CN110196036A - 一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统。包括顶管机模拟装置、土压力监测采集组件；顶管机模拟装置包括壳体、切削刀头、螺旋出土器；切削刀头设在壳体前端；壳体内有分割壁，分割壁上设有开口通孔；螺旋出土器的外壳与开口通孔连接，设置在壳体内部的后部；土压力监测采集组件包括微型土压力盒、及静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；若干个微型土压力盒布置在分割壁和切削刀头处；微型土压力盒与静态应变采集仪连接，静态应变采集仪与外部电脑连接，该电脑安装配套分析处理软件，并通进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
Description
技术领域
本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统。
背景技术
随着社会的发展及人口密度的迅速增长，人们对城市地下空间开发的步伐也在加快，而轨道交通、城市管廊以及地下电力管网等作为城市地下空间开发利用的主要形式，常常需要穿越建(构)筑密集区。由于传统明挖顺作法施工在这些区域受到严重限制，因此采用对地面和周围环境影响都相对较小的暗挖施工方法称为趋势和必然。其中，顶管法因其不阻碍交通、不破坏环境、噪音少、污染少，对周围居民影响较小，同时开挖量小、作业面小、施工工期短、综合成本低等优点，成为了一种比较常见和重要的暗挖施工方法。
由于顶管施工过程较为复杂，且对周围城市的建构筑物也会产生一定的影响，因此国内外相关学者也开展了一些相关研究。
目前考虑前端顶管机的掘进施工过程，开展顶管法施工的相关室内或模型试验研究较少，少数试验中尚未考虑开挖施工过程的影响。因此探索顶管法施工大比尺物理模型试验的新方法非常有必要，而如何实现对模拟系统中相关参数的监测，是模型试验最重要、也最有意义的部分。
发明内容
本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，设计其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。其结构简单、模拟过程方便。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,包括顶管机模拟装置、土压力监测采集组件；
所述顶管机模拟装置，用以在填筑有土体的模型体坑内掘进开挖施工，包括壳体、切削刀头、螺旋出土器；所述切削刀头设置在所述壳体前端，用以切削土体；所述壳体的前部设置有分割壁，所述分割壁上设置有开口通孔；所述螺旋出土器的外壳与所述开口通孔连接，设置在所述壳体内部的后部，用以将切削的土体输送至壳体外；
所述土压力监测采集组件，包括微型土压力盒、及微型土压力盒自带配套的静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；若干个所述微型土压力盒布置在所述分割壁和所述切削刀头处，用以监测所述顶管机模拟装置的切削刀头和分割壁处的土压力；所述微型土压力盒与静态应变采集仪连接，用以采集数据，静态应变采集仪与外部电脑连接，该外部电脑安装静态应变采集仪配套分析处理软件，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述切削刀头还包括分割刃脚，所述分割刃脚设置有水平和竖直方向布置多条刃脚，用以把开挖刃脚切下的土体分块；所述微型土压力盒布置在所述分割刃脚背侧，且设置与水平和竖直刃脚交叉处背侧。
进一步的，所述顶管机模拟装置的所述壳体尾部还包括若干段顺次相连的保护管，所述保护管通过管节连接；
该监测采集系统还包括管节应力监测采集组件，所述管节应力监测采集组件包括电阻应变片、静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；所述电阻应变片粘贴在所述管节表面，用以监测管节处应力；所述电阻应变片与静态应变采集仪连接，用以采集数据；静态应变采集仪与外部电脑连接，该外部电脑安装静态应变采集仪配套分析处理软件，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，在所述管节需要粘贴所述电阻应变片的位置，采用打磨的方式进行挖槽处理，槽尺寸略大于需要粘贴的电阻应变片尺寸，槽深为-毫米。
进一步的，所述电阻应变片粘贴完毕后，在所述电阻应变片表面涂设一层防水胶。
进一步的，该监测采集系统还包括表面点位移测量采集组件，用以监测模型体坑表面单点沉降位移；所述表面点位移测量采集组件包括激光测距传感器、连接线、激光测距传感器配套分析处理软件；所述激光测距传感器固定设置在所述模型体坑上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装激光测距传感器配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述激光测距传感器监测模型体坑表面单点沉降位移的方法包括：在模型体坑上部安装固定钢架，将激光测距传感器固定并且朝向模型体坑表面，激光测距传感器的专用连接线与电脑连接，通过激光测距传感器自带配套软件进行数据采集，通过分析激光测距传感器到模型体坑表面距离，分析模型体坑表面土体变形规律。
进一步的，该监测采集系统还包括表面面变形测量采集组件，用以监测模型体坑的上表面的面整体变形；所述表面面变形测量采集组件包括三维激光扫描仪、连接线、三维激光扫描仪配套分析处理软件；所述三维激光扫描仪固定设置在所述模型体坑上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装三维激光扫描仪配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述三维激光扫描仪监测模型体坑表面的面整体变形的方法包括：在模型体坑上部安装固定钢架，将三维激光扫描仪固定并且朝向模型体坑表面，三维激光扫描仪的专用连接线与电脑连接，通过三维激光扫描仪自带配套软件进行数据采集，通过扫描分析模型体坑表面土体变形规律。
进一步的，该监测采集系统还包括内部土体位移测量采集组件，用以监测模型体坑上表面以内的土体沉降位移；所述内部土体位移测量采集组件使用光栅尺多点位移计及配套采集硬件及配套软件进行数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述模型体坑的初始掘进侧预留顶进施工洞，所述顶管机模拟装置经所述预留顶进施工洞掘进施工形成施工洞，在模型体坑内设置有若干个于掘进施工方向垂直的监测断面，监测断面的上布置若干监测点；所述监测点设置在所述施工洞的环洞周围。
进一步的，所述施工洞周边设置模拟用既有管线模拟洞；监测断面的所述既有管线模拟洞周围布置监测点。
进一步的，所述监测点布置在距洞周0.5倍洞径、1倍洞径、2倍洞径距离；且所述监测点布置在洞顶、洞底、洞肩和洞腰的一处或多处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，设计其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。其结构简单、模拟过程方便。
附图说明
图1为本发明的顶管机模拟装置在模型体坑内施工原理示意图；
图2为本发明的分割壁处微型土压力盒3布置示意图；
图3为本发明的分割刃脚背侧处微型土压力盒布置示意图；
图4为本发明的管节处电阻应变片布置示意图；
图5为本发明的监测断面平面布置图；
图6为本发明的监测断面内测点布置示意图。
图中：
模型体坑1
顶管机模拟装置2
切削刀头21
壳体22
螺旋出土器23
分割壁24
保护管25
管节26
微型土压力盒3
电阻应变片4
防水胶41
监测断面5
施工洞6
既有管线模拟洞7
地表位移监测点8
土压力监测元件埋设位置91
内部位移监测元件埋设位置92。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请公开了一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,包括顶管机模拟装置2、土压力监测采集组件；所述顶管机模拟装置2，用以在填筑有土体的模型体坑1内掘进开挖施工，包括壳体22、切削刀头21、螺旋出土器23；所述切削刀头21设置在所述壳体22前端，用以切削土体；所述壳体22的前部设置有分割壁24，所述分割壁24上设置有开口通孔；所述螺旋出土器23的外壳与所述开口通孔连接，设置在所述壳体22内部的后部，用以将切削的土体输送至壳体22外；
所述土压力监测采集组件，包括微型土压力盒3、及微型土压力盒3自带配套的静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；若干个所述微型土压力盒3布置在所述分割壁24和所述切削刀头21处，用以监测所述顶管机模拟装置2的切削刀头21和分割壁24处的土压力；所述微型土压力盒3与静态应变采集仪连接，用以采集数据，静态应变采集仪与外部电脑连接，该外部电脑安装静态应变采集仪配套分析处理软件，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述切削刀头21还包括分割刃脚，所述分割刃脚设置有水平和竖直方向布置多条刃脚，用以把开挖刃脚切下的土体分块；所述微型土压力盒3布置在所述分割刃脚背侧，且设置与水平和竖直刃脚交叉处背侧。
进一步的，所述顶管机模拟装置2的所述壳体22尾部还包括若干段顺次相连的保护管25，所述保护管25通过管节26连接；
该监测采集系统还包括管节应力监测采集组件，所述管节应力监测采集组件包括电阻应变片4、静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；所述电阻应变片4粘贴在所述管节表面，用以监测管节处应力；所述电阻应变片4与静态应变采集仪连接，用以采集数据；静态应变采集仪与外部电脑连接，该外部电脑安装静态应变采集仪配套分析处理软件，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，在所述管节需要粘贴所述电阻应变片4的位置，采用打磨的方式进行挖槽处理，槽尺寸略大于需要粘贴的电阻应变片4尺寸，槽深为2-3毫米。
进一步的，所述电阻应变片4粘贴完毕后，在所述电阻应变片4表面涂设一层防水胶41。
进一步的，该监测采集系统还包括表面点位移测量采集组件，用以监测模型体坑1表面单点沉降位移；所述表面点位移测量采集组件包括激光测距传感器、连接线、激光测距传感器配套分析处理软件；所述激光测距传感器固定设置在所述模型体坑1上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装激光测距传感器配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述激光测距传感器监测模型体坑1表面单点沉降位移的方法包括：在模型体坑1上部安装固定钢架，将激光测距传感器固定并且朝向模型体坑1表面，激光测距传感器的专用连接线与电脑连接，通过激光测距传感器自带配套软件进行数据采集，通过分析激光测距传感器到模型体坑1表面距离，分析模型体坑1表面土体变形规律。
进一步的，该监测采集系统还包括表面面变形测量采集组件，用以监测模型体坑1的上表面的面整体变形；所述表面面变形测量采集组件包括三维激光扫描仪、连接线、三维激光扫描仪配套分析处理软件；所述三维激光扫描仪固定设置在所述模型体坑1上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装三维激光扫描仪配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
进一步的，所述三维激光扫描仪监测模型体坑1表面的面整体变形的方法包括：在模型体坑1上部安装固定钢架，将三维激光扫描仪固定并且朝向模型体坑1表面，三维激光扫描仪的专用连接线与电脑连接，通过三维激光扫描仪自带配套软件进行数据采集，通过扫描分析模型体坑1表面土体变形规律。
进一步的，该监测采集系统还包括内部土体位移测量采集组件，用以监测模型体坑1上表面以内的土体沉降位移；所述内部土体位移测量采集组件使用光栅尺多点位移计及配套采集硬件及配套软件进行数据采集、保存、分析、处理。
监测采集系统用以通过监测传感器监测模型试验系统在实验过程中的状态变化，并进行数据采集，将相应数据采集、保存至电脑，并进行数据分析。
本设计主要设计了搅拌土仓内土压力、管节应力、模型体坑表面点位移、表面面变形、内部土体位移等几个方面的测量。
搅拌土仓内土压力监测：用于测量开挖模拟装置土仓压力用的微型土压力盒，该微型土压力盒布置在开挖模拟装置的土仓和切削刀头处，微型土压力盒布置在分割壁和分割刃脚背侧；该微型土压力盒与静态应变采集仪连接采集数据，静态应变采集仪与电脑连接，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件，进行相应数据采集、保存、数据分析。设置位置如图所述。
管节应力监测：用于测量管节模型应力的电阻应变片，该电阻应变片粘贴在管节模型表面；该电阻应变片与静态应变采集仪连接采集数据，静态应变采集仪与电脑连接，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件，进行相应数据采集、保存、数据分析。
应变片贴于顶管管节模型表面需要监测的位置，提前在管节模型需要粘贴应变片的位置采用打磨的方式进行挖槽处理，尺寸均略大于需要粘贴的应变片尺寸，槽深控制在2至3毫米。粘贴完毕后再在应变片表面涂一层防水胶，对其进行保护。如图所示。(应变片的粘贴为土木工程恒结构试验必讲的基础内容，本专业人员都会，在此不再赘述。)
模型体坑表面点位移监测：模型体坑(在模型体坑内部由调配好的土填筑而成模型体坑，是试验研究的主体)模型体坑表面单点沉降位移用激光测距传感器测量，具体方法为：通过在模型体坑上部安装固定钢架(形式不限，只要能把激光测距传感器固定不动即可)，将激光测距传感器固定并且朝向模型体坑表面。传感器都带有专门连接线与电脑连接，通过传感器自带配套软件进行数据采集，通过分析传感器到模型体坑表面距离，研究模型体坑表面土体变形规律。
模型体坑表面面变形监测：整体变形测量通过三维激光扫描测量，具体方法为：通过在模型体坑上部架设三维激光扫描仪(三维激光扫描仪由三脚架固定，具体架设位置根据试验时现场情况确定)，进行扫描分析，然后将扫描仪数据导入电脑，利用扫描仪配套软件进行模型体坑上表面的变形分析。
内部土体位移监测：内部土体位移(内部土体，模型体坑上表面以内的土体都算内部土体)采用光栅尺多点位移计测量，通过配套采集硬件及配套软件进行数据采集和处理。(光栅尺多点位移计进行地质力学模型试验中内部位移的测量已经有其他人申请并授权了发明专利，在此不进行详细叙述)。
进一步的，所述模型体坑1的初始掘进侧预留顶进施工洞，所述顶管机模拟装置2经所述预留顶进施工洞掘进施工形成施工洞6，在模型体坑1内设置有若干个于掘进施工方向垂直的监测断面5，监测断面5的上布置若干监测点；所述监测点设置在所述施工洞6的环洞周围。
进一步的，所述施工洞6周边设置模拟用既有管线模拟洞7；监测断面5的所述既有管线模拟洞7周围布置监测点。
进一步的，所述监测点布置在距洞周0.5倍洞径、1倍洞径、2倍洞径距离；且所述监测点布置在洞顶、洞底、洞肩和洞腰的一处或多处。
三个监测断面的剖面布置图相同，如图所示。监测断面中，测点的布置采用环洞周布置的原则(普遍采用的原则)。一般为距洞周0.5倍洞径、1倍洞径、2倍洞径距离布点，位置选为洞顶、洞底、洞肩和洞腰等位置。
图中7为预留模拟既有管线的既有管线模拟洞位置，6为施工洞，8为地表位移监测点，圆环91上的圆黑色圈为模型体坑1内土体的土压力监测元件埋设位置，圆环92上的圆黑色圈为土体内部位移监测元件埋设位置。
本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，设计其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，包括顶管机模拟装置(2)、土压力监测采集组件；
所述顶管机模拟装置(2)包括壳体(22)、切削刀头(21)、螺旋出土器(23)；所述切削刀头(21)设置在所述壳体(22)前端；所述壳体(22)的前部设置有分割壁(24)，所述分割壁(24)上设置有开口通孔；所述螺旋出土器(23)的外壳与所述开口通孔连接，设置在所述壳体(22)内部的后部；
所述土压力监测采集组件，包括微型土压力盒(3)、及微型土压力盒(3)自带配套的静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；若干个所述微型土压力盒(3)布置在所述分割壁(24)和所述切削刀头(21)处；所述微型土压力盒(3)与静态应变采集仪连接，静态应变采集仪与外部电脑连接。
2.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述切削刀头(21)还包括分割刃脚，所述分割刃脚设置有水平和竖直方向布置多条刃脚，用以把开挖刃脚切下的土体分块；所述微型土压力盒(3)布置在所述分割刃脚背侧，且设置与水平和竖直刃脚交叉处背侧。
3.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述顶管机模拟装置(2)的所述壳体(22)尾部还包括若干段顺次相连的保护管25，所述保护管25通过管节26连接；
该监测采集系统还包括管节应力监测采集组件，所述管节应力监测采集组件包括电阻应变片(4)、静态应变采集仪、静态应变采集仪配套分析处理软件；所述电阻应变片(4)粘贴在所述管节表面，用以监测管节处应力；所述电阻应变片(4)与静态应变采集仪连接，用以采集数据；静态应变采集仪与外部电脑连接，该外部电脑安装静态应变采集仪配套分析处理软件，并通过静态应变采集仪配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
4.根据权利要求3所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，在所述管节需要粘贴所述电阻应变片(4)的位置，采用打磨的方式进行挖槽处理，槽尺寸略大于需要粘贴的电阻应变片(4)尺寸，槽深为2-3毫米。
5.根据权利要求4所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述电阻应变片(4)粘贴完毕后，在所述电阻应变片(4)表面涂设一层防水胶(41)。
6.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，该监测采集系统还包括表面点位移测量采集组件，用以监测模型体坑(1)表面单点沉降位移；所述表面点位移测量采集组件包括激光测距传感器、连接线、激光测距传感器配套分析处理软件；所述激光测距传感器固定设置在所述模型体坑(1)上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装激光测距传感器配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
7.根据权利要求6所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述激光测距传感器监测模型体坑(1)表面单点沉降位移的方法包括：在模型体坑(1)上部安装固定钢架，将激光测距传感器固定并且朝向模型体坑(1)表面，激光测距传感器的专用连接线与电脑连接，通过激光测距传感器自带配套软件进行数据采集，通过分析激光测距传感器到模型体坑(1)表面距离，分析模型体坑表面土体变形规律。
8.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，该监测采集系统还包括表面面变形测量采集组件，用以监测模型体坑(1)的上表面的面整体变形；所述表面面变形测量采集组件包括三维激光扫描仪、连接线、三维激光扫描仪配套分析处理软件；所述三维激光扫描仪固定设置在所述模型体坑(1)上部支架上，并通过连接线与外部电脑连接，该外部电脑安装三维激光扫描仪配套分析处理软件，并通过激光测距传感器配套分析处理软件进行土压力数据采集、保存、分析、处理。
9.根据权利要求8所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述三维激光扫描仪监测模型体坑表面的面整体变形的方法包括：在模型体坑(1)上部安装固定钢架，将三维激光扫描仪固定并且朝向模型体坑坑(1)表面，三维激光扫描仪的专用连接线与电脑连接，通过三维激光扫描仪自带配套软件进行数据采集，通过扫描分析模型体坑表面土体变形规律。
10.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，该监测采集系统还包括内部土体位移测量采集组件，用以监测模型体坑(1)上表面以内的土体沉降位移；所述内部土体位移测量采集组件使用光栅尺多点位移计及配套采集硬件及配套软件进行数据采集、保存、分析、处理。
11.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述模型体坑(1)的初始掘进侧预留顶进施工洞，所述顶管机模拟装置(2)经所述预留顶进施工洞掘进施工形成施工洞(6)，在模型体坑(1)内设置有若干个于掘进施工方向垂直的监测断面(5)，监测断面(5)的上布置若干监测点；所述监测点设置在所述施工洞(6)的环洞周围。
12.根据权利要求11所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述施工洞(6)周边设置模拟用既有管线模拟洞(7)；监测断面(5)的所述既有管线模拟洞(7)周围布置监测点。
13.根据权利要求12所述的一种顶管隧道施工模型试验监测采集系统,其特征在于，所述监测点布置在距洞周0.5倍洞径、1倍洞径、2倍洞径距离；且所述监测点布置在洞顶、洞底、洞肩和洞腰的一处或多处。
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