模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置及试验方法。

背景技术：

在现有的台阶法隧道施工技术中，多集中在特定的工程地质条件下的不同台阶法施工，而没有相应的模拟装置，因此不能在实验室对台阶法隧道施工过程进行模拟，但是台阶法隧道施工也会带来一系列的问题，因此需要提前在实验室模拟的施工过程，以便了解施工对地表变形的影响规律，以此能够快速并准确的估算工程地表变形情况，为后期工程的施工做参考。

技术实现要素：

为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置及试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：

模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置，包括箱体、由3组推进模型上下对齐堆叠构成的施工模型和检测装置，所述推进模型包括推进装置和隧道模型；

所述箱体的顶面设有用于放入土体的开口，所述箱体相对的两侧面分别设有可供3组推进装置同时贯穿的第一通孔和3组隧道模型同时贯穿的第二通孔，且第一通孔和第二通孔同轴设置；

所述隧道模型呈空心的管状，所述推进装置呈实心的棒状，且隧道模型的外径和推进装置的直径相等；推进装置的一端设有轴向把手，且推进装置的外表面上沿轴向设有刻度；

所述检测装置包括用于布设在土体顶面的若干个测量点，每个测量点包括一个用于固定在土体顶面的螺栓，箱体顶部的开口处架设有横梁，所述横梁的下表面上对应每个测量点分别设有一个用于测量土体塌陷情况的千分表，且千分表的测头向下垂直延伸并贴紧螺栓的顶面。

进一步，所述推进装置为圆柱体状的木棒。

进一步，所述隧道模型为pe管。

进一步，所述箱体由钢化玻璃板组成。

进一步，第一通孔和第二通孔分别位于箱体两侧面的中间处，且第一通孔和第二通孔之间的距离与隧道模型的长度和推进装置的长度相等。

采用本发明所述的模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置实施的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，向箱体内填充预定量的土体并压实，以使土体的顶面平整，且使通孔底部的切线位于土体的顶面所在的平面上；

步骤2，向箱体内的土体上依次放入下、中、上3个推进装置，并使上、中、下3个推进装置上下堆叠对齐，且3个推进装置的一端位于箱体上的第二通孔处，另一端的3个把手经第一通孔外露于箱体；

步骤3，向箱体内继续填充预定量的土体并压实；

步骤4，在土体顶面上预定位置处布置测量点，并安装螺栓；

步骤5，在箱体的开口处架设横梁，安装千分表，并确保千分表的测头向下垂直延伸并贴紧螺栓的顶面；

步骤6，正向台阶法：

步骤6.1，握住一组推进模型的把手，按一定抽出速度自箱体的第一通孔向箱体外抽出一定长度的推进装置，间隔预定停顿时长后，从箱体的第二通孔内沿轴向插入对应的隧道模型至触碰到推进装置；同时在抽出推进装置的过程中，按预定时间间隔记录千分表9的读数；

按照上、中、下的顺序依次对三个施工模型进行上述操作；

步骤6.2，自隧道模型触碰到推进装置后，继续按步骤6.1中的抽出速度向箱体1外抽出相同长度的推进装置，间隔与步骤6.1相同的停顿时长后，再将隧道模型向箱体内推进至与推进装置接触；同时在抽出推进装置的过程中，按预定时间间隔记录千分表9的读数；

按照上、中、下的顺序依次对三个施工模型进行上述操作；

步骤6.3，重复步骤6.2，直至推进装置与箱体完全脱离，且隧道模型完全位于箱体内，以模拟正向台阶法隧道施工；同时在抽出推进装置的过程中，按预定时间间隔记录千分表的读数；

步骤7，以与步骤6不同的抽出速度、不同的推进装置抽出长度和不同的停顿时长重复步骤6并记录；

步骤8，取出箱体内的土体和隧道模型，并重复步骤1～步骤5；

步骤9，逆向台阶法：

按照下、中、上的次序对三个施工模型实施步骤6、步骤7；

步骤10，根据步骤6和步骤7中得到的各次试验的抽出速度信息、抽出长度信息、停顿时长信息和千分表读数据信息，绘制正向台阶法对应的各次试验中每个测量点处的试验时间-变形量曲线和每个测量点在各次试验中的最终变形量曲线；同理，根据步骤9中得到的各次试验的抽出速度信息、抽出长度信息、停顿时长信息和千分表读数据信息，绘制逆向台阶法对应的各次试验中每个测量点处的试验时间-变形量曲线和每个测量点在各次试验中的最终变形量曲线，模拟不同施工参数与地表变形之间的确切关系，并找出台阶法隧道施工引发的土体变形量规律。

本发明可以准确的模拟台阶法隧道施工过程，从而探索和解决台阶法隧道施工对地表及建筑物的影响问题。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明所述的试验装置结构简单，造价低廉，方便好用。

2、利用本发明所述的装置实施所述的试验方法，可在实验室模拟台阶法隧道施工对地表变形的影响，得到不同施工参数与地表变形之间的确切关系，为设计与施工方案的优化提供依据，对施工现场周围已有建筑及构筑物的安全隐患起到有效的预测作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图1的俯视图。

图4是模拟正向台阶法隧道施工过程中3个推进装置在抽出时的位置示意图。

图5是模拟逆向台阶法隧道施工过程中3个推进装置在抽出时的位置示意图。

具体实施方式

参照附图，模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置，包括箱体1、由3组推进模型上下对齐堆叠构成的施工模型和检测装置，所述推进模型包括推进装置2和隧道模型3；

所述箱体1的顶面设有用于放入土体的开口，所述箱体1相对的两侧面分别设有可供3组推进装置2同时贯穿的第一通孔5和3组隧道模型3同时贯穿的第二通孔，且第一通孔5和第二通孔同轴设置；

所述隧道模型3呈空心的管状，所述推进装置2呈实心的棒状，且隧道模型3的外径和推进装置2的直径相等；推进装置2的一端设有轴向把手4，且推进装置2的外表面上沿轴向设有刻度；

所述检测装置包括用于布设在土体顶面的若干个测量点，每个测量点包括一个用于固定在土体顶面的螺栓8，箱体1顶部的开口处架设有横梁7，所述横梁7的下表面上对应每个测量点分别设有一个用于测量土体塌陷情况的千分表9，且千分表9的测头向下垂直延伸并贴紧螺栓8的顶面。当土体6下沉时，测头会与螺栓8分离，以根据测头与螺栓8的分离距离来计算土体6变形量。

所述推进装置2为圆柱体状的木棒。

所述隧道模型3为pe管

所述箱体1由钢化玻璃板组成。

第一通孔5和第二通孔分别位于箱体1两侧面的中间处，且第一通孔5和第二通孔之间的距离与隧道模型3的长度和推进装置2的长度相等。

采用本发明所述的模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置实施的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，向箱体1内填充预定量的土体6并压实，以使土体6的顶面平整，且使通孔5底部的切线位于土体6的顶面所在的平面上；

步骤2，向箱体1内的土体上依次放入下、中、上3个推进装置2，并使上、中、下3个推进装置2上下堆叠对齐，且3个推进装置的一端位于箱体1上的第二通孔处，另一端的3个把手经第一通孔5外露于箱体1；

步骤3，向箱体1内继续填充预定量的土体6并压实；

步骤4，在土体6的顶面上预定位置处布置测量点，并安装螺栓8；

步骤5，在箱体5的开口处架设横梁7，安装千分表9，并确保千分表9的测头向下垂直延伸并贴紧螺栓8的顶面；

步骤6，正向台阶法：

步骤6.1，握住一组推进模型的把手4，按一定抽出速度自箱体1的第一通孔5向箱体1外抽出一定长度的推进装置2，间隔预定停顿时长后，从箱体1另一侧的第二通孔内沿轴向插入对应的隧道模型3至触碰到推进装置2；同时在抽出推进装置2的过程中，按预定时间间隔记录千分表9的读数；

按照上、中、下的顺序依次对三个施工模型进行上述操作；

步骤6.2，自隧道模型3触碰到推进装置2后，继续按步骤6.1中的抽出速度向箱体1外抽出相同长度的推进装置2，间隔与步骤6.1相同的停顿时长后，再将隧道模型3向箱体内推进至与推进装置接触；同时在抽出推进装置2的过程中，按预定时间间隔记录千分表9的读数；

按照上、中、下的顺序依次对三个施工模型进行上述操作；

步骤6.3，重复步骤6.2，直至推进装置2与箱体1完全脱离，且隧道模型3完全位于箱体1内，以模拟正向台阶法隧道施工；同时在抽出推进装置2的过程中，按预定时间间隔记录千分表9的读数；

步骤7，以与步骤6不同的抽出速度、不同的推进装置抽出长度和不同的停顿时长重复步骤6并记录；

步骤8，取出箱体1内的土体6和隧道模型3，并重复步骤1～步骤5；

步骤9，逆向台阶法：

按照下、中、上的次序对三个施工模型实施步骤6、步骤7；

步骤10，根据步骤6和步骤7中得到的各次试验的抽出速度信息、抽出长度信息、停顿时长信息和千分表读数据信息，绘制正向台阶法对应的各次试验中每个测量点处的试验时间-变形量曲线(横轴为各次试验中自推进装置2开始抽出至与箱体2完全分离所需的时长内的时间点，纵轴为每个测量点的千分表在每个时间点上所测出的变形量)和每个测量点在各次试验中的最终变形量曲线(每个测量点绘制一个最终变形量曲线，横轴为试验次数的编号，纵轴为每个测量点的千分表在推进装置2与箱体2完全分离至土体稳定时所测出的最终变形量)；同理，根据步骤9中得到的各次试验的抽出速度信息、抽出长度信息、停顿时长信息和千分表读数据信息，绘制逆向台阶法对应的各次试验中每个测量点处的试验时间-变形量曲线和每个测量点在各次试验中的最终变形量曲线，模拟不同施工参数与地表变形之间的确切关系，并找出台阶法隧道施工引发的土体变形量规律。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。