[发明专利]一种隧道管棚施工法模拟开挖装置及其实施方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程模型实验的技术领域，尤其涉及岩土工程领域管棚施工模拟开挖装置及其实施方法。

背景技术

随着我国城市化水平的不断提高，城市人口的不断扩大，城市交通所承担的压力日渐增大。仅仅依靠地面交通已无法解决城市交通拥挤的状况，参考世界上其他大城市的发展模式，地铁工程由于能极大缓解交通压力必将是城市建设的重中之重。修建地铁不仅可以改善交通流量，减轻由于交通拥挤引起的环境压力，而且也保护了城市的风景，把地表的一部分结构建筑到地下，扩大了城市的绿化面积，修建城市地铁隧道已成为加快城市化进程的重要部分。随着地铁隧道的数量不断增加，规模不断增大，建设难度也不断加大。为适应工程的需要，很多学者正在通过多种方式，研究隧道工程设计与施工方法的优化。其中，模型试验是研究隧道工程施工过程规律的有效方法之一。

模型试验是根据一定的相似原理，将实际工程转换为室内模型进行试验模拟。模型试验能真实地反映地质构造及工程结构的时间、空间的关系，能准确地模拟施工过程的影响。模型从弹性到塑性变形以至最终的破坏，其过程和结果都具有直观性，给人以直接的感受。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。通过室内模型试验不仅可以以较小的代价预测拟开挖隧道原型实际力学状态的规律，而且模型试验中获取的监测数据可以同施工现场实测数据和室内数值计算加以印证对比分析。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种隧道管棚施工法模拟开挖装置及其实施方法，可以精确获取隧道开挖过程中隧道及地层变形情况。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种隧道管棚施工法模拟开挖装置，包括三维模型试验框架、加载设备、岩土体模型、管棚支护结构和模型监测系统；所述三维模型试验框架包括底座、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，在底座的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分别插入条形深槽中，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底座组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板上开设有隧道工程洞口，隧道工程洞口处安装有堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；所述加载设备包括顶板、若干立柱、若干千斤顶和反力板，顶板嵌入所述立方体箱型结构的敞口内，所述若干立柱分别垂直固定在底座边缘区域，所述反力板通过立柱架设在顶板上方，反力板与顶板之间设置千斤顶，反力板、顶板和底座之间相互平行；在所述立方体箱型结构内腔中填充有岩土体模型，所述岩土体模型由自上而下设置的岩土相似材料层三、岩土相似材料层二和岩土相似材料层一组成；所述管棚支护结构包括若干平行设置的杆状单管，杆状单管水平钻入所述隧道工程洞口上侧的岩土体模型内；所述模型监测系统包括若干应变片和传感器，应变片粘贴在所述单管表层，传感器预埋在所述隧道工程洞口外围的岩土体模型中，应变片和传感器分别通过导线与数据采集装置相连。

更进一步的，所述单管为中空的金属管，且在单管的表面设有若干注浆孔，可选择在单管内注浆模拟，注浆模拟更真实地模拟实际工程中隧道开挖前地层的超前预处理。

更进一步的，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板均为透明有机玻璃板。便于直观观察模拟隧道及地层变形情况，并且结构简单，易于实现。

更进一步的，所述紧固框架包括分别位于隧道工程洞口上下两侧的上部紧固架和下部紧固架，上部紧固架包括两个上部第一紧固钢板和两个上部第二紧固钢板，下部紧固架包括两个下部第一紧固钢板和两个下部第二紧固钢板，上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板水平设置在前侧板和后侧板的外侧，上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板水平设置在左侧板和右侧板的外侧，上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板的两端设有螺纹段，上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板的两端设有通孔，将上部第一紧固钢板和下部第一紧固钢板的螺纹段分别穿入上部第二紧固钢板和下部第二紧固钢板的通孔内，并在螺纹段上套设夹紧螺母。这样的紧固框架的设计，可以保证在模拟开挖时，三维模型试验框架的稳定性。

一种隧道管棚施工法模拟开挖实施方法，具体步骤如下：

1）在底座的中间区域设有四条互相垂直的条形深槽，将前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分别插入条形深槽中，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底座组成顶部为敞口的立方体箱型结构，在立方体箱型结构一侧的前侧板上开设隧道工程洞口，在隧道工程洞口处安装堵头挡板，在立方体箱型结构四周设置紧固框架；