隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统的制作方法
【专利摘要】一种隧道管棚施工法模拟开挖装置的监测系统，它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
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及岩土工程模型实验的监测数据获取系统，尤其是是一种隧道管棚 施工法模拟开挖装置的监测系统。
【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] 本实用新型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。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型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] 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] 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] 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] 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】
[0013] 图1为本实用新型装置的主视结构图。
[0014] 图2为本实用新型装置的侧视剖面结构图。
[0015] 图3为本实用新型管棚支护结构中的应变片布置示意图。
[0016] 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】
[0017] 下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0018] 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1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。
[0019] 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 -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1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。
[0020] 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。
【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。
【文档编号】G01B7/16GK203869679SQ201420226190
【公开日】2014年10月8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, 黄凌, 林家兴, 李潇, 陶祥令, 刘明, 杨利强, 韩冶, 王继刚 申请人:徐州市城市轨道交通有限责任公司, 中国矿业大学