[0001] 本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种大跨度变截面隧道支护浇筑试验装置及施工方法。

[0002] 隧道相似模拟试验通过缩小比例(常采用试验尺寸为实际尺寸1：100的比例尺)来模拟实际隧道的结构、力学和服役特性，这种研究方法能够帮助研究人员在实验室条件下了解隧道在施工、运营过程中的潜在问题，从而优化设计方案，并预测隧道的安全性和耐久性。

[0003] 大跨度变截面隧道的相似模拟试验通常需要模拟CRD法、CD法等分断面开挖法，此类开挖方法需要将隧道断面分割为多个小断面分别开挖，洞室开挖后再施作支护，现阶段在大跨度变截面隧道相似模拟试验中进行中隔墙的支护浇筑时，常采用在隧道内壁人工涂抹支护相似材料、衬砌预制后再安装至支护位置这两种方法，但在相似模拟试验中，本已缩小比例的隧道采用分断面开挖法时，各个小断面空间狭小，人工涂抹形成支护的方法难以实施，尤其是在支护相似材料与洞室内壁粘接不佳时，容易造成支护脱落，支护施作质量难以保证，衬砌预制后再安装至支护位置的方法不符合实际的隧道支护施工过程，隧道开挖后发生围岩变形，预制的支护材料尺寸很难实现完全匹配待支护区域，且隧道截面不断变化，当由小断面向大断面过渡时，预制的大断面支护材料的尺寸无法通过前方小断面洞室，随着隧道开挖深度的增长，人工涂抹支护相似材料和衬砌预制后再安装至支护位置的方法难以实现。

[0034] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0035] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0036] 参照图1至图3所示，本实施例第一方面提供了一种大跨度变截面隧道支护浇筑试验装置，包括底座1、机械臂推进系统、密封系统和泵送系统。

[0037] 其中，机械臂推进系统包括转动机械臂组件和伸缩机械臂组件，转动机械臂组件的一端与底座1连接，另一端与伸缩机械臂组件连接，转动机械臂组件能够相对底座1实现前进或后退；密封系统与前序支护结构2接触，密封系统包括密封件3、收纳仓4和粘接仓5，密封件3的一端与收纳仓4连接，另一端与粘接仓5连接，且密封件3适于收卷于收纳仓4中，粘接仓5适于与待支护区域6的下沿贴合，收纳仓4和粘接仓5均与伸缩机械臂组件连接，驱动伸缩机械臂组件带动收纳仓4和粘接仓5做相向运动或背离运动，使得密封件3收卷或展开；泵送系统包括材料泵7、管路8、封堵端头9，材料泵7设置于底座1上，材料泵7和封堵端头9通过管路8连接，封堵端头9与收纳仓4连接，且贴合于待支护区域6的上沿。

[0038] 具体的，转动机械臂组件连接底座1和伸缩机械臂组件，伸缩机械臂组件的另一端连接密封系统，从而通过驱动转动机械臂组件即能够实现带动密封系统进入待支护区域6中，收纳仓4和粘接仓5相对设置，且密封件3的两端分别与收纳仓4和粘接仓5连接，当收纳仓4和粘接仓5被运送前，驱动伸缩机械臂组件带动收纳仓4和粘接仓5做相向运动，使得密封件3收卷于收纳仓4中，减小密封系统前进的阻力，避免密封件3受到损坏，且收纳仓4为筒状结构，便于密封件3进行收卷，粘接仓5为擦灰姑娘防踢结构，当收纳仓4和粘接仓5到达待浇筑位置后，驱动伸缩机械臂组件带动封堵端头9贴合于待支护区域6的上沿，带动粘接仓5贴合于待支护区域6的下沿，即收纳仓4和粘接仓5做背离运动，从而使得密封件3展开，且密封件3的一侧与前序支护结构2接触，以与浇筑空间形成密封空间，将管路8连接到封堵端头9上，从材料泵7中泵送支护相似材料至待支护区域6中，待支护相似材料形成强度后完成支护工作，此装置结构简单，适用于狭小的操作空间，同时保证支护的模拟精度和成型质量，能够根据待支护区域的不同的围岩形状进行支护，适用性高，能够实现大跨度变截面隧道相似模拟试验中的支护浇筑和施工的模拟，且无需对支护材料进行预制，保证隧道相似模拟试验的顺利进行。

[0039] 进一步的，参照图1和图2所示，收纳仓4和粘接仓5的前端均设置有尖刺10。具体的，当收纳仓4和粘接仓5到达待浇筑位置后，驱动伸缩机械臂组件带动封堵端头9贴合于待支护区域6的上沿，带动粘接仓5贴合于待支护区域6的下沿，即收纳仓4和粘接仓5做背离运动，从而使得密封件3展开，收纳仓4和粘接仓5前端设置的尖刺10插入到前方待开挖岩土体22中，从而提高了收纳仓4和粘接仓5在浇筑支护施工时的稳定性。

[0040] 参照图3所示，收纳仓4中设置有弹性件11，密封件3的一端与弹性件11连接。具体的，弹性件11为发条弹簧，通过在收纳仓4中设置弹性件11，且弹性件11的一端与密封件3连接，使得收纳仓4和粘接仓5做相向运动时，密封件3在弹性件11的弹性作用下，自动收卷于收纳仓4中。

[0041] 为了避免支护相似材料浇筑时与密封件3发生粘结，密封件3的表面涂覆有纳米疏水涂层。

[0042] 参照图2所示，前序支护结构2上设置有第一磁性件12，密封件3朝向机械臂推进系统的一侧设置有第二磁性件13，第二磁性件13适于与第一磁性件12吸附，以形成密封空间。具体的，通过设置第一磁性件12和第二磁性件13吸附，实现密封件3与前序支护结构2的吸附，从而提高了浇筑空间的密封性。

[0043] 继续参照图2所示，封堵端头9背离收纳仓4的一侧设置有柔性件14，柔性件14与待支护区域6的内壁贴合。具体的，柔性件14为橡胶条，通过在封堵端头9朝向待支护区域6的一侧设置柔性件14，使得封堵端头9朝向待支护区域6运动时，柔性件14与待支护区域6的内壁贴合，从而提高了封堵端头9与浇筑空间之间的密封性。

[0044] 在一些实施例中，封堵端头9上开设有多个开口15，多个开口15适于与管路8连接，管路8上设置有止浆阀16。具体的，通过在封堵端头9上设置多个开口15，能够根据待支护区域6的高度选择合适高度的开口15，将管路8连接到合适高度的开口15中，封闭其他开口，启动材料泵7，向待支护区域6的空腔中泵送支护相似材料，止浆阀16能够通过泵送压力判断支护相似材料的泵送结束时间。

[0045] 参照图1所示，转动机械臂组件包括第一机械臂17和第二机械臂18，第一机械臂17的一端与底座1连接，另一端与第二机械臂18铰接连接，第二机械臂18的另一端套设有旋转套筒19，伸缩机械臂组件包括第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21，第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21的一端均与旋转套筒19连接，另一端分别连接收纳仓4和粘接仓5。具体的，第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21通过机械臂关节与旋转套筒19连接，机械臂关节远离旋转套筒19的一端设置有两个相对的支腿，第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21分别与两个支腿铰接连接，驱动第一机械臂17运动，带动第二机械臂18运动，从而带动机械臂关节、第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21同步运动，使得密封系统到达待浇筑位置，通过设置旋转套筒19，根据待支护区域6岩石形状和高度带动第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21转动，从而改变密封件3与地面形成的夹角，使得第二磁性件13能够与第一磁性件12齐平，从而吸附形成密封空间，提高支护效果。

[0046] 本实施例第二方面提供了一种大跨度变截面隧道支护浇筑试验施工方法，基于上述的大跨度变截面隧道支护浇筑试验装置完成，包括以下步骤：

[0047] S1、驱动转动机械臂组件，使收纳仓4和粘接仓5相向运动，使得密封件3收卷于收纳仓4中，具体的，驱动第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21，带动收纳仓4和粘接仓5相向运动，密封件3在弹性件11的弹性作用下收卷于收纳仓4中，以便于随机械臂推进系统进入待支护区域6中；

[0048] S2、驱动转动机械臂组件移动，将收纳仓4和粘接仓5送至待支护区域6，使得密封件3朝向转动机械臂组件的一侧与前序支护结构2所要贴合的一侧齐平，具体的，驱动第一机械臂17和第二机械臂18朝向待支护区域6运动，带动第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21朝向待支护区域6运动，从而实现将收纳仓4和粘接仓5送至待支护区域6，通过驱动旋转套筒19，带动第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21转动，从而改变密封件3与地面形成的夹角，使得第二磁性件13能够与第一磁性件12齐平；

[0049] S3、驱动转动机械臂组件移动，使得封堵端头9与待支护区域6的上沿紧密贴合，密封件3展开，粘接仓5与待支护区域6的下沿紧密贴合，密封件3朝向转动机械臂组件的一侧与前序支护结构2所要贴合的一侧紧密贴合，具体的，驱动第一伸缩机械臂20运动，使得柔性件14紧贴待支护区域6的内壁，驱动第二伸缩机械臂21运动，使得粘接仓5与待支护区域6的下沿紧密贴合，此时密封件3展开，第二磁性件13能够与第一磁性件12吸附形成密封空间；

[0050] S4、根据待支护区域6的高度，将管路8选择合适高度连接到封堵端头9上，启动材料泵7，泵送支护相似材料至待支护区域6中，通过判断管路8中的压力结束泵送，具体的，根据待支护区域6的高度，将管路8连接到合适高度的开口15上，封闭其他开口15，泵送支护相似材料至待支护区域6中，止浆阀16通过泵送压力判断支护相似材料的泵送结束时间；

[0051] S5、支护相似材料形成强度后，驱动转动机械臂组件移动，使得密封件3收卷，完成支护施工，具体的，支护相似材料形成强度后，驱动第一伸缩机械臂20和第二伸缩机械臂21做相向运动，使得密封件3在弹性件11的弹性作用下收卷至收纳仓4中，从而完成此位置的支护工作；

[0052] S6、重复步骤S1至S5，完成其他位置的支护施工。

[0053] 需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0054] 以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。