隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统及方法
【专利摘要】一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统及方法，属于岩土工程模型实验的数据获取方法。监测系统包括：三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构、位移传感器、应变片、应变数据采集系统和位移数据采集系统；在三维模型试验框架内有岩土体模型，在岩土体模型上端有加载设备，在岩土体模型的几何中心贯穿有拟挖隧道，在拟挖隧道内和外周连接有多个位移传感器测头，在拟挖隧道上端有管棚支护结构，在管棚支护结构上粘贴有应变片，应变片通过应变片导线与应变数据采集系统连接，位移传感器通过导线与位移数据采集系统连接。通过室内试验近似模拟管棚支护结构下隧道工程的动态施工过程，精确获取开挖过程隧道及地层的应变参数，为实际施工提供支持。
【专利说明】隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程模型实验的监测数据获取系统及方法，尤其是涉及一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，我国城市地下轨道交通系统快速发展，浅埋暗挖法隧道施工由于适应性较强而被广泛的应用于地下铁道的建设中。然而，隧道施工不可避免地要引起周围地层变形及地表沉降，主要影响因素有地层的物理力学性质、地下水位与工程降水、隧道埋深和覆跨比、施工方法等。施工对隧道周围地层变形及地表沉降的研究是隧道工程领域的重要理论问题，总的来说地层变形的预测方法主要分为:经验公式法、模型试验法和理论方法。
[0003]由于地面实测沉降曲线形状与正态分布的概率曲线比较相似，通过几个参数就能确定一个正态分布的概率曲线的形状，因此在实际工程中应用非常方便，但是经验公式法将地面沉降曲线认为是正态分布的概率曲线是没有理论基础的，并且，经验公式法也有它的局限性。
[0004]数值方法能够较好地考虑复杂的边界条件，模拟复杂的岩土介质的特性，动态模拟工程的实际建造过程，求解较复杂的隧道结构问题。但由于数值模拟是建立在一定假定和给定参数的理论基础之上的，在针对各种不同工况确定合适的弹塑性或粘弹性本构模型力学参数很困难，有时很难符合现场工程的实际情况，使得模拟结果与实测数据有一定的偏差。
[0005]物理模拟试验是以相似理论为基础，在配制相似材料的基础上，通过对模型试件加载、开挖、支护、监测等，通过缩尺的模型研究地下隧洞的稳定性问题，利用试验结果对现场的施工进行指导的一种研究方法。通过室内模型试验可以以较小的代价预测拟挖隧道原型实际力学状态的规律，目前，通过室内模型试验来实现隧道开挖的实例较少，尤其是管棚支护结构下隧道开挖的模型试验装置在国内尚属空白。
【发明内容】
[0006]本发明的目是针对已有技术中存在的问题，提供一种精确获取隧道开挖过程中隧道及地层变形参数的隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统及方法。
[0007]为实现上述目的，本发明的隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统包括:三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构、位移传感器、应变片、应变数据采集系统和位移数据采集系统；在三维模型试验框架内有岩土体模型，在岩土体模型上端有加载设备，在岩土体模型的几何中心贯穿有拟挖隧道，在拟挖隧道内和外周连接有多个位移传感器测头，在拟挖隧道上端有管棚支护结构，在管棚支护结构上粘贴有应变片，应变片通过应变片导线与应变数据采集系统连接，位移传感器通过导线与位移数据采集系统连接。
[0008]所述三维模型试验箱由底板、4块侧板和顶板组成；所述位移监测系统包括若干埋设于模型体内部的微型位移传感器测头、外部支架、外部数据采集系统、连接微型侧头与数据采集系统的导线；所述应变片粘贴在管棚支护结构的单管上，根据单管长度等间距排列，并由导线引出与数据采集系统连接。
[0009]更进一步的，所述位移监测系统包括若干个微型位移传感器测头，微型位移传感器测头分别埋设于拟挖隧道内部和拟挖隧道周围半个隧道尺寸范围内，埋设于拟挖隧道内部的微型位移传感器测头正对隧道开挖面，埋设于拟挖隧道周边的微型位移传感器测头平行于拟挖隧道轴线，导线一端连接微型位移传感器测头，另一端连接外部数据采集系统，并控制导线与拟挖隧道轴线平行。
[0010]更进一步的，所述三维模型试验框架背面板上开有小孔，导线从小孔处穿出并固定于外部支架上。
[0011]更进一步的，所述管棚支护结构由9根单管组成，所述应变片以全桥粘贴在管棚支护结构的单管上，间隔选择编号1、3、5、7、9五根单管粘贴应变片，应变片根据单管长度，等间距粘贴，并由导线引出，将监测数据传输到数据采集系统。
[0012]一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测方法，具体步骤如下:
[0013]I)组合三维模型试验箱，制备相似材料；
[0014]2)在三维模型试验箱中分层压实填筑相似材料，高度达到拟挖隧道底部下半个隧道尺寸时，在拟挖隧道中轴线下及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接；继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道中部时，在拟挖隧道中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接；
[0015]3)将9根杆状单管编号，在编号为1、3、5、7、9的单管上粘贴应变片，继续填筑相似材料，当高度达到管棚支护结构高度时，将单管埋设并通过导线将应变片与数据采集装置相连；
[0016]4)继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道顶部上半个隧道尺寸时，在拟挖隧道中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接；
[0017]5)填筑完成，通过加压设备向岩土体模型施加作用力，模拟地层上覆受力条件；
[0018]6)打开模型试验箱正面堵头挡板，沿水平方向开挖拟挖隧道，在拟挖隧道挖掘过程中，通过应变片和位移传感器实时监测单管和岩土体模型的受力与变形情况。
[0019]有益效果，由于采用了上述方案，位移监测系统由埋设在模型体中的位移传感器组成，用于监测隧道开挖过程中掌子面挤出变形以及隧道周围土体变形；所述应变片粘贴在管棚支护结构的单管上，用于获取地层变形。通过室内试验近似模拟管棚支护结构下隧道工程的动态施工过程，精确获取开挖过程隧道及地层的应变参数，能够为实际施工提供技术支持。，其结构简单，操作方便，效果好，具有广泛的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明装置的主视结构图。
[0021]图2为本发明装置的侧视剖面结构图。
[0022]图3为本发明管棚支护结构中的应变片布置示意图。
[0023]其中:1、三维模型试验框架；2、岩土体模型；3、加载设备；4、管棚支护结构；5、位移传感器；6、应变片；7、拟挖隧道；8、导线；9、外部支架；10、外部接收器；11、位移计导线；
12、应变片导线；13、应变数据采集系统；14、位移数据采集系统。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025]实施例1:该隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统包括:三维模型试验框架
1、加载设备3、岩土体模型2、管棚支护结构4、位移传感器5、应变片6、应变数据采集系统13和位移数据采集系统14 ;在三维模型试验框架I内有岩土体模型2，在岩土体模型2上端有加载设备3，在岩土体模型2的几何中心贯穿有拟挖隧道7，在拟挖隧道7内和外周连接有多个位移传感器测头5，在拟挖隧道7上端有管棚支护结构4，在管棚支护结构4上粘贴有应变片6，应变片6通过应变片导线12与应变数据采集系统13连接，位移传感器5通过导线8与位移数据采集系统14连接。
[0026]所述位移监测系统包括若干埋设于模型体内部的位移传感器5、外部接收器10、外部支架9、外部位移数据采集系统14、连接位移传感器5与位移数据采集系统14的导线
8。微型位移传感器测头5分别埋设于拟挖隧道7内部和拟挖隧道周围半个隧道尺寸范围内，埋设于拟挖隧道7内部的微型位移传感器测头5正对隧道开挖面，埋设于拟挖隧道7周边的位移传感器5平行于拟挖隧道7轴线，导线8 一端连接位移传感器测头5，另一端连接外部接收器10，接收器10与位移数据采集系统14连接。为保证监测数据真实有效，严格控制导线与拟挖隧道7轴线平行。所述三维模型框架I背面板上开有小孔，导线8从小孔处穿出并固定于外部支架9上。
[0027]所述管棚支护结构4由9根单管组成，对管棚支护结构4的单管依次编号为1-9，所述应变片6以全桥粘贴在管棚支护结构4的单管上，间隔选择编号1、3、5、7、9五根单管粘贴应变片6，应变片6根据单管长度，等间距粘贴，并由应变片导线12引出，将监测数据传输到应变数据采集系统13。
[0028]本发明的隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测方法，具体步骤如下:
[0029]I)组合三维模型试验箱，制备相似材料；
[0030]2)在三维模型试验箱中分层压实填筑相似材料，高度达到拟挖隧道7底部下半个隧道尺寸时，在拟挖隧道7中轴线下及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器5，将导线8引出并固定于外部支架9上，并与位移数据采集系统14连接；继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道7中部时，在拟挖隧道7中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器5，将导线8引出并固定于外部支架9上，并与位移数据采集系统14连接；
[0031]3)将9根杆状单管编号，在编号为1、3、5、7、9的单管上粘贴应变片6，继续填筑相似材料，当高度达到管棚支护结构4高度时，将单管埋设并通过应变片导线12将应变片6与应变数据采集装置13相连；
[0032]4)继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道顶部上半个隧道尺寸时，在拟挖隧道7中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器5，将导线8引出并固定于外部支架9上，并与位移数据采集系统14连接；
[0033]5)填筑完成，通过加载设备3向岩土体模型2施加作用力，模拟地层上覆受力条件；[0034]6)打开模型试验箱正面堵头挡板，沿水平方向开挖拟挖隧道7，在拟挖隧道7挖掘过程中，通过应变片6和位移传感器5实时监测管棚支护结构4的单管和岩土体模型2的受力与变形情况。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统，其特征是:该监测系统包括:三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构、位移传感器、应变片、应变数据采集系统和位移数据采集系统；在三维模型试验框架内有岩土体模型，在岩土体模型上端有加载设备，在岩土体模型的几何中心贯穿有拟挖隧道，在拟挖隧道内和外周连接有多个位移传感器测头，在拟挖隧道上端有管棚支护结构，在管棚支护结构上粘贴有应变片，应变片通过应变片导线与应变数据采集系统连接，位移传感器通过导线与位移数据采集系统连接。
2.根据权利要求1所述隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统，其特征在于:所述位移监测系统包括若干个微型位移传感器测头，微型位移传感器测头分别埋设于拟挖隧道内部和拟挖隧道周围半个隧道尺寸范围内，埋设于拟挖隧道内部的微型位移传感器测头正对隧道开挖面，埋设于拟挖隧道周边的微型位移传感器测头平行于拟挖隧道轴线，导线一端连接微型位移传感器测头，另一端连接外部接收器，数据采集系统，并控制导线与拟挖隧道轴线平行，外部接收器与数据采集系统相连。
3.根据权利要求2所述隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统，其特征在于:所述三维模型试验框架背面板上开有小孔，导线从小孔处穿出并固定于外部支架上。
4.根据权利要求1所述一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统，其特征在于:所述管棚支护结构由9根单管组成，所述应变片以全桥粘贴在管棚支护结构的单管上，间隔选择编号1、3、5、7、9五根单管粘贴应变片，应变片根据单管长度，等间距粘贴，并由导线引出，将监测数据传输到数据采集系统。
5.一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)组合三维模型试验箱，制备相似材料； 2)在三维模型试验箱中分层压实填筑相似材料，高度达到拟挖隧道底部下半个隧道尺寸时，在拟挖隧道中轴线下及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接；继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道中部时，在拟挖隧道中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接； 3)将9根杆状单管编号，在编号为1、3、5、7、9的单管上粘贴应变片，继续填筑相似材料，当高度达到管棚支护结构高度时，将单管埋设并通过导线将应变片与数据采集装置相连； 4)继续填筑相似材料，高度达到拟挖隧道顶部上半个隧道尺寸时，在拟挖隧道中轴线上及外轮廓两边半个隧道尺寸处埋设位移传感器测头，将导线引出并固定于外部支架上，并与数据采集系统连接； 5)填筑完成，通过加压设备向岩土体模型施加作用力，模拟地层上覆受力条件； 6)打开模型试验箱正面堵头挡板，沿水平方向开挖拟挖隧道，在拟挖隧道挖掘过程中，通过位移传感器和应变片实时监测岩土体模型和单管的受力与变形情况。
【文档编号】G01B7/16GK103940394SQ201410186575
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】马金荣, 邱述银, 路庆涛, 陶祥令, 黄凌, 李潇, 林家兴, 刘明, 韩冶, 张余峰 申请人:中国矿业大学