CN108917694A - 一种隧洞岩土体开挖后变形监测及支护的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置及方法，它包括支架，所述支架的顶部支撑有刚性绝缘棒，所述刚性绝缘棒上同一截面的不同方位上焊接有多根固定杆，在固定杆的末端固定安装有固定盒，所述固定盒的内部放置有电磁铁装置；所述支架分被设置在模拟隧洞的头部和尾部，所述模拟隧洞的内壁粘贴有隧洞衬片，所述隧洞衬片的中心通过十字形钢构固定有永久性磁铁，所述隧洞衬片与永久性磁铁之间安装有压力传感器，所述隧洞衬片与隧洞模型之间也安装有压力传感器。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究。

Description

一种隧洞岩土体开挖后变形监测及支护的装置和方法

技术领域

本发明涉及隧洞岩土体开挖后受力变形及支护的响应装置，主要适用于对隧洞围岩开挖后隧洞的变形及支护的力学响应监测，属于隧道工程领域，具体涉及一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置及方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，我国的基础工程建设也迅速增长。越来越多的隧道工程正在不断展开。隧洞工程如今常见于水利、岩土及地下工程等各个领域的施工范围中，因此隧洞施工逐渐变得日常化以及频繁化，而对隧洞的施工的要求也逐渐提高，尤其是在其耐久性以及稳定性方面；如关角铁路隧道施工期间，隧底上鼓约1m，通车后隧底上鼓30cm；辛普伦铁路隧道横通道边墙、拱部和底部破裂、隆起。因此，解决这一系列问题支护技术的研究对隧洞工程具有重要意义。

作为隧洞施工中必不可缺的一个步骤，支护及衬砌是十分重要的，只有做好支护衬砌才能保证隧洞的整体稳定性以及稳定性。而通过对隧洞岩土体开挖及支护的模拟，施工人员才能更好的了解隧洞的局部及整体受力和后期的形变，以此作为施工中的一个重要参考资料。同时隧道的开挖会对周边土体和环境产生影响，严重时将造成隧道主体坍塌，易造成人员伤亡和资金损失，了解隧道施工围岩变形特性能够提供准确、及时的依据，对隧道施工具有重要意义。

目前隧道施工现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差，不能做到实时监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，提供一种便于组装操作、大小灵活可控且测得数据精确度高的模拟装置。提供一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置及方法，此发明针对隧洞开挖后整体稳定性的监测需求及现有的模拟装置成本高、体积大、不易组装、操作繁琐，且后期计算繁杂，结果精确度较差，存在较大的误差等问题。创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，根据监测结果为实际工程的施工提供有效参考数据。该装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：它包括支架，所述支架的顶部支撑有刚性绝缘棒，所述刚性绝缘棒上同一截面的不同方位上焊接有多根固定杆，在固定杆的末端固定安装有固定盒，所述固定盒的内部放置有电磁铁装置；所述支架分被设置在模拟隧洞的头部和尾部，所述模拟隧洞的内壁粘贴有隧洞衬片，所述隧洞衬片的中心通过十字形钢构固定有永久性磁铁，所述隧洞衬片与永久性磁铁之间安装有压力传感器，所述隧洞衬片与隧洞模型之间也安装有压力传感器。

所述刚性绝缘棒贯穿整个隧道模型。

位于刚性绝缘棒同一截面的多根固定杆呈放射状分布；沿着刚性绝缘棒的长度方向每隔一定距离设置有多组固定杆。

所述固定盒采用木质材料制成，并且为敞口结构，其底部与固定杆的顶端相连。

所述电磁铁装置包括电源，所述电源通过导线与电磁铁铁芯串联，在导线上安装有开关。

所述导线缠绕在电磁铁铁芯上的圈数可以调整。

所述隧洞衬片的形状大小可根据隧洞的内壁的弧度变化来调整。

所述隧洞衬片通过强胶结材料粘贴在模拟隧洞的内壁。

所述隧洞衬片与围岩接触一侧表面的中心位置和四个角上分别布置压力传感器；所述模拟隧洞需监测的位置布置有多点位移计。

任意一项所述隧洞岩土体开挖后监测变形及支护装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：首先确定开挖隧道的大小，以便采取最佳装置安放范围；

Step2：预制合适尺寸的隧洞衬片，在每一块隧洞衬片的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器，用十字形钢构将一块合适大小的永久磁铁固定在衬片上，并用强胶结材料将隧洞衬片粘贴在模拟隧洞的内壁；

Step3：将刚性绝缘棒一端通过支架安置在所挖隧洞中，将电磁铁装置与永久性磁铁位置对应起来，以便达到最好的力学响应效果；

Step4：将各个电磁铁铁芯通电所需的电环境调试好；

Step5：通电，查看相关压力传感器相关读数；

Step6：通过调节各部位电磁铁铁芯内部电流大小，调节磁力；

Step7：根据压力传感器测得压力值；

Step8：模拟隧洞开挖后衬砌支护力学响应具体操作如下：

设置各电磁铁铁芯的线圈和电流等条件相同，调节磁力使其各个电磁铁铁芯的斥力相等，此时所施加的荷载为向上的压力，改变电磁铁铁芯的磁力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step9：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的吸力，此时电磁铁铁芯所施加的荷载为向下的拉力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的电磁铁铁芯向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step10：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的斥力，此时所施加的荷载为向上的支护力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其它位置的电磁铁向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step11：通过监测结果，可对实际工程中隧洞受力较大和危险区域进行重点加固和监测。

本发明与现有的技术相比，具有的有益效果为：

1、创新性的提出一种用于实时监测隧洞围岩开挖后的变形及受力响应的装置，每个部分可独立工作，可对所需监测的位置实时监测，简单快捷。

2、本发明通过改变电磁铁铁芯的磁力来模拟隧洞开挖后受力特征，通过电磁铁铁芯施加不同等级的荷载来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测。

3、本发明可得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。

4、本发明装置组装简单，且大小可根据实际情况进行调整，同时可直接观测到受力及形变的受力，成本低、操作方便，所测得的数据更加接近真实值，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

5、该装置可长时间对隧洞受力变形进行监测和实时监测，且该装置可拆卸，所述的结构均可以根据实际情况进行改变，提高了装置的灵活性以及可模拟性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉及装置整体示意图。

图2为本发明涉及衬片压力传感器布置示意图。

图3为本发明涉及隧洞装置整体结构示意图。

图中，刚性绝缘棒1、支架2、隧洞模型3、固定杆4、木质固定盒5、开关6、电源7、导线8、电磁铁铁芯9、隧洞衬片10、十字形钢构11、永久性磁铁12、压力传感器13、强胶结材料14、多点位移计15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参照图1-3，一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：它包括支架2，所述支架2的顶部支撑有刚性绝缘棒1，所述刚性绝缘棒1上同一截面的不同方位上焊接有多根固定杆4，在固定杆4的末端固定安装有固定盒5，所述固定盒5的内部放置有电磁铁装置；所述支架2分被设置在模拟隧洞3的头部和尾部，所述模拟隧洞3的内壁粘贴有隧洞衬片10，所述隧洞衬片10的中心通过十字形钢构11固定有永久性磁铁12，所述隧洞衬片10与永久性磁铁12之间安装有压力传感器13，所述隧洞衬片10与隧洞模型3之间也安装有压力传感器。本发明通过改变线圈数和局部加密线圈来调节电磁铁装置的磁力，改变两电磁铁装置的吸力和斥力来模拟隧洞围压对衬砌结构的压力，利用该装置可对工程中隧洞开挖后的无支护受力及变形、初衬受力及变形、二衬受力及变形、支护后受力及变形、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测，得到不同受力条件下的力学性能数据，对隧洞受力较大和危险区域进行重点加固防护，为实际工程的施工提供有效参考数据。利用该装置可对工程中隧洞开挖后的无支护受力、初衬受力、二衬受力、支护后受力、局部围岩大变形受力、隧洞受力较大的局部位置加强支护受力规律进行模拟全过程监测。

进一步的，所述刚性绝缘棒1贯穿整个隧道模型3。通过所述的刚性绝缘棒1能够方便的安装固定杆4。

进一步的，位于刚性绝缘棒1同一截面的多根固定杆4呈放射状分布；沿着刚性绝缘棒1的长度方向每隔一定距离设置有多组固定杆4。

进一步的，所述固定盒5采用木质材料制成，并且为敞口结构，其底部与固定杆4的顶端相连。固定盒5的形状和大小可根据电磁铁铁芯9的形状和大小进行调节。

进一步的，所述电磁铁装置包括电源7，所述电源7通过导线8与电磁铁铁芯9串联，在导线8上安装有开关6。导线8按同一方向缠绕在电磁铁铁芯9上后与开关6及电源7串联。所述电源7的电压、缠绕导线8的圈数以及电磁铁铁芯9的大小均可根据实际受力情况更换。电磁铁磁力可通过调节其上线圈中电流的大小或在某些特殊位置加密线圈集度进行调节，磁力方向可通过改变线圈中电流方向实现。

进一步的，所述导线8缠绕在电磁铁铁芯9上的圈数可以调整。进而方便的调节电磁力的大小，进而模拟不同的衬砌支护力。

进一步的，所述隧洞衬片10的形状大小可根据隧洞的内壁的弧度变化来调整。

进一步的，所述隧洞衬片10通过强胶结材料14粘贴在模拟隧洞3的内壁。

进一步的，所述隧洞衬片10与围岩接触一侧表面的中心位置和四个角上分别布置压力传感器13；所述模拟隧洞3需监测的位置布置有多点位移计15。

实施例2：

任意一项所述隧洞岩土体开挖后监测变形及支护装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：首先确定开挖隧道的大小，以便采取最佳装置安放范围；

Step2：预制合适尺寸的隧洞衬片10，在每一块隧洞衬片10的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器，用十字形钢构将一块合适大小的永久磁铁固定在衬片上，并用强胶结材料14将隧洞衬片10粘贴在模拟隧洞3的内壁；

Step3：将刚性绝缘棒1一端通过支架2安置在所挖隧洞中，将电磁铁装置与永久性磁铁12位置对应起来，以便达到最好的力学响应效果；

Step4：将各个电磁铁铁芯9通电所需的电环境调试好；

Step5：通电，查看相关压力传感器13相关读数；

Step6：通过调节各部位电磁铁铁芯9内部电流大小，调节磁力；

Step7：根据压力传感器13测得压力值；

Step8：模拟隧洞开挖后衬砌支护力学响应具体操作如下：

设置各电磁铁铁芯9的线圈和电流等条件相同，调节磁力使其各个电磁铁铁芯9的斥力相等，此时所施加的荷载为向上的压力，改变电磁铁铁芯9的磁力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step9：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯9的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的吸力，此时电磁铁铁芯9所施加的荷载为向下的拉力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的电磁铁铁芯9向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step10：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯9的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的斥力，此时所施加的荷载为向上的支护力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其它位置的电磁铁向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step11：通过监测结果，可对实际工程中隧洞受力较大和危险区域进行重点加固和监测。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：它包括支架（2），所述支架（2）的顶部支撑有刚性绝缘棒（1），所述刚性绝缘棒（1）上同一截面的不同方位上焊接有多根固定杆（4），在固定杆（4）的末端固定安装有固定盒（5），所述固定盒（5）的内部放置有电磁铁装置；所述支架（2）分被设置在模拟隧洞（3）的头部和尾部，所述模拟隧洞（3）的内壁粘贴有隧洞衬片（10），所述隧洞衬片（10）的中心通过十字形钢构（11）固定有永久性磁铁（12），所述隧洞衬片（10）与永久性磁铁（12）之间安装有压力传感器（13），所述隧洞衬片（10）与隧洞模型（3）之间也安装有压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述刚性绝缘棒（1）贯穿整个隧道模型（3）。

3.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：位于刚性绝缘棒（1）同一截面的多根固定杆（4）呈放射状分布；沿着刚性绝缘棒（1）的长度方向每隔一定距离设置有多组固定杆（4）。

4.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述固定盒（5）采用木质材料制成，并且为敞口结构，其底部与固定杆（4）的顶端相连。

5.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述电磁铁装置包括电源（7），所述电源（7）通过导线（8）与电磁铁铁芯（9）串联，在导线（8）上安装有开关（6）。

6.根据权利要求5所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述导线（8）缠绕在电磁铁铁芯（9）上的圈数可以调整。

7.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述隧洞衬片（10）的形状大小可根据隧洞的内壁的弧度变化来调整。

8.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述隧洞衬片（10）通过强胶结材料（14）粘贴在模拟隧洞（3）的内壁。

9.根据权利要求1所述的一种隧洞岩土体开挖后监测变形及支护的装置，其特征在于：所述隧洞衬片（10）与围岩接触一侧表面的中心位置和四个角上分别布置压力传感器（13）；所述模拟隧洞（3）需监测的位置布置有多点位移计（15）。

10.权利要求1-9任意一项所述隧洞岩土体开挖后监测变形及支护装置的操作方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：首先确定开挖隧道的大小，以便采取最佳装置安放范围；

Step2：预制合适尺寸的隧洞衬片（10），在每一块隧洞衬片（10）的中心位置及四个角上粘贴有压力传感器，用十字形钢构将一块合适大小的永久磁铁固定在衬片上，并用强胶结材料（14）将隧洞衬片（10）粘贴在模拟隧洞（3）的内壁；

Step3：将刚性绝缘棒（1）一端通过支架（2）安置在所挖隧洞中，将电磁铁装置与永久性磁铁（12）位置对应起来，以便达到最好的力学响应效果；

Step4：将各个电磁铁铁芯（9）通电所需的电环境调试好；

Step5：通电，查看相关压力传感器（13）相关读数；

Step6：通过调节各部位电磁铁铁芯（9）内部电流大小，调节磁力；

Step7：根据压力传感器（13）测得压力值；

Step8：模拟隧洞开挖后衬砌支护力学响应具体操作如下：

设置各电磁铁铁芯（9）的线圈和电流等条件相同，调节磁力使其各个电磁铁铁芯（9）的斥力相等，此时所施加的荷载为向上的压力，改变电磁铁铁芯（9）的磁力，使其调节到所需的荷载，模拟实际工程中的衬砌支护力，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step9：模拟隧洞开挖后围压局部大变形受力力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯（9）的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的吸力，此时电磁铁铁芯（9）所施加的荷载为向下的拉力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其他位置的电磁铁铁芯（9）向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部大变形荷载，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step10：模拟隧洞开挖后围压局部位置加强支护下力学响应具体操作如下：

针对局部位置设置各电磁铁铁芯（9）的线圈和电流，改变线圈缠向和电流方向使其产生较大的斥力，此时所施加的荷载为向上的支护力，改变磁力，使其调节到所需的荷载，而保持同一截面其它位置的电磁铁向上的荷载不变，模拟实际工程中的隧洞围压局部加强支护，再利用压力传感器和多点位移计监测隧洞各监测点的各项力学响应；

Step11：通过监测结果，可对实际工程中隧洞受力较大和危险区域进行重点加固和监测。