基于囊体扩张的土体变形控制装置

1.本发明涉及地下施工技术领域，尤其涉及一种基于囊体扩张的土体变形控制装置。


背景技术：

2.隧道以及基坑的变形会造成极大危害，而随着城市的发展地下建筑越来越多，地下空间资源也越来越紧缺，对土体变形控制的要求也越来越高。囊体扩张技术作为一种新兴的隧道和基坑主动变形控制方法，控制效率高且成本较低。示例性地，若隧道或者基坑土体在某处出现凹陷，则需要在凹陷处的背面设置囊体，囊体膨胀扩张后即可将凹陷的土体推回原位。
3.囊体扩张技术中，多利用砂浆等水硬性胶凝材料或气硬性胶凝材料使囊体外膜膨胀，其存在以下缺陷：(1)囊体体积与注浆体积一致，注浆一旦凝固，外形形状便无法改变，囊体形状同样也无法改变，无法纠偏调整；(2)即便囊体采用橡胶等柔性材料制成，也会出现囊体形状失控的现象；(3)由于囊体内水硬性胶凝材料或气硬性胶凝材料固化时间较短，会出现囊体扩张不能随工程需求实时改变的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于囊体扩张的土体变形控制装置，能够根据土体变形纠正所需的实际支撑力来控制囊体的变形程度，避免出现囊体形状失控的现象。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.提供一种基于囊体扩张的土体变形控制装置，包括：
7.应力测量装置，埋设于待纠偏土体内，用于测量所述待纠偏土体内的应力值；
8.间距可调的上固定板和下固定板，所述上固定板和所述下固定板之间设置有呈圆周分布的多个连杆组件，每个所述连杆组件均包括依次铰接的多个连接杆，每个所述连杆组件中最上端的所述连接杆铰接于所述上固定板，最下端的所述连接杆铰接于所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板靠近彼此时，所述连杆组件向外扩张；
9.囊体外膜，覆设于多个所述连杆组件外，所述囊体外膜采用弹性材料制成；
10.控制单元，用于根据所述应力测量装置测量的应力值调节所述上固定板和所述下固定板的间距，直至所述待纠偏土体内的应力值达到预设应力值。
11.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述上固定板和所述下固定板之间设置有调节组件，所述调节组件包括套管和可伸缩地设置于所述套管内的调节杆，通过调节所述调节杆伸出所述套管的距离，以调整所述上固定板和所述下固定板之间的距离。
12.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述套管为螺纹套管，所述调节杆为螺杆，所述螺纹套管连接于所述下固定板面向所述上固定板的一侧，所述螺杆的下端螺纹旋拧于所述螺纹套管内，上端设置有控制杆，所述控制杆可转动地穿
设于所述上固定板，并与所述上固定板之间设置有轴向限位结构。
13.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述轴向限位结构包括轴承，所述控制杆穿设于所述轴承的内圈，所述上固定板套设于所述轴承的外圈。
14.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述控制杆为空心结构，所述螺杆的上端同轴穿设于所述控制杆内，所述控制杆与所述囊体外膜的内腔连通，以通过所述控制杆向所述囊体外膜的内腔注浆。
15.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述控制杆的上端连接有上注浆口，下端连接有下注浆口，所述下注浆口与所述囊体外膜的内腔连通。
16.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，还包括临时封闭结构，
17.所述临时封闭结构包括临时封闭套筒，所述临时封闭套筒的下端连接于所述控制杆的上端口，所述上注浆口设置于所述临时封闭套筒的上端，通过所述上注浆口能够向所述临时封闭套筒内填充临时封堵料，所述临时封堵料包括泡沫或水泥；或者，
18.所述临时封闭结构包括可拆卸地覆设于所述上注浆口的隔膜。
19.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述临时封闭结构包括临时封闭套筒，所述临时封闭套筒内设置有毛刺结构，所述毛刺结构用于黏挂所述临时封堵料。
20.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，多个所述连杆组件等间隔设置，每个所述连杆组件均包括依次铰接的三个所述连接杆。
21.作为本发明提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置的优选方案，所述囊体外膜为橡胶膜。
22.本发明的有益效果：
23.本发明提供一种基于囊体扩张的土体变形控制装置，通过应力测量装置能够测量待纠偏土体内的应力值，并将该应力值传输给控制的单元，控制单元根据应力测量装置测量的应力值调节上固定板和下固定板的间距，使上固定板和下固定板互相靠近，位于上固定板和下固定板之间的连杆组件向外扩张，从而带动覆设于多个连杆组件外的囊体外膜膨胀变大，直至囊体外膜与待纠偏土体接触并挤压待纠偏土体，期间应力测量装置实时监测待纠偏土体内的应力值，待应力值达到预设应力值时，可停止驱动上固定板和下固定板互相靠近。即，应力测量装置用于反馈纠偏土体时囊体外膜需要的变形，控制单元能够根据待纠偏土体所需的实际支撑力来调节多个连杆组件的变形量，以使囊体外膜膨胀至适宜程度，多个连杆组件能够支撑囊体外膜，避免出现囊体外膜形状失控的现象。
附图说明
24.图1是本发明具体实施方式提供的土体变形控制装置的囊体外膜未膨胀时的示意图；
25.图2是本发明具体实施方式提供的土体变形控制装置的内部示意图；
26.图3是本发明具体实施方式提供的连杆组件向外扩张时的示意图。
27.图中：
28.1、应力测量装置；2、上固定板；3、下固定板；4、连杆组件；5、囊体外膜；7、上注浆
口；8、下注浆口；9、临时封闭套筒；10、控制回路；
29.61、螺纹套管；62、螺杆；63、控制杆；
30.41、连接杆。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
32.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
35.如图1、图2以及图3所示，本实施例提供一种基于囊体扩张的土体变形控制装置，包括应力测量装置1、间距可调的上固定板2和下固定板3、囊体外膜5以及控制单元。
36.应力测量装置1埋设于待纠偏土体内，用于测量待纠偏土体内的应力值；上固定板2和下固定板3之间设置有呈圆周分布的多个连杆组件4，每个连杆组件4均包括依次铰接的多个连接杆41，每个连杆组件4中最上端的连接杆41铰接于上固定板2，最下端的连接杆41铰接于下固定板3，上固定板2和下固定板3靠近彼此时，连杆组件4向外扩张。囊体外膜5覆设于多个连杆组件4外，且囊体外膜5采用弹性材料制成，能够膨胀变形。以其中一个连杆组件4为例，当上固定板2和下固定板3靠近彼此时，最上端连接杆41相对上固定板2向远离囊体外膜5中心的方向转动，最下端连接杆41相对下固定板3向远离囊体外膜5中心的方向转动，同时，连接杆41之间也发生相对转动，以使连杆组件4向外扩张变形，从而撑开囊体外膜5。控制单元用于根据应力测量装置1测量的应力值调节上固定板2和下固定板3的间距，直至待纠偏土体内的应力值达到预设应力值。
37.本实施例提供的基于囊体扩张的土体变形控制装置，通过应力测量装置1能够测量待纠偏土体内的应力值，并将该应力值传输给控制的单元，控制单元根据应力测量装置1测量的应力值调节上固定板2和下固定板3的间距，使上固定板2和下固定板3互相靠近，位于上固定板2和下固定板3之间的连杆组件4向外扩张，从而带动覆设于多个连杆组件4外的
囊体外膜5膨胀变大，直至囊体外膜5与待纠偏土体接触并挤压待纠偏土体，期间应力测量装置1实时监测待纠偏土体内的应力值，待应力值达到预设应力值时，可停止驱动上固定板2和下固定板3互相靠近。即，应力测量装置1用于反馈纠偏土体时囊体外膜5需要的变形，控制单元能够根据待纠偏土体所需的实际支撑力来调节多个连杆组件4的变形量，以使囊体外膜5膨胀至适宜程度，多个连杆组件4能够支撑囊体外膜5，避免出现囊体外膜5形状失控的现象。
38.本实施例中，可选地，囊体外膜5为橡胶膜，具有较大的弹性变形能力，且承载能力高，不易膨胀破坏。或者，囊体外膜5也可以为其他承载能力较强的柔性材料制成。
39.参见图1，该土体变形控制装置还包括控制回路10，应力测量装置1和控制单元均设置于该控制回路10上。
40.上固定板2和下固定板3之间设置有调节组件，调节组件用于调节上固定板2和下固定板3之间的间距。具体地，调节组件包括套管和可伸缩地设置于套管内的调节杆，通过调节调节杆伸出套管的距离，以调整上固定板2和下固定板3之间的距离，操作方便，易于实现。
41.具体到本实施例中，参见图2和图3，套管为螺纹套管61，调节杆为螺杆62，螺纹套管61连接于下固定板3面向上固定板2的一侧，螺杆62的下端螺纹旋拧于螺纹套管61内，上端设置有控制杆63，控制杆63可转动地穿设于上固定板2，并与上固定板2之间设置有轴向限位结构。由于控制杆63下端与螺杆62连接，通过转动控制杆63可带动螺杆62在螺纹套管61内转动，以使螺杆62更多地旋入螺纹套管61内，从而使上固定板2下移以靠近下固定板3，多个连杆组件4向外扩张变形，以撑开囊体外膜5。此过程中，控制杆63相对上固定板2转动，控制杆63在螺杆62的带动下下移时，由于轴向限位结构的作用，上固定板2随之下移。即，控制杆63旋转时上固定板2不跟转，但上固定板2会随控制杆63下移，以靠近下固定板3。
42.优选地，轴向限位结构包括轴承，控制杆63穿设于轴承的内圈，上固定板2套设于轴承的外圈。通过设置轴承，能够实现控制杆63相对上固定板2的转动，且能够减小控制杆63相对上固定板2转动时的摩擦阻力，同时轴承还能起到轴向限位作用，避免上固定板2与控制杆63之间产生轴向位移。
43.本实施例中，控制杆63为空心结构，螺杆62的上端同轴穿设于控制杆63内，当控制杆63带动螺杆62转动时，二者同轴转动，避免偏心转动。控制杆63与囊体外膜5的内腔连通，以通过控制杆63向囊体外膜5的内腔注浆。注浆材料可为水泥砂浆等，其凝固后能够起到稳定支撑变形土体的作用，防止纠偏后的土体再次变形。进一步地，控制杆63的上端连接有上注浆口7，下端连接有下注浆口8，下注浆口8与囊体外膜5的内腔连通。通过上注浆口7注入浆液，浆液依次通过上注浆口7、控制杆63的内腔以及下注浆口8进入囊体外膜5的内腔。
44.在囊体外膜5膨胀过程中，为防止异物通过上注浆口7进入囊体外膜5的内腔中，可对上注浆口7位置通过临时封闭结构进行临时封闭。可选地，参见图2和图3，临时封闭结构包括临时封闭套筒9，临时封闭套筒9的下端连接于控制杆63的上端口，并与控制杆63内腔连通，上注浆口7设置于临时封闭套筒9的上端，并与临时封闭套筒9的内腔连通，通过上注浆口7能够向临时封闭套筒9内填充临时封堵料，临时封堵料包括泡沫或水泥。泡沫或水泥填充于临时封闭套筒9内，能够起到封闭保护作用，防止异物进入囊体外膜5内。
45.进一步地，临时封闭套筒9内设置有毛刺结构，毛刺结构用于黏挂临时封堵料。临
时封闭套筒9内的毛刺结构使得临时封闭套筒9内壁粗糙不平，能够黏挂住填入其内壁的泡沫或者水泥，避免泡沫或者水泥下落至控制杆63内部。
46.其他实施例中，临时封闭结构也可包括可拆卸地覆设于上注浆口7的隔膜，隔膜能够防止异物通过上注浆口7进入囊体外膜5内。示例性地，隔膜可为塑料膜。
47.参见图2和图3，本实施例中，多个连杆组件4等间隔设置，并呈圆周分布，上固定板2靠近下固定板3时，多个连杆组件4同时向外扩张变形，以撑开囊体外膜5。进一步地，每个连杆组件4均包括依次铰接的三个连接杆41，布置合理，若连接杆41数量过多，则在上固定板2靠近下固定板3过程中，部分连接杆41可能向内转动，无法支撑囊体外膜5。每个连杆组件4的三个连接杆41中，上部连接杆41和下部连接杆41的长度均相等，以使多个连杆组件4在支撑囊体外膜5变形时始终为上下对称的结构，保证囊体外膜5形状良好。
48.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。