴以确保不在端头处应力集中，影响试验结果。加载端垫片10在设计时要求其截面能够紧贴衬砌构件6加载端侧面，如图3所示，尽管最终加载端两者不直接接触，但需保持形状上的吻合，加载端垫片10、固定端垫片11另外一侧分别与反力架竖梁2焊接。
32.千斤顶9背面紧贴加载端垫片10放置，千斤顶9顶端与衬砌构件6侧面之间设有钢板7，钢板7之间通过铰接件8连接。加载端先焊接设计好的加载端垫片10与反力架竖梁2，然后将千斤顶9背侧紧贴加载端垫片10截面，由于加载端垫片10与衬砌构件6截面倾角一致，故千斤顶9端头垂直于衬砌构件6加载端截面，为防止加载端应力集中，在千斤顶9端头和衬砌构件6加载端截面中间位置放置钢板7和铰接件8，钢板7倾角与加载端垫片10保持一致，施加荷载时能够确保荷载垂直于衬砌构件6截面施加。以上即可完成加载装置的装配，试验时通过千斤顶9油泵机对衬砌构件6施加荷载。
33.衬砌构件6背面环向设有多个均匀分布的硬橡胶垫5，硬橡胶垫5连接工字钢4，工字钢4上方设有沿衬砌构件6弧度环向设置的斜向支座3，斜向支座3与反力架横梁1焊接。此外，衬砌构件6需布置一定数量的应变片和位移计进行应变、位移等相关的数据测定，在背侧环向垫硬橡胶垫5时需为应变片等相关测量数据的元器件预留足够的位置，不影响后续结果的测量和读取。加载装置通过在衬砌构件6背侧环向设置斜向支座3、工字钢4、硬橡胶垫5等部件对衬砌构件6进行约束，从而在加载时模拟衬砌背后围岩抗力情况。先将斜向支座3焊接在反力架横梁1上，然后在斜向支座3的另外一侧焊接工字钢4，工字钢4的另外一侧布置硬橡胶垫5，完成衬砌构件6背后抗力的部件安装，其中硬橡胶垫5的大小和分布需为衬砌构件6表面的应变片预留足够的空间，斜向支座3的倾角依据硬橡胶垫5的位置进行设计，以保证部件之间能够紧密贴合。
34.一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的使用方法，包括如下步骤：
35.s1、将两根反力架竖梁2竖向相隔一定距离平行放置，中间以两根反力架横梁1相
连接，位于竖向反力架竖梁2端头偏内侧一定距离处，与反力架横梁1接头处进行焊接，完成反力架的安装。
36.组装反力架时需选用刚度高的工字钢4以避免进行构件试验时，施加荷载过大导致反力架局部变形以及损坏；横向焊接的工字钢4与竖向放置的工字钢4端头的距离不宜过长以便在反力架的内侧预留足够多的空间放置衬砌构件6、斜向支座3以及千斤顶9等材料器具。为确保反力架横梁1与竖梁之间连接牢固，需在横向工字钢4焊接位置采用预应力钢筋束等器件对其进行约束。反力架需依据待加载的衬砌构件6的厚度调整自身高度。在装配衬砌构件6前，计算构件厚度与反力架高度之差，在反力架与衬砌构件6下方垫上加载端垫片10和固定端垫片11将两者整体垫高，使得两者厚度方向的中轴线保持一致，以便于后续加载时千斤顶9的载荷正对衬砌构件6中轴线，不产生厚度方向上的偏心荷载。
37.s2、依据衬砌构件6左右两侧倾角分别确定加载端垫片10和固定端垫片11的倾斜角度，加载端垫片10和固定端垫片11制作完成后将其焊接在反力架的对应位置上。
38.加载端垫片10和固定端垫片11位于衬砌构件6两侧，加载衬砌构件6时从衬砌构件6的一侧加载，另一侧固定不动，垫片的倾角需与其接触的衬砌构件6的侧面倾角保持一致，保证衬砌构件6固定端侧面与固定端垫片11能够充分接触，避免由于倾角不同导致衬砌侧面与垫片局部接触进而产生应力集中，使得衬砌构件6在加载的过程中过早于应力集中处开裂。无论加载端垫片10还是固定端垫片11均要选择刚度较大的材料，避免垫片因刚度不足导致加载过程中产生变形，影响试验结果。垫片的位置需在拼装前预先确定好，一般情况下选择刚度较大的铁板作为垫片，并将其焊接在确定好的指定位置上。
39.s3、将衬砌构件6一侧紧贴固定端垫片11放置，将千斤顶9背面紧贴加载端垫片10放置，加载端垫片10横向长度需预先计算好以保证在放置衬砌构件6和千斤顶9后，千斤顶9顶端与衬砌构件6侧面之间垫钢板7。
40.千斤顶9需要将其背面紧贴加载端垫片10，由于加载端垫片10与衬砌构件6加载端侧面倾角相同，千斤顶9相对于衬砌构件6侧面为垂直放置，可以保证加载时荷载能够垂直于构件截面加载，千斤顶9端头与衬砌构件6之间垫钢板7，以便于荷载能够均匀地施加在衬砌构件6截面上。加载端垫片10和固定端垫片11的横向长度则视实际情况确定，一般先在图纸上测定垫片、千斤顶9、硬橡胶垫5、钢板7等物品的具体尺寸，确保最终装配时所有器件能够紧密接触。
41.s4、衬砌构件6背侧环向均匀布置若干硬橡胶垫5，橡胶垫后连接工字钢4，依据衬砌构件6弧度环向设置斜向支座3，将工字钢4与斜向支座3焊接在一起，斜向支座3焊接在反力架横梁1上，通过千斤顶9油泵车对衬砌构件6施加荷载。
42.衬砌构件6背侧环向的硬橡胶垫5，需沿着衬砌构件6环向均匀分布，此外，由于衬砌构件6需布置一定数量的应变片和位移计进行应变、位移等相关的数据测定，在背侧环向垫硬橡胶垫5时需为应变片等相关测量数据的元器件预留足够的位置，不影响后续结果的测量和读取。硬橡胶垫5后连接工字钢4，工字钢4焊接斜向支座3，斜向支座3焊接在反力架横梁1上，整体作为衬砌构件6加载过程中的抗力，以模拟实际隧道衬砌构件6所受的围岩抗力，斜向支座3的倾角依据硬橡胶垫5确定，确保衬砌构件6背侧环向贴紧。
43.在焊接完毕斜向支座3后安装工字钢4，然后对应布置硬橡胶垫5，之后放置贴好应变片的衬砌构件6，加载端侧边在千斤顶9与衬砌构件6侧面间加钢板7，保证完好贴合，完成
加载试验的所有装配工作，施加荷载时通过千斤顶9油泵对衬砌构件6施加荷载。
44.因此，本发明采用上述一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置及使用方法，解决了现有的模拟隧道衬砌构件加载形式无法很好地反应实际隧道衬砌受力状况的问题。
45.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，其特征在于：包括反力架、衬砌构件，所述衬砌构件呈弧形，所述反力架包括反力架横梁和反力架竖梁，所述反力架横梁和反力架竖梁各设有两个，两个所述反力架竖梁相隔一定距离平行放置，通过两个反力架横梁相连接，所述衬砌构件位于反力架内部，所述衬砌构件一端为固定端，其另一端为加载端，所述固定端设有固定端垫片，加载端设有加载端垫片，加载端垫片与加载端之间设有千斤顶。2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，其特征在于：所述固定端垫片一侧倾斜设置且与固定端的倾斜度保持一致，其另一侧与靠近固定端的反力架竖梁连接。3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，其特征在于：所述加载端垫片一侧倾斜设置且与加载端倾斜度保持一致，其另一侧与靠近加载端的反力架竖梁连接。4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，其特征在于：所述千斤顶背面紧贴加载端垫片放置，所述千斤顶顶端与衬砌构件侧面之间设有钢板，所述钢板之间通过铰接件连接。5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，其特征在于：所述衬砌构件背面环向设有多个均匀分布的硬橡胶垫，所述硬橡胶垫连接工字钢，所述工字钢上方设有沿衬砌构件弧度环向设置的斜向支座，所述斜向支座与反力架横梁焊接。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将两根反力架竖梁竖向相隔一定距离平行放置，中间以两根反力架横梁相连接，位于竖向反力架竖梁端头偏内侧一定距离处，与反力架横梁接头处进行焊接，完成反力架的安装；s2、依据衬砌构件左右两侧倾角分别确定加载端垫片和固定端垫片的倾斜角度，加载端垫片和固定端垫片制作完成后将其焊接在反力架的对应位置上；s3、将衬砌构件一侧紧贴固定端垫片放置，将千斤顶背面紧贴加载端垫片放置，加载端垫片横向长度需预先计算好以保证在放置衬砌构件和千斤顶后，千斤顶顶端与衬砌构件侧面之间垫钢板；s4、衬砌构件背侧环向均匀布置若干硬橡胶垫，橡胶垫后连接工字钢，依据衬砌构件弧度环向设置斜向支座，将工字钢与斜向支座焊接在一起，斜向支座焊接在反力架横梁上，通过千斤顶油泵车对衬砌构件施加荷载。

技术总结
本发明公开了一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，包括反力架、衬砌构件，所述衬砌构件呈弧形，所述反力架包括反力架横梁和反力架竖梁，所述反力架横梁和反力架竖梁各设有两个，两个所述反力架竖梁相隔一定距离平行放置，通过两个反力架横梁相连接，所述衬砌构件位于反力架内部，所述衬砌构件一端为固定端，其另一端为加载端，所述固定端设有固定端垫片，加载端设有加载端垫片，加载端垫片与加载端之间设有千斤顶。本发明还公开了一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置的使用方法。本发明采用上述一种模拟隧道衬砌实际受力情况的加载装置，解决了现有的模拟隧道衬砌构件加载形式无法很好地反应实际隧道衬砌受力状况的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：龚伦 毛宇杰 宁宇 卢锋 王宏源 嵇诚 张翔 柴亚跃 陈桢钰 李洋 冯嘉淇
受保护的技术使用者：山西凝固力新型材料股份有限公司 西华大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/6