[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种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。

背景技术

随着社会经济的发展，地上空间逐渐难以满足交通的要求，地下工程显得尤为重要。地铁作为地下交通最为重要的组成部分，近年来数量越来越多。然而在地铁施工的过程中，会遇到复杂的地质环境，其中不良的地质条件会使隧道开挖过程中容易遭受包括塌方和突水在内的危害。

目前国内对于隧道台阶法施工在含水率不同的情况下设计的实验研究还不充分，缺乏有效的模拟隧道施工与现场环境的模型试验的理论支撑，尤其是在含水率较高的情况下超前小导管预注浆的影响。

针对以上目前存在的问题，需要提出一种实验模型及试验方法用于研究不同含水率下隧道台阶法施工的可靠性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种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，本发明能够利用相似室内模型试验模拟隧道台阶法施工，从而获取开挖掌子面及其前方不同截面的力学特征，尤其是在含水率较高的情况下进行超前小导管的埋设与注浆的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种台阶法施工隧道围岩及支护结构力学特性实验系统，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。

进一步的，所述土体构造单元，对待模拟试验的土体的c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)以及含水率进行测定，得到土体参数，进行土体重塑。

进一步的，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，更优选地，将模拟比例调整为1：20。

进一步的，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。

优选地，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。

进一步的，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。

优选的，所述土体容纳装置的壳体下端设置有行走机构，如万向轮等，方便移动。

进一步的，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。

基于上述系统的试验方法，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c、值(其中c值为粘聚力，值为内摩擦角)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，进行超前小导管的埋设与注浆对于隧道施工而言的可靠性。

进一步的，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。

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°。

当超前小导管足够支撑土体不发生较大变形或滑坡时，重复进行试验，此时便可获得在不注浆情况下的围岩土体稳定情况。

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。