一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置及方法

摘要

本发明公开了一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置及方法，解决了现有技术中存在模型试验中只是在设计位置预埋锚杆的问题，具有可在模型试验隧道开挖完成后施作锚杆的有益效果，具体方案如下：一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，包括轴向定位模块，包括轴向导轨和连接滑块，轴向导轨沿着隧道模型的轴向设于隧道模型内底部，连接滑块能够沿着轴向导轨实现轴向移动；横向导向模块，包括横向导轨；升降机构起支撑锚杆的作用，并且能够在横向导轨内滑动以确定其横向位置；环向导向模块，包括环向架、环向导轨和锚杆套孔，锚杆套孔可以在环向导轨内滑动，因而锚杆能够穿过锚杆套孔，进而调整在隧道横截面内的施作角度。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其是一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在岩土工程领域，地质力学模型试验是最常用的研究方法之一。地质力学模型试验以相似原理为基础，在室内按比例大致模拟工程现场的施工过程，同时监测试验过程中的应力、位移、渗透压力等参数，对于实际工程的开展具有较好的借鉴意义。同时，施作锚杆作为地下工程施工中必不可少的环节，对维护围岩稳定具有关键作用。正常情况下，锚杆应该在洞室开挖完成后进行施作，然而，地质力学模型试验大多为缩尺试验，模拟的开挖洞径大多在30cm以内，受限于洞径尺寸和锚杆施作工具，传统的钻孔施作锚杆的方式很难实现，因而在实际试验中，研究人员多采用锚杆预埋的方式进行支护模拟。

锚杆预埋是指在模型试验填料过程中，在设计位置预埋进锚杆，进而在洞室开挖时起支护作用。然而，锚杆预埋的方式与实际工序不符，且埋设的位置和方向准确度较低，在填料压实过程中锚杆的位置和方向也难以固定，限制了试验结果的可靠性和地质力学模型试验锚杆支护技术的发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，可以解决在模型试验开挖成型的小尺寸洞径中施作锚杆的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，包括：

轴向定位模块，包括轴向导轨和连接滑块，轴向导轨沿着隧道模型的轴向设置于隧道模型内底部，连接滑块能够沿着轴向导轨实现轴向移动；

横向导向模块，包括横向导轨，横向导轨设于连接滑块；

升降机构，底部支撑于横向导轨，升降机构通过横向导轨能够在连接滑块内实现横向移动，升降机构支撑锚杆且升降机构能够带动锚杆顶入隧道模型实现锚杆施作；

环向导向模块，包括环向导轨，锚杆能够穿过环向导轨，且锚杆在隧道模型横断面内的角度能够调整。

上述的定位施作装置用于地质力学模型试验中，通过轴向定位模块和横向导向模块的设置，能够实现对锚杆轴向、横向位置的定位，通过环向导向模块不仅能够实现对锚杆的环向限位，而且可保证锚杆的施作方向，使得锚杆的施作与实际是相符的，提高了试验结果的准确性。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述连接滑块固定有用于确定锚杆轴向位置的测距部件，测距部件与控制器连接，用于确定升降机构支撑的锚杆的轴向准确位置，便于在连接滑块位置移动至合适位置后，停止连接滑块的移动。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，在一些方案中，所述测距部件包括相对设置的激光测距发射单元和激光测距接收单元，激光测距发射单元固定于所述的轴向导轨，激光测距接收单元固定于所述的连接滑块。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述升降机构包括底盘和顶板，底盘可滑动安装于所述的横向导轨，顶板支撑所述的锚杆，顶板和底盘之间设置升降部件，通过底盘带动升降机构沿着横向导轨移动，实现对锚杆横向位置的定位，由升降部件带动顶板，进而带动锚杆的施作。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，为了便于在洞口对锚杆横向的确定，所述底盘与推拉杆的一端固连，推拉杆的另一端伸出至隧道模型的洞口处，推拉杆与底盘固连，通过推拉杆可实现底盘相对于横向导轨的移动，同时，通过控制连接滑块实现升降机构相对于轴向导轨的移动。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述顶板设置套筒底盘，套筒底盘与顶板固定连接，套筒底盘与锚杆套筒活动连接以便调整锚杆的倾斜角度，锚杆套筒与锚杆搭接。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述升降部件设有两排，升降部件包括至少两根交叉设置的升降杆，连接轴连接两排升降部件中的升降杆。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述顶板和所述底盘均设置销轴滑行孔，顶板和底盘的销轴滑行孔错位设置，连接两排升降部件的其中两根连接轴分别位于顶板销轴滑行孔和底盘销轴滑行孔内；

底盘销轴滑行孔内的连接轴与至少一根丝杆连接，丝杆与动力源连接，通过动力源带动丝杆转动，进而带动连接轴沿着顶板、底盘的销轴滑行孔移动，进而实现升降机构的抬升或下降。

如上所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，所述环向导轨通过环向架支撑，环向架的中部设置环向导轨，环向架的两端与所述连接滑块连接；

环向导轨内活动设置滑块，滑块设置有用于所述锚杆穿过的锚杆套孔，滑块可沿着环向导轨滑动，可保证锚杆在环向设定角度范围内的施作。

第二方面，本发明还提供了利用剪式结构的地质力学模型试验锚杆定位施作方法，采用所述的一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，包括如下内容：

对隧道相似材料进行填料、压实，并进行洞室开挖，形成隧道模型；

设计锚杆布置参数；

在隧道模型内铺设轴向导轨，连接滑块与轴向导轨配合，连接滑块内设置横向导轨，并安装环向导轨，使得锚杆穿过环向导轨设置；

确定锚杆的施作方向；

通过升降机构的运动，确定锚杆施作的横向位置和轴向位置；

通过升降机构实现锚杆施作，升降机构抬升，锚杆被顶入隧道模型中，当需要倾斜施作锚杆时，应同时相对于横向导轨移动升降机构，直至锚杆全长被顶入隧道模型中则完成施作。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过轴向定位模块、横向导向模块和环向导向模块能够比较精确地确定锚杆的位置和方向，提高了试验结果与现实情况的吻合性；而且环向导向模块与横向导向模块相互配合，在升降机构的作用下，可保证设计倾斜的锚杆顺利施作。

2)本发明通过环向导轨和锚杆套孔的设置，能够有效对锚杆进行限位，而且环向导轨具有设定的长度，使得锚杆在环向设定角度范围内都能够进行施作；通过套筒和套筒底座的设置，能够有效对锚杆进行竖直或倾斜方向的支撑，保证锚杆设置的稳定性。

3)本发明整体结构设置合理，推拉杆的一端设于隧道模型的洞口便于操作，而且升降机构也可实现下降，使得整体装置能够适用于模型试验这类小尺寸洞径中；进一步升降机构中升降部件包括交叉设置的升降杆，这样使得升降机构为剪式结构，具有结构坚固和稳定升降的优势，且折叠后占用空间较小，在小尺寸洞径中具有较好的适用性。

4)本发明通过锚杆定位施作方法的提供，在模型洞室开挖完成后再施作锚杆，符合实际施工工序，避免了锚杆预埋带来的锚杆位置和方向难以固定以及精准性较低的不足。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明整体结构在轴向的结构示意图；

图2为本发明导向定位结构及升降机构在轴向的局部示意图；

图3为本发明整体结构在洞室横截面方向的示意图；

图4为本发明锚杆倾斜施作工况的横截面方向示意图。

其中，1、洞周填料；2、轴向导轨；3、激光测距发射单元；4、激光测距接收单元；5、升降杆；6、环向架；7、锚杆；8、锚杆套筒；9、底盘；10、连接滑块；11、推拉杆；12、丝杆；13、电动机；14、销轴滑行孔；15、套筒底盘；16、销轴；17、顶部连接轴；18、横向导轨；19、环向导轨；20、锚杆套孔；21、连接轴；22、顶板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在模型试验中仅仅将锚杆预埋的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种地质力学模型中锚杆定位施作装置。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种地质力学模型试验中锚杆定位施作装置，包括固定于隧道模型中的轴向定位模块、横向导向模块、环向导向模块、升降机构和锚定机构。

需要解释地是，隧道模型指的是通过对隧道相似材料开挖而成的隧道模型，隧道模型具体通过洞周填料1形成，隧道相似材料指的是现有的隧道围岩相似材料。

轴向定位模块包括轴向导轨2、连接滑块10、激光测距发射机构3和激光测距接收机构4，用于确定锚杆定位施作装置的纵向位置。本实施例中，轴向导轨2设有多根，具体可为2根或其他数量，相邻两轴向导轨之间间隔设定距离设置，2根轴向导轨对称设置于隧道模型内的底部，轴向导轨2带有凹槽；连接滑块10下部设置凸起，凸起能够卡入凹槽内，通过凸起的设置，可使得连接滑块10沿轴向导轨2的凹槽轴向滑动。

本实施例中，两轴向导轨2相对设置，轴向导轨的凹槽为C字型，连接滑块10的凸起形状与凹槽形状相适配。

进一步地，连接滑块10顶部设置横向导轨18，以供锚杆在洞室横截面内左右移动。

连接滑块10固定有用于确定锚杆轴向位置的测距部件，本实施例中，测距部件包括激光测距发射单元3和激光测距接收单元4，激光测距发射单元3和激光测距接收单元4分别固定于轴向导轨2和连接滑块10，激光测距发射单元3和激光测距接收单元4均与控制器连接，控制器通过测定激光信号发射与接收时间间隔确定激光测距发射单元3和激光测距接收单元4间的距离，进而确定锚杆所处轴向位置。

具体地，激光测距发射单元3固定于轴向导轨2上表面，且激光测距发射单元、激光测距接收单元相对设置，且激光测距接收单元4安装于连接滑块的上表面或靠近激光测距发射单元的一侧。

需要说明的是，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器。

当然可以理解的是，其他示例中，测距部件还可以是其他类型的控制器，连接滑块10安装激光测距仪，用于获取连接滑块10与隧道模型中掌子面之间的距离，同样可用于确定锚杆的轴向位置。

本实施例中，横向导向模块包括横向导轨18，横向导轨设置于连接滑块上部，底盘9能够沿着横向导轨18滑动，通过底盘9在横向导轨18内滑动来实现锚杆在洞室横截面内左右移动。

参考图2所示，升降机构包括底盘9、顶板22、升降杆5、连接轴21、推拉杆11和丝杆12。

底盘9和顶板22各自设有销轴滑行孔14，底盘9和顶板22设置的销轴滑行孔14对角布置，底盘9和顶板22之间安装有升降部件，升降部件设有两排，两排升降杆5之间通过连接轴21连接，升降部件的一端与底盘9或顶板22固定，另一端可在销轴滑行孔14中滑动，通过交叉设置的升降部件带动顶板22实现升降。

其中，升降部件包括至少两根交叉设置的升降杆5，本实施例中，单侧升降部件包括多根升降杆，每两根升降杆形成一个交叉的X形，单侧升降部件共有六根升降杆，通过连接轴21和销轴16实现两排升降杆5的连接，同时实现升降杆与顶板22或底盘9的连接，即对于顶部的X形升降杆，其中一根升降杆同穿过顶板的连接轴连接，另一根同顶板销轴滑行孔处的顶部连接轴连接；对于底部的X形升降杆，其中一根同穿过底盘的连接轴连接，另一根同底盘销轴滑行孔处的连接轴连接。交叉设置的升降杆使得升降机构为剪式结构，剪式结构是一种将杆件连接成剪叉状进而实现升降功能的机构，由于其具有结构坚固和稳定升降的优势，常用于千斤顶等升降结构。剪式结构折叠后占用空间较小，考虑到锚杆长度多为隧道跨度的1/3～1/5，因而剪式结构在小尺寸洞径中具有较好的适用性。

参考图3所示，连接轴21横向设置，连接轴21通过销轴16将两排升降部件连接起来，其中两根连接轴21分别位于顶板销轴滑行孔和底盘销轴滑行孔内，底盘销轴滑行孔14内的连接轴21与至少一根丝杆12连接，丝杆12与动力源连接，以带动丝杆12的转动，进而带动连接轴21沿着销轴滑行孔14移动。

具体地，动力源可为电动机13，丝杆12的一端伸出至洞外与电动机13相连，当装置确定位置后，启动电动机13旋转丝杆12，进而牵引底部连接轴沿销轴滑行孔14向洞口方向滑动，使升降机构抬升。当电动机13反向旋转丝杆12时，将推动底部连接轴沿销轴滑行孔14向洞内方向滑动，使升降机构下降。

需要说明的是，推拉杆11与升降机构的底盘9固接，且推拉杆11的一端伸长至洞外，升降机构的轴向及横向变位均通过推拉杆9来实现，具体地，推拉杆与底盘固连，由此操控推拉杆可使得升降机构沿着横向导轨移动；同时，也可通过推拉杆带动升降机构及连接滑块沿着轴向导轨进行移动。

参考图3所示，环向导向模块包括环向架6、环向导轨19和锚杆套孔20，环向导轨19内部设置有滑块，滑块开有锚杆套孔20，滑块可以沿着环向导轨19滑动，且在滑块与环向导轨之间设有阻尼，保证滑块同环向导轨之间的摩擦力，这样在滑块相对于环向导轨的角度确定后，不会随意滑动，在横向导向模块和轴向定位模块移动过程中，通过环向导向模块用于确定锚杆施作方向。

具体地，环向架6的底部与连接滑块10连接，在环向架6顶部设定范围内设置环向导轨19，环向导轨19的设置范围应根据所需施作锚杆的范围确定。

环向导轨19设置滑块，滑块开有锚杆套孔20，锚杆7及锚杆套筒8穿过锚杆套孔20以确定施作方向。

需要说明地是，环向导轨设置于环向架内部，环向导轨和环向架为一体结构。

进一步地，锚定机构包括套筒底盘15、锚杆套筒8和锚杆7。

套筒底盘15与升降机构的顶板22固定连接，锚杆套筒8铰接安装于套筒底盘15，由此锚定机构可在洞室横截面内随锚杆套筒8转动；锚杆套筒8与锚杆7搭接，锚杆的一端插入锚杆套筒8，其搭接的方式不仅能够保证将锚杆7全长顶入洞周填料1中，而且在锚杆顶入洞周填料后，锚杆套筒与锚杆间的摩擦不至于过大，在套筒底座的带动作用下，可顺利与锚杆脱离，进行下一步的工作。

实施例二

利用剪式结构的地质力学模型试验锚杆定位施作方法，包括如下内容：

对隧道相似材料进行填料、压实，并进行洞室开挖，形成隧道模型；

设计锚杆布置参数：确定锚杆施作纵向间隔和横向间隔，进而确定锚杆位置与方向；

架设导轨：首先铺设轴向导轨2，将连接滑块10的下部凸起卡入轴向导轨2的凹槽(用于轴向移动)；将升降机构的底盘9推入位于连接滑块10上部的横向导轨18(用于横向左右方向的移动)，再将环向导轨19安装于连接滑块10；

初步确定锚杆方向：在将升降机构推进洞内之前，首先应将锚杆7安装进锚杆套筒8，并穿过锚杆套孔20，按照设计锚杆施作方向初步移动锚杆套孔20，使锚杆7成设计角度倾斜。

横向移动升降机构：利用推拉杆11使升降机构沿横向导轨18移动，使锚杆端部与施作位置位于同一轴向剖面内。

轴向移动升降机构：利用推拉杆11使升降机构沿轴向导轨2移动，利用激光测距发射单元3和激光测距接收单元4反馈锚杆所处轴向位置，推进至锚杆端部位于设定位置下方。

施作锚杆：启动电动机13，牵引底部和顶部的连接轴21沿销轴滑行孔14滑动，使升降机构抬升，直至锚杆7全长被顶入隧道模型的洞周填料1中则完成打设。

需要注意的是，随着升降机构抬升，锚杆7的倾斜角度会偏离设计角度，此时应通过推拉杆11动态调整升降机构的横向位置，以保证锚杆7始终以设计方向顶进，因而锚杆顶进应以较低的速度进行，有利于及时调整打设角度。

反向运行电动机13使升降机构下降，将升降机构拉出至洞外，继续施作其他位置锚杆。

需要注意的是，锚杆套筒8内径略大于锚杆7外径，以确保锚杆7在被全长顶入洞周填料1后，通过锚杆7与洞周填料1间的摩擦就能顺利脱离锚杆套筒8。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。