一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，包括三維模型試驗框架、加載設備、巖土體模型、管棚支護結構和模型監測系統；所述三維模型試驗框架為頂部為敞口的立方體箱型結構，加載設備架設在整體框架內結構上方，通過反力板和頂板之間的千斤頂連接，使得頂板向下做加載位移；在所述整體框架內結構內腔中填充有巖土體模型，所述管棚支護結構水平橫向鉆入隧道工程洞口上側的巖土體模型中，所述模型監測系統由安裝在單管上的應變片和預埋在巖土體模型中的傳感器組成。本實用新型裝置通過室內試驗近似模擬管棚支護結構下隧道工程的動態施工過程，能夠更加精確獲取隧道工程管棚施工動態應力應變過程。
【專利說明】一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于巖土工程模型實驗的【技術領域】，尤其涉及巖土工程領域管棚施工模擬開挖裝置。
【背景技術】
[0002]隨著我國城市化水平的不斷提高，城市人口的不斷擴大，城市交通所承擔的壓力日漸增大。僅僅依靠地面交通已無法解決城市交通擁擠的狀況，參考世界上其他大城市的發展模式，地鐵工程由于能極大緩解交通壓力必將是城市建設的重中之重。修建地鐵不僅可以改善交通流量，減輕由于交通擁擠引起的環境壓力，而且也保護了城市的風景，把地表的一部分結構建筑到地下，擴大了城市的綠化面積，修建城市地鐵隧道已成為加快城市化進程的重要部分。隨著地鐵隧道的數量不斷增加，規模不斷增大，建設難度也不斷加大。為適應工程的需要，很多學者正在通過多種方式，研究隧道工程設計與施工方法的優化。其中，模型試驗是研究隧道工程施工過程規律的有效方法之一。
[0003]模型試驗是根據一定的相似原理，將實際工程轉換為室內模型進行試驗模擬。模型試驗能真實地反映地質構造及工程結構的時間、空間的關系，能準確地模擬施工過程的影響。模型從彈性到塑性變形以至最終的破壞，其過程和結果都具有直觀性，給人以直接的感受。目前，通過室內模型試驗來實現隧道開挖的實例較少，尤其是管棚支護結構下隧道開挖的模型試驗裝置在國內尚屬空白。通過室內模型試驗不僅可以以較小的代價預測擬開挖隧道原型實際力學狀態的規律，而且模型試驗中獲取的監測數據可以同施工現場實測數據和室內數值計算加以印證對比分析。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提供一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，可以精確獲取隧道開挖過程中隧道及地層變形情況。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，包括三維模型試驗框架、加載設備、巖土體模型、管棚支護結構和模型監測系統；所述三維模型試驗框架包括底座、前側板、后側板、左側板和右側板，在底座的中間區域設有四條互相垂直的條形深槽，前側板、后側板、左側板和右側板分別插入條形深槽中，前側板、后側板、左側板、右側板和底座組成頂部為敞口的立方體箱型結構，在立方體箱型結構一側的前側板上開設有隧道工程洞口，隧道工程洞口處安裝有堵頭擋板，在立方體箱型結構四周設置緊固框架；所述加載設備包括頂板、若干立柱、若干千斤頂和反力板，頂板嵌入所述立方體箱型結構的敞口內，所述若干立柱分別垂直固定在底座邊緣區域，所述反力板通過立柱架設在頂板上方，反力板與頂板之間設置千斤頂，反力板、頂板和底座之間相互平行；在所述立方體箱型結構內腔中填充有巖土體模型，所述巖土體模型由自上而下設置的巖土相似材料層三、巖土相似材料層二和巖土相似材料層一組成；所述管棚支護結構包括若干平行設置的桿狀單管，桿狀單管水平鉆入所述隧道工程洞口上側的巖土體模型內；所述模型監測系統包括若干應變片和傳感器，應變片粘貼在所述單管表層，傳感器預埋在所述隧道工程洞口外圍的巖土體模型中，應變片和傳感器分別通過導線與數據采集裝置相連。
[0007]更進一步的，所述單管為中空的金屬管，且在單管的表面設有若干注漿孔，可選擇在單管內注漿模擬，注漿模擬更真實地模擬實際工程中隧道開挖前地層的超前預處理。
[0008]更進一步的，所述前側板、后側板、左側板和右側板均為透明有機玻璃板。便于直觀觀察模擬隧道及地層變形情況，并且結構簡單，易于實現。
[0009]更進一步的，所述緊固框架包括分別位于隧道工程洞口上下兩側的上部緊固架和下部緊固架，上部緊固架包括兩個上部第一緊固鋼板和兩個上部第二緊固鋼板，下部緊固架包括兩個下部第一緊固鋼板和兩個下部第二緊固鋼板，上部第一緊固鋼板和下部第一緊固鋼板水平設置在前側板和后側板的外側，上部第二緊固鋼板和下部第二緊固鋼板水平設置在左側板和右側板的外側，上部第一緊固鋼板和下部第一緊固鋼板的兩端設有螺紋段，上部第二緊固鋼板和下部第二緊固鋼板的兩端設有通孔，將上部第一緊固鋼板和下部第一緊固鋼板的螺紋段分別穿入上部第二緊固鋼板和下部第二緊固鋼板的通孔內，并在螺紋段上套設夾緊螺母。這樣的緊固框架的設計，可以保證在模擬開挖時，三維模型試驗框架的穩定性。
[0010]有益效果:本實用新型能夠在室內模擬管棚支護結構下隧道的動態施工過程，動態模擬使獲得的監測數據更接近實際工程情況，模擬準確；模型框架采用透明有機玻璃制作，便于直觀觀察。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]附圖1為本實用新型裝置的主視結構圖。
[0012]附圖2為本實用新型裝置的右視結構圖。
[0013]附圖3為本實用新型裝置的俯視結構圖。
[0014]附圖4為本實用新型管棚支護結構中的單管結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。
[0016]如附圖1、2和3所示，一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，包括三維模型試驗框架、加載設備、巖土體模型17、管棚支護結構18和模型監測系統；所述三維模型試驗框架包括底座1、前側板4、后側板5、左側板2和右側板3，在底座I的中間區域設有四條互相垂直的條形深槽，前側板4、后側板5、左側板2和右側板3分別插入條形深槽中，前側板4、后側板5、左側板2、右側板3和底座I組成頂部為敞口的立方體箱型結構，在立方體箱型結構一側的前側板4上開設有隧道工程洞口 19，隧道工程洞口 19處安裝有堵頭擋板,在立方體箱型結構四周設置緊固框架。
[0017]所述緊固框架包括分別位于隧道工程洞口 19上下兩側的上部緊固架和下部緊固架，上部緊固架包括兩個上部第一緊固鋼板10和兩個上部第二緊固鋼板11，下部緊固架包括兩個下部第一緊固鋼板12和兩個下部第二緊固鋼板13，上部第一緊固鋼板10和下部第一緊固鋼板12水平設置在前側板4和后側板5的外側，上部第二緊固鋼板11和下部第二緊固鋼板13水平設置在左側板2和右側板3的外側，上部第一緊固鋼板10和下部第一緊固鋼板12的兩端設有螺紋段，上部第二緊固鋼板11和下部第二緊固鋼板13的兩端設有通孔，將上部第一緊固鋼板10和下部第一緊固鋼板12的螺紋段分別穿入上部第二緊固鋼板11和下部第二緊固鋼板13的通孔內，并在螺紋段上套設夾緊螺母。這樣的緊固框架的設計，可以保證在模擬開挖時，三維模型試驗框架的穩定性。
[0018]所述加載設備包括頂板6、若干立柱7、若干千斤頂9和反力板8，頂板6嵌入所述立方體箱型結構的敞口內，且頂板6是可分離的。所述若干立柱7分別垂直固定在底座I邊緣區域，所述反力板8通過立柱7架設在頂板6上方，反力板8與頂板6之間設置千斤頂9，反力板8、頂板6和底座I之間相互平行，加載設備可以與三維模型試驗框架實現分離。
[0019]在所述立方體箱型結構內腔中填充有巖土體模型17，所述巖土體模型17是由室內物理試驗配比確定的多種近似性質材料組成，模擬復雜的多層巖土體。所述巖土體模型17由自上而下設置的巖土相似材料層三16、巖土相似材料層二 15和巖土相似材料層一 14組成，相似材料根據實際工程所處的工程地層條件進行調配，并控制相似材料各方面的相似關系都滿足與原裝巖土相似。
[0020]如附圖4所示，所述管棚支護結構18包括若干平行設置的桿狀單管23，桿狀單管23水平鉆入所述隧道工程洞口 19上側的巖土體模型17內，所述單管23為中空的金屬管，且在單管23的表面設有若干注漿孔，可選擇在單管23內注漿模擬，更真實地模擬實際工程中隧道開挖前地層的超前預處理。
[0021]所述模型監測系統可實現開挖過程中管棚支護結構18的變形，隧道的頂部、左側和右側變形，巖土體模型整體位移，巖土體模型表面沉降和隧道底座位移的監測。所述模型監測系統包括若干應變片22和傳感器，應變片22粘貼在所述單管表層，傳感器預埋在所述隧道工程洞口 19外圍的巖土體模型17中，應變片22和傳感器分別通過導線與數據采集裝置相連，所述應變片22用來收集管棚支護結構18應力應變數據。所述傳感器用來監測巖土體模型17中隧道斷面的頂部、左側、右側的位移變形數據，以及巖土體模型整體位移、巖土體模型表面沉降和隧道底座位移等情況。通過上述應變片22和傳感器的組合監測，更加精確地測量出了隧道及地層的變形情況。
[0022]所述前側板4、后側板5、左側板2和右側板3均為透明有機玻璃板。便于直觀觀察模擬隧道及地層變形情況，并且結構簡單，易于實現。
[0023]一種隧道管棚施工法模擬開挖實施方法，具體步驟如下:
[0024]I)在底座I的中間區域設有四條互相垂直的條形深槽，將前側板4、后側板5、左側板2和右側板3分別插入條形深槽中，前側板4、后側板5、左側板2、右側板3和底座I組成頂部為敞口的立方體箱型結構，在立方體箱型結構一側的前側板4上開設隧道工程洞口19，在隧道工程洞口 19處安裝堵頭擋板，在立方體箱型結構四周設置緊固框架；
[0025]2)在所述立方體箱型結構內腔中填充有巖土體模型17，所述巖土體模型17自上而下分為巖土相似材料層三16、巖土相似材料層二 15和巖土相似材料層一 14 ；
[0026]3)將若干桿狀單管23沿水平方向鉆入所述隧道工程洞口 19上側的巖土體模型17內，在單管23表層粘貼應變片22，將傳感器預埋在所述隧道工程洞口 19外圍的巖土體模型17中，將應變片22和傳感器分別通過導線與數據采集裝置相連；
[0027]4)在所述立方體箱型結構的敞口內嵌入頂板6，將若干立柱7分別垂直固定在底座I邊緣區域，將反力板8通過立柱7架設在頂板6上方，在反力板8與頂板6之間設置千斤頂9，反力板8、頂板6和底座I之間相互平行，通過千斤頂9對頂板6的向下作用力模擬地層上覆受力條件；
[0028]5)打開堵頭擋板，在隧道工程洞口 19內沿水平方向開挖擬挖隧道，在擬挖隧道挖掘過程中，通過應變片22和傳感器實時監測單管和巖土體模型17的受力情況。
[0029]在開挖擬挖隧道時分別按照以下兩種方法進行:
[0030]采用方法一:開挖擬挖隧道上臺階I個進尺長度并施做隧道臨時支護，繼續開挖擬挖隧道上臺階至2個進尺長度并施做隧道臨時支護，接著開挖擬挖隧道下臺階至I個進尺長度并施做隧道永久支護，繼續開挖擬挖隧道上臺階至3個進尺長度并施做隧道臨時支護，接著開挖擬挖隧道下臺階至2個進尺長度并施做接著永久支護，循環進尺至擬挖隧道上、下臺階貫通。
[0031]采用方法二:開挖擬挖隧道上半部分中間位置I個進尺長度并施做隧道臨時支護，交替擴大開挖上半部分兩側到隧道設計寬度，施做隧道上半部分永久支護，繼續依次開挖擬挖隧道上半部分中間和兩側至2個進尺長度并施做隧道永久支護，接著開挖擬挖隧道下半部分中間位置至I個進尺長度，依次擴大開挖下半部分兩側到隧道設計寬度，并施做隧道永久支護，繼續依次開挖擬挖隧道上半部分中間和兩邊側至3個進尺長度并施做隧道永久支護，接著依次開挖擬挖隧道下半部分中間和兩側至2個進尺長度并施做永久支護，循環進尺至擬挖隧道貫通。
[0032]管棚施工方法動態應力應變過程，可推廣應用于城市市政工程過街通道，煤礦交叉巷道施工，試驗裝置易于加工，結構裝配簡單，具有一定的科研推廣價值。
[0033]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，其特征在于:包括三維模型試驗框架、加載設備、巖土體模型(17)、管棚支護結構(18)和模型監測系統； 所述三維模型試驗框架包括底座(I)、前側板(4)、后側板(5)、左側板(2)和右側板(3)，在底座(I)的中間區域設有四條互相垂直的條形深槽，前側板(4)、后側板(5)、左側板(2)和右側板(3)分別插入條形深槽中，前側板(4)、后側板(5)、左側板(2)、右側板(3)和底座(I)組成頂部為敞口的立方體箱型結構，在立方體箱型結構一側的前側板(4)上開設有隧道工程洞口(19)，隧道工程洞口(19)處安裝有堵頭擋板，在立方體箱型結構四周設置緊固框架； 所述加載設備包括頂板(6)、若干立柱(7)、若干千斤頂(9)和反力板(8)，頂板(6)嵌入所述立方體箱型結構的敞口內，所述若干立柱(7)分別垂直固定在底座(I)邊緣區域，所述反力板(8)通過立柱(7)架設在頂板(6)上方，反力板(8)與頂板(6)之間設置千斤頂(9)，反力板(8 )、頂板(6 )和底座(I)之間相互平行； 在所述立方體箱型結構內腔中填充有巖土體模型(17)，所述巖土體模型(17)由自上而下設置的巖土相似材料層三(16)、巖土相似材料層二(15)和巖土相似材料層一(14)組成； 所述管棚支護結構(18)包括若干平行設置的桿狀單管(23)，桿狀單管(23)水平鉆入所述隧道工程洞口(19)上側的巖土體模型(17)內； 所述模型監測系統包括若干應變片(22)和傳感器，應變片(22)粘貼在所述單管表層，傳感器預埋在所述隧道工程洞口(19)外圍的巖土體模型(17)中，應變片(22)和傳感器分別通過導線與數據采集裝置相連。
2.根據權利要求1所述一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，其特征在于:所述單管(23)為中空的金屬管，且在單管(23)的表面設有若干注漿孔(24)。
3.根據權利要求1所述一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，其特征在于:所述前側板(4)、后側板(5)、左側板(2)和右側板(3)均為透明有機玻璃板。
4.根據權利要求1所述一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置，其特征在于:所述緊固框架包括分別位于隧道工程洞口( 19)上下兩側的上部緊固架和下部緊固架，上部緊固架包括兩個上部第一緊固鋼板(10)和兩個上部第二緊固鋼板(11)，下部緊固架包括兩個下部第一緊固鋼板(12)和兩個下部第二緊固鋼板(13)，上部第一緊固鋼板(10)和下部第一緊固鋼板(12)水平設置在前側板(4)和后側板(5)的外側，上部第二緊固鋼板(11)和下部第二緊固鋼板(13)水平設置在左側板(2)和右側板(3)的外側，上部第一緊固鋼板(10)和下部第一緊固鋼板(12)的兩端設有螺紋段，上部第二緊固鋼板(11)和下部第二緊固鋼板(13)的兩端設有通孔，將上部第一緊固鋼板(10)和下部第一緊固鋼板(12)的螺紋段分別穿入上部第二緊固鋼板(11)和下部第二緊固鋼板(13)的通孔內，并在螺紋段上套設夾緊螺母。
【文檔編號】G01M99/00GK203745218SQ201420098873
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】馬金榮, 張昌偉, 路慶濤, 陶祥令, 劉明, 許鋒, 華偉, 張余峰, 劉江濤, 曾衛, 朱寶磊, 張鵬 申請人:中國礦業大學