CN103837360B - 一种隧道管棚施工法模拟开挖装置及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道管棚施工法模拟开挖装置及其实施方法，包括三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构和模型监测系统；所述三维模型试验框架为顶部为敞口的立方体箱型结构，加载设备架设在整体框架内结构上方，通过反力板和顶板之间的千斤顶连接，使得顶板向下做加载位移；在所述整体框架内结构内腔中填充有岩土体模型，所述管棚支护结构水平横向钻入隧道工程洞口上侧的岩土体模型中，所述模型监测系统由安装在单管上的应变片和预埋在岩土体模型中的传感器组成。本发明装置通过室内试验近似模拟管棚支护结构下隧道工程的动态施工过程，能够更加精确获取隧道工程管棚施工方法动态应力应变过程。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程模型实验的技术领域，尤其涉及岩土工程领域管棚施工模拟开挖装置及其实施方法。
背景技术
随着我国城市化水平的不断提高，城市人口的不断扩大，城市交通所承担的压力日渐增大。仅仅依靠地面交通已无法解决城市交通拥挤的状况，参考世界上其他大城市的发展模式，地铁工程由于能极大缓解交通压力必将是城市建设的重中之重。修建地铁不仅可以改善交通流量，减轻由于交通拥挤引起的环境压力，而且也保护了城市的风景，把地表的一部分结构建筑到地下，扩大了城市的绿化面积，修建城市地铁隧道已成为加快城市化进程的重要部分。随着地铁隧道的数量不断增加，规模不断增大，建设难度也不断加大。为适应工程的需要，很多学者正在通过多种方式，研究隧道工程设计与施工方法的优化。其中，模型试验是研究隧道工程施工过程规律的有效方法之一。
模型试验是根据一定的相似原理，将实际工程转换为室内模型进行试验模拟。模型试验能真实地反映地质构造及工程结构的时间、空间的关系，能准确地模拟施工过程的影响。模型从弹性到塑性变形以至最终的破坏，其过程和结果都具有直观性，给人以直接的感受。目前，通过室内模型试验来实现隧道开挖的实例较少，尤其是管棚支护结构下隧道开挖的模型试验装置在国内尚属空白。通过室内模型试验不仅可以以较小的代价预测拟开挖隧道原型实际力学状态的规律，而且模型试验中获取的监测数据可以同施工现场实测数据和室内数值计算加以印证对比分析。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种隧道管棚施工法模拟开挖装置及其实施方法，可以精确获取隧道开挖过程中隧道及地层变形情况。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，包括三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构和模型监测系统；所述三维模型试验框架包括底座、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，在底座的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分别插入条形深槽中，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底座组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板上开设有隧道工程洞口，隧道工程洞口处安装有堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；所述加载设备包括顶板、若干立柱、若干千斤顶和反力板，顶板嵌入所述立方体箱型结构的敞口内，所述若干立柱分别垂直固定在底座边缘区域，所述反力板通过立柱架设在顶板上方，反力板与顶板之间设置千斤顶，反力板、顶板和底座之间相互平行；在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型，所述岩土体模型由自上而下设置的岩土相似材料层三、岩土相似材料层二和岩土相似材料层一组成；所述管棚支护结构包括若干平行设置的杆状单管，杆状单管水平钻入所述隧道工程洞口上侧的岩土体模型内；所述模型监测系统包括若干应变片和传感器，应变片粘贴在所述单管表层，传感器预埋在所述隧道工程洞口外围的岩土体模型中，应变片和传感器分别通过导线与数据采集装置相连。
更进一步的，所述单管为中空的金属管，且在单管的表面设有若干注浆孔，可选择在单管内注浆模拟，注浆模拟更真实地模拟实际工程中隧道开挖前地层的超前预处理。
更进一步的，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板均为透明有机玻璃板。便于直观观察模拟隧道及地层变形情况，并且结构简单，易于实现。
更进一步的，所述紧固框架包括分别位于隧道工程洞口上下两侧的上部紧固架和下部紧固架，上部紧固架包括两个上部第一紧固钢板和两个上部第二紧固钢板，下部紧固架包括两个下部第一紧固钢板和两个下部第二紧固钢板，上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板水平设置在前侧板和后侧板的外侧，上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板水平设置在左侧板和右侧板的外侧，上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板的两端设有螺纹段，上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板的两端设有通孔，将上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板的螺纹段分别穿入上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板的通孔内，并在螺纹段上套设夹紧螺母。这样的紧固框架的设计，可以保证在模拟开挖时，三维模型试验框架的稳定性。
一种隧道管棚施工法模拟开挖实施方法，具体步骤如下：
1）在底座的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，将前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分别插入条形深槽中，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底座组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板上开设隧道工程洞口，在隧道工程洞口处安装堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；
2）在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型，所述岩土体模型由自上而下分为岩土相似材料层三、岩土相似材料层二和岩土相似材料层一；
3）将若干杆状单管沿水平方向钻入所述隧道工程洞口上侧的岩土体模型内，在单管表层粘贴应变片，将传感器预埋在所述隧道工程洞口外围的岩土体模型中，将应变片和传感器分别通过导线与数据采集装置相连；
4）在所述立方体箱型结构的敞口内嵌入顶板，将若干立柱分别垂直固定在底座边缘区域，将反力板通过立柱架设在顶板上方，在反力板与顶板之间设置千斤顶，反力板、顶板和底座之间相互平行，通过千斤顶对顶板的向下作用力模拟地层上覆受力条件；
5）打开堵头挡板，在隧道工程洞口内沿水平方向开挖拟挖隧道，在拟挖隧道挖掘过程中，通过应变片和传感器实时监测单管和岩土体模型的受力情况。
更进一步的，在开挖拟挖隧道时分别按照以下两种方法进行：
采用方法一：开挖拟挖隧道上台阶1个进尺长度并施做隧道临时支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至2个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至1个进尺长度并施做隧道永久支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至3个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至2个进尺长度并施做接着永久支护，循环进尺至拟挖隧道上、下台阶贯通。
采用方法二：开挖拟挖隧道上半部分中间位置1个进尺长度并施做隧道临时支护，交替扩大开挖上半部分两侧到隧道设计宽度，施做隧道上半部分永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做隧道永久支护，接着开挖拟挖隧道下半部分中间位置至1个进尺长度，依次扩大开挖下半部分两侧到隧道设计宽度，并施做隧道永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两边侧至3个进尺长度并施做隧道永久支护，接着依次开挖拟挖隧道下半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做永久支护，循环进尺至拟挖隧道贯通。
有益效果：本发明能够在室内模拟管棚支护结构下隧道的动态施工过程，动态模拟使获得的监测数据更接近实际工程情况，模拟准确；模型框架采用透明有机玻璃制作，便于直观观察。
附图说明
附图1为本发明装置的主视结构图。
附图2为本发明装置的右视结构图。
附图3为本发明装置的俯视结构图。
附图4为本发明管棚支护结构中的单管结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1、2和3所示，一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，包括三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型17、管棚支护结构18和模型监测系统；所述三维模型试验框架包括底座1、前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3，在底座1的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3分别插入条形深槽中，前侧板4、后侧板5、左侧板2、右侧板3和底座1组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板4上开设有隧道工程洞口19，隧道工程洞口19处安装有堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架。
所述紧固框架包括分别位于隧道工程洞口19上下两侧的上部紧固架和下部紧固架，上部紧固架包括两个上部第一紧固钢板10和两个上部第二紧固钢板11，下部紧固架包括两个下部第一紧固钢板12和两个下部第二紧固钢板13，上部第一紧固钢板10和下部第一紧固钢板12水平设置在前侧板4和后侧板5的外侧，上部第二紧固钢板11和下部第二紧固钢板13水平设置在左侧板2和右侧板3的外侧，上部第一紧固钢板10和下部第一紧固钢板12的两端设有螺纹段，上部第二紧固钢板11和下部第二紧固钢板13的两端设有通孔，将上部第一紧固钢板10和下部第一紧固钢板12的螺纹段分别穿入上部第二紧固钢板11和下部第二紧固钢板13的通孔内，并在螺纹段上套设夹紧螺母。这样的紧固框架的设计，可以保证在模拟开挖时，三维模型试验框架的稳定性。
所述加载设备包括顶板6、若干立柱7、若干千斤顶9和反力板8，顶板6嵌入所述立方体箱型结构的敞口内，且顶板6是可分离的。所述若干立柱7分别垂直固定在底座1边缘区域，所述反力板8通过立柱7架设在顶板6上方，反力板8与顶板6之间设置千斤顶9，反力板8、顶板6和底座1之间相互平行，加载设备可以与三维模型试验框架实现分离。
在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型17，所述岩土体模型17是由室内物理试验配比确定的多种近似性质材料组成，模拟复杂的多层岩土体。所述岩土体模型17由自上而下设置的岩土相似材料层三16、岩土相似材料层二15和岩土相似材料层一14组成，相似材料根据实际工程所处的工程地层条件进行调配，并控制相似材料各方面的相似关系都满足与原装岩土相似。
如附图4所示，所述管棚支护结构18包括若干平行设置的杆状单管23，杆状单管23水平钻入所述隧道工程洞口19上侧的岩土体模型17内，所述单管23为中空的金属管，且在单管23的表面设有若干注浆孔，可选择在单管23内注浆模拟，更真实地模拟实际工程中隧道开挖前地层的超前预处理。
所述模型监测系统可实现开挖过程中管棚支护结构18的变形，隧道的顶部、左侧和右侧变形，岩土体模型整体位移，岩土体模型表面沉降和隧道底座位移的监测。所述模型监测系统包括若干应变片22和传感器，应变片22粘贴在所述单管表层，传感器预埋在所述隧道工程洞口19外围的岩土体模型17中，应变片22和传感器分别通过导线与数据采集装置相连，所述应变片22用来收集管棚支护结构18应力应变数据。所述传感器用来监测岩土体模型17中隧道断面的顶部、左侧、右侧的位移变形数据，以及岩土体模型整体位移、岩土体模型表面沉降和隧道底座位移等情况。通过上述应变片22和传感器的组合监测，更加精确地测量出了隧道及地层的变形情况。
所述前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3均为透明有机玻璃板。便于直观观察模拟隧道及地层变形情况，并且结构简单，易于实现。
一种隧道管棚施工法模拟开挖实施方法，具体步骤如下：
1）在底座1的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，将前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3分别插入条形深槽中，前侧板4、后侧板5、左侧板2、右侧板3和底座1组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板4上开设隧道工程洞口19，在隧道工程洞口19处安装堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；
2）在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型17，所述岩土体模型17自上而下分为岩土相似材料层三16、岩土相似材料层二15和岩土相似材料层一14；
3）将若干杆状单管23沿水平方向钻入所述隧道工程洞口19上侧的岩土体模型17内，在单管23表层粘贴应变片22，将传感器预埋在所述隧道工程洞口19外围的岩土体模型17中，将应变片22和传感器分别通过导线与数据采集装置相连；
4）在所述立方体箱型结构的敞口内嵌入顶板6，将若干立柱7分别垂直固定在底座1边缘区域，将反力板8通过立柱7架设在顶板6上方，在反力板8与顶板6之间设置千斤顶9，反力板8、顶板6和底座1之间相互平行，通过千斤顶9对顶板6的向下作用力模拟地层上覆受力条件；
5）打开堵头挡板，在隧道工程洞口19内沿水平方向开挖拟挖隧道，在拟挖隧道挖掘过程中，通过应变片22和传感器实时监测单管和岩土体模型17的受力情况。
在开挖拟挖隧道时分别按照以下两种方法进行：
采用方法一：开挖拟挖隧道上台阶1个进尺长度并施做隧道临时支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至2个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至1个进尺长度并施做隧道永久支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至3个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至2个进尺长度并施做接着永久支护，循环进尺至拟挖隧道上、下台阶贯通。
采用方法二：开挖拟挖隧道上半部分中间位置1个进尺长度并施做隧道临时支护，交替扩大开挖上半部分两侧到隧道设计宽度，施做隧道上半部分永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做隧道永久支护，接着开挖拟挖隧道下半部分中间位置至1个进尺长度，依次扩大开挖下半部分两侧到隧道设计宽度，并施做隧道永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两边侧至3个进尺长度并施做隧道永久支护，接着依次开挖拟挖隧道下半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做永久支护，循环进尺至拟挖隧道贯通。
管棚施工方法动态应力应变过程，可推广应用于城市市政工程过街通道，煤矿交叉巷道施工，试验装置易于加工，结构装配简单，具有一定的科研推广价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，其特征在于：包括三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型(17)、管棚支护结构(18)和模型监测系统；
所述三维模型试验框架包括底座(1)、前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)和右侧板(3)，在底座(1)的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)和右侧板(3)分别插入条形深槽中，前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)、右侧板(3)和底座(1)组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板(4)上开设有隧道工程洞口(19)，隧道工程洞口(19)处安装有堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；
所述加载设备包括顶板(6)、若干立柱(7)、若干千斤顶(9)和反力板(8)，顶板(6)嵌入所述立方体箱型结构的敞口内，所述若干立柱(7)分别垂直固定在底座(1)边缘区域，所述反力板(8)通过立柱(7)架设在顶板(6)上方，反力板(8)与顶板(6)之间设置千斤顶(9)，反力板(8)、顶板(6)和底座(1)之间相互平行；
在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型(17)，所述岩土体模型(17)由自上而下设置的岩土相似材料层三(16)、岩土相似材料层二(15)和岩土相似材料层一(14)组成；
所述管棚支护结构(18)包括若干平行设置的杆状单管(23)，杆状单管(23)水平钻入所述隧道工程洞口(19)上侧的岩土体模型(17)内；
所述模型监测系统包括若干应变片(22)和传感器，应变片(22)粘贴在所述杆状单管(23)表层，传感器预埋在所述隧道工程洞口(19)外围的岩土体模型(17)中，应变片(22)和传感器分别通过导线与数据采集装置相连。
2.根据权利要求1所述一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，其特征在于：所述杆状单管(23)为中空的金属管，且在杆状单管(23)的表面设有若干注浆孔(24)。
3.根据权利要求1所述一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，其特征在于：所述前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)和右侧板(3)均为透明有机玻璃板。
4.根据权利要求1所述一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，其特征在于：所述紧固框架包括分别位于隧道工程洞口(19)上下两侧的上部紧固架和下部紧固架，上部紧固架包括两个上部第一紧固钢板(10)和两个上部第二紧固钢板(11)，下部紧固架包括两个下部第一紧固钢板(12)和两个下部第二紧固钢板(13)，上部第一紧固钢板(10)和下部第一紧固钢板(12)水平设置在前侧板(4)和后侧板(5)的外侧，上部第二紧固钢板(11)和下部第二紧固钢板(13)水平设置在左侧板(2)和右侧板(3)的外侧，上部第一紧固钢板(10)和下部第一紧固钢板(12)的两端设有螺纹段，上部第二紧固钢板(11)和下部第二紧固钢板(13)的两端设有通孔，将上部第一紧固钢板(10)和下部第一紧固钢板(12)的螺纹段分别穿入上部第二紧固钢板(11)和下部第二紧固钢板(13)的通孔内，并在螺纹段上套设夹紧螺母。
5.一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的实施方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)在底座(1)的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，将前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)和右侧板(3)分别插入条形深槽中，前侧板(4)、后侧板(5)、左侧板(2)、右侧板(3)和底座(1)组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板(4)上开设隧道工程洞口(19)，在隧道工程洞口(19)处安装堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；
2)在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型(17)，所述岩土体模型(17)由自上而下分为岩土相似材料层三(16)、岩土相似材料层二(15)和岩土相似材料层一(14)；
3)将若干杆状单管(23)沿水平方向钻入所述隧道工程洞口(19)上侧的岩土体模型(17)内，在杆状单管(23)表层粘贴应变片(22)，将传感器预埋在所述隧道工程洞口(19)外围的岩土体模型(17)中，将应变片(22)和传感器分别通过导线与数据采集装置相连；
4)在所述立方体箱型结构的敞口内嵌入顶板(6)，将若干立柱(7)分别垂直固定在底座(1)边缘区域，将反力板(8)通过立柱(7)架设在顶板(6)上方，在反力板(8)与顶板(6)之间设置千斤顶(9)，反力板(8)、顶板(6)和底座(1)之间相互平行，通过千斤顶(9)对顶板(6)的向下作用力模拟地层上覆受力条件；
5)打开堵头挡板，在隧道工程洞口(19)内沿水平方向开挖拟挖隧道，在拟挖隧道挖掘过程中，通过应变片(22)和传感器实时监测杆状单管和岩土体模型(17)的受力情况。
6.根据权利要求5所述的一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的实施方法，其特征在于，在开挖拟挖隧道时分别按照以下两种方法进行：
采用方法一：开挖拟挖隧道上台阶1个进尺长度并施做隧道临时支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至2个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至1个进尺长度并施做隧道永久支护，继续开挖拟挖隧道上台阶至3个进尺长度并施做隧道临时支护，接着开挖拟挖隧道下台阶至2个进尺长度并施做接着永久支护，循环进尺至拟挖隧道上、下台阶贯通；
采用方法二：开挖拟挖隧道上半部分中间位置1个进尺长度并施做隧道临时支护，交替扩大开挖上半部分两侧到隧道设计宽度，施做隧道上半部分永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做隧道永久支护，接着开挖拟挖隧道下半部分中间位置至1个进尺长度，依次扩大开挖下半部分两侧到隧道设计宽度，并施做隧道永久支护，继续依次开挖拟挖隧道上半部分中间和两边侧至3个进尺长度并施做隧道永久支护，接着依次开挖拟挖隧道下半部分中间和两侧至2个进尺长度并施做永久支护，循环进尺至拟挖隧道贯通。
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