(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210950949.2 (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 中国水利水电科 学研究院 地址 100038 北京市海淀区车公庄西路20 号 (72)发明人 刘立鹏　皮进　汪小刚　王宗林　 刘家慧　王玉杰　赵宇飞　曹瑞琅　 段庆伟　张强　孙兴松　林兴超　 姜龙　孙平　裴江荣　刘和艺　 (74)专利代理 机构 北京智桥联合知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11560 专利代理师 涂华明 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01)G01N 33/24(2006.01) (54)发明名称 一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与 衬砌受力试验 装置与试验方法 (57)摘要 本发明公开了一种模拟软岩大变形和断层 错动下支护与衬砌受力试验装置与试验方法， 包 括加压与保压设备， 钢筒护壁， 钢筒底， 钢筒盖， 螺钉， 螺母， 连通水管预留孔， 橡胶囊 Ⅰ， 橡胶囊 Ⅱ， 橡胶囊连通水管， 进水管， 围岩， 应变计， 锚 杆， 钢拱架， 初期支护喷混， 衬砌， 开挖岩体； 所述 的试验方法包括关键构件的制作与组装、 通过加 压与保压设备对橡胶囊 Ⅰ和橡胶囊 Ⅱ进行不同压 力的充水加压膨胀， 使围岩受到均匀或不均匀压 力以模拟软岩大变形和断层错动的地质工况； 还 原软岩和断层地段隧洞开挖、 支护和衬砌全过 程， 通过安装钢筋计与应变计等监测初期支护结 构和衬砌的受力和变形情况， 对 软岩和断层错动 地质条件下的隧洞开挖、 初期支护和衬砌提供技 术支持。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 115326582 A 2022.11.11 CN 115326582 A 1.一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装置， 其特征在于： 包括加 压与保压设备(1)， 钢筒护壁(2)， 钢筒盖(3)， 钢筒底(4)， 橡胶囊 Ⅰ(5)， 橡胶囊 Ⅱ(6)， 围岩 (7)， 初期支护结构(8)， 衬砌(9)， 开挖岩体(10)； 位于加压与保压设备(1)上的进水管 (101)、 出水管(102)和压力水泵(103)， 位于所述钢筒护壁(2)上的连接水管预留孔(201)、 钢筒螺钉预留孔(202)、 隔断钢圈(203)、 螺钉(204)和螺母(205)， 位于钢筒盖(3)上的钢筒 盖螺钉预留孔(301)、 吊装竖板(302)和吊装预留孔(303)， 位于钢筒底(4)上的钢筒底螺钉 预留孔(401)， 位于橡胶囊 Ⅰ(5)上的连接管(501)和注水管(502)， 位于橡胶囊 Ⅱ(6)上的连 接管(601)和注水管(602)， 位于围岩(7)内的应变计(701)， 位于初期支护结构(8)上的锚 杆 (801)、 钢拱架(802)和初期支护喷混(80 3)； 所述钢筒底(4)位于所述钢筒护壁(2)的底部； 所述钢筒盖(3)位于所述钢筒护壁(2)的 顶部； 所述螺钉(204)穿过钢筒盖(3)上的钢筒盖螺钉预留孔(301)、 钢筒护 壁(2)上的钢筒 螺钉预留孔(203)和钢筒底(4)上的钢筒底螺钉预留孔(401)； 所述螺母(205)与螺钉(204) 组合固定钢筒盖(3)、 钢筒护壁(2)和钢筒底(4)； 所述隔断钢圈(203)位于钢筒护壁(2)的内 侧中间部位； 所述橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)位于钢筒护壁(2)内壁， 沿轴向布置两环， 橡胶 囊Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)之间通过钢筒护 壁(2)上的隔断钢圈(203)分隔； 所述橡胶囊 Ⅰ(5)上 的连接管(501)与橡胶囊 Ⅱ(6)上的连接管(601)穿过连接水管预留孔(201)连通橡胶囊 Ⅰ (5)与橡胶囊 Ⅱ(6)中的相 邻两块橡胶囊； 所述注水管(502)和注水管(602)穿过连接水管预 留孔(201)连接橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)； 所述的围岩(7)位于橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6) 内侧； 所述的应变计(701)位于围岩(7)中； 所述初期支护结构(8)上的锚杆(801)环向布置 围岩(7)中； 所述钢拱架(802)环向支撑在围岩(7)临空面； 所述初期支护喷混(803)位于围 岩(7)内， 覆盖钢拱架(802)； 所述衬砌(9)位于初期支护喷混(803)内侧； 所述开挖岩体(10) 位于衬砌(9)内侧。 2.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述钢筒护壁(2)上的钢筒螺钉预留孔(202)、 钢筒盖螺钉预留孔(301)和 钢筒底螺钉预留孔(401)均切割而成且尺寸满足螺钉(204)吻合穿过的要求并且分布位置 一致； 所述连接水管预留孔(201)均切割而成且尺寸要满足连接管(501)、 注水管(502)、 连 接管(601)和注水 管(602)吻合穿过的要求。 3.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述钢筒护壁(2)、 钢筒盖(3)和钢筒底(4)的环向尺 寸要一致， 厚度可根据 水压加载 条件确定， 隔断钢圈(20 3)焊接在钢筒护壁(2)的内侧中间部位。 4.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)均为橡胶材质的空腔体， 注水加 压可以膨 胀， 橡胶囊Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)各含有4片橡胶囊呈环向布置， 橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)之 间由隔断钢圈(20 3)所分隔。 5.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述围岩(7)采用与围岩性质等效的材料替换， 在 模拟开挖前， 初期支护结 构(8)、 衬砌(9)和开挖岩体(10)位置均属于围岩(7)。 6.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述初期支护结构(8)中的锚杆(801)为钢筋材质， 钢拱架(802)为工字钢权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115326582 A 2材质， 初期支护喷混(80 3)为混凝 土材质。 7.根据权利要求1所述的一种模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试验装 置， 其特征在于： 所述衬砌(9)为混凝 土材质， 衬砌(9)在 初期支护后进行施作。 8.一种根据权利要求1 ‑7任一所述的模拟软岩大变形和断层错动下支护与衬砌受力试 验装置的试验方法， 其特 征在于， 包括以下 试验步骤： 步骤1： 制作关键构件， 包括： 加压与保压设备(1)、 钢筒护壁(2)、 钢筒盖(3)、 钢筒底 (4)、 橡胶囊 Ⅰ(5)、 橡胶囊 Ⅱ(6)、 围岩(7)； 将应 变计(701)预埋在围岩的相应位置； 步骤2： 组装构件： 将钢筒护壁(2)与钢筒底(4)通过螺钉(204)和螺母(205)固定， 将加 压与保压设备(1)上的出水管(102)连接橡胶囊 Ⅰ(5)、 橡胶囊 Ⅱ(6)上的注水管(502)和注水 管(602)， 将橡胶囊 Ⅰ(5)、 橡胶囊 Ⅱ(6)用高强度粘合剂粘到钢筒护 壁(2)内壁， 沿轴向布置 两环， 橡胶囊 Ⅰ(5)与橡胶囊 Ⅱ(6)之间通过钢筒护 壁(2)上的隔断钢圈(203)分隔， 围岩(7) 固定在橡胶囊内侧； 步骤3： 通过向橡胶囊 Ⅰ(5)、 橡胶囊 Ⅱ(6)注入不同压力的水导致橡胶囊膨胀， 使围岩受 到不均匀压力， 具体注水压力根据试验方案确定以模拟不同的围岩情况， 通过应变计(701) 的数据读取来反映围岩所受压力的分布情况； 步骤4： 对围岩(7)进行开挖 直至挖通围岩(7)， 开挖 一段后开始施作锚杆(801)、 钢拱架 (802)和初期支护喷混(803)， 锚杆(801)沿开挖临空面环向布置于围岩(7)中， 数量和间隔 根据试验方案确 定， 钢拱架(802)也环向支撑在隧洞临空面， 间隔根据试验方案确定， 初期 支护喷混(803)喷护在隧洞临空面， 覆盖住钢拱架(802)， 具体厚度由试验方案确定； 也可在 锚杆(801)， 钢拱架(802)和初期支护喷混(803)上安装钢筋计和应变计等监测仪器以监测 锚杆(801)、 钢拱架(802)和初期支护喷混(80 3)的受力和变形情况； 步骤5： 初期支护施作一段后开始进行衬砌(9)施作， 并且衬砌(9)施作过程中在衬砌 (9)中预装应 变计等监测仪器以监测衬砌(9)的受力和变形情况。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115326582 A 3