导洞开挖工艺中棚架试验方法与流程

本发明涉及工程施工领域，特别是涉及一种导洞开挖工艺中棚架试验方法。

背景技术：

随着我国基础设施建设的高速发展，大量隧道开挖，隧道开挖过程遇到的地质条件日趋复杂，隧道整体呈现出“多、长、大、深”的发展趋势。隧道开挖过程中，对地下结构产生破坏，地下结构存在破坏隐蔽和修复困难的问题，因此，地下施工过程中，需要做好支护工作，但是支护强度要求高，施工成本随之增加，因此，为了保证支护强度，同时降低施工成本，需要综合考虑地下空间的受力状态、以及支护装置的支护效果等影响因素，尤其是地下空间内围岩结构的稳定性。

地下开挖过程中，破坏了围岩结构初始平衡状态而释放载荷，围岩载荷释放引起支撑稳定性下降，需要设置支护设备来保证洞体内围岩的稳定性，但围岩在不同阶段的载荷释放状态不同，即围岩在不同开挖阶段的结构稳定性不同，因此，在不同的施工阶段，洞体内需要的支护作用力不同。但是，目前对于地下开挖过程的研究中，并没有对围岩压力释放状态与支护设备的强度关系进行研究，尤其是顶部棚架的强度，顶部棚架受围岩压力影响而变形，仍无法提前预判棚架的破坏形态，结构设计过程中无法进行针对性补救。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一：导洞开挖中棚架受围岩压力影响而引起的破坏无法预测，影响棚架对导洞的支撑稳定性。

本发明的目的是：本发明提供一种导洞开挖工艺中棚架试验方法，能够准确得出不同开挖工艺和开挖阶段围岩压力下棚架的受力变形状态，用于指导棚架的结构设计以及补救修复，应用范围广泛，试验操作简便，有效缩减施工成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供导洞开挖工艺中棚架试验方法，试验装置搭建：平顶棚架支撑固定，所述平顶棚架的下方支固预制支架，所述平顶棚架与所述预制支架之间设置承压调高测力装置，所述承压调高测力装置具有承压调高和多向测力功能；

加载过程：所述平顶棚架上加载预设压力，同时，所述承压调高测力装置提供支撑力，初始的支撑力与所述平顶棚架承载的压力大小相同、方向相反；

卸载调节：目标位置的所述承压调高测力装置提供支撑力的大小根据围岩载荷释放的规律进行调节。

优选的是，所述围岩载荷释放的规律按照围岩的位移释放系数的分布规律。

在上述任意方案中优选的是，所述围岩载荷释放的影响因素包括导洞的埋深比，导洞的埋深比调节包括所述平顶棚架上方铺设的预埋层厚度的调节和所述平顶棚架的支撑高度的调节。

在上述任意方案中优选的是，所述围岩载荷释放的影响因素包括目标位置到开挖断面的距离，在所述目标位置卸载所述承压调高测力装置的支撑力。

在上述任意方案中优选的是，所述卸载调节，目标位置到开挖断面的距离在[-2d，4d]范围内，所述承压调高测力装置的支撑力按照所述围岩的位移释放系数调节，

其中，d为平顶棚架到导洞底面的高度。

在上述任意方案中优选的是，所述卸载过程，所述目标位置包括若干个，所述目标位置同时卸载。

在上述任意方案中优选的是，所述试验装置搭建过程，所述平顶棚架形成一端支撑的悬臂结构或两端支撑结构。

在上述任意方案中优选的是，所述试验装置搭建过程，在所述平顶棚架上方设置加载装置，所述加载装置向所述平顶棚架施加预设压力，所述预设压力可调节。

在上述任意方案中优选的是，所述平顶棚架的表面设置有应变片或应力计，所述应变片设置在所述目标位置以测量目标位置的变形和内力。

在上述任意方案中优选的是，所述卸载调节完成后，监测所述平顶棚架的实时位置与初始位置之间的夹角。

在上述任意方案中优选的是，实时数据收集：承压调高测力装置的支撑力大小、方向，所述平顶棚架目标位置的变形和内力。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过搭建试验装置，采用加压和卸载配合的方式，根据围岩载荷释放的规律进行卸载调节，将围岩的载荷释放过程对棚架的影响进行试验，以得出棚架的受力情况、承载能力、损伤情况，对棚架的结构设计、导洞内的支护结构设计、以及导洞内支护施工过程等起到指导作用，有效缩减施工成本，提供施工过程的安全性。

附图说明

图1为本发明导洞开挖工艺中棚架试验方法的单侧开挖施工的试验结构示意图；

图2为本发明导洞开挖工艺中棚架试验方法的预制支架与平顶棚架的侧视结构示意图；

图3为本发明导洞开挖工艺中棚架试验方法的双侧开挖施工的试验结构示意图；

图4为本发明导洞开挖工艺中棚架试验方法的单侧开挖施工过程中开挖断面两侧同时试验的结构示意图；

图5为本发明导洞开挖工艺中棚架试验方法的承压调高测力装置的结构示意图；

图中，1、平顶棚架；2、承压调高测力装置；21、多向测力组件；211、上支座；212、下支座；213、压力传感器；214、底座；22、承压调高组件；3、支固墙体；4、预埋层；5、加载装置；6、预制支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

导洞开挖过程中，首先采用顶部棚架进行支撑，对洞体顶部进行支护以防止坍塌等施工事故，顶部棚架达到支撑作用需要满足强度、刚度等结构要求。但是，目前棚架的结构强度大部分是通过结构计算或施工经验得出的，对棚架的实际受力状态没有进行试验验证过程，可能会出现棚架结构强度的浪费或者棚架结构不能满足支撑稳定性要求等问题。因此，对于导洞内的棚架的承载能力、变形量等试验验证十分必要，本发明提供一种导洞开挖工艺中棚架试验方法，用于棚架的稳定性试验，导洞内棚架受力状态模拟等。

结合图1-5所示，本发明提供一种导洞开挖工艺中棚架试验方法的优选实施例，平顶棚架1通过预制支架6与承压调高测力装置2配合进行支固，预制支架6与承压调高测力装置2配合作为导洞开挖前的底部支撑，通过逐步撤出平顶棚架1的支撑来测得导洞开挖过程中平顶棚架1的受力状态，以及导洞开挖过程中平顶棚架1的变形情况。

具体的，

步骤一，试验装置搭建：搭建平顶棚架1的支撑结构以及测量调节结构，平顶棚架1通过墙体结构或钢结构支撑固定，平顶棚架1的下方支固预制支架6，平顶棚架1与预制支架6之间设置承压调高测力装置2，预制支架6和承压调高测力装置2配合对平顶棚架1进行支撑，并且承压调高测力装置2具有承压调高和多向测力功能，预制支架6与承压调高测力装置2对平顶棚架1的支撑作用力可以根据需要调节，同时承压调高测力装置2可以对平顶棚架1的受力状态进行测量；

在试验装置搭建完成后，对平顶棚架1进行加载，以模拟不同工况条件下平顶棚架1受到的顶部压力；

步骤二，加载过程：平顶棚架1上加载预设压力，加载预设压力的同时，承压调高测力装置2提供相同大小的支撑力，使承压调高测力装置2对平顶棚架1的初始支撑力与平顶棚架1承受的压力大小相同、方向相反，平顶棚架1处于受力平衡状态；

平顶棚架1保持平衡状态，即导洞开挖前的状态，测量平顶棚架1在导洞开挖过程中的受力状态、稳定性等，需要对导洞进行开挖，即平顶棚架1下方的支撑力进行卸载；

步骤三，卸载调节：目标位置的承压调高测力装置2提供的支撑力逐级减小，支撑力的大小根据围岩载荷释放的规律进行调节，以使平顶棚架1在试验过程的受力状态接近真实受力状态；

在试验装置搭建完成后，进行实时数据收集，记录不同工况的受力；承压调高测力装置2的支撑力大小、方向，平顶棚架1结构的变形和内力，根据反作用力原则得出平顶棚架1的受力情况，得出平顶棚架1的承载能力，还可以根据受力情况为平顶棚架1的结构设计提供指导。

其中，步骤二的加载过程，预设压力可以为恒定作用力，也可以为可调节的动载荷。预设压力可以为平顶棚架1在不同开挖工况需要承载的所有压力；或者平顶棚架1上方铺设预埋层4，预埋层4向平顶棚架1施加岩土压力，平顶棚架1所需要承载的非岩土载荷等外界压力通过加载预设压力实现；或者平顶棚架1还可以直接固定在原位导洞中，预设压力为去除岩土载荷后导洞需要承载的压力。去除岩土载荷，平顶棚架1所需要承载的压力还包括地表载荷、外力冲击等。

通过承压调高测力装置2与预制支架6配合支撑平顶棚架1，对平顶棚架1进行支护并模拟置于导洞中的平顶棚架1的稳定支撑状态，平顶棚架1上方的预设压力与实际开挖过程中导洞的受力状态相关。承压调高测力装置2提供的支撑力与围岩载荷释放的规律相关，预设压力、支撑力均根据需要调节，以试验得出不同工况的平顶棚架1的状态，为实际施工过程中平顶棚架1的建造标准以及导洞开挖的施工支护起到指导作用。

本实施例，根据围岩载荷释放的规律对平顶棚架1的支撑力进行调节的方式，对平顶棚架1的结构强度、稳定性等进行试验验证，经过试验验证后，对施工实践提供理论指导，尤其是平顶棚架1的承载能力、以及导洞开挖工艺中的支护方法、支护结构等。

上述实施例不仅适用于平顶棚架1的试验，还适用于拱形棚架等曲面棚架的试验。实施例的方法可以用于缩尺试验或足尺试验，适用于实验室环境或原位施工环境，原位施工环境即试验装置搭建在地下导洞内，实际导洞内围岩对棚架的压力进行实地测量。

其中，预制支架6设为倒u形结构、h形结构或口字形结构等多种结构，预制支架6可为一体式结构，亦可为预制拼装式结构。当预制支架6为拼装式结构，预制支架6包括若干个可拆卸连接的支杆，方便拆装，还能适应不同高度、宽度导洞的支护。预制支架6包括纵梁和横梁，承压调高测力装置2连接在预制支架6的横梁上。

平顶棚架1为混凝土与钢筋浇筑成型的预制板，也可以是顶入土层的锁扣管幕。

进一步的，围岩载荷释放的规律按照围岩的位移或应力释放系数的分布规律，围岩载荷释放的规律与围岩的位移、应力释放系数的分布规律相近。

其中，围岩的位移释放系数可以按照申请公布号为cn104615908a中公开的方法计算获得。围岩的应力释放系数可以根据围岩的材质不同与位移释放系数按比例计算得出。围岩的位移或应力释放系数还可以为其他方法计算得出或者参考现有技术中公开的数据。

围岩的位移释放系数，在开挖断面向已挖区域逐渐增大并逐渐趋于恒定，在开挖断面向待挖区域逐渐减小并趋于零。同理，围岩的应力释放系数与位移释放系数的变化趋势相近。

围岩的位移释放系数的影响因素包括围岩的泊松比、粘聚力、内摩擦角、埋深比、目标断面到开挖断面的距离等。

对于平顶棚架1的试验过程，以埋深比、目标位置到开挖断面的距离这两个因素进行试验研究。

进一步的，围岩载荷释放的影响因素包括导洞的埋深比，在实验室试验的过程中，导洞的埋深比可以调节，导洞的埋深比调节包括平顶棚架1上方铺设的预埋层4厚度的调节和平顶棚架1的支撑高度调节。

其中，埋深比是指平顶棚架1到地表的距离与平顶棚架1到导洞底面的距离比。

在加载过程实施之前，平顶棚架1上方铺设预埋层4，预埋层4提供平顶棚架1上方的岩土压力，预埋层4的厚度根据需要调节，预埋层4的厚度不同表示导洞开挖的深度不同。在平顶棚架1的支撑高度不变的情况下，调节预埋层4的厚度即能进行埋深比的调节。

预埋层4可以为不同围岩材料制成的板材结构，通过堆叠的方式调节预埋层4的厚度。试验平顶棚架1在不同材质、不同开挖深度的围岩中的稳定性时，调整预埋层4的材质、厚度，预埋层4的材质及厚度会影响平顶棚架1的顶部压力。

还可以通过调节平顶棚架1的支撑高度来调节平顶棚架1到导洞底面的距离，平顶导洞的高度变化也可以调节埋深比。预埋层4厚度的调节和平顶棚架1的支撑高度调节还可以同时调节。

另外，围岩载荷释放的影响因素还包括目标位置到开挖断面的距离，目标位置的调整通过卸载预制支架6上不同位置的承压调高测力装置2的支撑力。

为了测量平顶棚架1上不同位置的承载能力或受力状况，可以卸载平顶棚架1不同位置的承压调高测力装置2的支撑力。

预制支架6上方至少设有两个承压调高测力装置2，卸载承压调高测力装置2的支撑力，对平顶棚架1的局部卸载，模拟导洞开挖过程中，局部开挖的状态。

优选的，若干个预制支架6平行于开挖断面依次排列，每个预制支架6上方排列有多个承压调高测力装置2，同一个预制支架6上的多个承压调高测力装置2支撑平顶棚架1宽度方向的一个断面，根据围岩的位移或应力释放规律进行卸压的承压调高测力装置2所在断面即为目标断面。在一次试验中，目标断面可以有若干个，即多个预制支架6上的承压调高测力装置2同时卸压调节。

进一步的，结合图4所示，卸载调节，到开挖断面的距离在[-2d，4d]范围内的承压调高测力装置2的支撑力按照围岩的位移或应力释放系数等比例调节，其中，d为平顶棚架1到导洞底面的高度。到开挖断面的距离范围在[-2d，0)，即待开挖区域，到开挖断面的距离范围在(0，4d]，即已开挖完成区域。

到开挖断面的距离大于-2d或大于4d时，分别代表围岩的位移未释放或者释放系数趋于稳定，因此，在试验过程中，目标断面到开挖断面的距离截取围岩的位移释放系数变化大的范围，作为试验区间范围，节省试验成本。

更进一步的，卸载过程，平顶棚架1的目标位置包括若干个，对平顶棚架1的一个断面或多个断面进行卸载调压，以对平顶棚架1的不同位置进行卸载试验。当目标位置只有一个断面时，支撑此目标位置的承压调高测力装置根据此位置的围岩位移或应力释放系数进行卸载调节；当目标位置包括多个断面时，支撑所有目标位置的承压调高测力装置根据围岩位移或应力释放系数的规律同时进行卸载调节。

其中，结合图5所示，承压调高测力装置2包括承压调高组件22和多向测力组件21，多向测力组件21抵接平顶棚架1，承压调高组件22支撑多向测力组件21，承压调高组件22与多向测力组件21配合进行支撑和测量。

承压调高组件22包括千斤顶、液压缸、气压缸等流体压力支撑装置中的至少一种，承压调高组件22能调节承载能力的大小以及自身高度。并且，承压调高组件22的支撑力可以通过监测压力流体的压力来测得，承压调高组件22的支撑力测量和调节简便，稳定性好。

多向测力组件21具有多向测力功能，至少能够测量水平和竖直方向的作用力；多向测力组件21包括上支座211、下支座212、压力传感器213和底座214，下支座212固定在底座214内，下支座212与上支座211球面接触，上支座211抵接平顶棚架1，压力传感器213设于下支座212的侧面，压力传感器213连接到数据采集模块，数据采集模块对各个方向的力进行分解分析，以测得平顶导洞的多向受力。

多向测力组件21与承压调高组件22集成为一体式结构，多向测力组件21的底座214连接在承压调高组件22上，多向测力组件21随承压调高组件22同步升降调节。

进一步的，试验装置搭建过程，平顶棚架1形成一端支撑的悬臂结构、两端支撑结构。如图1所示，在平顶棚架1的一端设置支固墙体3，支固墙体3靠近预制支架6的一侧作为开挖断面，即一端开挖的过程。如图3所示，在平顶棚架1的两端分别设置支固墙体3，两个支固墙体3靠近预制支架6的一侧均作为开挖断面，即从中间向两端开挖的过程。

其中，支固墙体3可以为浇筑的墙体结构，也可以是支撑梁结构，或者其他支撑结构。如隧道棚架打入隧道顶部的时候，隧道入口位置一般都要事先施做预注浆加固端，预注浆加固端作为支固墙体3支撑棚架。

进一步的，试验装置搭建过程，在平顶棚架1上方设置加载装置5，加载装置5吊挂在平顶棚架1上方，解除加载装置5的重力对平顶棚架1的干扰，加载装置5通过加压的方式向平顶棚架1施加预设压力，预设压力可根据需要调节。

加载装置5加载的预设压力根据试验环境不同而变化，如导洞设为在行人路面下方开挖的洞体，预设压力与行人流动负载相适应；导洞设为在地下轨道下方开挖的洞体，预设压力与地下轨道的负载相适应；导洞设为在建筑物基础下方开挖的洞体，预设压力与建筑基础的负载相适应。

平顶棚架1上方的压力加载方式还可以为加载土压力，在平顶棚架1或预埋层3上铺填土层，以达到预设压力要求，操作简便，成本低。

平顶棚架1的表面设置有应变片或应力计，应变片或应力计设置在目标位置，用于测量目标位置的变形和内力，用来分析平顶棚架1的承载能力。

另外，试验过程中，还需要进行平顶棚架1的角度监测，设置角度监测装置，用来测量平顶棚架1的实时位置与初始位置之间的角度变化，可以选用全站仪、水准仪等进行测量。

试验方法应用示例一：

围岩位移释放系数的规律按照现有方法计算得出，开挖断面、到开挖断面0.5d、到开挖断面1d、到开挖断面1.5d的释放系数分别取0.3、0.5、0.6、0.65进行试验。

在实验室内搭建试验装置，如图1所示，平顶棚架1的一端通过支固墙体3固定在地面上，平顶棚架1下方支固预制支架6，预制支架6在平顶棚架1的长度方向等距分布有3组，每组预制支架6的间距为0.5d，靠近开挖断面的预制支架6与开挖断面的间距也为0.5d，预制支架6按照到开挖断面的距离由远及近分别为第一预制支架、第二预制支架和第三预制支架，每组预制支架6上等距分布3组承压调高测力装置2，3组承压调高测力装置2分布在预制支架6的两端和中间；在平顶棚架1的0.5d、d、1.5d位置贴附应变片，安装比例进行缩尺试验，平顶棚架1上方铺设厚度50cm的预埋层4，预埋层4材质为v级围岩，预制支架6的高度为20cm，同时，承压调高测力装置2提供与预埋层4压力相等的支撑力；进一步，平顶棚架1上方吊装加载装置5，加载装置5在预埋层4上方施加恒定的预设压力，承压调高测力装置2再提供与预设压力相等的支撑力，使平顶棚架1保持受力平衡；

一种卸载调节过程，第三预制支架上的承压调高测力装置2释放初始支撑力的50％，提供初始支撑力的50％，并保持10天、20天、30天、40天、50天等，记录承压调高测力装置2的支撑力大小、平顶棚架1的受力大小、方向以及平顶棚架1的各个目标位置的应力，并观察平顶棚架1的变形以及外观变化，如有无明显弯曲、有无裂缝、有无掉渣等；

另一种卸载调节过程，第一预制支架、第二预制支架和第三预制支架的支撑力同时释放，三个预制支架6上的承压调高测力装置2的支撑力分别释放初始支撑力的50％、60％、65％，并保持10天、20天、30天、40天、50天等，记录承压调高测力装置2的支撑力大小、平顶棚架1的受力大小、方向以及平顶棚架1的各个目标位置的应力，并观察平顶棚架1的变形以及外观变化，如有无明显弯曲、有无裂缝、有无掉渣等。

其中，预制支架6的数量、分布间距等可以根据需要调节。

试验方法应用示例二：

与示例一的原理相同，区别在于，如图3所示，平顶棚架1的两端通过支固墙体3固定在地面上，两个开挖断面之间设置3组预制支架6，相邻预制支架6之间的间距还设为0.5d，到开挖断面0.5d、到开挖断面1d的位移释放系数分别取0.5、0.6；

一种卸载调节过程，两端的两组预制支架6上的承压调高测力装置2释放初始支撑力的50％，提供初始支撑力的50％来支撑平顶棚架1，并保持10天、20天、30天、40天、50天等，记录承压调高测力装置2的支撑力大小、平顶棚架1的受力大小和方向，以及平顶棚架1的各个目标位置的应力，并观察平顶棚架1的变形以及外观变化，如有无明显弯曲、有无裂缝、有无掉渣等。

另一种卸载调节过程，三组预制支架6的支撑力同时释放，三组预制支架6上的承压调高测力装置2的支撑力分别释放初始支撑力的50％、60％、50％，并保持10天、20天、30天、40天、50天等，记录承压调高测力装置2的支撑力大小、平顶棚架1的受力大小、方向以及平顶棚架1的各个目标位置的应力，并观察平顶棚架1的变形以及外观变化，如有无明显弯曲、有无裂缝、有无掉渣等。

试验方法应用示例三：

与示例一的原理相同，区别在于，如图4所示，支固平顶棚架1的支固墙体3的两侧均设有预设支架，预设支架包括五组，分别为到开挖断面-0.5d、贴合开挖断面、到开挖断面0.5d、到开挖断面1d、到开挖断面1.5d，按照到开挖断面的距离，围岩的位移释放系数分别为0.2、0.3、0.5、0.6、0.65；

卸载调节过程，五组预制支架6的支撑力同时释放，五组预制支架6上的承压调高测力装置2的支撑力分别释放初始支撑力的20％、30％、50％、60％、65％，并保持10天、20天、30天、40天、50天等，记录承压调高测力装置2的支撑力大小、平顶棚架1的受力大小、方向以及平顶棚架1的各个目标位置的应力，并观察平顶棚架1的变形以及外观变化，如有无明显弯曲、有无裂缝、有无掉渣等。

同理，上述试验方法的应用示例中，围岩的位移释放系数可以替换为围岩的应力释放系数，其他过程和参数不变，进行试验。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。