阅读说明：本技术 一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法与装置 (Experimental method and device for measuring stability of soft and hard composite stratum face ) 是由 王松 孟昭晖 郭水 李柏青 杨建辉 王建 郭奇峰 许凯 张斌 王超 王森 孟兴 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验装置及方法,其中,透明观察板(2)与有凹槽的的模型框体(1)形成模型箱体；模型框体(1)上设有与半隧道形门(3)配合的半隧道形开口；抽拉槽(4)能通过半隧道形开口插入模型箱体中。实验时,将配置好的软硬土试样加入模型箱体内；打开半隧道形门开挖形成土槽；将抽拉槽(4)从半隧道形门(3)进入伸入土槽,在土体稳定后记录土体掌子面休止角；如此直至硬土层在掌子面不同位置的软硬土试样遍历完,根据得到的最小掌子面休止角确定出地层最为稳定时较硬土层位于掌子面的位置。本发明能很好地模拟软硬复合地层条件下隧道开挖过程,可确定在已知确定的地层条件下掌子面稳定程度。(The invention relates to an experimental device and a method for measuring the stability of a soft and hard composite stratum tunnel face, wherein a transparent observation plate (2) and a model frame body (1) with a groove form a model box body; a half tunnel-shaped opening matched with the half tunnel-shaped door (3) is arranged on the model frame body (1); the drawing groove (4) can be inserted into the model box body through the half-tunnel-shaped opening. During the experiment, the prepared soft and hard soil sample is added into the model box body; opening a half tunnel-shaped door to form a soil groove; the drawing groove (4) enters the soil groove from the half-tunnel-shaped door (3) and records the angle of repose of the soil body tunnel face after the soil body is stabilized; and determining the position of the harder soil layer on the tunnel face when the stratum is most stable according to the obtained minimum tunnel face repose angle until the soft soil and hard soil samples of the hard soil layer at different positions on the tunnel face are traversed. The method can well simulate the tunnel excavation process under the soft and hard composite stratum condition, and can determine the stability degree of the tunnel face under the known and determined stratum condition.)

一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法与装置

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，特别是涉及一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法与装置，属于模型试验。

背景技术

城市的快速发展，推动地下空间大开发，而地层条件错综复杂，在地质勘探中往往不能得到充分体现，不充分考虑地层条件将给施工带来不小的麻烦，造成工程进度缓慢、施工难度大。隧道位置设计往往考虑很多因素，抛开其他因素不谈，选择一个良好的地质条件能够降低施工难度，加快建设步伐，所以在选线过程中，地质条件至关重要。

隧道开挖对围岩的扰动是三维的，隧道掌子面的位移变形也十分重要，随着国内隧道工程机械化水平不断提高，掌子面开挖方法人们也逐渐倾向于由多台阶分部开挖变为全断面开挖，这就对掌子面稳定性提出了更高的要求。

地下土层存在相对软弱土层及硬土层，常见的多为上软下硬，此时掌子面位置多由线路、车站、既有建构筑物等其他因素控制，当地质情况存在软弱土层中间夹杂较硬土层时，较硬土层可增强掌子面稳定性，而较硬土层位于掌子面哪个位置时掌子面最为稳定，这一位置值得探讨，并需要通过实验进行验证。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术问题，提供一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法与装置，其能够很好地模拟软硬复合地层条件下隧道开挖过程，确定在已知确定的地层条件下掌子面稳定程度，为设计、施工人员提供实验依据，选择合适的位置布置掌子面。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验装置，其包括：

模型框体、透明观察板、半隧道形门和抽拉槽；

所述模型框体包括底板，分别与底板三个边固定且竖向连接的第一侧板、第二侧板和后板；底板、第一侧板和第二侧板分别在各自前端设有对应的凹槽；

所述透明观察板的两侧分别镶嵌在第一侧板和第二侧板的凹槽里，底部镶嵌在底板的预制凹槽里，形成模型箱体；

所述模型框体的第一侧板和/或第二侧板紧贴凹槽部分设有与所述半隧道形门配合的半隧道形开口；所述半隧道形门能够从所述半隧道形开口***模型箱体；

所述抽拉槽为半隧道形弧形结构体，所述抽拉槽能通过所述半隧道形开口***所述模型箱体中。

更优选地，所述透明观察板上标有固定间距的网格线。

更优选地，所述抽拉槽包括嵌套在一起的半隧道形弧形结构内体和半隧道形弧形结构外体。

更优选地，所述抽拉槽包括半隧道形弧形结构外体。

本发明还提供一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法，其包括：

步骤S101，将透明观察板***模型框体的凹槽内并使其固定，关闭半隧道形门，形成模型箱体；

步骤S102，按照硬土层在掌子面的位置要求，将配置好的软硬土试样加入模型箱体内；每加入一层软硬土试样土体，则将其压实并且找平；

步骤S103，在最后一份土体压实并且找平后，静置让土体内部应力自动平衡；

步骤S104，打开半隧道形门，沿着半隧道形开口向内开挖，形成第一部分土槽；将抽拉槽从半隧道形门进入，将抽拉槽向内沿着土槽伸入，伸入长度记录为第一长度；

步骤S105，随着模型箱体内的土体并行流动，流动的部分土体从抽拉槽排出，从透明观察板观察模型箱体内土体的掌子面变形情况与时间，在变形稳定后记录模型箱体内的土体的掌子面休止角；

步骤S106，是否到达预设的开挖长度，若否，则执行步骤S107，即继续向内开挖，形成第二部分土槽；继续将抽拉槽向内沿着土槽伸入；然后返回步骤S105；若是，则执行步骤S108；

步骤S108，判断硬土层在掌子面不同位置的软硬土试样是否遍历完，若否，则执行步骤S109；若已经遍历完，则执行步骤S110；

步骤S109，清空模型箱体，选择硬土层在掌子面的下一位置配置的软硬土试样，然后返给回到步骤S101；

步骤S110，根据记录的掌子面休止角，从中选择出最小掌子面休止角，并根据最小掌子面休止角确定出地层最为稳定时较硬土层位于掌子面的位置。

更优选地，所述实验方法还包括：

根据硬土层在掌子面的位置要求配置好多种软硬土试样。

更优选地，步骤S104或步骤S106中的所述将抽拉槽向内沿着土槽伸入的过程包括：

将抽拉槽中的半隧道形弧形结构外体向土槽中伸入，使得半隧道形弧形结构外体形成对整个模型箱体内土体的初支支护结构。

更优选地，步骤S104或步骤S106中的所述将抽拉槽向内沿着土槽伸入的过程包括：

将抽拉槽的半隧道形弧形结构外体伸入到第一长度后，将抽拉槽的半隧道形弧形结构内体紧贴半隧道形弧形结构外体伸入到设定长度，该设定长度不得超过第一长度；使得抽拉槽的半隧道形弧形结构内体和半隧道形弧形结构外体形成对整个模型箱体内土体的二衬结构。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

本发明通过测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验装置，能很好地模拟软硬复合地层条件下隧道开挖过程，通过调节土层厚度能够模拟大多数有夹层地层情况。本发明结构简单，操作方便。

本发明通过测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法进行模拟实验掌子面位置，可确定在已知确定的地层条件下掌子面稳定程度，为设计、施工人员提供实验依据，选择合适的位置布置掌子面，从设计角度减少工程难题出现，实际施工中可提高掌子面稳定性，尽量形成自稳结构，减少掌子面位移，可提高安全水准，减少支护措施的使用，降低造价，极大地提高工程质量。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构的分解图。

图2为本发明的实验装置使用前初始状态的结构示意图；

图3-1为本发明实验装置中的半隧道型门的立体结构图；

图3-2为本发明实验装置中的半隧道型门的俯视图；

图4-1为本发明实验装置中的抽拉槽的立体结构图；

图4-2为本发明实验装置中的抽拉槽的横截面结构示意图；

图5为本发明的测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法的流程图；

图6为本发明的实验装置的模拟初支结构的使用过程状态图，图中省略不在本发明保护范围内的软硬土层试样；

图7为本发明的实验装置的模拟初支和二衬结构的使用过程状态图，图中省略不在本发明保护范围内的软硬土层试样。

附图标记：

模型框体1、透明观察板2、半隧道形门3、抽拉槽4。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将通过实施例并结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

本发明提供一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验装置，其结构如图1和图2所示，其包括：模型框体1、透明观察板2、半隧道形门3和抽拉槽4。

模型框体1包括底板，分别与底板三个边固定且竖向连接的第一侧板、第二侧板和后板。底板、第一侧板和第二侧板分别在各自的前端预制有对应的凹槽；

透明观察板2能够沿着模型框体1的第一侧板和第二侧板的凹槽***，其底部镶嵌在底板的凹槽里；至此透明观察板2与模型框体1一起形成模型箱体。为了方便观察，该透明观察板2上标有固定间距的网格线。

模型框体1的第一侧板和/或第二侧板上紧贴凹槽部分设有与半隧道形门3配合的半隧道形开口，使得半隧道形门3能够***该半隧道形开口。该半隧道形门3的结构如图3-1至图3-2所示，该半隧道形门3具有卡槽，该卡槽能够卡在半隧道形开口外延的第一侧板和第二侧板上。当向模型箱体内添加实验用的软硬土试样时，将半隧道形门3按压在半隧道形开口处，使半隧道形门3归位，此时半隧道形开口处于关闭状态，此时可以向模型箱体内添加软硬土试样；当需要进行隧道开挖模拟时，将半隧道形门3从半隧道形开口处拆卸，使半隧道形门3移开，此时半隧道形开口处于打开状态。上述半隧道形门3作为一个独立部件，与模型框体1有多种方式进行固定连接，如可通过铰接方式固定在模型框体1上，且能够实现向外开门；半隧道形门3也可不与模型框体1固定连接而作为独立构件，自由从半隧道形开口处拆卸，在添加试样时该半隧道形门3构成模型箱体的一部分。

抽拉槽4为独立装置，其能通过处于打开状态的上述半隧道形开口***所述模型箱体中，用以模拟初支支护或者模拟隧道二衬。其结构如图4-1和图4-2所示，可以看出该抽拉槽4整体为半隧道形弧形结构体，该半隧道形弧形结构体包络的弧线内部形成豁口。该抽拉槽4包括半隧道形弧形结构内体和半隧道形弧形结构外体，半隧道形弧形结构内体紧密贴合嵌套在半隧道形弧形结构外体内，二者可相互分离。其中的半隧道形弧形结构外体可以模拟隧道初支结构；半隧道形弧形结构内体和半隧道形弧形结构外体嵌套在一起时用来模拟隧道二衬结构。抽拉槽4所采用材料可根据模型试验参数进行选择。

实施例二

本发明实施例二提供一种测量软硬复合地层掌子面稳定性的实验方法，其适用于测量土砂复合地层的稳定性，实施本发明之前，根据硬土层在掌子面的位置要求配置好相应的软硬土试样。然后执行如图5所示的流程，具体包括如下步骤：

步骤S101，将透明观察板2***模型框体1的凹槽内并使其固定，关闭半隧道形门3，形成如图2所示状态的模型箱体。

步骤S102，按照硬土层在掌子面的位置要求，将配置好的软硬土试样土体依次加入，每加入一层土体后将其压实并且找平。

每层加入厚度根据实验方案需求确定。

步骤S103，在加入的最后一份土体压实并且找平后，静置让软硬土试样土体内部应力自动平衡。

静置时间根据实验方案需求确定。模型箱体内的软硬土试样土体静置时间多为1-2天。

步骤S104，打开半隧道形门3，沿着半隧道形开口向模型箱体内的土体进行开挖，形成第一部分土槽，将抽拉槽4从半隧道形门3进入并向土槽内伸入第一长度。

步骤S104中，当需要模拟初支结构时，仅仅需要将抽拉槽4中的半隧道形弧形结构外体向模型箱体内经开挖土体形成的土槽中伸入第一长度，此时抽拉槽4伸入状态如图6所示，这种情况下，该半隧道形弧形结构外体作为初支结构对整个模型箱体内的土体进行支撑。

步骤S104中，当需要模拟二衬结构时，需要将抽拉槽4的半隧道形弧形结构外体深入到第一长度后，将抽拉槽4的半隧道形弧形结构内体从半隧道形门3处紧贴半隧道形弧形结构外体伸入到设定长度，该设定长度不得超过第一长度，此时抽拉槽4伸入状态如图7所示，这种情况下，抽拉槽4的半隧道形弧形结构内体和半隧道形弧形结构外体作为二衬结构对整个模型箱体内的土体进行支撑。

步骤S105，随着模型箱体中的土体变形流动，流动的土体部分从抽拉槽4的豁口排出，从透明观察板2观察掌子面变形情况与时间，在变形稳定后记录模型箱体中软硬土试样土体的掌子面休止角。

待模型箱体中软硬土试样土体停止流动后，认为掌子面变形稳定，此时记录此时间对应的软硬土试样的倾斜面与水平面夹角，该夹角即为掌子面休止角。

掌子面休止角越大，说明模型箱体中软硬土试样土体的稳定性越低，掌子面休止角越小说明模型箱体中软硬土试样土体的稳定性越高。

步骤S106，判断是否到达预设模拟开挖长度，若否，则执行步骤S107，即继续沿着半隧道形开口向模型箱体内的土体进行开挖，形成第二部分土槽，并推动抽拉槽4继续沿着土槽伸入，然后返回步骤S105；若是，则执行步骤S108。

该步骤S106中，抽拉槽4依然可以作为初支支护，也可以作为二衬结构形成对模型箱体内土体的支撑。具体情况与步骤S104相同，这里不再详细描述。

步骤S108，判断硬土层在掌子面不同位置的软硬土试样是否遍历完，若否，则执行步骤S109；若已经遍历完，则执行步骤S110；

步骤S109，清空模型箱体，选择硬土层在掌子面下一位置的软硬土试样土体，然后返给回到步骤S101，根据实验方案重复试验；

步骤S110，根据记录的掌子面休止角，从中选择出最小掌子面休止角，并根据最小掌子面休止角确定出软硬土试样最为稳定时较硬土层位于掌子面的位置。

由以上实施例可以看出，本发明具有如下技术优势：

本发明通过该方法，能够在两个软弱土层中间夹杂较硬土层时的复合地层条件，寻找出地层最为稳定时较硬土层位于掌子面的位置。工程实际中，当已经探明地质条件，设计人员进行选线设计时，可经由上述方法进行模拟，选择出合适的位置布置掌子面，由此看出，通过本发明不仅能够从设计角度减少工程难题出现，而且能够在实际施工中提高掌子面稳定性，形成自稳结构，减少掌子面位移，提高安全水准，并能减少支护措施的使用，降低造价，极大地提高工程质量。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。