[发明专利]台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统及方法

权利要求书

1.一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：包括试验土体构造单元、土体容纳装置、台阶法开挖单元、数据采集单元以及数据处理中心，其中：

所述土体构造单元，被配置为根据不同待试验的土体参数对现场土体的重塑，重塑过程中在围岩衬砌部分与开挖断面部分埋设监测元件；

所述土体容纳装置，被配置为具有一定容纳空间，容纳并固定重塑后的试验土体监测所用的试验土体；

所述台阶法隧道开挖单元，被配置为自动模拟现场台阶法开挖隧道过程；

所述数据采集单元，接收土体构造单元内的监测元件所得数据传输至数据处理中心；

所述数据处理中心接收监测数据，根据不同的检测数据确定不同围岩参数下台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性。

2.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：所述土体构造单元，对待模拟试验的土体的粘聚力、内摩擦角以及含水率进行测定，得到土体参数，进行土体重塑。

3.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：重塑的土体模型与现场土体为等比例，满足受力分析下的各项力学指标，比例控制在1:15至1:25之间。

4.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：监测元件包括位移计、应变计或多点位移计，埋设于监测围岩衬砌部分与开挖断面部分，测量衬砌土压力、断面土压力与地层沉降。

5.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：所述监测元件共包含多组，包括间隔设置在开挖断面前不同距离处处，构成监测面系统，每组监测面共计多条监测线，位于隧道上部，相隔两条监测线相差一定角度，每条监测线上均设置多个监测元件。

6.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：所述土体容纳装置，包括钢制壳体，所述壳体上设置有钢化玻璃，以观察施工进度，所述壳体至少一侧设置有隧道入口。

7.如权利要求1所述的一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，其特征是：所述台阶法隧道开挖单元，包括导轨、滑动基座、升降机构和平台，所述导轨设置在土体容纳装置的隧道入口的一侧，所述滑动基座活动设置于导轨上，滑动基座上设置有升降机构，所述升降机构上端设置有平台。便于人工采用上下台阶法施工。

8.基于如权利要求1-7中任一项所述的系统的试验方法，其特征是：包括以下步骤：

1)试验开始前进行室内试验的标定，其中包括土体粘聚力、内摩擦角以及含水率的测定；

2)进行现场土的重塑和监测元件的埋设；

3)将已安装监测元件的土体运至指定部位，在含水率小于设定值的情况下，模拟台阶法施工，并进行初次衬砌，采集开挖时不同部位的力学参数并传输至数据处理中心，从而与现场实验数据比较分析；

4)在含水率高于设定值时，重复进行模拟实验，采集开挖时不同部位的力学参数；

5)将测得数据与现场试验对比，确定含水率不同的工况下，超前小导管预注浆对隧道施工的可靠性。

9.如权利要求8所述的试验方法，其特征是：在进行含水率高于设定值情况下的模拟实验时，满足力学要求长度，超前小导管长度13-17cm。

10.如权利要求8所述的试验方法，其特征是：进行超前小导管预注浆，超前小导管位于隧道顶部120°范围内，相隔15°；

超前小导管与衬砌榀数相应，隔一榀打入相应一批夹角为120°的超前小导管。