CN109026058A - 真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，包括以下步骤：1)采用衬砌管片预制模具制作二次衬砌管片；2)基于“先加载后开挖”的方式对模型体真三维应力加载，开挖并修整模型隧洞；3)按照“分片安装，逐段拼接”的方法分步施作二次衬砌管片，待整环衬砌施作完毕并与围岩接触稳定后进入下一施工循环。本发明工序简单、容易操作，克服了以往模型试验模拟隧洞施工过程的不足，可真实再现实际隧洞施工中边开挖边支护的全过程，为研究隧洞动态施工中围岩和衬砌结构的受力和变形特征提供了新的试验方法。

Description

真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，具体地说是一套完整的模拟地下工程动态施工的真三维地质力学模型试验方法。

背景技术

随着我国地下工程建设的发展，在交通、能源、水电、矿山等领域出现了越来越多的大埋深隧洞，这些隧洞穿越区往往地质条件复杂，构造强烈，出现了大量的坍塌、衬砌结构开裂或支护折断等问题，给地下工程的施工建设和后期运营带来了极大危害。以相似理论为基础的模型试验方法一直以来都是地下工程研究的一种重要手段，对地下工程的发展起着很大的推动作用，特别是在一些地质条件复杂、工程艰难的重大工程中，模型试验更是发挥着不可替代的作用，为工程设计与施工提供了宝贵的试验数据。因此开展隧洞开挖与衬砌支护的真三维地质力学模型试验研究具有重要的工程实践意义。

目前，国内外关于开展隧洞开挖与衬砌施作的模型试验研究现状如下：

(1)《岩土力学》2012年第11期介绍了一种模拟锚杆、钢架和喷射混凝土从施作到失效全过程的物理模型试验方法，研究了隧道结构整体承载能力的变化情况，为隧道结构的全寿命期设计提供了参考，但该试验基于平面应变类型开展，整个开挖和管片支护一次成型，与实际中隧洞施工过程并不相符。

(2)《中南大学学报》2013年第8期介绍了一种研究浅埋偏压隧洞施工的模型试验方法，分析了浅埋偏压隧洞施工中围岩和衬砌结构的变形、应力和破坏机制，但该试验采用预埋衬砌结构模拟支护，从衬砌模型内抽出块体模拟开挖，也与现场隧洞的实际施工过程明显不符。

(3)《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种研究隧洞施工过程中围岩和支护结构渐进性破坏机制的模型试验方法，获得了隧洞施工中围岩的变形破坏规律，为围岩稳定性评价和支护设计提供了参考，但该试验采用了“先开洞，后加载”的思想，与实际隧洞施工中围岩所经历的应力历史不符。

(4)《土木工程学报》2011年11期介绍了一种研究渗流场与应力场共同作用下隧洞施工的模型试验方法，获得了隧道开挖过程水压力及衬砌结构应力的变化规律，但该试验采用预埋式衬砌结构进行隧道支护，与现场实际不符。

(5)《Tunnelling and Underground Space Technology》2015年第46卷介绍了一种模拟不同非对称荷载下浅埋隧洞施工过程的模型试验方法，研究了非对称荷载对衬砌结构的应力特征的影响和围岩的变形破坏机制，但该试验采用了预埋石膏环模拟衬砌施作，与实际隧洞的施工过程明显不符。

(6)《岩石力学与工程学报》2013年第1期介绍了一种模拟深埋硬岩隧道开挖、支护及初期支护劣化过程的模型试验方法，获得了围岩和二次衬砌的位移及内力的变化规律，但该试验基于平面应变类型开展，而且开挖和支护均一次性完成，不能模拟实际隧洞施工中开挖和支护循环推进的过程。

发明内容

本发明的目的是为克服上述模型试验领域模拟隧洞动态施工的不足，提供一种模拟隧洞开挖与二次衬砌施作的真三维地质力学模型试验方法。该试验方法操作简单，安全可靠，能真实模拟现场实际中隧洞开挖和衬砌施作的全过程，为研究地下工程动态施工中围岩和衬砌结构的变形特征与应力变化规律提供了可靠的试验手段。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，包括以下试验步骤：

步骤1.制作衬砌管片；

进一步的，将水与高强速干石膏粉按照水膏重量比1：1.6充分搅拌均匀后，一边将混合均匀的石膏液自下而上分段注入衬砌管片预制模具内，一边轻轻振荡模具，待模具内石膏液达到模具顶部且气泡完全消失时，放入养护室常温养护一段时间后脱模，初砌管片制作完成。

步骤2.模型隧洞的开挖与微整；

对模型体施加所需的真三维初始地应力场并稳压后，采用开挖工具沿着预先埋设的导向线，按照规定的施工进尺对模型洞室初步开挖；待毛洞轮廓初步成型后，采用管片安装工具将管片放入刚开挖的洞室中，使其与洞壁紧密贴合，观察洞壁是否平整，若发现洞壁不平整的地方，取出管片后用磨平工具微修整平。

步骤3.二次衬砌管片的施作；

将二次衬砌管片与管片安装工具粘结固定，润湿衬砌管片外表面并涂抹水膏重量比1：1.2的石膏液1～2mm，然后按照“分片安装，逐段拼接”的方法分步施作衬砌管片；为使相邻的管片与管片之间结合为一体，在相邻管片间的接触部位涂抹一定厚度的速干结构胶；待管片与围岩接触稳定后，进入下一施工循环，直至施工结束。

进一步的，所述步骤1)中的衬砌管片预制模具包括底座、外模和内模三部分，所述的外模和内模为筒状结构，内模的半径小于外模的半径，内模套装在外模内，且内膜和外模套装后垂直安装在所述的底座上，所述的内模和外模形成的环状间隙由三个沿轴向方向均匀分布的分隔板分成了三个独立的衬砌管片预制空间；一个空间对应一个衬砌管片。制作时，用大号注射器将混合均匀的石膏液自下而上分段注入到三个独立的衬砌管片预制空间内，同时充分振荡模具，待石膏液达到模具顶部且内部气泡完全消失后，放入养护室常温养护24小时后脱模；

其中，每个分隔板分别与内筒、外筒垂直。

所述的外模和内模的材质为高强有机玻璃，该模具制模简单、脱模方便。

进一步的，所述的外模由两个完全一样的半圆筒拼接组成，使用时用固定装置固定在一起。

进一步的，所述的三个分隔板直接黏贴在内模外表面。

进一步的，步骤1具体过程如下：

组装二次衬砌管片预制模具：将衬砌管片预制模具的内模和外模插入底座的凹槽内，用透明胶带将分成两片的外模缠绕固定；

浇筑衬砌管片：按照1：1.6的水膏重量比将高强速干石膏粉与自来水充分搅拌均匀后，将混合均匀的石膏液自下而上分段注入衬砌管片预制模具内，同时振荡管片预制模具，待模具内石膏液达到模具顶部且气泡完全消失时，放入养护室常温养护；

脱模衬砌管片：养护一段时间后，取出衬砌管片预制模具，轻轻敲掉底座，使其与预制的衬砌管片分离，此时将缠绕在外模表面的透明胶带撕掉，取出外模，用薄刀片沿着内模外侧壁粘贴的分隔片轻轻划开，即可取出附着在内模表面的三段衬砌管片。

进一步的，所述步骤3)中“分片安装，逐段拼接”的方法是指将每环二次衬砌沿环向均分为三段，首先依次安装下方两组管片，最后安装顶部管片，管片间通过速干型结构胶拼接成环。

进一步的，所述步骤3)中的速干型结构胶是995中性硅酮结构胶，目的在于将分段的衬砌管片粘结为整环衬砌。

本发明与国内外同类模型试验技术相比，具有以下技术优势：

(1)该发明属于真三维地质力学模型试验方法，采用可以六面独立加载的液压加载控制系统，能精确模拟现场实际中真实的三维地应力场；

(2)该发明设计的衬砌管片预制装置，可制作光滑完整的衬砌管片，该装置采用高强有机玻璃制作，简单轻便，容易脱模，管片制作成功率高；

(3)该发明基于“先加载，后开洞”的思想，提出了“分片安装，逐段拼接”的衬砌施作方法，能真实模拟隧洞开挖-支护全过程，做到边开挖边支护，与现场实际施工相符；

(4)该发明简单实用、安全可靠、容易操作、应用前景广阔，为地下工程模型试验的发展提供了新方法。

(5)该发明可广泛应用于交通、水电、能源、矿山、国防等领域地下工程地质力学模型试验的动态施工模拟，再现实际地下工程施工中边开挖边支护的全过程，大大提高了模型试验与实际工程的吻合度。

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是真三维模型试验台架示意图；

图2是二次衬砌管片预制模具示意图；

图3是开挖工具示意图；

图4是磨平工具示意图；

图5是管片安装工具示意图；

图6是二次衬砌管片施作示意图；

图中：1.模型体，2.千斤顶，3.导向框，4.底座，5.外模，6.内模，7.分隔板，8.开挖工具，9.磨平工具，10.管片安装工具，11.二次衬砌管片。

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在以相似理论为基础的模型试验方法一直以来都是地下工程研究的一种重要手段，对地下工程的发展起着很大的推动作用，特别是在一些地质条件复杂、工程艰难的重大工程中，模型试验更是发挥着不可替代的作用，为工程设计与施工提供了宝贵的试验数据。因此开展隧洞开挖与衬砌支护的真三维地质力学模型试验研究具有重要的工程实践意义，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法。

本申请的一种典型的实施方式中，图1中，模型架内部通过设立导向框3可使六面分布的千斤顶2对模型体1实现真三维地应力加载。

图2中，二次衬砌管片预制模具在底座4上设置凹槽可使外模5和内模6紧紧固定于底座，内模6和外模5均为圆筒状结构，内模6套装在外模5内，形成以一个环状间隙；环状间隙由三个沿轴向方向均匀分布的分隔板分成了三个独立的衬砌管片预制空间；一个空间对应一个衬砌管片，制作时，用大号注射器将混合均匀的石膏液自下而上分段注入到三个独立的衬砌管片预制空间内，同时充分振荡模具，待石膏液达到模具顶部且内部气泡完全消失后，放入养护室常温养护24小时后脱模。其中3片分隔板互成120°夹角分布。

具体优选的，外模5由两个完全一样的半圆筒拼接组成，使用时用透明胶带缠绕固定即可；分隔板可以直接黏贴在内模6外表面，用于将浇筑的石膏液分离从而形成三段完全一致的二次衬砌管片11。

如图3所示，开挖工具8的示意图，其包括一个长杆，在长杆的一端安装有开挖结构。

如图4所示，.磨平工具9的示意图，其包括一个长杆，在长杆的一端安装有磨平结构。

如图5所示，管片安装工具10示意图，其包括一个长杆，在长杆的一端安装有管片安装座。

图6中，二次衬砌管片11的外侧涂抹石膏液使其与围岩粘结，内侧通过双面胶与管片安装工具10的管片安装座粘结固定，首先按照图6所示方式将二次衬砌管片11送入模型体1内开挖的洞室，而后旋转安装工具10使衬砌管片11放入所需的位置，待衬砌管片11与围岩充分粘结稳定后，取出管片安装工具10。

真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，包括以下试验步骤：

1.组装二次衬砌管片预制模具：将衬砌管片预制模具的内模6和外模5插入底座4的凹槽内，用透明胶带将分成两片的外模5缠绕固定；

2.浇筑衬砌管片：按照1：1.6的水膏重量比将高强速干石膏粉与自来水充分搅拌均匀后，用大号注射器将混合均匀的石膏液自下而上分段注入衬砌管片预制模具内，同时振荡管片预制模具，待模具内石膏液达到模具顶部且气泡完全消失时，放入养护室常温养护；

3.脱模衬砌管片：养护24小时后，取出衬砌管片预制模具，用小锤轻轻敲掉底座4，使其与预制的衬砌管片11分离，此时将缠绕在外模5表面的透明胶带撕掉，取出外模5，用薄刀片沿着内模6外侧壁粘贴的分隔片7轻轻划开，即可取出附着在内模6表面的三段衬砌管片11；

4.模型隧洞的初挖：对整个模型体1施加所需的真三维地应力场并稳压后，采用开挖工具8沿着预先埋设的导向线，严格按照规定的开挖进尺掘进模型隧洞，开挖时先在隧洞中心部位开挖一微型中导洞，然后逐渐向周围扩挖，扩挖产生的废渣用工业吸尘器吸出；

5.模型隧洞的微整：待毛洞轮廓初步扩挖成型后，采用管片安装工具10将衬砌管片11放入刚开挖的洞室中，使其与洞壁紧密贴合，观察洞壁是否平整，若存在不平整的地方，取出衬砌管片后，采用磨平工具9将不平整的地方微修整平，至此模型洞室的开挖完毕；

6.第一段衬砌管片的固定：采用双面胶将第一段衬砌管片11与管片安装工具10粘结固定，用毛刷沾水轻轻润湿衬砌管片11外表面，并涂抹石膏液1～2mm；

7.第一段衬砌管片的安放：使用管片安装工具10将第一段衬砌管片11轻轻放置在开挖成型洞室的左下侧部位，使其与洞壁紧密接触，稳定约1～2分钟后，管片与围岩可粘结稳定，此时撕掉管片安装工具10和衬砌管片11间的双面胶，取出管片安装工具10；

8.第二段衬砌管片的固定：采用双面胶将第二段衬砌管片11与管片安装工具10粘结固定，用毛刷沾水轻轻润湿衬砌管片11外表面，并涂抹石膏液1～2mm，最后在管片间相接触的地方涂抹2mm厚的速干型结构胶；

9.第二段衬砌管片的安放：使用管片安装工具10将第二段衬砌管片11放置在开挖成型洞室的右下侧部位，使其与洞壁紧密接触，稳定约1～2分钟后，管片与围岩可粘结稳定，此时撕掉管片安装工具10和衬砌管片11间的双面胶，取出管片安装工具10；

10.第三段衬砌管片的固定：采用双面胶将第三段衬砌管片11与管片安装工具10粘结固定，用毛刷沾水轻轻润湿衬砌管片11外表面，并涂抹石膏液1～2mm，最后在管片间相接触的地方涂抹2mm厚的速干型结构胶；

11.第三段衬砌管片的安放：使用管片安装工具10将第三段衬砌管片11放置在开挖成型隧洞的顶部，使其与洞壁紧密接触，同时顶部管片与左下侧和右下侧管片通过接触部位的速干型结构胶拼接为一整环，稳定2～3分钟后，撕掉管片安装工具10和顶部衬砌管片11间的双面胶，取出管片安装工具10，至此整环衬砌的施作完毕；

12.循环重复4～11，直至施工结束，即可实现整个模型隧洞开挖和二次衬砌施作的全过程。

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.真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.制作衬砌管片；

将水与高强速干石膏粉按照一定的水膏重量比充分搅拌均匀后，一边将混合均匀的石膏液自下而上分段注入衬砌管片预制模具内，一边轻轻振荡模具，待模具内石膏液达到模具顶部且气泡完全消失时，放入养护室常温养护一段时间后脱模，初砌管片制作完成

步骤2.模型隧洞的开挖与微整；

对模型体施加所需的真三维初始地应力场并稳压后，采用开挖工具沿着预先埋设的导向线，按照规定的施工进尺对模型洞室初步开挖；待毛洞轮廓初步成型后，采用管片安装工具将管片放入刚开挖的洞室中，使其与洞壁紧密贴合，观察洞壁是否平整，若发现洞壁不平整的地方，取出管片后用磨平工具微修整平；

步骤3.二次衬砌管片的施作；

将二次衬砌管片与管片安装工具粘结固定，润湿衬砌管片外表面并涂抹一定厚度的水膏石膏液，然后按照“分片安装，逐段拼接”的方法分步施作衬砌管片；为使相邻的管片与管片之间结合为一体，在相邻管片间的接触部位涂抹一定厚的速干结构胶；待管片与围岩接触稳定后，进入下一施工循环，直至施工结束。

2.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述步骤1)中的衬砌管片预制模具包括底座、外模和内模三部分，所述的外模和内模为筒状结构，内模的半径小于外模的半径，内模套装在外模内，且内膜和外模套装后垂直安装在所述的底座上，所述的内模和外模形成的环状间隙由三个沿轴向方向均匀分布的分隔板分成了三个独立的衬砌管片预制空间；一个衬砌管片预制空间对应一个衬砌管片。

3.如权利要求2所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述的外模和内模的材质为高强有机玻璃。

4.如权利要求2所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述的外模由两个完全一样的半圆筒拼接组成，使用时用固定装置固定在一起。

5.如权利要求2所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述的三个分隔板直接黏贴在内模外表面后与外模组装。

6.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，步骤1具体过程如下：

组装二次衬砌管片预制模具：将衬砌管片预制模具的内模和外模插入底座的凹槽内，用透明胶带将分成两片的外模缠绕固定；

浇筑衬砌管片：按照1：1.6的水膏重量比将高强速干石膏粉与自来水充分搅拌均匀后，将混合均匀的石膏液自下而上分段注入衬砌管片预制模具内，同时振荡管片预制模具，待模具内石膏液达到模具顶部且气泡完全消失时，放入养护室常温养护；

脱模衬砌管片：养护一段时间后，取出衬砌管片预制模具，轻轻敲掉底座，使其与预制的衬砌管片分离，此时将缠绕在外模表面的透明胶带撕掉，取出外模，用薄刀片沿着内模外侧壁粘贴的分隔片轻轻划开，即可取出附着在内模表面的三段衬砌管片。

7.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述步骤3)中“分片安装，逐段拼接”的方法是指将每环二次衬砌沿环向均分为三段，首先依次安装下方两组管片，最后安装顶部管片，管片间通过速干型结构胶拼接成环。

8.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，其特征在于，所述步骤3)中的速干型结构胶是995中性硅酮结构胶，目的在于将分段的衬砌管片粘结为整环衬砌。