專利名稱：隧道施工中的初期應(yīng)力狀態(tài)與山巖特性曲線部分的確定方法和裝置以及隧道施工用的測(cè) ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各項(xiàng)獨(dú)立權(quán)利要求前序部分所述的隧道施工中的初期應(yīng)力狀態(tài)與山巖特性曲線部分的確定方法和裝置以及隧道施工用的測(cè)量裝置和系統(tǒng)。
在挖掘地下空洞、洞穴和隧道時(shí)，要特別關(guān)注坍塌，特別是對(duì)松土必須設(shè)置支護(hù)來持久地防止坍塌。下面參照附圖來說明這方面的考慮。


圖1表示將來要挖掘一條隧道(用虛線104示出)的地帶的示意斷面。圖中的101、102和103分別表示地形表面、平地和山地。X和y坐標(biāo)選擇成垂直于隧道縱向水平或垂直延伸。箭頭105表示在地表101下面可能產(chǎn)生的應(yīng)力或力。在101時(shí)，應(yīng)力或力為零。而在地表深度內(nèi)(負(fù)的y方向)，應(yīng)力或和增加且其方向各異，視地質(zhì)構(gòu)造、巖石構(gòu)造而定。
圖2表示在挖掘隧道200時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力或力的穩(wěn)定狀況。通常一個(gè)例如用混凝土澆注的支護(hù)201。在位于地下深處的空洞或隧道200時(shí)，支護(hù)201一般不能完全承受位于其上方的荷載。確切地說，該支護(hù)具有支承受擠壓的材料的功能，在該處形成一個(gè)拱204(不是實(shí)體的，而只是示意表示)，而該拱本身則使其上方作用的力向外圍繞隧道200傳導(dǎo)。然后，通過隧道掘進(jìn)使原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，即原來的應(yīng)力在現(xiàn)有隧道范圍內(nèi)尤其是在隧道的202附近繼續(xù)傳遞通過隧道。支護(hù)201雖然支承了荷載的一部分，但它也具有這樣的作用，使周圍材料的支承力起作用，從而形成一個(gè)(虛)拱204，該虛拱使力或應(yīng)力改變方向。
圖2中的203表示徑向方向內(nèi)的一個(gè)箭頭。在這里要指出的是，地洞或隧道并不必需是圓形橫斷面，而是也可以是別的橫斷面，例如橢圓形、蛋形、多角形等等。
在x-y平面中的類似考慮適用于y-z平面，其中z位于隧道的掘進(jìn)方向內(nèi)。這可從圖3一目了然200表示已建造的隧道；201表示支護(hù)，例如環(huán)繞的混凝土層；301表示機(jī)械的支柱，它們支撐住可能尚未硬化的支護(hù)201；300表示開挖面，從該處開始，隧道向掘進(jìn)方向z延伸。在這里也形成了拱302和303，它們對(duì)開挖面300的施工是特別有利的，因?yàn)?虛)拱302和303的特別是防止了在開挖面上面堆置的荷載。拱302、303對(duì)未擾動(dòng)土(右方)或支柱301上的新澆支護(hù)(302左方)或已硬化的支護(hù)(303左方)起“支座”的作用。特別是，在圖2和3所示各種機(jī)理的共同作用下，由此而形成了三維“拱”，通過它可使荷載側(cè)向通過隧道或支護(hù)201。在施工過程中引起很小的變形或應(yīng)變時(shí)，就可形成這種“拱”204、302、303。同樣的考慮適用于承受(未示出的)水平荷載的(未示出的)拱的形成。
圖2中的拱204和圖3中的拱302、303表明，這些拱幾乎是不可能預(yù)料的。周圍的土202不是勻質(zhì)的，相反，往往是很不均勻的，例如有裂縫和翹曲貫穿基間，所以可能出現(xiàn)與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)有關(guān)的明顯不同的拱。
圖4一般表示材料特性曲線，即要建造隧道的土壤所具有的理想化的特性曲線。其中縱坐標(biāo)402表示可承受的應(yīng)力s，橫坐標(biāo)401表示產(chǎn)生的應(yīng)變e。這種材料從未擾動(dòng)的狀態(tài)(e＝0)開始，首先具有一個(gè)彈性范圍411，在這個(gè)范圍內(nèi)，由材料傳遞的應(yīng)力S隨應(yīng)變e(在壓力荷載時(shí)的壓縮應(yīng)變)的增加而變大。這個(gè)范圍通常為e＜1％。接著在較大應(yīng)變/壓縮應(yīng)變e時(shí)產(chǎn)生一個(gè)塑性范圍412。在這個(gè)范圍內(nèi)，傳遞的應(yīng)力保持基本穩(wěn)定。材料開始塑性流動(dòng)，即產(chǎn)生塑性變形。這個(gè)過程通常是不可逆的。當(dāng)應(yīng)變e繼續(xù)增加時(shí)，出現(xiàn)失效范圍413。在這個(gè)范圍內(nèi)，材料產(chǎn)生脆性斷裂。這時(shí)材料變脆，只能傳遞很小的應(yīng)力S。圖4的特性曲線原則上適用于全部脆性材料，特別是石料、土料或別的建筑材料例如混凝土。當(dāng)然，絕對(duì)值可能有差別。
圖5表示隧道200可能產(chǎn)生的應(yīng)力變化。圖中示出了土壤的切向分力(504、505，即圖2中的垂直分力)和徑向分力(503，即圖2中的水平分力)與離隧道壁的距離x的關(guān)系。在這種關(guān)系中應(yīng)當(dāng)指出的是，方向“切向”和“徑向”取決于隧道圓周上的位置。在時(shí)鐘3點(diǎn)的位置，切向垂直，徑向水平；而在12點(diǎn)的位置，則切向水平，徑向垂直。當(dāng)不存在支撐阻力且相當(dāng)于支撐阻力時(shí)，在隧道壁上的徑向應(yīng)力分量(503左方)為零。該徑向分應(yīng)力從這個(gè)值開始離開隧道方向趨向穩(wěn)定的、無擾動(dòng)的狀態(tài)。505表示這種情況，出現(xiàn)的應(yīng)力分布是這樣的，即土壤只能在圖4中的彈性范圍(范圍411)內(nèi)承受荷載。在這種情況下，切向應(yīng)力在隧道壁達(dá)到它的最高值(因?yàn)橹苯游挥谒淼郎戏降暮奢d通過該范圍)。該切向分力從最高值開始隨離隧道200的距離x的增加而下降到穩(wěn)定的、無擾動(dòng)的狀態(tài)。504表示這種情況的變化，即土壤荷載很高，需要材料的塑性范圍412。在這個(gè)范圍內(nèi)還不失靈。在上升的范圍504b中，(由于材料滑動(dòng)引起的切向應(yīng)力)需要仍然是塑性的材料范圍，而彈性范圍則在范圍504a內(nèi)。在材料202包圍住隧道的所有情況中，材料都在范圍413內(nèi)承受荷載(脆性材料)，沒有支撐阻力就會(huì)發(fā)生破裂和坍塌。
圖6中的曲線601表示山巖特性曲線。圖中示出了所需的支撐阻力SA與應(yīng)變e的關(guān)系。支撐阻力即一種應(yīng)力或力，它必須由一個(gè)在施工過程中澆注的支護(hù)來承受，以便在一定應(yīng)變e的情況下，持久地保持已挖掘的隧道。就此而言，在隧道構(gòu)筑中的應(yīng)變e歸根結(jié)底意味著已挖掘的隧道的直徑縮小。大的應(yīng)變相當(dāng)于一個(gè)較小的隧道直徑。
應(yīng)變零相當(dāng)于無干擾的狀態(tài)，即所謂初始應(yīng)力狀態(tài)S0，如圖1中在104或圖5中在大的x值時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力。實(shí)際上，不可能見到這種情況，因?yàn)閺膱D3中的開挖面300開始只可能向前面的范圍推進(jìn)，而它通過早期的活動(dòng)已經(jīng)發(fā)生了變化(例如形成了拱302、303)。這在圖3中相當(dāng)于沿掘進(jìn)方向在開挖面300前面的范圍304。在這里已經(jīng)產(chǎn)生了小的變形，即所謂的初變形。在圖6中，這個(gè)初變形用ev表示在坐標(biāo)上。如果想持久地保持這個(gè)(理論的)應(yīng)變狀態(tài)，則需要一個(gè)支撐阻力SA，與初始應(yīng)力狀態(tài)S0比較，該支撐阻力已經(jīng)略有下降，差值通過應(yīng)力再分配(例如虛拱204、302、303)來承受。在應(yīng)變e增加時(shí)，支撐阻SA首先連續(xù)下降，因?yàn)楹奢d的增加部分通過這種應(yīng)力再分配來承受。但如果繼續(xù)產(chǎn)生應(yīng)變，則會(huì)發(fā)生這樣的情況，即達(dá)到了隧道周圍的材料202的塑性范圍412。這時(shí)不再可能承受另外的力，且該曲線趨于平緩。如果應(yīng)變超過山巖的承載能力，則山巖產(chǎn)生脆性破裂。這種情況不可能通過分析預(yù)測(cè)。
為隧道的一定位置z(此外也為沿隧道的圓周的一定位置)特定了一條山巖特性曲線。圖14表示z軸作為第三軸(透視圖)，所以可提出適用于相應(yīng)z位置的其他的山巖特性曲線。這樣就可得出一個(gè)曲線族或一個(gè)三維的地形。
為了使山巖的支承力起作用，澆注了一個(gè)支護(hù)201。原則上，澆注支護(hù)應(yīng)當(dāng)力求省時(shí)、省錢和省料。這個(gè)公認(rèn)的要求導(dǎo)致了一個(gè)盡可能充分利用周圍材料本身的支承力的結(jié)構(gòu)，以便可澆注一個(gè)相對(duì)較薄弱的支護(hù)201。圖6中的曲線602表示一條與圖4相似的特性曲線。它表示例如支護(hù)的材料特性，在這里是從已硬化的狀態(tài)出發(fā)的。曲線602以一定的方式與曲線601方向相反，因?yàn)樵诜€(wěn)定的情況下，那些不由周圍的材料來承受的力(曲線601)必須由支護(hù)(曲線602)來承受。該曲線在包圍隧道的材料產(chǎn)生應(yīng)變的情況下，大約從ev開始的，因?yàn)樵诟绲臅r(shí)刻(更小的應(yīng)變)不能接近材料，因而不可能澆注支護(hù)。這兩條曲線相交于點(diǎn)603。在這里，在所示材料參數(shù)的情況下，達(dá)到穩(wěn)定的平衡。
對(duì)支護(hù)201的結(jié)構(gòu)來說，只要不考慮表面沉陷，原則上就很希望山巖特性曲線601有一個(gè)盡可能低的范圍，例如在605，因?yàn)檫@樣一方面周圍材料的承載能力仍有潛力(一直到點(diǎn)606)，另一方面，支護(hù)本身也具有潛力。
先有技術(shù)的根本問題是，山巖特性曲線601在最好情況下是已知的。但初始應(yīng)力狀態(tài)S0和曲線601的坡度往往則只是估計(jì)的。為了避免隧道坍塌，必須從最壞的情況考慮，所以往往采用高的安全儲(chǔ)備和澆注不必要的強(qiáng)固的支護(hù)。
圖7表示隧道構(gòu)筑用的混凝土的典型的時(shí)間凝固特性，這種混凝土例如可用來建造支護(hù)。圖中示出了可承受的應(yīng)力SS與時(shí)間t的關(guān)系。在剛澆注后，混凝土是流態(tài)，但到時(shí)間點(diǎn)t1，混凝土達(dá)到已適用于承受一定的力的基本強(qiáng)度，特別是混凝土已能保證停留在澆筑的地點(diǎn)上。對(duì)快速硬化的混凝土來說，時(shí)間t1的范圍只以秒分計(jì)。在時(shí)間t1以后，接著是一段間歇時(shí)間t1至t2，在這段時(shí)間里，應(yīng)力強(qiáng)度或多或少保持不變。這段時(shí)間以小時(shí)計(jì)。到時(shí)間t3達(dá)到暫時(shí)的最終硬化。澆筑后，t3的典型值為12至24小時(shí)。
圖8表示同一申請(qǐng)人在DE 196 50 330.2中提出的隧道施工方法，本發(fā)明可用該方法。從開挖面300開始，這里提前澆注了支護(hù)201。為此設(shè)置了一臺(tái)機(jī)器800，該機(jī)器最好封閉圍繞隧道圓周放置，且在其運(yùn)動(dòng)方向前方開槽，并在后方把混凝土壓入開腔的槽中。通過適當(dāng)?shù)目刂苹蛘{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可控制或調(diào)節(jié)該機(jī)器的工作方式。在澆筑支護(hù)201后，從開挖面300挖掉并運(yùn)走材料。剛才騰空的支護(hù)201用支柱301支撐，直至支護(hù)達(dá)到它的最終強(qiáng)度為止。
機(jī)器800圍繞隧道圓周旋轉(zhuǎn)可按示意圖b至e進(jìn)行。按圖b中產(chǎn)生封閉的圓環(huán)。按圖c可產(chǎn)生傾斜封閉的圓環(huán)，這些圓環(huán)導(dǎo)致一個(gè)傾斜的開挖面300，這樣的開挖面較少產(chǎn)生坍塌危險(xiǎn)。按圖d可產(chǎn)生一條螺旋線，其螺距大致相當(dāng)于機(jī)器800的加工寬度(Δz)。按圖e可產(chǎn)生一條傾斜的螺紋線，所以在傾斜的開挖面時(shí)，可達(dá)到一個(gè)連續(xù)的工作過程。支柱301隨隧道的進(jìn)展一起移動(dòng)。
上述隧道施工方法的其他特點(diǎn)和細(xì)節(jié)可參看上述的專利申請(qǐng)以及未提前公開的DE 198 598 21。
圖8f表示應(yīng)變e(相應(yīng)于隧道直徑的收縮)與z坐示的關(guān)系。其中zo表示開挖面300的(瞬時(shí))點(diǎn)。其中右方已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，因?yàn)閹r體輕微地拱入已開挖的隧道200中。這相當(dāng)于圖6的預(yù)變形。在巖體被挖掉后(zo的左方)，取消了支撐力，于是在支護(hù)201和支柱301上堆積力。在這里預(yù)先指出，本發(fā)明是以可調(diào)節(jié)的支柱或其尺寸不同的支柱為依據(jù)的。這樣就容許進(jìn)一步的變形(隧道直徑的收縮以及巖體和支護(hù)201的混凝土的隨之出現(xiàn)的應(yīng)變/壓縮應(yīng)變)。假定在地點(diǎn)za混凝土硬化。所以在該處取掉支柱301。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)明顯較大的變形ev，而這個(gè)變形ev在繼續(xù)使用時(shí)間的過程中還會(huì)變大，直至它達(dá)到一個(gè)(但愿)固定的值es為止。
本發(fā)明的目的是提出一些方法和裝置，以便比迄今為止能夠更精確地在工地上確定材料參數(shù)并由此采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?br> 這個(gè)目的是通過各項(xiàng)獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分來實(shí)現(xiàn)的。而各項(xiàng)從屬權(quán)利要求則針對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施例。
下面介紹本發(fā)明的各個(gè)方面，它們可單獨(dú)使用，也可相互組合使用。
根據(jù)第一方面，提出了一種早期應(yīng)力狀態(tài)的確定方法和裝置。這里的應(yīng)力狀態(tài)理解為盡可能沒有被施工措施所干擾的應(yīng)力狀態(tài)，尤指初始應(yīng)力狀態(tài)S0，象圖1中將來要建造隧道104的范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。為了確定早期的應(yīng)力狀態(tài)SV，盡量提前尤其是提前設(shè)置一個(gè)在其徑向位置內(nèi)確定的或可確定的參考點(diǎn)。在掘進(jìn)一步后設(shè)置一根支柱，根據(jù)該支柱的尺寸和/或支承力推斷該早期應(yīng)力狀態(tài)。
根據(jù)另一個(gè)方面，提出了一種方法和裝置來確定材料參數(shù)或山巖特性曲線的部分變化。例如可確定彈性模量和山巖特性曲線的上升。只要象上面那樣事先確定了早期應(yīng)力狀態(tài)/初始應(yīng)力狀態(tài)，總的來說，山巖特性曲線就可比迄今為止的確定得精確些。這種確定是在一定的部位尤其是在開挖面后面附近的范圍內(nèi)進(jìn)行的，在該范圍內(nèi)有可變的支柱，在這些支柱上容許產(chǎn)生變形(通常是隧道直徑的縮小)。在這種情況下，可測(cè)量變形和/或支承力或其變化。參考一個(gè)或多個(gè)測(cè)出的值即可確定要求的參數(shù)和部分變化。
在本發(fā)明的另一方面，提出了一個(gè)可象上述那樣確定參數(shù)的隧道施工方法和系統(tǒng)，接著這些參數(shù)被用來進(jìn)行支護(hù)的參數(shù)確定/選擇。同樣，確定的環(huán)境參數(shù)也用于可變支柱的控制。支柱的控制可用力控制或位移控制方式進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提出了一個(gè)可同時(shí)測(cè)定荷載和尺寸的測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置在這里最好是一根支柱，該支柱在隧道掘進(jìn)一步開始尤其是在剛開始以后就最好這樣設(shè)置，使新灌注的支護(hù)得到支撐。支柱的支承力和/或尺寸可進(jìn)行間接或直接測(cè)量。
這里所謂的“支護(hù)”是指耐久的尤其是耐壓的構(gòu)件。通常是指混凝土襯砌。但也可用別的、作用相同的材料。在同一申請(qǐng)人的更早的申請(qǐng)中，稱支護(hù)為“支撐層”。
這里所謂的“支柱”是指一種臨時(shí)設(shè)置的裝置，該裝置施加或多或少徑向向外的支承力。
應(yīng)力S和力F的大小取決于S＝F/A，其中A是傳遞力F的面積。特別是在研究材料參數(shù)或描述材料特性時(shí)，從應(yīng)力著手是合適的，因?yàn)閼?yīng)力能夠很好地表征材料特性。
這里所謂的應(yīng)變e一般是指壓縮應(yīng)變。這尤其適用于包圍隧道的最近的土壤以及支護(hù)的材料。此外，在施工過程中以及在使用壽命的期間內(nèi)，隧道直徑一般都會(huì)減小并趨于一個(gè)大致的穩(wěn)定最終值。
下面參照附圖來說明本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。附圖表示圖1土壤的應(yīng)力變化示意圖；圖2和3建造了一個(gè)隧道的范圍內(nèi)的應(yīng)力變化示意圖；圖4表示材料特性的一條曲線；圖5從一個(gè)已建造的隧道開始的應(yīng)力變化；
圖6山巖特性曲線；圖7混凝土的時(shí)間特性；圖8一種已知的隧道施工方法的示意圖；圖9確定早期應(yīng)力狀態(tài)的本發(fā)明方法的方塊圖；圖10確定材料參數(shù)或山巖特性曲線各部分的方塊圖；圖11本發(fā)明多種隧道施工方法組合的示意方塊圖；圖12本發(fā)明的一個(gè)測(cè)量裝置；圖13本發(fā)明的一個(gè)隧道施工系統(tǒng)；圖14一個(gè)曲線族。
圖9表示確定早期應(yīng)力狀態(tài)SF尤其是初始應(yīng)力狀態(tài)S0的一種方法的示意圖。在第一個(gè)步驟901中，產(chǎn)生一個(gè)徑向位置的參考點(diǎn)。該參考點(diǎn)最好超前(在開挖面300前面的z方向內(nèi))產(chǎn)生。該參考點(diǎn)可以是絕對(duì)的或相對(duì)的。絕對(duì)是指它的絕對(duì)位置是設(shè)定的或測(cè)定的，并在以后可參考例如一個(gè)已建造的隧道中存在的坐標(biāo)系求出，而相對(duì)則指設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)參考點(diǎn)，它們的位置可在以后相互算出。在圖8的方法中，例如內(nèi)表面201a和201b可作為參考點(diǎn)用，它們可被相互監(jiān)視和測(cè)量。在設(shè)置參考點(diǎn)時(shí)，這種絕對(duì)或相對(duì)可相互比較精確地進(jìn)行，所以存在一個(gè)還比較未受干擾的狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)(最多是圖6中的預(yù)變形ev)。
在步驟902中，從將來的隧道范圍進(jìn)行巖體的挖出。在圖8中，從開挖面300開始用適當(dāng)?shù)臋C(jī)具(未示出)例如用隧道挖掘機(jī)在+z方向內(nèi)挖掘巖體。這一措施的結(jié)果是，可能產(chǎn)生其他的應(yīng)變e(新澆的支護(hù)201的材料壓縮應(yīng)變，隧道直徑的收縮)，從而使參考點(diǎn)的位置也發(fā)生變化。
在步驟903中，最好盡可能在步驟902后立即進(jìn)行該步驟，即盡可能靠近挖掘面前面設(shè)置一根支柱301。支柱301是這樣設(shè)計(jì)的，即它可確定尺寸和/或支承力。特別是，它可確定自己的尺寸和從而間接確定參考點(diǎn)的位置。
在步驟904中，最好一起確定通過應(yīng)變e表征的支承力F和尺寸參數(shù)。從這樣獲知的數(shù)值可確定早期應(yīng)力狀態(tài)，特別是初始應(yīng)力狀態(tài)。為此，例如可從下述粗略描述的考慮著手。
在隧道上方堆置的荷載F0(相當(dāng)于初始應(yīng)力狀態(tài)S0)由通過與應(yīng)變有關(guān)的由周圍材料F山巖(e)(相當(dāng)于拱204、302、303)承受的荷載和同樣與應(yīng)變有關(guān)的通過支柱支承的力F支柱(e)以及在已存在一個(gè)支護(hù)時(shí)由該支護(hù)支承的同樣與應(yīng)變有關(guān)的力F支護(hù)(e)的組合來承受。為簡化起見，可寫成F0＝F山巖(e)+F支護(hù)(e)+F支柱(e)。
其中，F(xiàn)支柱(e)可測(cè)出。F支護(hù)(e)可從測(cè)出的變形和支護(hù)材料的已知材料參數(shù)中以比較的方式精確確定。而F0和＝F山巖(e)則是事先未知的。但只要進(jìn)行支承力和應(yīng)變的及早的(即在總的來說應(yīng)變還較小時(shí))確定，則可足夠可靠地估計(jì)F山巖(e)。當(dāng)例如由于施工方法的一些特點(diǎn)預(yù)變形ev為零或很小時(shí)(例如＜5％)，則由周圍的承受的支承力F山巖(e)可粗略估計(jì)或忽略不計(jì)，即估計(jì)為零。這樣就可確定F0或S0。已由周山巖體承受的支承力F山巖(e)的估計(jì)可參考在步驟904中確定的值進(jìn)行。
上述的考慮在步驟905中進(jìn)行實(shí)施。此時(shí)，要特別利用這個(gè)事實(shí)，即還在小的應(yīng)變時(shí)，已由周圍的巖體承受的支承力可足夠精確地進(jìn)行估計(jì)。在較大的應(yīng)變時(shí)就不再可能。
只要還沒有設(shè)置支護(hù)，早期的應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)然不用考慮支護(hù)的作用。為了估計(jì)已由周圍的材料承受的支承力F山巖(e)，可用數(shù)學(xué)方法，例如有限元法或類似的方法。
這里應(yīng)當(dāng)指出，上面的方程式只應(yīng)理解為定性的。力的矢量特性或應(yīng)力的張量特性可附加地進(jìn)行考慮。可用有限元法進(jìn)行。
為了確定早期應(yīng)力狀態(tài)和尤其是估計(jì)已由周圍材料承受的支承力，可考慮別的影響因素，特別是現(xiàn)場(chǎng)獲得的新的地質(zhì)知識(shí)、從掘進(jìn)方向不斷往后的隧道段獲得的知識(shí)、操作人員的一般經(jīng)驗(yàn)值、預(yù)變形的估計(jì)，等等。
最后，作為結(jié)果得出一個(gè)早期的(即盡可能未受影響的)應(yīng)力狀態(tài)SF，特別是初始應(yīng)力狀態(tài)S0。后者相當(dāng)于曲線601與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)。
圖10表示一條山巖特性曲線的部分或參數(shù)的確定方法。一般地說，可從隧道的支承力變化和幾何尺寸變化中確定數(shù)值對(duì)。從中可確定周圍土壤的參數(shù)，例如彈性模量。支承力的確定和幾何尺寸變化可用一根適當(dāng)設(shè)置的支柱301進(jìn)行，這在以后還要說明。通過設(shè)置的該支柱的變化可進(jìn)行一定的或預(yù)定的幾何尺寸或力的變化。從中得出的力或幾何尺寸變化可進(jìn)行測(cè)量。
在象上述那樣確定了早期應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)后，則可再次按上面給出的公式計(jì)算由周圍的巖體承受的支承力，從而獲得另一些絕對(duì)值來確定山巖特性曲線。在圖10中，例如可這樣進(jìn)行這個(gè)工作，即在步驟1001中，首先在一根支柱(例如圖8右方的第二根)上測(cè)量由支承力F1和尺寸r1組成的一對(duì)數(shù)值。然后在步驟1002中可確定徑向內(nèi)的一定變形。接著在步驟1003中再次確定由一個(gè)新的支承力F2和一個(gè)新的尺寸r2組成的一對(duì)數(shù)值。從這樣獲得的數(shù)值中可確定其他數(shù)值，例如應(yīng)變e、應(yīng)變變化Δe、力變化ΔF和彈性模量E。其中，山巖的彈性模量E一般不再可能全解，而是例如可借助比較計(jì)算通過“調(diào)整”來確定?？捎糜邢拊▉磉M(jìn)行。
只要確定了早期應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)，則可在步驟1005中用上述的公式定性地確定由周圍的巖體承受的支承力，從而得出圖6中的山巖特性曲線的另一點(diǎn)。通過重復(fù)使用圖10的方法達(dá)到山巖特性曲線的比較精確的確定。如前所述，該特性曲線對(duì)于掘進(jìn)方向內(nèi)的一定位置2是特定的。但它可用來估計(jì)未來的特性曲線，所以一個(gè)比較精確匹配的施工過程變成了可能。
圖11表示本發(fā)明多種隧道施工方法的組合示意圖。在步驟1101中，參照?qǐng)D9或10所述的方法確定數(shù)值。即可確定早期應(yīng)力狀態(tài)SF或初始應(yīng)力狀態(tài)S0、材料參數(shù)(例如彈性模量E)或山巖特性曲線。這樣獲得的數(shù)據(jù)可按不同的方式進(jìn)行使用在步驟1102中，進(jìn)行將來要灌注的支護(hù)201的尺寸確定。這種確定包括支護(hù)201的材料的材料參數(shù)(例如混合比、最終強(qiáng)度，…)、支護(hù)(在r方向內(nèi)的)厚度，等等。為了確定將來的支護(hù)的參數(shù)，例如可用結(jié)合圖6所述的考慮。與先有技術(shù)比較，其優(yōu)點(diǎn)是，可比較精確的估計(jì)山巖特性曲線，從而可選用適合的參數(shù)。由于開挖面附近的一個(gè)范圍的早期應(yīng)力狀態(tài)和一個(gè)范圍的山巖特性曲線不可能在該挖掘面后面太遠(yuǎn)進(jìn)行確定，所以為了進(jìn)行開挖面前面的范圍的尺寸確定，提出了許多有用的數(shù)據(jù)。
在步驟1103中，可用力控制或位移控制的方式控制可變的支柱。特別是，由此可獲得硬化了的支護(hù)201的一個(gè)匹配的應(yīng)變值e。例如從圖7的曲線可查到支護(hù)材料的時(shí)間特性，特別是，它在硬化狀態(tài)下的承載能力。然后可判斷在多大的應(yīng)變e(圖6)時(shí)，在由周圍的巖體提供的支撐阻力和由支護(hù)提供的實(shí)際支撐阻力之間平衡。這點(diǎn)是可以精確進(jìn)行的，所以可調(diào)節(jié)一個(gè)很適合實(shí)際情況的平衡。
由于建造的隧道不容許小于一定的最小直徑，而產(chǎn)生的應(yīng)變又只是不精確知道的，所以開挖必須有一定的過多安全儲(chǔ)備來確保最小直徑。由于用上述方法可較好地預(yù)測(cè)應(yīng)變，特別是，可較好地預(yù)測(cè)直接位于前面的開挖面的應(yīng)變，所以可降低開挖時(shí)的安全儲(chǔ)備。
圖14表示在不斷應(yīng)用上述方法時(shí)得出的山巖特性曲線示意圖。圖中示出了帶有z坐標(biāo)的不同山巖特性曲線作為參數(shù)。其中zo是瞬時(shí)開挖面的地點(diǎn)。對(duì)此可確定早期應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)1401。對(duì)位于其后的地點(diǎn)已確定了山巖特性曲線的多點(diǎn)，所以可得出不斷增加的較完備的特性曲線。這樣，從二至六個(gè)測(cè)量點(diǎn)可得出不斷增加的曲線1402至1406，并提供不斷增加的較完備的特性曲線。
曲線1407相當(dāng)于早期應(yīng)力狀態(tài)或初始應(yīng)力狀態(tài)與z坐標(biāo)的關(guān)系。這是一個(gè)具有明顯變化數(shù)值的例子。zz是將來要建造一個(gè)支護(hù)的地點(diǎn)。對(duì)它的確定例如可用迄今為止獲得的數(shù)值的外推法求出。例如曲線1407可在z方向內(nèi)外推(一階導(dǎo)數(shù)不變)。對(duì)將來的支護(hù)的地點(diǎn)zz產(chǎn)生了一個(gè)交點(diǎn)1409。該交點(diǎn)可作為該處的初始應(yīng)力狀態(tài)的估計(jì)值。也可產(chǎn)生另一個(gè)安全系數(shù)1410，這樣就得出初始應(yīng)力狀態(tài)的估計(jì)值1411。這個(gè)估計(jì)值可用來確定支護(hù)的參數(shù)。在此后的變化中例如證明了估計(jì)值1411不正確，而后來實(shí)際測(cè)出的值1412是正確的。
用1104表示繼續(xù)采取的支護(hù)措施。例如當(dāng)確定支柱301承受一個(gè)支承力，該支承力不可能被已硬化的支護(hù)201支承(或安全儲(chǔ)備太小)時(shí)，則可能需要采取別的措施，例如灌注附加的支護(hù)、逃脫或類似措施。這時(shí)可發(fā)出警報(bào)。
在圖14中，進(jìn)行了山巖特性曲線的確定，地點(diǎn)位于開挖面后面越遠(yuǎn)，這些曲線就延伸得越遠(yuǎn)。但山巖特性曲線的已有的數(shù)值總是可外推出適當(dāng)?shù)纳綆r特性曲線，以便用這些外推的山巖特性曲線繼續(xù)進(jìn)行確定，例如控制該地點(diǎn)的支柱。虛線所示的曲線1402a就是這種例子。通過以后附加獲得的測(cè)量值可使外推曲線適合實(shí)際的情況。
圖12表示隧道構(gòu)筑的一種測(cè)量裝置的例子。圖12a表示安裝狀態(tài)下的一種作為環(huán)形支柱設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置示意圖。該環(huán)形支柱具有若干斜撐1201，其中的一些或全部斜撐可例如以液壓改變長度。這些斜撐作用在支承板1202上，這些支承板做成平面狀并與隧道的輪廓一致。這些斜撐1201最好鉸接在支承板1202以及相鄰的斜撐上。圖12b表示兩塊支承板1202c和1202d之間的一根斜撐1201d的示意圖。該斜撐具有一個(gè)液壓缸1204和一個(gè)液壓活塞1203，該液壓缸通過一根管道1205接收由一個(gè)液壓源1206提供的高壓液壓液。在該斜撐上設(shè)置有一個(gè)傳感器1210，該傳感器可測(cè)出該斜撐的長度或長度變化并繼續(xù)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。此外，也可設(shè)置一個(gè)位置傳感器1212，以便確定該斜撐的位置并以此確定由它產(chǎn)生的力(向量的)實(shí)際方向。還設(shè)置了力探測(cè)裝置。該探測(cè)裝置例如可以是應(yīng)變儀或測(cè)力計(jì)。另一方面也可從產(chǎn)生的液壓中確定力。圖中的1211表示力探測(cè)裝置、1210表示尺寸探測(cè)裝置和1212表示位置控制裝置。上述探測(cè)裝置可設(shè)置在多個(gè)或全部斜撐1201上。通過產(chǎn)生的力的向量觀察可確定徑向施加的支承力的比較精確的數(shù)值。此外，可在多個(gè)方向內(nèi)確定力。一根支柱可設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)估算或處理裝置，該裝置從單個(gè)傳感器和接收器的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生處理的數(shù)據(jù)。
圖13表示一個(gè)隧道施工系統(tǒng)，它具有作為測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的支柱301，該支柱具有多組傳感器1210至1212，以便測(cè)量尺寸、力和位置。該系統(tǒng)可具有多根圖示的支柱。一個(gè)調(diào)節(jié)或控制裝置1300接收測(cè)量值。該控制裝置可接收別的測(cè)量值。一個(gè)確定裝置1301確定上述的早期應(yīng)力狀態(tài)尤其是初始應(yīng)力狀態(tài)和/或材料參數(shù)或山巖特性曲線的部分變化或變化。一個(gè)測(cè)定裝置1302測(cè)定將來要建造的支護(hù)的參數(shù)并相應(yīng)地控制機(jī)器800或輸出要調(diào)節(jié)的參數(shù)，以便這些參數(shù)可進(jìn)行其他調(diào)節(jié)。第二個(gè)測(cè)定裝置1303測(cè)定要進(jìn)行的一根或多根支柱301的改變并輸出這些變化或控制這些變化。
權(quán)利要求
1.確定要挖掘一條隧道的山巖或土壤范圍內(nèi)的早期應(yīng)力狀態(tài)的方法，其特性為，該方法的步驟是設(shè)置一個(gè)徑向位置的參考點(diǎn)、挖掘一段隧道、在參考點(diǎn)范圍內(nèi)設(shè)置一根徑向作用的支柱、測(cè)量作用在該支柱上的力和/或該支柱的尺寸并用該支柱的測(cè)出的力和/尺寸確定早期應(yīng)力狀態(tài)。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征為，早期應(yīng)力狀態(tài)的確定也可參考已由山巖承受的支承力的估計(jì)來進(jìn)行。
3.按權(quán)利要求2的方法，其特征為，這種估計(jì)可參照已發(fā)生的應(yīng)變的估計(jì)和/或參照局部的山巖參數(shù)和/或參照從位于掘進(jìn)方向后面的隧道各段中獲得的知識(shí)來進(jìn)行。
4.按權(quán)利要求1的方法，其特征為，在開挖一段隧道之前，最好圍繞隧道圓周提前設(shè)置一個(gè)的支護(hù)，其中-支護(hù)的一個(gè)范圍，最好是它的內(nèi)表面作為徑向位置的參考點(diǎn)；-支柱作用在支護(hù)的該內(nèi)表面上；-早期應(yīng)力狀態(tài)的確定也是參照由支護(hù)承受的支承力的確定來進(jìn)行的。
5.按前述權(quán)利要求4的方法，其特征為，這種確定是參照支護(hù)材料的特性參數(shù)和/或特性曲線來進(jìn)行的。
6.按前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征為，確定山巖或土壤的初始應(yīng)力狀態(tài)作為早期應(yīng)力狀態(tài)。
7.按前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征為，采用有限元法進(jìn)行確定。
8.在要挖掘一條隧道的山巖或土壤的范圍內(nèi)的山巖特性曲線各部分的確定方法，其特征為，該方法按下列步驟進(jìn)行-灌注逐步變化徑向作用的支護(hù)；-通過已灌注的支柱的幾何尺寸的變化產(chǎn)生變形；-然后測(cè)量該支柱上作用的力，并用測(cè)出的力和/或用支柱尺寸的變化來確定山巖特性曲線的一部分變化和/或一個(gè)參數(shù)。
9.按權(quán)利要求8的方法，其特征為，早期應(yīng)力狀態(tài)用權(quán)利要求1至7的一項(xiàng)所述的一種方法進(jìn)行確定，其中也用確定出的早期應(yīng)力狀態(tài)來確定山巖特性曲線的一部分變化或一個(gè)參數(shù)。
10.按權(quán)利要求9和4的方法，其特征為，山巖特性曲線的一部分的確定也是參照支護(hù)材料的特性參數(shù)和/或特性曲線來進(jìn)行的。
11.按權(quán)利要求8至10任一項(xiàng)的方法，其特征為，采用有限元法進(jìn)行確定。
12.在山巖或土壤中要建造一條用一個(gè)支護(hù)襯砌的隧道的隧道施工方法，其特征為-用前述權(quán)利要求的一項(xiàng)所述的一種方法確定早期應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的一部分；-將來要灌注的支護(hù)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)是參照已確定的應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性的已確定的部分來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
13.按權(quán)利要求12的方法，其特征為，調(diào)節(jié)該支護(hù)的厚度和/或材料參數(shù)。
14.在山巖或土壤中要建造一條用一個(gè)支護(hù)襯砌的隧道的隧道施工方法，其特征為-設(shè)置逐步變化徑向作用的支柱；-用前述權(quán)利要求的一項(xiàng)所述的一種方法確定一種應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的一部分；-至少一根支柱的逐漸變化參照已確定的應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的已確定的部分來進(jìn)行。
15.隧道構(gòu)筑的測(cè)量裝置，其特征為-設(shè)置了一根支柱(301)，該支柱在隧道內(nèi)可使支承力徑向向外作用并通過隧道圓周至少部分地緊貼在隧道外壁上；-設(shè)置了一個(gè)力測(cè)量裝置(1211)，用它可測(cè)量支承裝置的一個(gè)或多個(gè)支承力；-設(shè)置了一個(gè)尺寸測(cè)量裝置(1210)，用于測(cè)量支柱的尺寸。
16.按權(quán)利要求15的裝置，其特征為，該力測(cè)量裝置具有一個(gè)應(yīng)變儀和/或一個(gè)測(cè)力計(jì)。
17.按權(quán)利要求15或16的裝置，其特征為，該裝置的尺寸和/或其支承力可用液壓調(diào)節(jié)，其中，力測(cè)量裝置具有一個(gè)壓力傳感器，用以測(cè)量液壓液的壓力。
18.按權(quán)利要求17的裝置，其特征為，通過多個(gè)壓力傳感器可測(cè)量多個(gè)方向內(nèi)的力。
19.隧道施工系統(tǒng)，其特征為，該系統(tǒng)包括-一個(gè)按權(quán)利要求15至18任一項(xiàng)所述的測(cè)量裝置(301)；-一個(gè)確定裝置(1300、1301)，該確定裝置根據(jù)該測(cè)量裝置的測(cè)量值用權(quán)利要求1至14一項(xiàng)所述的一種方法確定一種應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的一部分；-一個(gè)測(cè)定裝置(1302)，該測(cè)定裝置參照已確定的應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的已確定的部分測(cè)定將來要灌注的支護(hù)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)；-一個(gè)顯示裝置和/或調(diào)節(jié)裝置，用以顯示和/或調(diào)節(jié)將來要灌注的支護(hù)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。
20.隧道施工系統(tǒng)，特別是，權(quán)利要求19的隧道施工系統(tǒng)，其特征為，該系統(tǒng)包括-一個(gè)按權(quán)利要求15至18任一項(xiàng)所述的測(cè)量裝置(301)；-一個(gè)確定裝置(1300、1301)，該確定裝置根據(jù)該測(cè)量裝置的測(cè)量值用權(quán)利要求1至14一項(xiàng)所述的一種方法確定一種應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的一部分；-一個(gè)第二測(cè)定裝置(1303)，該測(cè)定裝置參照上述已確定的應(yīng)力狀態(tài)和/或山巖特性曲線的已確定的部分測(cè)定一根支柱的要進(jìn)行的變化；-一個(gè)顯示裝置和/或調(diào)節(jié)裝置(1206)，用它顯示和/或調(diào)節(jié)一根支柱的要進(jìn)行的變化。
21.實(shí)施權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述方法的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定山巖或土壤范圍內(nèi)的一個(gè)早期應(yīng)力狀態(tài)的方法,它包括下列步驟:設(shè)置一個(gè)徑向位置的參考點(diǎn)、挖掘一段隧道、在參考點(diǎn)范圍內(nèi)設(shè)置一根徑向作用的支柱、測(cè)量作用到該支柱上的力和/或該支柱的尺寸,并用測(cè)出的力和/或該支柱的尺寸確定早期應(yīng)力狀態(tài)。確定山巖特性曲線部分的方法包括下列步驟:灌注逐漸變化的徑向作用的支護(hù)、容許所設(shè)置的該支柱的幾何尺寸變化引起的變形、然后測(cè)量作用到該支柱上的力,并用測(cè)出的力和/或用該支柱的尺寸的變化確定山巖特性曲線的一部分變化和/或一個(gè)參數(shù)。把獲得的數(shù)值用于隧道施加方法和隧道施工系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)E21F17/00GK1357078SQ00808122
公開日2002年7月3日 申請(qǐng)日期2000年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月1日
發(fā)明者T·哈格多恩 申請(qǐng)人:塔胡斯股份公司