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隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)及方法，屬于巖土工程模型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取方法。監(jiān)測系統(tǒng)包括：三維模型試驗(yàn)框架、加載設(shè)備、巖土體模型、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)、位移傳感器、應(yīng)變片、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在三維模型試驗(yàn)框架內(nèi)有巖土體模型，在巖土體模型上端有加載設(shè)備，在巖土體模型的幾何中心貫穿有擬挖隧道，在擬挖隧道內(nèi)和外周連接有多個(gè)位移傳感器測頭，在擬挖隧道上端有管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)上粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過應(yīng)變片導(dǎo)線與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，位移傳感器通過導(dǎo)線與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。通過室內(nèi)試驗(yàn)近似模擬管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道工程的動態(tài)施工過程，精確獲取開挖過程隧道及地層的應(yīng)變參數(shù)，為實(shí)際施工提供支持。
【專利說明】隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程模型實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及方法，尤其是涉及一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國城市地下軌道交通系統(tǒng)快速發(fā)展，淺埋暗挖法隧道施工由于適應(yīng)性較強(qiáng)而被廣泛的應(yīng)用于地下鐵道的建設(shè)中。然而，隧道施工不可避免地要引起周圍地層變形及地表沉降，主要影響因素有地層的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位與工程降水、隧道埋深和覆跨比、施工方法等。施工對隧道周圍地層變形及地表沉降的研究是隧道工程領(lǐng)域的重要理論問題，總的來說地層變形的預(yù)測方法主要分為:經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法和理論方法。
[0003]由于地面實(shí)測沉降曲線形狀與正態(tài)分布的概率曲線比較相似，通過幾個(gè)參數(shù)就能確定一個(gè)正態(tài)分布的概率曲線的形狀，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用非常方便，但是經(jīng)驗(yàn)公式法將地面沉降曲線認(rèn)為是正態(tài)分布的概率曲線是沒有理論基礎(chǔ)的，并且，經(jīng)驗(yàn)公式法也有它的局限性。
[0004]數(shù)值方法能夠較好地考慮復(fù)雜的邊界條件，模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)的特性，動態(tài)模擬工程的實(shí)際建造過程，求解較復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)問題。但由于數(shù)值模擬是建立在一定假定和給定參數(shù)的理論基礎(chǔ)之上的，在針對各種不同工況確定合適的彈塑性或粘彈性本構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)很困難，有時(shí)很難符合現(xiàn)場工程的實(shí)際情況，使得模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)有一定的偏差。
[0005]物理模擬試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)，在配制相似材料的基礎(chǔ)上，通過對模型試件加載、開挖、支護(hù)、監(jiān)測等，通過縮尺的模型研究地下隧洞的穩(wěn)定性問題，利用試驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)場的施工進(jìn)行指導(dǎo)的一種研究方法。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)可以以較小的代價(jià)預(yù)測擬挖隧道原型實(shí)際力學(xué)狀態(tài)的規(guī)律，目前，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)隧道開挖的實(shí)例較少，尤其是管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道開挖的模型試驗(yàn)裝置在國內(nèi)尚屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種精確獲取隧道開挖過程中隧道及地層變形參數(shù)的隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)包括:三維模型試驗(yàn)框架、加載設(shè)備、巖土體模型、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)、位移傳感器、應(yīng)變片、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在三維模型試驗(yàn)框架內(nèi)有巖土體模型，在巖土體模型上端有加載設(shè)備，在巖土體模型的幾何中心貫穿有擬挖隧道，在擬挖隧道內(nèi)和外周連接有多個(gè)位移傳感器測頭，在擬挖隧道上端有管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)上粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過應(yīng)變片導(dǎo)線與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，位移傳感器通過導(dǎo)線與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0008]所述三維模型試驗(yàn)箱由底板、4塊側(cè)板和頂板組成；所述位移監(jiān)測系統(tǒng)包括若干埋設(shè)于模型體內(nèi)部的微型位移傳感器測頭、外部支架、外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、連接微型側(cè)頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的導(dǎo)線；所述應(yīng)變片粘貼在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的單管上，根據(jù)單管長度等間距排列，并由導(dǎo)線引出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0009]更進(jìn)一步的，所述位移監(jiān)測系統(tǒng)包括若干個(gè)微型位移傳感器測頭，微型位移傳感器測頭分別埋設(shè)于擬挖隧道內(nèi)部和擬挖隧道周圍半個(gè)隧道尺寸范圍內(nèi)，埋設(shè)于擬挖隧道內(nèi)部的微型位移傳感器測頭正對隧道開挖面，埋設(shè)于擬挖隧道周邊的微型位移傳感器測頭平行于擬挖隧道軸線，導(dǎo)線一端連接微型位移傳感器測頭，另一端連接外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并控制導(dǎo)線與擬挖隧道軸線平行。
[0010]更進(jìn)一步的，所述三維模型試驗(yàn)框架背面板上開有小孔，導(dǎo)線從小孔處穿出并固定于外部支架上。
[0011]更進(jìn)一步的，所述管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)由9根單管組成，所述應(yīng)變片以全橋粘貼在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的單管上，間隔選擇編號1、3、5、7、9五根單管粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片根據(jù)單管長度，等間距粘貼，并由導(dǎo)線引出，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0012]一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測方法，具體步驟如下:
[0013]I)組合三維模型試驗(yàn)箱，制備相似材料；
[0014]2)在三維模型試驗(yàn)箱中分層壓實(shí)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道底部下半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道中軸線下及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道中部時(shí)，在擬挖隧道中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0015]3)將9根桿狀單管編號，在編號為1、3、5、7、9的單管上粘貼應(yīng)變片，繼續(xù)填筑相似材料，當(dāng)高度達(dá)到管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)高度時(shí)，將單管埋設(shè)并通過導(dǎo)線將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集裝置相連；
[0016]4)繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道頂部上半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0017]5)填筑完成，通過加壓設(shè)備向巖土體模型施加作用力，模擬地層上覆受力條件；
[0018]6)打開模型試驗(yàn)箱正面堵頭擋板，沿水平方向開挖擬挖隧道，在擬挖隧道挖掘過程中，通過應(yīng)變片和位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測單管和巖土體模型的受力與變形情況。
[0019]有益效果，由于采用了上述方案，位移監(jiān)測系統(tǒng)由埋設(shè)在模型體中的位移傳感器組成，用于監(jiān)測隧道開挖過程中掌子面擠出變形以及隧道周圍土體變形；所述應(yīng)變片粘貼在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的單管上，用于獲取地層變形。通過室內(nèi)試驗(yàn)近似模擬管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)下隧道工程的動態(tài)施工過程，精確獲取開挖過程隧道及地層的應(yīng)變參數(shù)，能夠?yàn)閷?shí)際施工提供技術(shù)支持。，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，效果好，具有廣泛的實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明裝置的主視結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為本發(fā)明裝置的側(cè)視剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖3為本發(fā)明管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變片布置示意圖。
[0023]其中:1、三維模型試驗(yàn)框架；2、巖土體模型；3、加載設(shè)備；4、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)；5、位移傳感器；6、應(yīng)變片；7、擬挖隧道；8、導(dǎo)線；9、外部支架；10、外部接收器；11、位移計(jì)導(dǎo)線；
12、應(yīng)變片導(dǎo)線；13、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；14、位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0025]實(shí)施例1:該隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)包括:三維模型試驗(yàn)框架
1、加載設(shè)備3、巖土體模型2、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4、位移傳感器5、應(yīng)變片6、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13和位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14 ;在三維模型試驗(yàn)框架I內(nèi)有巖土體模型2，在巖土體模型2上端有加載設(shè)備3，在巖土體模型2的幾何中心貫穿有擬挖隧道7，在擬挖隧道7內(nèi)和外周連接有多個(gè)位移傳感器測頭5，在擬挖隧道7上端有管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4，在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4上粘貼有應(yīng)變片6，應(yīng)變片6通過應(yīng)變片導(dǎo)線12與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13連接，位移傳感器5通過導(dǎo)線8與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14連接。
[0026]所述位移監(jiān)測系統(tǒng)包括若干埋設(shè)于模型體內(nèi)部的位移傳感器5、外部接收器10、外部支架9、外部位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14、連接位移傳感器5與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14的導(dǎo)線
8。微型位移傳感器測頭5分別埋設(shè)于擬挖隧道7內(nèi)部和擬挖隧道周圍半個(gè)隧道尺寸范圍內(nèi)，埋設(shè)于擬挖隧道7內(nèi)部的微型位移傳感器測頭5正對隧道開挖面，埋設(shè)于擬挖隧道7周邊的位移傳感器5平行于擬挖隧道7軸線，導(dǎo)線8 一端連接位移傳感器測頭5，另一端連接外部接收器10，接收器10與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14連接。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)有效，嚴(yán)格控制導(dǎo)線與擬挖隧道7軸線平行。所述三維模型框架I背面板上開有小孔，導(dǎo)線8從小孔處穿出并固定于外部支架9上。
[0027]所述管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4由9根單管組成，對管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4的單管依次編號為1-9，所述應(yīng)變片6以全橋粘貼在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4的單管上，間隔選擇編號1、3、5、7、9五根單管粘貼應(yīng)變片6，應(yīng)變片6根據(jù)單管長度，等間距粘貼，并由應(yīng)變片導(dǎo)線12引出，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13。
[0028]本發(fā)明的隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測方法，具體步驟如下:
[0029]I)組合三維模型試驗(yàn)箱，制備相似材料；
[0030]2)在三維模型試驗(yàn)箱中分層壓實(shí)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道7底部下半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道7中軸線下及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器5，將導(dǎo)線8引出并固定于外部支架9上，并與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14連接；繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道7中部時(shí)，在擬挖隧道7中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器5，將導(dǎo)線8引出并固定于外部支架9上，并與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14連接；
[0031]3)將9根桿狀單管編號，在編號為1、3、5、7、9的單管上粘貼應(yīng)變片6，繼續(xù)填筑相似材料，當(dāng)高度達(dá)到管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4高度時(shí)，將單管埋設(shè)并通過應(yīng)變片導(dǎo)線12將應(yīng)變片6與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集裝置13相連；
[0032]4)繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道頂部上半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道7中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器5，將導(dǎo)線8引出并固定于外部支架9上，并與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14連接；
[0033]5)填筑完成，通過加載設(shè)備3向巖土體模型2施加作用力，模擬地層上覆受力條件；[0034]6)打開模型試驗(yàn)箱正面堵頭擋板，沿水平方向開挖擬挖隧道7，在擬挖隧道7挖掘過程中，通過應(yīng)變片6和位移傳感器5實(shí)時(shí)監(jiān)測管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)4的單管和巖土體模型2的受力與變形情況。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是:該監(jiān)測系統(tǒng)包括:三維模型試驗(yàn)框架、加載設(shè)備、巖土體模型、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)、位移傳感器、應(yīng)變片、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在三維模型試驗(yàn)框架內(nèi)有巖土體模型，在巖土體模型上端有加載設(shè)備，在巖土體模型的幾何中心貫穿有擬挖隧道，在擬挖隧道內(nèi)和外周連接有多個(gè)位移傳感器測頭，在擬挖隧道上端有管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)上粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過應(yīng)變片導(dǎo)線與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，位移傳感器通過導(dǎo)線與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移監(jiān)測系統(tǒng)包括若干個(gè)微型位移傳感器測頭，微型位移傳感器測頭分別埋設(shè)于擬挖隧道內(nèi)部和擬挖隧道周圍半個(gè)隧道尺寸范圍內(nèi)，埋設(shè)于擬挖隧道內(nèi)部的微型位移傳感器測頭正對隧道開挖面，埋設(shè)于擬挖隧道周邊的微型位移傳感器測頭平行于擬挖隧道軸線，導(dǎo)線一端連接微型位移傳感器測頭，另一端連接外部接收器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并控制導(dǎo)線與擬挖隧道軸線平行，外部接收器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述三維模型試驗(yàn)框架背面板上開有小孔，導(dǎo)線從小孔處穿出并固定于外部支架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)由9根單管組成，所述應(yīng)變片以全橋粘貼在管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的單管上，間隔選擇編號1、3、5、7、9五根單管粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片根據(jù)單管長度，等間距粘貼，并由導(dǎo)線引出，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
5.一種隧道管棚施工法模擬開挖裝置的監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)組合三維模型試驗(yàn)箱，制備相似材料； 2)在三維模型試驗(yàn)箱中分層壓實(shí)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道底部下半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道中軸線下及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道中部時(shí)，在擬挖隧道中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接； 3)將9根桿狀單管編號，在編號為1、3、5、7、9的單管上粘貼應(yīng)變片，繼續(xù)填筑相似材料，當(dāng)高度達(dá)到管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)高度時(shí)，將單管埋設(shè)并通過導(dǎo)線將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集裝置相連； 4)繼續(xù)填筑相似材料，高度達(dá)到擬挖隧道頂部上半個(gè)隧道尺寸時(shí)，在擬挖隧道中軸線上及外輪廓兩邊半個(gè)隧道尺寸處埋設(shè)位移傳感器測頭，將導(dǎo)線引出并固定于外部支架上，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接； 5)填筑完成，通過加壓設(shè)備向巖土體模型施加作用力，模擬地層上覆受力條件； 6)打開模型試驗(yàn)箱正面堵頭擋板，沿水平方向開挖擬挖隧道，在擬挖隧道挖掘過程中，通過位移傳感器和應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測巖土體模型和單管的受力與變形情況。
【文檔編號】G01B7/16GK103940394SQ201410186575
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】馬金榮, 邱述銀, 路慶濤, 陶祥令, 黃凌, 李瀟, 林家興, 劉明, 韓冶, 張余峰 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)