CN108278118B - 地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位装置及方法，其主要步骤为：1)开挖起始点定位：通过开挖定位板上的横向与竖向定位槽孔，对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位，2)开挖走向定位：通过全站仪结合软件，确定开挖走向，并通过开挖定位板上的脚螺旋对开挖装置走向进行精确调整，完成开挖走向定位，3)开挖过程监测纠偏：完成开挖定位后，保持全站仪位置与角度不变，通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差，并及时进行校正。本发明具有以下优点：①开挖定位精度高，②操作简便，对模型架扰动小，③开挖过程中可对开挖走向进行实时监控并及时校正。

Description

地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验开挖定位方法，具体是一种应用于地下工程地质力学模型试验复杂结构洞室群的开挖定位装置及方法。

背景技术

随着社会生产力水平的不断发展，在能源、交通、水利、矿山、国防等各个领域，地下工程建设的数量与规模不断增大，地下空间的开发利用越来越体现出巨大经济效益和社会效益。与此同时，为满足特定的功能需要，许多地下工程逐渐走向深部，洞室结构也逐渐向既分布有竖井又分布有平洞的多洞室交叉复杂结构洞室群方向发展。与传统单一或简单平行布置的交通隧洞不同，深部复杂洞室群中不同洞室之间存在着明显的相互影响，任意单一洞室的开挖都会对洞室群整体稳定性产生影响。研究深部复杂洞室群开挖及运营过程中的整体稳定性，对实际工程设计与施工具有重要的指导作用和理论意义。然而，面对深部地下工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部地下工程的重要手段。

地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型研究洞室施工开挖过程与变形破坏规律的一种物理模拟方法。由于地下工程规模较大，地质力学模型是采用一定的比例尺对原型进行缩型，这就导致模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差。

特别是对于复杂结构洞室群，由于存在多洞室交叉，任意单一洞室定位或掘进走向的微小偏差，都有可能造成开挖后的洞室群结构错位或不相交。因此，如何有效的对各洞室进行精确定位并精准控制其开挖走向，成为复杂结构洞室群模型试验能否取得成功的关键。目前国内外有关模型洞室开挖现状如下：

中国专利公开号1401861提供了一种模型试验中洞室群开挖定位的方法，首先在模型体中预埋柔性钢索，然后将开挖装置嵌套在柔性钢索上，并沿柔性钢索开挖出导洞，再依次采用不同开挖工具对导洞进行扩挖修整，从而完成洞室开挖。该方法通过预埋柔性钢索进行洞室定位，但柔性钢索在预埋过程中的位置及走向难以精确控制，因此无法进行复杂结构洞室群的开挖定位。

中国专利公开号CN102384738A提供了一种模型试验地下工程掘进定位的装置与方法，通过对红色可见激光的反射与干涉，对开挖走向及开挖进尺进行实时反馈。该方法只适用于单一洞室的开挖走向及开挖进尺控制，无法应用于复杂结构洞室群的开挖定位。

中国专利公开号CN102444410A提供了一种模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，根据洞室尺寸制作拼装式木模预埋在模型体中，由螺杆将木模与模型箱顶部横梁连接，通过移动横梁及旋转螺杆升降，实现木模精确定位，再通过旋转螺杆拔出木模，形成模型洞室。该方法可实现模型试验中隐埋洞室的定位与成型，但无法进行复杂结构洞室群的开挖定位。

《武汉水利水电大学学报》1994年第1期介绍了一种用预制块砌筑洞室的方法。该法用预制块按洞室的形状和尺寸雕成芯块砌入预定的部位，试验时取出芯块形成洞室。此法不足之处在于洞腔内壁容易形成接缝，预制块之间物理力学参数不连续，对试验结果影响较大。

《岩石力学与工程学报》2010年第1期介绍了一种洞室群开挖定位方法，对于正面洞室，在模型试验钢结构台架上开设与洞室尺寸相同的开挖窗，由人工进行开挖，对于洞室之间的连接通道，采用在模型体中预埋拼装式木模预，然后将木模顶出的方式模拟洞室开挖。该方法部分洞室采用人工开挖，误差较大，部分洞室采用拔模方式成洞，无法模拟实际开挖卸荷过程，更难于进行复杂结构洞室群的开挖定位。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位的方法。该方法对复杂结构洞室群开挖定位精度高，开挖过程中可对开挖走向进行实时监控，并及时校正，且操作简便，对模型试验台架扰动小。有利于提高模型试验洞室群开挖的精度，使模型试验开挖效果更加接近工程实际。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种模型试验复杂结构地下洞室群开挖定位装置，包括全站仪和模型试验台架，在所述的模型试验台架的x轴、y轴和z轴方向上设有洞室开挖装置，所述的洞室开挖装置通过开挖定位板固定在模型试验台架，且洞室开挖装置在开挖定位板上的位置可调；所述的全站仪用于确定开挖的方向，且通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差。

进一步的，所述的开挖定位板包括底板和顶板，在所述的底板上开设有横向定位槽孔，在所述的顶板上设有竖向定位槽孔；通过高强螺栓在横向和竖向定位槽孔内滑动，可对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位。

进一步的，所述的底板和顶板之间通过脚螺旋相连；通过旋转脚螺旋，可对开挖装置的倾角进行精准调节，完成开挖走向定位。

本发明还提供了一种利用所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，包括以下步骤：

1)开挖起始点定位：通过开挖定位板上的横向与竖向定位槽孔，对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位；

2)开挖走向定位：通过全站仪结合软件，确定开挖走向，并通过开挖定位板上的脚螺旋对开挖装置走向进行精确调整，完成开挖走向定位；

3)开挖过程监测纠偏：完成开挖定位后，保持全站仪位置与角度不变，通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差，并及时进行校正。

进一步的，步骤1具体过程是：通过开挖定位板配合高强螺栓，将开挖装置前端固定在模型试验台架上；通过高强螺栓在开挖定位板横向定位槽孔及竖向定位槽孔内的滑动，对开挖装置刀头位置进行精准微调，使刀头底部中点与开挖窗口底部中点对齐，此时完成开挖起始点的定位。

进一步的，步骤2的具体过程是：确定开挖起始点后，为获得预期洞室群结构，确保开挖后各洞室能准确相交，还要对各洞室开挖走向进行精准定位；对于竖向洞室开挖装置，通过旋转开挖定位板上的脚螺旋使其处于铅直状态后，即完成开挖走向定位；对于水平洞室开挖装置，通过旋转开挖定位板上的脚螺旋使其处于水平状态后，再采用全站仪对水平开挖装置走向进行精准定位。

进一步的，步骤2的具体步骤如下：

1)将全站仪摆放在视野开阔、光度良好的位置并调平；

2)使用全站仪测量竖向洞室开挖装置末端中心轴中心，以该方向为起始方向，记录下其坐标A(x1,y1,z1)，以及该中心轴到全站仪的水平距离R1；

3)使用全站仪测量开挖窗口底面中心坐标B(x2,y2,z2)，记录下该点到全站仪的水平距离R2，以及全站仪测量该点的水平角α；

4)通过软件绘出A、B两点在水平面上的投影，并在A点做以R1为半径的圆，在B点做以R2为半径的圆，其交点为全站仪位置O(x0,y0)；

5)在软件中将A、B两点连接，并沿AB做与水平洞室开挖装置长度L等长的延长线BC；将O点和B点、O点和C点连接，从而获得OB和OC线段的夹角β；

6)将全站仪在α角度的基础上继续水平转向β角度；

7)打开全站仪激光指示灯，调节全站仪的竖直微调旋钮至其与水平洞室开挖装置尾部中心点D于同一水平面；

8)调节开挖定位板上的四个脚螺旋，使水平洞室开挖装置尾部中心点D与全站仪激光指示灯点重合，此时完成水平洞室开挖装置开挖走向定位。

进一步的，所述的步骤3全站仪实时监测开挖走向偏差；开挖过程中，保持全站仪位置和角度不动，并保持激光指示灯常亮，观察开挖装置尾部中心点D与全站仪激光指示灯点是否重合，即可实时监控开挖走向是否发生偏差，进而通过开挖定位板上的脚螺旋对开挖走向及时进行校正。

本发明具有如下有益效果：

1)开挖定位精度高。通过高强螺栓在开挖定位板上的横向、竖向槽孔内滑动，对开挖装置前端进行微调定位，可精确控制开挖起始点。通过全站仪结合软件对开挖装置末端进行定位，再通过旋转开挖定位板上的四个脚螺旋调整开挖装置末端到指定位置，可精确控制开挖走向。

2)操作简便，对模型试验台架扰动小。通过开挖定位板上横向、竖向槽孔的滑动，以及脚螺旋的旋转，可方便快捷的对开挖装置起始开挖位置与走向进行精确调整，避免多次拆装对模型试验台架的扰动。

3)开挖过程中可对开挖走向进行实时监控，并及时校正。通过全站仪的激光指示灯对开挖过程中开挖走向进行实时监测，从而确保开挖装置沿预定走向开挖

4)可广泛应用于交通、水电、能源、矿山等领域中各种复杂结构洞室模型试验开挖定位。

附图说明

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

图1为本发明整体示意图；

图2为开挖定位板示意图；

图3为全站仪定位坐标计算示意图；

图4为模型试验洞室结构设计图；

图5、图6实际模型试验应用照片；

图中，1.模型试验台架；2.竖向洞室开挖装置；3.水平洞室开挖装置；4-1、4-2、4-3开挖定位板；5.全站仪；6.底板；7.横向定位槽孔；8.竖向定位槽孔；9.顶板；10.脚螺旋；11水平洞室开挖装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，地质力学模型试验复杂结构洞室群开挖定位方法，包括以下步骤：

1、开挖起始点定位。通过开挖定位板3配合高强螺栓，将开挖装置2前端固定在模型试验台架1上。所述开挖定位板由底板5、顶板8及脚螺旋9组成，底板与顶板上分别开有横向定位槽孔6及竖向定位槽孔7，顶板与底板之间由四个脚螺旋9连接。通过高强螺栓在开挖定位板定位3横向定位槽孔6及竖向定位槽孔7内的滑动，对开挖装置2刀头位置进行精准微调，使刀头底部中点与开挖窗口底部中点对齐，此时完成开挖起始点的定位。

2、开挖走向定位。确定开挖起始点后，为获得预期洞室群结构，确保开挖后各洞室能准确相交，还要对各洞室开挖走向进行精准定位。对于竖向洞室开挖装置2，通过旋转开挖定位板3上的脚螺旋9使其处于铅直状态后，即完成开挖走向定位。对于水平洞室开挖装置3，通过旋转开挖定位板上的脚螺旋使其处于水平状态后，再采用全站仪5对水平开挖装置走向进行精准定位，具体步骤如下：

1)将全站仪5摆放在视野开阔、光度良好的位置并调平；

2)使用全站仪5测量竖向洞室开挖装置2末端中心轴中心，以该方向为起始方向，记录下其坐标A(x1,y1,z1)，以及该中心轴到全站仪的水平距离R1；

3)使用全站仪5测量开挖窗口底面中心坐标B(x2,y2,z2)，记录下该点到全站仪5的水平距离R2，以及全站仪测量该点的水平角α；

4)通过软件绘出A、B两点在水平面上的投影，并在A点做以R1为半径的圆，在B点做以R2为半径的圆，其交点为全站仪5位置O(x0,y0)；

5)在软件中将A、B两点连接，并沿AB做与水平洞室开挖装置3长度L等长的延长线BC；将O点和B点、O点和C点连接，从而获得OB和OC线段的夹角β；

6)将全站仪5在α角度的基础上继续水平转向β角度；

7)打开全站仪激光指示灯，调节全站仪的竖直微调旋钮至其与水平洞室开挖装置3尾部中心点D于同一水平面；

8)调节开挖定位板上的四个脚螺旋，使水平洞室开挖装置3尾部中心点D与全站仪5激光指示灯点重合，此时完成水平洞室开挖装置开挖走向定位。

3、全站仪5实时监控开挖装置走向误差。开挖过程中，保持全站仪5位置和角度不动，并保持激光指示灯常亮，观察开挖装置2、3、11，尾部中心点D与全站仪激光指示灯点是否重合，即可实时监控开挖走向是否发生偏差，进而通过开挖定位板3上的脚螺旋9对开挖走向及时进行校正。

上述方法采用的装置结构如下：包括全站仪5和模型试验台架1，在所述的模型试验台架1的x轴、y轴和z轴方向上设有洞室开挖装置(竖向洞室开挖装置2，水平洞室开挖装置3，水平洞室开挖装置11)，洞室开挖装置通过定位板4固定在模型试验台架，且洞室开挖装置在定位板上的位置可调；全站仪5用于确定开挖的方向，且通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差。

开挖定位板4-1、4-2、4-3包括底板6和顶板9，在所述的底板6上开设有横向定位槽孔7，在所述的顶板9上设有竖向定位槽孔8；通过高强螺栓在横向和竖向定位槽孔内滑动，可对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位。

底板和顶板之间通过脚螺旋10相连；通过旋转脚螺旋，可对开挖装置的倾角进行精准调节，完成开挖走向定位。

上述的水平洞室开挖装置3和11、竖向洞室开挖装置2的结构采用现有装置的结构。

图4、图5、图6为本发明实际应用效果，由图4可知，试验洞室设计结构为既有竖井又有水平洞室，且互相交叉的复杂洞室群，由图5、图6可知，模型试验洞室群开挖后，各洞室形状规则，走向平稳，洞室间交叉定位准确，与试验设计布局一致，充分表明本发明对于模型试验复杂结构洞室开挖定位具有良好的效果。

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

Claims (8)

1.一种模型试验复杂结构地下洞室群开挖定位装置，其特征在于，包括全站仪和模型试验台架，在所述的模型试验台架的x轴、y轴和z轴方向上设有洞室开挖装置，所述的洞室开挖装置通过开挖定位板固定在模型试验台架，且洞室开挖装置在开挖定位板上的位置可调；所述的全站仪用于确定开挖的方向，且通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差。

2.如权利要求1所述的模型试验复杂结构地下洞室群开挖定位装置，其特征在于，所述的开挖定位板包括底板和顶板，在所述的底板上开设有横向定位槽孔，在所述的顶板上设有竖向定位槽孔；通过高强螺栓在横向和竖向定位槽孔内滑动，可对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位。

3.如权利要求2所述的模型试验复杂结构地下洞室群开挖定位装置，其特征在于，所述的底板和顶板之间通过脚螺旋相连；通过旋转脚螺旋，可对开挖装置的倾角进行精准调节，完成开挖走向定位。

4.利用权利要求3所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)开挖起始点定位：通过开挖定位板上的横向与竖向定位槽孔，对开挖装置刀头位置进行精准微调，完成开挖起始点定位；

2)开挖走向定位：通过全站仪结合软件，确定开挖走向，并通过开挖定位板上的脚螺旋对开挖装置走向进行精确调整，完成开挖走向定位；

3)开挖过程监测纠偏：完成开挖定位后，保持全站仪位置与角度不变，通过其激光指示灯实时监测开挖走向偏差，并及时进行校正。

5.权利要求4所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，其特征在于，

步骤1)具体过程是：通过开挖定位板配合高强螺栓，将开挖装置前端固定在模型试验台架上；通过高强螺栓在开挖定位板横向定位槽孔及竖向定位槽孔内的滑动，对开挖装置刀头位置进行精准微调，使刀头底部中点与开挖窗口底部中点对齐，此时完成开挖起始点的定位。

6.权利要求4所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，其特征在于，步骤2)的具体过程是：确定开挖起始点后，为获得预期洞室群结构，确保开挖后各洞室能准确相交，还要对各洞室开挖走向进行精准定位；对于竖向洞室开挖装置，通过旋转开挖定位板上的脚螺旋使其处于铅直状态后，即完成开挖走向定位；对于水平洞室开挖装置，通过旋转开挖定位板上的脚螺旋使其处于水平状态后，再采用全站仪对水平开挖装置走向进行精准定位。

7.权利要求4所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，其特征在于，步骤2)的具体步骤如下：

1)将全站仪摆放在视野开阔、光度良好的位置并调平；

2)使用全站仪测量竖向洞室开挖装置末端中心轴中心，以该方向为起始方向，记录下其坐标A(x1,y1,z1)，以及该中心轴到全站仪的水平距离R1；

3)使用全站仪测量开挖窗口底面中心坐标B(x2,y2,z2)，记录下该点到全站仪的水平距离R2，以及全站仪测量该点的水平角α；

4)通过软件绘出A、B两点在水平面上的投影，并在A点做以R1为半径的圆，在B点做以R2为半径的圆，其交点为全站仪位置O(x0,y0)；

5)在软件中将A、B两点连接，并沿AB做与水平洞室开挖装置长度L等长的延长线BC；将O点和B点、O点和C点连接，从而获得OB和OC线段的夹角β；

6)将全站仪在α角度的基础上继续水平转向β角度；

7)打开全站仪激光指示灯，调节全站仪的竖直微调旋钮至其与水平洞室开挖装置尾部中心点D于同一水平面；

8)调节开挖定位板上的四个脚螺旋，使水平洞室开挖装置尾部中心点D与全站仪激光指示灯点重合，此时完成水平洞室开挖装置开挖走向定位。

8.权利要求7所述的装置对地质力学模型试验复杂结构洞室开挖定位的方法，其特征在于，所述的步骤3)全站仪实时监测开挖走向偏差；开挖过程中，保持全站仪位置和角度不动，并保持激光指示灯常亮，观察开挖装置尾部中心点D与全站仪激光指示灯点是否重合，即可实时监控开挖走向是否发生偏差，进而通过开挖定位板上的脚螺旋对开挖走向及时进行校正。