隧道施工中的初期应力状态与山岩特性曲线部分的确定方法和 装置以及隧道施工用的测量装置和系统 本发明涉及各项独立权利要求前序部分所述的隧道施工中的初期应力状态与山岩特性曲线部分的确定方法和装置以及隧道施工用的测量装置和系统。
在挖掘地下空洞、洞穴和隧道时，要特别关注坍塌，特别是对松土必须设置支护来持久地防止坍塌。下面参照附图来说明这方面的考虑。
图1表示将来要挖掘一条隧道(用虚线104示出)的地带的示意断面。图中地101、102和103分别表示地形表面、平地和山地。X和y坐标选择成垂直于隧道纵向水平或垂直延伸。箭头105表示在地表101下面可能产生的应力或力。在101时，应力或力为零。而在地表深度内(负的y方向)，应力或和增加且其方向各异，视地质构造、岩石构造而定。
图2表示在挖掘隧道200时出现的应力或力的稳定状况。通常一个例如用混凝土浇注的支护201。在位于地下深处的空洞或隧道200时，支护201一般不能完全承受位于其上方的荷载。确切地说，该支护具有支承受挤压的材料的功能，在该处形成一个拱204(不是实体的，而只是示意表示)，而该拱本身则使其上方作用的力向外围绕隧道200传导。然后，通过隧道掘进使原有的应力状态发生变化，即原来的应力在现有隧道范围内尤其是在隧道的202附近继续传递通过隧道。支护201虽然支承了荷载的一部分，但它也具有这样的作用，使周围材料的支承力起作用，从而形成一个(虚)拱204，该虚拱使力或应力改变方向。
图2中的203表示径向方向内的一个箭头。在这里要指出的是，地洞或隧道并不必需是圆形横断面，而是也可以是别的横断面，例如椭圆形、蛋形、多角形等等。
在x-y平面中的类似考虑适用于y-z平面，其中z位于隧道的掘进方向内。这可从图3一目了然：200表示已建造的隧道；201表示支护，例如环绕的混凝土层；301表示机械的支柱，它们支撑住可能尚未硬化的支护201；300表示开挖面，从该处开始，隧道向掘进方向z延伸。在这里也形成了拱302和303，它们对开挖面300的施工是特别有利的，因为(虚)拱302和303的特别是防止了在开挖面上面堆置的荷载。拱302、303对未扰动土(右方)或支柱301上的新浇支护(302左方)或已硬化的支护(303左方)起“支座”的作用。特别是，在图2和3所示各种机理的共同作用下，由此而形成了三维“拱”，通过它可使荷载侧向通过隧道或支护201。在施工过程中引起很小的变形或应变时，就可形成这种“拱”204、302、303。同样的考虑适用于承受(未示出的)水平荷载的(未示出的)拱的形成。
图2中的拱204和图3中的拱302、303表明，这些拱几乎是不可能预料的。周围的土202不是匀质的，相反，往往是很不均匀的，例如有裂缝和翘曲贯穿基间，所以可能出现与当地地质有关的明显不同的拱。
图4一般表示材料特性曲线，即要建造隧道的土壤所具有的理想化的特性曲线。其中纵坐标402表示可承受的应力s，横坐标401表示产生的应变e。这种材料从未扰动的状态(e＝0)开始，首先具有一个弹性范围411，在这个范围内，由材料传递的应力S随应变e(在压力荷载时的压缩应变)的增加而变大。这个范围通常为e＜1％。接着在较大应变/压缩应变e时产生一个塑性范围412。在这个范围内，传递的应力保持基本稳定。材料开始塑性流动，即产生塑性变形。这个过程通常是不可逆的。当应变e继续增加时，出现失效范围413。在这个范围内，材料产生脆性断裂。这时材料变脆，只能传递很小的应力S。图4的特性曲线原则上适用于全部脆性材料，特别是石料、土料或别的建筑材料例如混凝土。当然，绝对值可能有差别。
图5表示隧道200可能产生的应力变化。图中示出了土壤的切向分力(504、505，即图2中的垂直分力)和径向分力(503，即图2中的水平分力)与离隧道壁的距离x的关系。在这种关系中应当指出的是，方向“切向”和“径向”取决于隧道圆周上的位置。在时钟3点的位置，切向垂直，径向水平；而在12点的位置，则切向水平，径向垂直。当不存在支撑阻力且相当于支撑阻力时，在隧道壁上的径向应力分量(503左方)为零。该径向分应力从这个值开始离开隧道方向趋向稳定的、无扰动的状态。505表示这种情况，出现的应力分布是这样的，即土壤只能在图4中的弹性范围(范围411)内承受荷载。在这种情况下，切向应力在隧道壁达到它的最高值(因为直接位于隧道上方的荷载通过该范围)。该切向分力从最高值开始随离隧道200的距离x的增加而下降到稳定的、无扰动的状态。504表示这种情况的变化，即土壤荷载很高，需要材料的塑性范围412。在这个范围内还不失灵。在上升的范围504b中，(由于材料滑动引起的切向应力)需要仍然是塑性的材料范围，而弹性范围则在范围504a内。在材料202包围住隧道的所有情况中，材料都在范围413内承受荷载(脆性材料)，没有支撑阻力就会发生破裂和坍塌。
图6中的曲线601表示山岩特性曲线。图中示出了所需的支撑阻力SA与应变e的关系。支撑阻力即一种应力或力，它必须由一个在施工过程中浇注的支护来承受，以便在一定应变e的情况下，持久地保持已挖掘的隧道。就此而言，在隧道构筑中的应变e归根结底意味着已挖掘的隧道的直径缩小。大的应变相当于一个较小的隧道直径。
应变零相当于无干扰的状态，即所谓初始应力状态S0，如图1中在104或图5中在大的x值时出现的应力。实际上，不可能见到这种情况，因为从图3中的开挖面300开始只可能向前面的范围推进，而它通过早期的活动已经发生了变化(例如形成了拱302、303)。这在图3中相当于沿掘进方向在开挖面300前面的范围304。在这里已经产生了小的变形，即所谓的初变形。在图6中，这个初变形用ev表示在坐标上。如果想持久地保持这个(理论的)应变状态，则需要一个支撑阻力SA，与初始应力状态S0比较，该支撑阻力已经略有下降，差值通过应力再分配(例如虚拱204、302、303)来承受。在应变e增加时，支撑阻SA首先连续下降，因为荷载的增加部分通过这种应力再分配来承受。但如果继续产生应变，则会发生这样的情况，即达到了隧道周围的材料202的塑性范围412。这时不再可能承受另外的力，且该曲线趋于平缓。如果应变超过山岩的承载能力，则山岩产生脆性破裂。这种情况不可能通过分析预测。
为隧道的一定位置z(此外也为沿隧道的圆周的一定位置)特定了一条山岩特性曲线。图14表示z轴作为第三轴(透视图)，所以可提出适用于相应z位置的其他的山岩特性曲线。这样就可得出一个曲线族或一个三维的地形。
为了使山岩的支承力起作用，浇注了一个支护201。原则上，浇注支护应当力求省时、省钱和省料。这个公认的要求导致了一个尽可能充分利用周围材料本身的支承力的结构，以便可浇注一个相对较薄弱的支护201。图6中的曲线602表示一条与图4相似的特性曲线。它表示例如支护的材料特性，在这里是从已硬化的状态出发的。曲线602以一定的方式与曲线601方向相反，因为在稳定的情况下，那些不由周围的材料来承受的力(曲线601)必须由支护(曲线602)来承受。该曲线在包围隧道的材料产生应变的情况下，大约从ev开始的，因为在更早的时刻(更小的应变)不能接近材料，因而不可能浇注支护。这两条曲线相交于点603。在这里，在所示材料参数的情况下，达到稳定的平衡。
对支护201的结构来说，只要不考虑表面沉陷，原则上就很希望山岩特性曲线601有一个尽可能低的范围，例如在605，因为这样一方面周围材料的承载能力仍有潜力(一直到点606)，另一方面，支护本身也具有潜力。
先有技术的根本问题是，山岩特性曲线601在最好情况下是已知的。但初始应力状态S0和曲线601的坡度往往则只是估计的。为了避免隧道坍塌，必须从最坏的情况考虑，所以往往采用高的安全储备和浇注不必要的强固的支护。
图7表示隧道构筑用的混凝土的典型的时间凝固特性，这种混凝土例如可用来建造支护。图中示出了可承受的应力SS与时间t的关系。在刚浇注后，混凝土是流态，但到时间点t1，混凝土达到已适用于承受一定的力的基本强度，特别是混凝土已能保证停留在浇筑的地点上。对快速硬化的混凝土来说，时间t1的范围只以秒分计。在时间t1以后，接着是一段间歇时间t1至t2，在这段时间里，应力强度或多或少保持不变。这段时间以小时计。到时间t3达到暂时的最终硬化。浇筑后，t3的典型值为12至24小时。
图8表示同一申请人在DE 196 50 330.2中提出的隧道施工方法，本发明可用该方法。从开挖面300开始，这里提前浇注了支护201。为此设置了一台机器800，该机器最好封闭围绕隧道圆周放置，且在其运动方向前方开槽，并在后方把混凝土压入开腔的槽中。通过适当的控制或调节机构可控制或调节该机器的工作方式。在浇筑支护201后，从开挖面300挖掉并运走材料。刚才腾空的支护201用支柱301支撑，直至支护达到它的最终强度为止。
机器800围绕隧道圆周旋转可按示意图b至e进行。按图b中产生封闭的圆环。按图c可产生倾斜封闭的圆环，这些圆环导致一个倾斜的开挖面300，这样的开挖面较少产生坍塌危险。按图d可产生一条螺旋线，其螺距大致相当于机器800的加工宽度(Δz)。按图e可产生一条倾斜的螺纹线，所以在倾斜的开挖面时，可达到一个连续的工作过程。支柱301随隧道的进展一起移动。
上述隧道施工方法的其他特点和细节可参看上述的专利申请以及未提前公开的DE 198 598 21。
图8f表示应变e(相应于隧道直径的收缩)与z坐示的关系。其中zo表示开挖面300的(瞬时)点。其中右方已经产生了一定的变形，因为岩体轻微地拱入已开挖的隧道200中。这相当于图6的预变形。在岩体被挖掉后(zo的左方)，取消了支撑力，于是在支护201和支柱301上堆积力。在这里预先指出，本发明是以可调节的支柱或其尺寸不同的支柱为依据的。这样就容许进一步的变形(隧道直径的收缩以及岩体和支护201的混凝土的随之出现的应变/压缩应变)。假定在地点za混凝土硬化。所以在该处取掉支柱301。这样就产生了一个明显较大的变形ev，而这个变形ev在继续使用时间的过程中还会变大，直至它达到一个(但愿)固定的值es为止。
本发明的目的是提出一些方法和装置，以便比迄今为止能够更精确地在工地上确定材料参数并由此采取适当的施工措施。
这个目的是通过各项独立权利要求的特征部分来实现的。而各项从属权利要求则针对本发明的一些优选的实施例。
下面介绍本发明的各个方面，它们可单独使用，也可相互组合使用。
根据第一方面，提出了一种早期应力状态的确定方法和装置。这里的应力状态理解为尽可能没有被施工措施所干扰的应力状态，尤指初始应力状态S0，象图1中将来要建造隧道104的范围内的应力状态。为了确定早期的应力状态SV，尽量提前尤其是提前设置一个在其径向位置内确定的或可确定的参考点。在掘进一步后设置一根支柱，根据该支柱的尺寸和/或支承力推断该早期应力状态。
根据另一个方面，提出了一种方法和装置来确定材料参数或山岩特性曲线的部分变化。例如可确定弹性模量和山岩特性曲线的上升。只要象上面那样事先确定了早期应力状态/初始应力状态，总的来说，山岩特性曲线就可比迄今为止的确定得精确些。这种确定是在一定的部位尤其是在开挖面后面附近的范围内进行的，在该范围内有可变的支柱，在这些支柱上容许产生变形(通常是隧道直径的缩小)。在这种情况下，可测量变形和/或支承力或其变化。参考一个或多个测出的值即可确定要求的参数和部分变化。
在本发明的另一方面，提出了一个可象上述那样确定参数的隧道施工方法和系统，接着这些参数被用来进行支护的参数确定/选择。同样，确定的环境参数也用于可变支柱的控制。支柱的控制可用力控制或位移控制方式进行。
根据本发明的又一个方面，提出了一个可同时测定荷载和尺寸的测量装置。该测量装置在这里最好是一根支柱，该支柱在隧道掘进一步开始尤其是在刚开始以后就最好这样设置，使新灌注的支护得到支撑。支柱的支承力和/或尺寸可进行间接或直接测量。
这里所谓的“支护”是指耐久的尤其是耐压的构件。通常是指混凝土衬砌。但也可用别的、作用相同的材料。在同一申请人的更早的申请中，称支护为“支撑层”。
这里所谓的“支柱”是指一种临时设置的装置，该装置施加或多或少径向向外的支承力。
应力S和力F的大小取决于S＝F/A，其中A是传递力F的面积。特别是在研究材料参数或描述材料特性时，从应力着手是合适的，因为应力能够很好地表征材料特性。
这里所谓的应变e一般是指压缩应变。这尤其适用于包围隧道的最近的土壤以及支护的材料。此外，在施工过程中以及在使用寿命的期间内，隧道直径一般都会减小并趋于一个大致的稳定最终值。
下面参照附图来说明本发明的各个实施例。附图表示：
图1土壤的应力变化示意图；
图2和3建造了一个隧道的范围内的应力变化示意图；
图4表示材料特性的一条曲线；
图5从一个已建造的隧道开始的应力变化；
图6山岩特性曲线；
图7混凝土的时间特性；
图8一种已知的隧道施工方法的示意图；
图9确定早期应力状态的本发明方法的方块图；
图10确定材料参数或山岩特性曲线各部分的方块图；
图11本发明多种隧道施工方法组合的示意方块图；
图12本发明的一个测量装置；
图13本发明的一个隧道施工系统；
图14一个曲线族。
图9表示确定早期应力状态SF尤其是初始应力状态S0的一种方法的示意图。在第一个步骤901中，产生一个径向位置的参考点。该参考点最好超前(在开挖面300前面的z方向内)产生。该参考点可以是绝对的或相对的。绝对是指它的绝对位置是设定的或测定的，并在以后可参考例如一个已建造的隧道中存在的坐标系求出，而相对则指设置两个或多个参考点，它们的位置可在以后相互算出。在图8的方法中，例如内表面201a和201b可作为参考点用，它们可被相互监视和测量。在设置参考点时，这种绝对或相对可相互比较精确地进行，所以存在一个还比较未受干扰的状态的标准(最多是图6中的预变形ev)。
在步骤902中，从将来的隧道范围进行岩体的挖出。在图8中，从开挖面300开始用适当的机具(未示出)例如用隧道挖掘机在+z方向内挖掘岩体。这一措施的结果是，可能产生其他的应变e(新浇的支护201的材料压缩应变，隧道直径的收缩)，从而使参考点的位置也发生变化。
在步骤903中，最好尽可能在步骤902后立即进行该步骤，即尽可能靠近挖掘面前面设置一根支柱301。支柱301是这样设计的，即它可确定尺寸和/或支承力。特别是，它可确定自己的尺寸和从而间接确定参考点的位置。
在步骤904中，最好一起确定通过应变e表征的支承力F和尺寸参数。从这样获知的数值可确定早期应力状态，特别是初始应力状态。为此，例如可从下述粗略描述的考虑着手。
在隧道上方堆置的荷载F0(相当于初始应力状态S0)由通过与应变有关的由周围材料F山岩(e)(相当于拱204、302、303)承受的荷载和同样与应变有关的通过支柱支承的力F支柱(e)以及在已存在一个支护时由该支护支承的同样与应变有关的力F支护(e)的组合来承受。为简化起见，可写成：
F0＝F山岩(e)+F支护(e)+F支柱(e)。
其中，F支柱(e)可测出。F支护(e)可从测出的变形和支护材料的已知材料参数中以比较的方式精确确定。而F0和＝F山岩(e)则是事先未知的。但只要进行支承力和应变的及早的(即在总的来说应变还较小时)确定，则可足够可靠地估计F山岩(e)。当例如由于施工方法的一些特点预变形ev为零或很小时(例如＜5％)，则由周围的承受的支承力F山岩(e)可粗略估计或忽略不计，即估计为零。这样就可确定F0或S0。已由周山岩体承受的支承力F山岩(e)的估计可参考在步骤904中确定的值进行。
上述的考虑在步骤905中进行实施。此时，要特别利用这个事实，即还在小的应变时，已由周围的岩体承受的支承力可足够精确地进行估计。在较大的应变时就不再可能。
只要还没有设置支护，早期的应力状态或初始应力状态当然不用考虑支护的作用。为了估计已由周围的材料承受的支承力F山岩(e)，可用数学方法，例如有限元法或类似的方法。
这里应当指出，上面的方程式只应理解为定性的。力的矢量特性或应力的张量特性可附加地进行考虑。可用有限元法进行。
为了确定早期应力状态和尤其是估计已由周围材料承受的支承力，可考虑别的影响因素，特别是：现场获得的新的地质知识、从掘进方向不断往后的隧道段获得的知识、操作人员的一般经验值、预变形的估计，等等。
最后，作为结果得出一个早期的(即尽可能未受影响的)应力状态SF，特别是初始应力状态S0。后者相当于曲线601与纵坐标的交点。
图10表示一条山岩特性曲线的部分或参数的确定方法。一般地说，可从隧道的支承力变化和几何尺寸变化中确定数值对。从中可确定周围土壤的参数，例如弹性模量。支承力的确定和几何尺寸变化可用一根适当设置的支柱301进行，这在以后还要说明。通过设置的该支柱的变化可进行一定的或预定的几何尺寸或力的变化。从中得出的力或几何尺寸变化可进行测量。
在象上述那样确定了早期应力状态或初始应力状态后，则可再次按上面给出的公式计算由周围的岩体承受的支承力，从而获得另一些绝对值来确定山岩特性曲线。在图10中，例如可这样进行这个工作，即在步骤1001中，首先在一根支柱(例如图8右方的第二根)上测量由支承力F1和尺寸r1组成的一对数值。然后在步骤1002中可确定径向内的一定变形。接着在步骤1003中再次确定由一个新的支承力F2和一个新的尺寸r2组成的一对数值。从这样获得的数值中可确定其他数值，例如应变e、应变变化Δe、力变化ΔF和弹性模量E。其中，山岩的弹性模量E一般不再可能全解，而是例如可借助比较计算通过“调整”来确定。可用有限元法来进行。
只要确定了早期应力状态或初始应力状态，则可在步骤1005中用上述的公式定性地确定由周围的岩体承受的支承力，从而得出图6中的山岩特性曲线的另一点。通过重复使用图10的方法达到山岩特性曲线的比较精确的确定。如前所述，该特性曲线对于掘进方向内的一定位置2是特定的。但它可用来估计未来的特性曲线，所以一个比较精确匹配的施工过程变成了可能。
图11表示本发明多种隧道施工方法的组合示意图。在步骤1101中，参照图9或10所述的方法确定数值。即可确定早期应力状态SF或初始应力状态S0、材料参数(例如弹性模量E)或山岩特性曲线。这样获得的数据可按不同的方式进行使用：
在步骤1102中，进行将来要灌注的支护201的尺寸确定。这种确定包括支护201的材料的材料参数(例如混合比、最终强度，…)、支护(在r方向内的)厚度，等等。为了确定将来的支护的参数，例如可用结合图6所述的考虑。与先有技术比较，其优点是，可比较精确的估计山岩特性曲线，从而可选用适合的参数。由于开挖面附近的一个范围的早期应力状态和一个范围的山岩特性曲线不可能在该挖掘面后面太远进行确定，所以为了进行开挖面前面的范围的尺寸确定，提出了许多有用的数据。
在步骤1103中，可用力控制或位移控制的方式控制可变的支柱。特别是，由此可获得硬化了的支护201的一个匹配的应变值e。例如从图7的曲线可查到支护材料的时间特性，特别是，它在硬化状态下的承载能力。然后可判断在多大的应变e(图6)时，在由周围的岩体提供的支撑阻力和由支护提供的实际支撑阻力之间平衡。这点是可以精确进行的，所以可调节一个很适合实际情况的平衡。
由于建造的隧道不容许小于一定的最小直径，而产生的应变又只是不精确知道的，所以开挖必须有一定的过多安全储备来确保最小直径。由于用上述方法可较好地预测应变，特别是，可较好地预测直接位于前面的开挖面的应变，所以可降低开挖时的安全储备。
图14表示在不断应用上述方法时得出的山岩特性曲线示意图。图中示出了带有z坐标的不同山岩特性曲线作为参数。其中zo是瞬时开挖面的地点。对此可确定早期应力状态或初始应力状态1401。对位于其后的地点已确定了山岩特性曲线的多点，所以可得出不断增加的较完备的特性曲线。这样，从二至六个测量点可得出不断增加的曲线1402至1406，并提供不断增加的较完备的特性曲线。
曲线1407相当于早期应力状态或初始应力状态与z坐标的关系。这是一个具有明显变化数值的例子。zz是将来要建造一个支护的地点。对它的确定例如可用迄今为止获得的数值的外推法求出。例如曲线1407可在z方向内外推(一阶导数不变)。对将来的支护的地点zz产生了一个交点1409。该交点可作为该处的初始应力状态的估计值。也可产生另一个安全系数1410，这样就得出初始应力状态的估计值1411。这个估计值可用来确定支护的参数。在此后的变化中例如证明了估计值1411不正确，而后来实际测出的值1412是正确的。
用1104表示继续采取的支护措施。例如当确定支柱301承受一个支承力，该支承力不可能被已硬化的支护201支承(或安全储备太小)时，则可能需要采取别的措施，例如灌注附加的支护、逃脱或类似措施。这时可发出警报。
在图14中，进行了山岩特性曲线的确定，地点位于开挖面后面越远，这些曲线就延伸得越远。但山岩特性曲线的已有的数值总是可外推出适当的山岩特性曲线，以便用这些外推的山岩特性曲线继续进行确定，例如控制该地点的支柱。虚线所示的曲线1402a就是这种例子。通过以后附加获得的测量值可使外推曲线适合实际的情况。
图12表示隧道构筑的一种测量装置的例子。图12a表示安装状态下的一种作为环形支柱设计的测量装置示意图。该环形支柱具有若干斜撑1201，其中的一些或全部斜撑可例如以液压改变长度。这些斜撑作用在支承板1202上，这些支承板做成平面状并与隧道的轮廓一致。这些斜撑1201最好铰接在支承板1202以及相邻的斜撑上。图12b表示两块支承板1202c和1202d之间的一根斜撑1201d的示意图。该斜撑具有一个液压缸1204和一个液压活塞1203，该液压缸通过一根管道1205接收由一个液压源1206提供的高压液压液。在该斜撑上设置有一个传感器1210，该传感器可测出该斜撑的长度或长度变化并继续传输相应的数据。此外，也可设置一个位置传感器1212，以便确定该斜撑的位置并以此确定由它产生的力(向量的)实际方向。还设置了力探测装置。该探测装置例如可以是应变仪或测力计。另一方面也可从产生的液压中确定力。图中的1211表示力探测装置、1210表示尺寸探测装置和1212表示位置控制装置。上述探测装置可设置在多个或全部斜撑1201上。通过产生的力的向量观察可确定径向施加的支承力的比较精确的数值。此外，可在多个方向内确定力。一根支柱可设置一个数据估算或处理装置，该装置从单个传感器和接收器的数据中产生处理的数据。
图13表示一个隧道施工系统，它具有作为测量装置设计的支柱301，该支柱具有多组传感器1210至1212，以便测量尺寸、力和位置。该系统可具有多根图示的支柱。一个调节或控制装置1300接收测量值。该控制装置可接收别的测量值。一个确定装置1301确定上述的早期应力状态尤其是初始应力状态和/或材料参数或山岩特性曲线的部分变化或变化。一个测定装置1302测定将来要建造的支护的参数并相应地控制机器800或输出要调节的参数，以便这些参数可进行其他调节。第二个测定装置1303测定要进行的一根或多根支柱301的改变并输出这些变化或控制这些变化。