CN107991081A - 台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***及方法 - Google Patents

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李术才
丁万涛
张乾青
刘克奇
陈瑞
史培贺
李明江
侯铭垒
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Abstract

本发明公开了一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***及方法，将已安装监测元件的土体置于指定试验位置，人工模拟台阶法施工，利用数据采集***将隧道开挖过程中围岩和支护结构的力学参数采集并传输至数据处理中心，与现场实测数据对比分析。改变围岩物理参数，重复进行模拟试验，探究不同围岩参数下，进行超前小导管的埋设与注浆对于隧道施工而言的可靠性。本发明提供一种相对准确的试验***及方法，对于研究隧道施工有极其重要的意义。

Description

台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***及方法
技术领域
本发明涉及一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***及方法。
背景技术
随着社会经济的发展，地上空间逐渐难以满***通的要求，地下工程显得尤为重要。地铁作为地下交通最为重要的组成部分，近年来数量越来越多。然而在地铁施工的过程中，会遇到复杂的地质环境，其中不良的地质条件会使隧道开挖过程中容易遭受包括塌方和突水在内的危害。
目前国内对于隧道台阶法施工在含水率不同的情况下设计的实验研究还不充分，缺乏有效的模拟隧道施工与现场环境的模型试验的理论支撑，尤其是在含水率较高的情况下超前小导管预注浆的影响。
针对以上目前存在的问题，需要提出一种实验模型及试验方法用于研究不同含水率下隧道台阶法施工的可靠性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***及方法，本发明能够利用相似室内模型试验模拟隧道台阶法施工，从而获取开挖掌子面及其前方不同截面的力学特征，尤其是在含水率较高的情况下进行超前小导管的埋设与注浆的影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，包括试验土体构造单元、土体容纳装置、台阶法开挖单元、数据采集单元以及数据处理中心，其中：
所述土体构造单元，被配置为根据不同待试验的土体参数对现场土体的重塑，重塑过程中在围岩衬砌部分与开挖断面部分埋设监测元件；
所述土体容纳装置，被配置为具有一定容纳空间，容纳并固定重塑后的试验土体监测所用的试验土体；
所述台阶法隧道开挖单元，被配置为自动模拟现场台阶法开挖隧道过程；
所述数据采集单元，接收土体构造单元内的监测元件所得数据传输至数据处理中心；
所述数据处理中心接收监测数据，根据不同的检测数据确定不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性。
进一步的，所述土体构造单元，对待模拟试验的土体的c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率进行测定，得到土体参数，进行土体重塑。
进一步的，重塑的土体模型与现场土体为等比例，满足受力分析下的各项力学指标，比例控制在1:15至1:25之间，更优选地，将模拟比例调整为1：20。
进一步的，监测元件包括位移计、应变计或多点位移计，埋设于监测围岩衬砌部分与开挖断面部分，测量衬砌土压力、断面土压力与地层沉降。
优选地，所述监测元件共包含多组，包括间隔设置在开挖断面前不同距离处处，构成监测面***，每组监测面共计多条监测线，位于隧道上部，相隔两条监测线相差一定角度，每条监测线上均设置多个监测元件。
进一步的，所述土体容纳装置，包括钢制壳体，所述壳体上设置有钢化玻璃，以观察施工进度，所述壳体至少一侧设置有隧道入口。
优选的，所述土体容纳装置的壳体下端设置有行走机构，如万向轮等，方便移动。
进一步的，所述台阶法隧道开挖单元，包括导轨、滑动基座、升降机构和平台，所述导轨设置在土体容纳装置的隧道入口的一侧，所述滑动基座活动设置于导轨上，滑动基座上设置有升降机构，所述升降机构上端设置有平台。便于人工采用上下台阶法施工。
基于上述***的试验方法，包括以下步骤：
1)试验开始前进行室内试验的标定，其中包括土体c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率的测定；
2)进行现场土的重塑和监测元件的埋设；
3)将已安装监测元件的土体运至指定部位，在含水率小于设定值的情况下，模拟台阶法施工，并进行初次衬砌，采集开挖时不同部位的力学参数并传输至数据处理中心，从而与现场实验数据比较分析；
4)在含水率高于设定值时，重复进行模拟实验，采集开挖时不同部位的力学参数；
5)将测得数据与现场试验对比，确定含水率不同的工况下，进行超前小导管的埋设与注浆对于隧道施工而言的可靠性。
进一步的，在进行含水率高于设定值情况下的模拟实验时，满足力学要求长度，超前小导管长度13-17cm。
进行超前小导管预注浆，超前小导管位于隧道顶部120°范围内，相隔15°。
当超前小导管足够支撑土体不发生较大变形或滑坡时，重复进行试验，此时便可获得在不注浆情况下的围岩土体稳定情况。
超前小导管与衬砌榀数相应，隔一榀打入相应一批夹角为120°的超前小导管。
若为小导管注浆时，注浆加固区采用具有导向装置钢管跳槽开挖，并浇筑合成树脂进行模拟。
本发明的工作原理：本发明通过室内试验进行模拟不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性，在含水率相对较低的情况下，人工模拟隧道台阶法施工，从而获取在施工开挖过程中对于开挖掌子面以及前方岩体的影响，同时以此试验作为基础，研究在含水率较高时，通过超前小导管的埋设与注浆方法加固岩体后，重新进行实验，从而获取该种现场环境下开挖掌子面以及前方岩体的相关力学参数，将所获参数与之前未及时加固情况相对比，从而研究在隧道台阶法施工过程中超前小导管预注浆的可靠性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用相似室内模型试验模拟隧道台阶法施工，从而获取开挖掌子面及其前方不同截面的力学特征，试验易于操作且可信度高。
(2)试验通过相互对比，实验室测得数据与现场条件下的数据相比较，同时不同含水率下的两组模型实验也可相互对比，试验数据更为客观。
(3)在含水率较高情况下，该实验装置也可研究实际工况下利用超前小导管的埋设以及注浆的方法对于周围岩体力学性能的影响。
(4)利用数据处理中心，对于多组数据进行多元化采集分析，定量描述超前小导管的埋设角度与注浆压力、注浆浓度等因素对于实地隧道开挖的影响。
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为模型试验***示意图。
图2为土体容纳装置示意图。
图3为土体开挖单元示意图。
图4为监测面示意图。
图5为监测元件布点示意图。
图6为超前小导管分布示意图。
其中1-1为土体容纳装置，1-2为土体开挖单元，1-3为数据采集单元，1-4为数据处理中心，1-5为显示器，1-6为数据线，2-1为定位螺母，2-2为钢制槽体，2-3为槽口，2-4为万向轮，2-5为钢化玻璃，2-6为隧道入口，2-7为钢板，3-1为滑动导轨，3-2为滑动底座，3-3为操作平台，3-4为液压升降装置，4-1为隧道面，4-2为一榀衬砌环，4-3为台阶法开挖隧道洞口，4-4第一监测面，4-5为第二监测面，4-6为第三监测面，5-1为监测元件布置点，6-1为超前小导管。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法建立实验模型模拟现场环境以研究不同含水率下隧道台阶法施工的可靠性，尤其是无法研究含水率较高的情况下超前小导管预注浆的影响的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性研究模型试验***及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，实验***包括试验土体构造单元、土体容纳装置1-1、台阶法开挖单元1-2、数据采集单元1-3以及数据处理中心1-4。
土体构造单元主要是对于现场土体的重塑以及含水率的模拟，监测***主要采集***主要用于采集当前工况下的施工对于周围土体的影响，包括监测元件的埋设，台阶法隧道开挖单元主要涉及模拟现场人工台阶法开挖隧道，数据采集***将土体构造单元内的监测元件所得数据传输至数据处理中心。
试验***及方法开始前进行室内试验的标定，其中包括土体c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率的测定。土体构造单元包括现场土的重塑，重塑时尽可能接近实验室所得参数，在研究不含水率的影响时，土体则应按实地条件进行模拟，同时还包含监测元件的埋设，包括监测围岩衬砌部分与开挖断面部分，在含水率较低情况下，研究开挖隧道对周围土体的影响。
本试验包括含水率较低和较高情况下的现场模拟，含水率不同的土体需重新制备，试验至少进行两次。土体构造单元至少进行两次重构。
土体容纳装置主要用于重复试验，本试验主要为水率较低情况下的现场模拟。
如图2所示，土体容纳装置容纳重塑后的土体，具体包括钢制槽体2-2形成的框架，框架底面设置有钢板2-7，钢制槽体2-2内侧设置有槽口2-3，框架下端设置有万向轮2-4，框架侧面安装有钢化玻璃2-5，至少一面钢化玻璃2-5上设置有隧道入口2-6。
如图3所示，台阶法隧道开挖单元主要包括滑动导轨3-1、滑动底座3-2、液压升降装置3-4和操作平台3-3，滑动导轨3-1设置在土体容纳装置1-1的隧道入口2-6的一侧，滑动底座3-2活动设置于滑动导轨3-1上，滑动底座3-2上设置有液压升降装置3-4，液压升降装置3-4上端设置有操作平台3-3。便于人工采用上下台阶法施工。
台阶法隧道开挖单元主要用于隧道开挖与初次衬砌，隧道开挖包括模拟现场开挖方式，采用上下台阶法施工，初次衬砌同样模拟现场初衬，试验中采用环形有机玻璃，尺寸按照相似比确定，取厚度1cm，模拟现场混凝土衬砌环。
监测***包括三组监测元件，监测元件各自所在的平面与隧道轴线垂直，由于在实际工程中隧道开挖周围土体沿轴线长度方向长，实验模型满足平面应力-应变原理。监测元件包括位移计、应变计、微型多点位移计，相应测量衬砌土压力、断面土压力与地层沉降。
如图4所示，实验***尺寸按照与现场试验等比例缩小原则，满足受力分析下的各项力学指标，模拟比例调整为1：20。三边尺寸分别为长2m，宽2.1m，高1.6m，监测元件共包含三组，包括开挖断面前0.5m处、开挖面前1.0m处、开挖面前1.5m处，分别为第一监测面4-4、第二监测面4-5和第三监测面4-6，构成监测面***，每组监测面共计5条监测线，位于隧道上部，相隔两条监测线相差45°，每条监测线上监测元件共计6个。
实验模型在含水率较高的情况下，进行超前小导管的埋设与注浆，超前小导管位于隧道顶部120°范围内，相隔15°。当超前小导管足够支撑土体不发生较大变形或滑坡时，重复进行试验，此时便可获得在不注浆情况下的围岩土体稳定情况。超前小导管与衬砌榀数相应，隔一榀打入相应一批夹角为120°的超前小导管。
在进行含水率较高情况下的模拟实验时，满足力学要求长度，超前小导管长度优选为13-17cm，更优选地，超前小导管长度选为15cm，材料选取为钢化塑制条。
不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性研究模型试验***及方法，其实验步骤为：
1)试验开始前进行室内试验的标定，其中包括土体c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率的测定。
2)构造土体***包括现场土的重塑、监测元件的埋设。
3)将已安装监测元件的土体运至指定部位，在含水率较低情况下，人工模拟台阶法施工，并进行初次衬砌，利用数据采集***将开挖时不同部位的力学参数采集并传输至数据处理中心，从而与现场实验数据比较分析。
4)在含水率较高时，重复进行模拟实验，将测得数据与现场试验对比，探究含水率较高工况下，进行超前小导管的埋设与注浆对于隧道施工而言的可靠性，并与现场试验相对比。
通过室内试验进行模拟不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性，在含水率相对较低的情况下，人工模拟隧道台阶法施工，从而获取在施工开挖过程中对于开挖掌子面以及前方岩体的影响，同时以此试验作为基础，研究在含水率较高时，通过超前小导管的埋设与注浆方法加固岩体后，重新进行实验，从而获取该种现场环境下开挖掌子面以及前方岩体的相关力学参数，将所获参数与之前未及时加固情况相对比，从而研究在隧道台阶法施工过程中超前小导管预注浆的可靠性。
第二种实施方式：
试验***及方法开始前进行室内试验的标定，其中包括土体c、值以及含水率的测定。土体构造单元包括现场土的重塑，重塑时尽可能接近实验室所得参数，在研究不含水率的影响时，土体则应按实地条件进行模拟，同时还包含监测元件的埋设，包括监测围岩衬砌部分与开挖断面部分，含水率较高时，在进行超前小导管与注浆作用下隧道开挖对于周围土体的影响。
土体容纳装置主要用于重复试验，本试验为较高情况下的现场模拟，所述台阶法隧道开挖单元主要包括隧道开挖与初次衬砌，隧道开挖包括模拟现场开挖方式，采用上下台阶法施工，初次衬砌同样模拟现场初衬，试验中采用有机玻璃，尺寸按照相似比确定，取厚度1cm，模拟现场混凝土衬砌环。
监测***包括三组监测元件，监测元件各自所在的平面与隧道轴线垂直，由于在实际工程中隧道开挖周围土体沿轴线长度方向长，实验模型满足平面应力-应变原理。监测元件包括位移计、应变计、微型多点位移计，相应测量衬砌土压力、断面土压力与地层沉降。
实验模型在含水率较高的情况下，进行超前小导管预注浆，超前小导管位于隧道顶部120°范围内，相隔15°。当超前小导管足够支撑土体不发生较大变形或滑坡时，重复进行试验，此时便可获得在不注浆情况下的围岩土体稳定情况。超前小导管与衬砌榀数相应，隔一榀打入相应一批夹角为120°的超前小导管。
模拟比例调整为1：20，本模型试验土体比例在满足1:20情况下将覆跨比取为2.5，试件模拟直径为6m的隧道，模型两侧的宽度为3倍的隧道直径，因而将试件的三边尺寸分别取为长2m，宽2.1m，高1.6m，监测元件共包含三组，包括开挖断面前0.5m处、开挖面前1.0m处、开挖面前1.5m处，构成监测面***，每组监测面共计6条监测线，位于隧道上部，相隔两条监测线相差45°，每条监测线上监测元件共计6个。
在进行含水率较高情况下的模拟实验时，满足力学要求长下的超前小导管长度选为15cm，材料选取为钢化塑制条。若为小导管注浆时，注浆加固区采用具有导向装置的Φ3不锈钢钢管跳槽开挖，并浇筑合成树脂进行模拟。
不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性研究模型试验***及方法，其实验步骤为：
1)试验开始前进行室内试验的标定，其中包括土体c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率的测定。
2)构造土体***包括现场土的重塑、监测元件的埋设。
3)将已安装监测元件的土体运至指定部位，在含水率较低情况下，人工模拟台阶法施工，并进行初次衬砌，利用数据采集***将开挖时不同部位的力学参数采集并传输至数据处理中心，从而与现场实验数据比较分析。
4)在含水率较高时，重复进行模拟实验，将测得数据与现场试验对比，探究含水率较高工况下，超前小导管预注浆对隧道施工的可靠性，并与现场试验相对比。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：包括试验土体构造单元、土体容纳装置、台阶法开挖单元、数据采集单元以及数据处理中心，其中：
所述土体构造单元，被配置为根据不同待试验的土体参数对现场土体的重塑，重塑过程中在围岩衬砌部分与开挖断面部分埋设监测元件；
所述土体容纳装置，被配置为具有一定容纳空间，容纳并固定重塑后的试验土体监测所用的试验土体；
所述台阶法隧道开挖单元，被配置为自动模拟现场台阶法开挖隧道过程；
所述数据采集单元，接收土体构造单元内的监测元件所得数据传输至数据处理中心；
所述数据处理中心接收监测数据，根据不同的检测数据确定不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性。
2.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：所述土体构造单元，对待模拟试验的土体的粘聚力、内摩擦角以及含水率进行测定，得到土体参数，进行土体重塑。
3.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：重塑的土体模型与现场土体为等比例，满足受力分析下的各项力学指标，比例控制在1:15至1:25之间。
4.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：监测元件包括位移计、应变计或多点位移计，埋设于监测围岩衬砌部分与开挖断面部分，测量衬砌土压力、断面土压力与地层沉降。
5.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：所述监测元件共包含多组，包括间隔设置在开挖断面前不同距离处处，构成监测面***，每组监测面共计多条监测线，位于隧道上部，相隔两条监测线相差一定角度，每条监测线上均设置多个监测元件。
6.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：所述土体容纳装置，包括钢制壳体，所述壳体上设置有钢化玻璃，以观察施工进度，所述壳体至少一侧设置有隧道入口。
7.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验***，其特征是：所述台阶法隧道开挖单元，包括导轨、滑动基座、升降机构和平台，所述导轨设置在土体容纳装置的隧道入口的一侧，所述滑动基座活动设置于导轨上，滑动基座上设置有升降机构，所述升降机构上端设置有平台。便于人工采用上下台阶法施工。
8.基于如权利要求1-7中任一项所述的***的试验方法，其特征是：包括以下步骤：
1)试验开始前进行室内试验的标定，其中包括土体粘聚力、内摩擦角以及含水率的测定；
2)进行现场土的重塑和监测元件的埋设；
3)将已安装监测元件的土体运至指定部位，在含水率小于设定值的情况下，模拟台阶法施工，并进行初次衬砌，采集开挖时不同部位的力学参数并传输至数据处理中心，从而与现场实验数据比较分析；
4)在含水率高于设定值时，重复进行模拟实验，采集开挖时不同部位的力学参数；
5)将测得数据与现场试验对比，确定含水率不同的工况下，超前小导管预注浆对隧道施工的可靠性。
9.如权利要求8所述的试验方法，其特征是：在进行含水率高于设定值情况下的模拟实验时，满足力学要求长度，超前小导管长度13-17cm。
10.如权利要求8所述的试验方法，其特征是：进行超前小导管预注浆，超前小导管位于隧道顶部120°范围内，相隔15°；
超前小导管与衬砌榀数相应，隔一榀打入相应一批夹角为120°的超前小导管。
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