CN105019920B - 一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浅埋暗挖隧道地层变形试验系统领域，旨在提供一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统。该种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统包括模型槽内部系统、驱动系统、外部监测系统，模型槽内部系统包括模型槽、隧道模型，隧道模型的主体用于布置在模型槽内，且模型槽内部的剩余空间用于分层填充土样，驱动系统采用电机实现，外部监测系统包括数字摄影相机、LVDT位移传感器。本发明能通过移动面板的后退模拟浅埋暗挖一个进尺下应力释放，通过地表沉降监测、轴力变化、后退速度和注浆管棚不同组合超前加固的设置来研究地表沉降规律和开挖面应力释放规律，进而优化开挖方式和加固参数，实现指导设计和施工。

Description

一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统

技术领域

本发明是关于浅埋暗挖隧道地层变形试验系统领域，特别涉及一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统。

背景技术

浅埋暗挖法提出了“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的18字方针，突出时空效应对防塌的重要作用，提出在软弱围岩必须快速施工的理念。其施工理念的目的是控制地表沉降和开挖面应力释放。而对于软岩和软土，明确超前加固与地层变形和开挖面应力释放规律的关系是保证施工安全性、经济性的关键。

实际的工程中，超前加固的形式包括管棚、注浆等，但是对不同超前加固形式下，开挖面应力释放机理和地层变形机理缺乏理论的指导，所以往往选取很高的安全系数，导致加固形式和使用量的浪费。因此有必要开展不同超前加固形式下浅埋暗挖隧道开挖面应力释放和地层变形响应机理的模型试验来优化加固参数。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通过设置不同的超前加固形式，能模拟不同的卸载速度，监测地层变形和开挖面轴力的试验系统。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统，能利用土样研究地层变形试验，所述地层变形试验系统包括模型槽内部系统、驱动系统、外部监测系统；

所述模型槽内部系统包括模型槽、隧道模型，隧道模型的主体用于布置在模型槽内，且模型槽内部的剩余空间用于分层填充土样；

所述模型槽为顶部开口的矩形槽，且模型槽的前面板、后面板都是玻璃板，模型槽的两个侧面板和底面板是设有钢肋加固的钢板；模型槽的右侧面板上还设有开口；

所述隧道模型为半圆环柱形模型，包括半圆环柱形衬砌、衬砌支座、管棚固定装置、管棚、移动面板、轴力计、传动杆、变速器，用于利用轴对称性分析圆环柱形隧道开挖引起的地层变化；

所述半圆环柱形衬砌为半圆环柱形的结构，衬砌支座为内弧形实体支座，半圆环柱形衬砌的半圆环状外凸面能与衬砌支座的内弧面匹配固定，且半圆环柱形衬砌利用衬砌支座安装在模型槽内：半圆环柱形衬砌利用衬砌支座与模型槽的前面板、底面板、右面板固定，衬砌支座的底面固定在模型槽的底面板，保证半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面面向模型槽的前面板；

所述管棚固定装置为矩形小钢块，矩形小钢块上开有设有内螺纹的管棚固定孔；管棚固定装置至少两个，均匀分布焊接在半圆环柱形衬砌的半圆环状外凸面的上半部分上；所述管棚为钢条，管棚的一端设有与管棚固定孔的内螺纹匹配的外螺纹，用于利用管棚固定装置固定安装在半圆环柱形衬砌上；

所述移动面板为半圆形面板，移动面板的半径小于半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面的内径，移动面板设置在半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面与模型槽的前面板之间；移动面板包括前板和后板，前板和后板上分别对应设置有注浆孔，用于超前注浆加固；

移动面板、轴力计、传动杆依次连接，传动杆能穿过模型槽右面板上的开口，连接到设置在模型槽外部的变速器，变速器再与驱动系统连接；移动面板上设有滚轮，利用滚轮，移动面板能在传动杆的控制下，在半圆环柱形衬砌内移动；所述轴力计用于测试移动面板的压力，所述变速器用于控制移动面板的前进和后退速度；

所述驱动系统采用电机实现，用于为移动面板的移动提供动力；

所述外部监测系统包括数字摄影相机、LVDT位移传感器；所述数字摄影相机分别设置在模型槽内部的上面、模型槽前面板的外部，用于记录试验过程中开挖面前方、上方土样的变化情况；所述LVDT位移传感器利用跨设在模型槽顶部且可移动的槽型钢板，竖向布置在模型槽内部的顶面，用于观测土样的沉降。

作为进一步的改进，所述移动面板的边缘粘贴有橡胶密封条，用于防止土样进入隧道模型。

作为进一步的改进，所述移动面板在半圆环柱形衬砌内移动时，能凸出半圆环柱形衬砌的长度为0.02～0.05倍隧道直径；隧道直径即半圆环柱形衬砌内直径。

作为进一步的改进，所述移动面板还包括移动面板支柱，前板和后板平行设置，且前板和后板通过移动面板支柱实现固定连接。

作为进一步的改进，所述前板的注浆孔上设置有封闭活塞，封闭活塞连接有活塞拉杆，活塞拉杆的另一端从后板对应的注浆孔伸出，通过控制活塞拉杆的移动，能实现前板注浆孔的开放和关闭。

作为进一步的改进，所述移动面板的前板和后板上的注浆孔，分别对应设置有一对。

作为进一步的改进，所述前板的厚度为0.06倍隧道直径，后板的厚度为15mm；隧道直径即半圆环柱形衬砌内直径。

作为进一步的改进，所述布置在模型槽内部顶面的LVDT位移传感器设有10个。

作为进一步的改进，所述管棚固定装置和管棚各设置有6个。

作为进一步的改进，所述模型槽中，前面板和后面板的玻璃板都采用透明钢化玻璃玻璃板；所述半圆环柱形衬砌为采用镀铬合金钢制成的衬砌；所述衬砌支座为采用高强度合金钢板制成的支座。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能通过移动面板的后退模拟浅埋暗挖一个进尺下应力释放，通过地表沉降监测、轴力变化、后退速度和注浆管棚不同组合超前加固的设置来研究地表沉降规律和开挖面应力释放规律，进而优化开挖方式和加固参数，实现指导设计和施工。

附图说明

图1为本发明的整体正视图。

图2为图1中局部放大图。

图3为本发明中隧道模型侧视图。

图4为半圆环柱形衬砌及衬砌支座示意图。

图5为移动面板细部图。

图中的附图标记为：1模型槽；2LVDT位移传感器；3移动面板；4管棚固定装置；5半圆环柱形衬砌；6轴力计；7传动杆；8变速器；9电机；10前板注浆孔；11衬砌支座；12玻璃板；13橡胶密封条；14土样；15管棚；16移动面板支柱；17前板；18后板；19槽型钢板，20后板注浆孔；21活塞拉杆；22封闭活塞；23侧面板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

为了明确浅埋暗挖隧道不同超前加固形式下、不同卸载速度下，地层变形规律和开挖面应力释放规律，提供一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统，能通过设置不同的超前加固形式，模拟不同的卸载速度，监测地层变形和开挖面轴力来实现这一目的。如图1所示的地层变形试验系统包括模型槽内部系统、驱动系统、外部监测系统。

模型槽内部系统包括模型槽1、隧道模型。所述模型槽1为矩形开口槽，以此来填充土样14并安放隧道装置；模型槽1的前面板、后面板都是透明钢化玻璃板12，便于外部摄像记录，可以运用PIV分析处理照片，模型槽1的两个侧面板23和底面板都是设有钢肋加固的钢板，且右侧面板23上还设有开口。

所述隧道模型为半圆环柱形模型，包括半圆环柱形衬砌5、衬砌支座11、管棚固定装置4、管棚15、移动面板3、轴力计6、传动杆7、变速器8，用于利用轴对称性分析圆环柱形隧道开挖引起的地层变化。

所述半圆环柱形衬砌5是采用镀铬合金钢制成的半圆环柱形半圆柱结构，衬砌支座11为采用高强度合金钢板制成的内弧形实体支座，半圆环柱形衬砌5的半圆环状外凸面能与衬砌支座11的内弧面匹配固定。半圆环柱形衬砌5利用衬砌支座11安装在模型槽1内，具体为：半圆环柱形衬砌5利用衬砌支座11与模型槽1的前面板、底面板、右面板固定，衬砌支座11的底面固定在模型槽1的底面板，保证半圆环柱形衬砌5的半圆环状内凹面面向模型槽1的前面板。

所述管棚固定装置4为矩形小钢块，矩形小钢块上开有设有内螺纹的管棚固定孔；管棚固定装置4设有六个，均匀分布焊接在半圆环柱形衬砌5的半圆环状外凸面的上半部分上。所述管棚15为有一定长度的钢条，同样设有六个；管棚15的一端设有与管棚固定孔的内螺纹匹配的外螺纹，用于利用管棚固定装置4固定安装在半圆环柱形衬砌5上。

所述移动面板3由前板17、后板18及移动面板支柱16组成，前板17、后板18为平行设置的半圆形面板，半径略小于半圆环柱形衬砌5的半圆环状内凹面的内径，前板17和后板18通过移动面板支柱16实现固定连接，整体设置在半圆环柱形衬砌5的半圆环状内凹面与模型槽1的前面板之间；前板17的厚度为0.06倍隧道直径，后板18的厚度为15mm，隧道直径即半圆环柱形衬砌5内直径。前板17、后板18上各设置对应的一对注浆孔，前板注浆孔10将与土体接触，所以在前板17设置封闭活塞22，活塞拉杆21从后板18对应的后板注浆孔20伸出一部分，便于推进和拉出封闭活塞22，通过活塞拉杆21的移动来实现前板注浆孔10的开放和关闭，实现注浆和注浆后的封闭。移动面板3的边缘粘贴有橡胶密封条13，略擦着衬砌来避免土样14进入隧道。

移动面板3、轴力计6、传动杆7依次连接，传动杆7能穿过模型槽1右面板上的开口，连接到设置在模型槽1外部的变速器8，变速器8再与驱动系统连接。移动面板3上设有滚轮，利用滚轮，移动面板3能在传动杆7的控制下，在半圆环柱形衬砌5内移动，且能凸出半圆环柱形衬砌5的长度为0.02～0.05倍隧道直径。轴力计6用于测试移动面板3的压力，变速器8用于控制移动面板3的前进和后退速度。

驱动系统采用电机9实现，电机9与隧道模型中的变速器8连接，用于为移动面板3的移动提供动力，且电机9通过变速器8来控制移动面板3的前进和后退速度，速度应控制在0.02mm/s～0.25mm/s。

外部监测系统包括数字摄影相机、LVDT位移传感器2。所述数字摄影相机分别设置在模型槽1内部的上面、模型槽1前面板的外部，用于记录试验过程中开挖面前方上方土样14的变化情况。所述LVDT位移传感器2设有10个，利用制作好的跨在模型槽1上的两个长度略大于模型槽1宽度并且可以移动的槽型钢板19，通过侧面打设的螺孔来布置LVDT于模型槽1内部的顶面，用于观测土样14的沉降。

本发明具体在实施时：

不设管棚不注浆：试验开始前应先安装好移动面板3，无土样14时标定移动面板3移动速度和不同速度下因面板和半圆环柱形衬砌5摩擦产生的轴力计6读数。然后将移动面板3移动到隧道半圆环柱形衬砌5的最前面，接着在模型槽1内安装土样14。当土样14高度满足浅埋隧道对应的模型高度时，安装竖向LVDT位移传感器2。接着在模型槽玻璃板12面前方架设相机，并在模型槽1上方架相机。试验开始时移动面板3后退来实现开挖面应力释放，并设置不同的移动面板3后退速度进行模拟不同开挖过程。竖向LVDT位移传感器2可以记录试验过程中土样14表面相应点的位移变化来分析沉降；相机记录图片经PIV分析可得出对称面土体的位移场和速度场；轴力计6的读数变化可以分析开挖面的应力释放。

设管棚不注浆：在无土样标定过程后在管棚固定装置4上安装不同数量的管棚15来模拟管棚15超前支护，其他过程同不设管棚不注浆过程。

不设管棚注浆：在土样14填充完成后通过移动面板3的前板注浆孔10注浆，可设置不同的注浆量，其他过程同不设管棚不注浆过程。

设管棚注浆：在无土样标定过程中在管棚固定装置4上安装不同长度、不同数量的钢条来模拟管棚加固，在土样14填充完成后通过移动面板3注浆孔注浆，其他过程同不设管棚不注浆过程。

在不同的组别中可设置不同移动面板3速度开展对照试验，可以得到大量详尽的监测数据，通过数据对比分析，可以得到不同超前加固形式下，不同的卸载速度下，地层变形规律和开挖面应力释放规律，从而优化施工方式、超前加固形式和参数。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统，能利用土样研究地层变形试验，其特征在于，所述地层变形试验系统包括模型槽内部系统、驱动系统、外部监测系统；

所述模型槽内部系统包括模型槽、隧道模型，隧道模型的主体用于布置在模型槽内，且模型槽内部的剩余空间用于分层填充土样；

所述模型槽为顶部开口的矩形槽，且模型槽的前面板、后面板都是玻璃板，模型槽的两个侧面板和底面板是设有钢肋加固的钢板；模型槽的右侧面板上还设有开口；

所述隧道模型为半圆环柱形模型，包括半圆环柱形衬砌、衬砌支座、管棚固定装置、管棚、移动面板、轴力计、传动杆、变速器，用于利用轴对称性分析圆环柱形隧道开挖引起的地层变化；

所述半圆环柱形衬砌为半圆环柱形的结构，衬砌支座为内弧形实体支座，半圆环柱形衬砌的半圆环状外凸面能与衬砌支座的内弧面匹配固定，且半圆环柱形衬砌利用衬砌支座安装在模型槽内：半圆环柱形衬砌利用衬砌支座与模型槽的前面板、底面板、右面板固定，衬砌支座的底面固定在模型槽的底面板，保证半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面面向模型槽的前面板；

所述管棚固定装置为矩形小钢块，矩形小钢块上开有设有内螺纹的管棚固定孔；管棚固定装置至少两个，均匀分布焊接在半圆环柱形衬砌的半圆环状外凸面的上半部分上；所述管棚为钢条，管棚的一端设有与管棚固定孔的内螺纹匹配的外螺纹，用于利用管棚固定装置固定安装在半圆环柱形衬砌上；

所述移动面板为半圆形面板，移动面板的半径小于半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面的内径，移动面板设置在半圆环柱形衬砌的半圆环状内凹面与模型槽的前面板之间；移动面板包括前板和后板，前板和后板上分别对应设置有注浆孔，用于超前注浆加固；

移动面板、轴力计、传动杆依次连接，传动杆能穿过模型槽右面板上的开口，连接到设置在模型槽外部的变速器，变速器再与驱动系统连接；移动面板上设有滚轮，利用滚轮，移动面板能在传动杆的控制下，在半圆环柱形衬砌内移动；所述轴力计用于测试移动面板的压力，所述变速器用于控制移动面板的前进和后退速度；

所述驱动系统采用电机实现，用于为移动面板的移动提供动力；

所述外部监测系统包括数字摄影相机、LVDT位移传感器；所述数字摄影相机分别设置在模型槽内部的上面、模型槽前面板的外部，用于记录试验过程中开挖面前方、上方土样的变化情况；所述LVDT位移传感器利用跨设在模型槽顶部且可移动的槽型钢板，竖向布置在模型槽内部的顶面，用于观测土样的沉降。

2.根据权利要求1所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述移动面板的边缘粘贴有橡胶密封条，用于防止土样进入隧道模型。

3.根据权利要求1所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述移动面板在半圆环柱形衬砌内移动时，能凸出半圆环柱形衬砌的长度为0.02～0.05倍隧道直径；隧道直径即半圆环柱形衬砌内直径。

4.根据权利要求1所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述移动面板还包括移动面板支柱，前板和后板平行设置，且前板和后板通过移动面板支柱实现固定连接。

5.根据权利要求4所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述前板的注浆孔上设置有封闭活塞，封闭活塞连接有活塞拉杆，活塞拉杆的另一端从后板对应的注浆孔伸出，通过控制活塞拉杆的移动，能实现前板注浆孔的开放和关闭。

6.根据权利要求5所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述移动面板的前板和后板上的注浆孔，分别对应设置有一对。

7.根据权利要求6所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述前板的厚度为0.06倍隧道直径，后板的厚度为15mm；隧道直径即半圆环柱形衬砌内直径。

8.根据权利要求1所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述布置在模型槽内部顶面的LVDT位移传感器设有10个。

9.根据权利要求1所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述管棚固定装置和管棚各设置有6个。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的地层变形试验系统，其特征在于，所述模型槽中，前面板和后面板的玻璃板都采用透明钢化玻璃玻璃板；所述半圆环柱形衬砌为采用镀铬合金钢制成的衬砌；所述衬砌支座为采用高强度合金钢板制成的支座。