CN107870097A - 一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法，其系统包括基本框架、隧道模型系统、降雨模拟系统、边坡支护模拟系统、位移监测装置和数据处理装置。本发明通过设置基本框架和隧道模型系统，采用推进装置模拟隧道开挖，并利用隧道模型模拟衬砌结构，以成型试验隧道土体模型及隧道洞口边坡，通过边坡支护模拟系统和降雨模拟系统以模拟对隧道洞口边坡有无支护和降雨的情况，同时结合位移检测装置和数据处理装置对边坡位移数据进行监测和处理，即该系统能够模拟隧道开挖和降雨在有无边坡支护的工况，依靠位移检测装置监测位移变化，记录数据并分析处理，从而为有效避免隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

Description

一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法

技术领域

本发明涉及隧道洞口边坡工程领域，特别涉及一种隧道洞口边坡稳定性模 拟系统及使用方法。

背景技术

目前，我国交通基础设施建设力度持续加大。特别是对于地形崎岖地区， 为了缩短里程、保护环境和耕地，隧道工程发挥了极大作用。然而，隧道工程 与边坡密切相关，受到地层、岩性以及地应力的影响，降雨和工程施工对隧道 洞口边坡稳定性产生巨大影响，而且极易受到破坏、失去稳定而导致滑坡灾害， 并造成人员伤亡和财产损失。因此，隧道洞口边坡稳定成为隧道洞口施工安全 的关键。

隧道洞口坍塌或洞口边坡失稳主要是由于边坡施工坡度和开挖深度改变了 原有的山体地应力平衡而诱发的。现有的研究大多针对具体隧道洞口边坡失稳 案例进行地质分析并提出相应的整治措施，且对隧道洞口边坡稳定性研究较多， 但对隧道和边坡相互关系的模拟系统及实验方法研究较少。

发明内容

本发明目的在于：为了模拟隧道洞口开挖在有无降水以及支护的情况下隧 道洞口边坡失稳发生破坏的情况，提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统，它 能够近似地模拟隧道洞口开挖、降水、边坡坡度、支护和开挖深度等因素对边 坡稳定性的影响，并能得到可靠的数据结果进行分析。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统，包括基本框架、隧道模型系统、降雨 模拟系统、边坡支护模拟系统、位移监测装置和数据处理装置，其中：

所述基本框架包括用于盛装试验土体材料的模型箱，所述模型箱设有可拆 卸的顶板，所述模型箱进口侧和出口侧分别连有倾斜布置的盖板，所述盖板上 设有用于安装隧道模型的通孔；

所述隧道模型系统包括空心管状的隧道模型和实心圆柱状的推进装置，所 述隧道模型和推进装置的管径相同且同轴设置；

所述降雨模拟系统设于模型箱上方，用于向隧道洞口边坡模拟降雨；

所述边坡支护模拟系统设于隧道洞口边坡处，用于对隧道洞口边坡进行模 拟支护处理；

所述位移监测装置设于隧道洞口边坡土体中，用于对边坡位移进行监测；

所述数据处理装置与所述位移监测装置相连，用于对位移监测装置反馈的 数据进行储存、分析并处理位移变化数据。

本发明通过设置基本框架和隧道模型系统，采用推进装置模拟隧道开挖， 并利用隧道模型模拟衬砌结构，以成型试验隧道土体模型及隧道洞口边坡，通 过边坡支护模拟系统和降雨模拟系统以模拟对隧道洞口边坡有无支护和降雨的 情况，同时结合位移检测装置和数据处理装置对边坡位移数据进行监测和处理， 即该系统能够模拟隧道开挖和降雨在有无边坡支护的工况，依靠位移检测装置 监测位移变化，得到边坡形态参数，记录数据并分析处理，揭示隧道洞口边坡 失稳机制，为隧道开挖以及边坡支护对调控边坡稳定提供参考和有效建议，从 而为有效避免隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

作为本发明的优选方案，所述基本框架还包括分别设置在模型箱进口侧和 出口侧的工作台，所述工作台下方设有能伸缩的脚架。通过在模型箱进口侧和 出口侧设置工作台，方便试验过程中放置隧道模型和推进装置等，同时在工作 台下方设置能伸缩的脚架，便于根据试验需要对工作台高度进行调节。

作为本发明的优选方案，所述降雨模拟系统包括渗水管、输水管、回水管、 集水槽、水箱和抽水装置，所述渗水管设于隧道洞口边坡上方，所述抽水装置 连接水箱与输水管，所述输水管与渗水管相连，所述集水槽设于工作台上并靠 近边坡位置，所述回水管连接集水槽与水箱。通过设置渗水管、输水管、回水 管、集水槽、水箱和抽水装置，从而实现对隧道洞口边坡进行模拟降雨，同时 实现在模拟降雨的过程中对水的循环利用。

作为本发明的优选方案，所述渗水管上设有多个等间距的出水孔，以模拟 降雨。

作为本发明的优选方案，所述渗水管、输水管、回水管、集水槽和水箱均 由不锈钢制成。

作为本发明的优选方案，所述边坡支护模拟系统包括锚杆、钢筋网和混凝 土喷射设备，所述锚杆设置在模型箱内的试验土体中，所述钢筋网设置在隧道 洞口边坡上并与锚杆相连，所述混凝土喷射设备用于向钢筋网上喷射混凝土。 通过采用锚杆、钢筋网和混凝土来模拟对隧道洞口边坡进行支护，使其更加接 近隧道实际施工情况。

作为本发明的优选方案，所述位移检测装置为位移计，所述位移计布置在 边坡表层中。通过在隧道洞口边坡表层中布置位移计，可以监测隧道洞口边坡 的位移变化数据。

作为本发明的优选方案，所述盖板与模型箱底部铰接，所述盖板上还有位 置锁定螺钉。通过将盖板与模型箱底部铰接，可以调整盖板的倾斜角度以模拟 在不同边坡角度和开挖深度下的工况，同时采用位置锁定螺钉，将调好角度的 盖板进行位置锁定，以避免向模型箱填入试验土体材料时盖板发生转动。

作为本发明的优选方案，所述模型箱上设有用于标识盖板倾斜角度的刻度 尺，可以便于识别当前正在进行测试的边坡角度。

作为本发明的优选方案，所述盖板为伸缩式结构，以满足在模拟不同边坡 角度和开挖深度情况下，隧道模型可从盖板上的通孔中穿过。

作为本发明的优选方案，所述隧道模型为空心结构的PE管，所述推进装置 为实心圆柱状的不锈钢管。

作为本发明的优选方案，所述推进装置的端部设有抽拉手柄，便于试验时 从土体模型中抽离推进装置，以更好的模拟隧道开挖。

本发明还提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，包括以下步骤：

a、调节盖板的倾斜角度，同时对应调整工作台高度；

b、向调整好的模型箱内填充试验土体材料至通孔底部后压平土体；

c、将推进装置穿过盖板上通孔后水平放入模型箱；

d、向模型箱内继续填满试验土体材料；

e、盖上顶板并压实土体，待土体模型压实成型后，移除顶板和盖板；

f、将推进装置从土体模型中抽出，将隧道模型同步插入。

该隧道洞口边坡稳定性模拟系统的使用方法，通过调节盖板的倾斜角度后， 向模型箱内填充试验土体材料及放入推进装置，待土体模型压实后，将推进装 置从土体模型中抽出，同时将隧道模型同步插入，该方法中通过推进装置模拟 隧道开挖，并利用隧道模型模拟衬砌结构，以成型试验隧道土体模型及隧道洞 口边坡，能够根据试验需要模拟隧道开挖和降雨在有无边坡支护的工况，借助 位移检测装置监测位移变化，得到边坡形态参数，记录数据并分析处理，为隧 道开挖以及边坡支护对调控边坡稳定提供参考和有效建议，从而为有效避免隧 道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

作为本发明的优选方案，所述试验土体材料为与隧道施工现场的实际土层 相似的土层材料。采用与隧道施工现场的实际土层相似的土层材料，可以得到 实际施工地的隧道洞口边坡稳定性机理，并提供对应的指导方案。

作为本发明的优选方案，在所述步骤e之后，根据试验需要对成型后的土 体模型进行边坡支护。通过根据试验需要对成型后的土体模型进行边坡支护， 可以模拟隧道洞口边坡在有无支护情况下的位移数据。

作为本发明的优选方案，在所述步骤f之后，根据试验需要对土体模型进 行模拟降雨。通过根据试验需要对土体模型进行模拟降雨，可以模拟隧道洞口 边坡在有无降雨情况下的位移数据。

作为本发明的优选方案，需改变步骤a中盖板的倾斜角度进行重复试验， 可以得到在不同隧道洞口边坡角度情况下的位移数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置基本框架和隧道模型系统，采用推进装置模拟隧道开挖， 并利用隧道模型模拟衬砌结构，以成型试验隧道土体模型及隧道洞口边坡，通 过边坡支护模拟系统和降雨模拟系统以模拟对隧道洞口边坡有无支护和降雨的 情况，同时结合位移检测装置和数据处理装置对边坡位移数据进行监测和处理， 即该系统能够模拟隧道开挖和降雨在有无边坡支护的工况，依靠位移检测装置 监测位移变化，得到边坡形态参数，记录数据并分析处理，揭示隧道洞口边坡 失稳机制，为隧道开挖以及边坡支护对调控边坡稳定提供参考和有效建议，从 而为有效避免隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生；

2、本发明通过在模型箱进口侧和出口侧设置工作台，方便试验过程中放置 隧道模型和推进装置等，同时在工作台下方设置能伸缩的脚架，便于根据试验 需要对工作台高度进行调节；

3、本发明通过将盖板与模型箱底部铰接，可以调整盖板的倾斜角度以模拟 在不同边坡角度和开挖深度下的工况，同时采用位置锁定螺钉，将调好角度的 盖板进行位置锁定，以避免向模型箱填入试验土体材料时盖板发生转动；

4、本发明通过设置渗水管、输水管、回水管、集水槽、水箱和抽水装置， 从而实现对隧道洞口边坡进行模拟降雨，同时实现在模拟降雨的过程中对水的 循环利用；

5、本发明装置结构组装简单，装置作用分工明确，可方便操作，便于观测， 得到的试验数据更精确。

附图说明

图1为本发明隧道洞口边坡稳定性模拟系统整体示意图。

图2为图1中的模型箱进口侧示意图。

图3为图1中的模型箱出口侧示意图。

图4为本发明隧道洞口边坡支护示意图。

图5为本发明隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用流程图。

图中标记：1-顶板；2-进口侧盖板；3-出口侧盖板；4-进口侧工作台；5- 出口侧工作台；6-脚架；7-模型箱；8-推进装置；9-隧道模型；10-抽拉手柄； 11-渗水管；12-输水管；13-回水管；14-集水槽；15-抽水泵；16-水箱；17-启 动按钮；18-锁定螺钉；19-刻度尺；20-钢筋网；21-锚杆；22-位移计。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统；

如图1-图4所示，本实施例中的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，包括基本 框架、隧道模型系统、降雨模拟系统、边坡支护模拟系统、位移监测装置和数 据处理装置，其中：

所述基本框架包括用于盛装与所模拟隧道施工现场的实际土层相似的试验 土体材料的模型箱7，所述模型箱7设有可拆卸的顶板1，所述模型箱进口侧和 出口侧分别连有倾斜布置的进口侧盖板2和出口侧盖板3，所述进口侧盖板2和 出口侧盖板3上均开设有用于安装隧道模型的通孔；

所述隧道模型系统包括空心管状的隧道模型9和实心圆柱状的推进装置8， 所述隧道模型9和推进装置8的管径相同且同轴设置；

所述降雨模拟系统设于模型箱上方，用于向隧道洞口边坡模拟降雨；

所述边坡支护模拟系统设于隧道洞口边坡处，用于对隧道洞口边坡进行模 拟支护处理；

所述位移监测装置设于隧道洞口边坡土体中，用于对边坡位移进行监测；

所述数据处理装置与所述位移监测装置相连，用于对位移监测装置反馈的 数据进行储存、分析并处理位移变化数据，该数据处理装置可以为计算机等。

本实施例中，所述基本框架还包括分别设置在模型箱进口侧和出口侧的进 口侧工作台4和出口侧工作台5，所述进口侧工作台4和出口侧工作台5下方设 有能伸缩的脚架6。通过在模型箱进口侧和出口侧设置工作台，方便试验过程中 放置隧道模型和推进装置等，同时在工作台下方设置能伸缩的脚架，便于根据 试验需要对工作台高度进行调节。

本实施例中，所述降雨模拟系统包括渗水管11、输水管12、回水管13、集 水槽14、水箱16和抽水泵15，所述渗水管11设于隧道洞口边坡上方，所述抽 水泵15连接水箱16与输水管12，所述输水管12与渗水管11相连，所述集水 槽14设于进口侧工作台4上并靠近边坡位置，所述回水管13连接集水槽14与 水箱16，在水箱上设有启动按钮17以控制降雨模拟系统开关。通过设置渗水管、 输水管、回水管、集水槽、水箱和抽水泵，从而实现对隧道洞口边坡进行模拟 降雨，同时实现在模拟降雨的过程中对水的循环利用。

本实施例中，所述渗水管11上设有多个等间距的出水孔，以模拟降雨，同 时该渗水管可伸缩可旋转，以满足在边坡不同位置进行降水，另外该降雨模拟 系统的降雨量可以通过阀门开关进行调节。

本实施例中，所述渗水管11、输水管12、回水管13、集水槽14和水箱16 均由不锈钢制成。

本实施例中，所述边坡支护模拟系统包括锚杆21、钢筋网20和混凝土喷射 设备，所述锚杆21设置在模型箱内的试验土体中，所述钢筋网20设置在隧道 洞口边坡上并与锚杆21相连，所述混凝土喷射设备用于向钢筋网上喷射混凝土。 通过采用锚杆、钢筋网和混凝土来模拟对隧道洞口边坡进行支护，可以防止边 坡坍塌，对边坡进行加固，以免影响洞内的施工，可以防止雨水、地表水渗入 边坡，增加围岩的不稳定性因素，引起坍塌，同时也使模拟试验更加接近隧道 实际施工情况。边坡支护可以在隧道模拟模型制成后进行，所述锚杆采用粘接 式锚固锚杆，所述锚杆呈梅花形布置，间距1.0m×1.0m，喷射的混凝土强度为 C20，喷射10cm厚，钢筋网采用φ6，网格间距20cm×20cm。

本实施例中，所述位移检测装置为位移计22，所述位移计布置在隧道洞口 边坡表层中，可以在隧道进出口侧边坡中均设置位移计。通过在隧道洞口边坡 表层中布置位移计，可以监测隧道洞口边坡的位移变化数据。

本实施例中，所述进口侧盖板和出口侧盖板分别与模型箱底部采用合页相 铰接，同时采用锁定螺钉18固定调整好倾斜角度的进口侧盖板和出口侧盖板。 通过将盖板与模型箱底部铰接，可以调整盖板的倾斜角度以模拟在不同边坡角 度和开挖深度下的工况，同时采用位置锁定螺钉，将调好角度的盖板进行位置 锁定，以避免向模型箱填入试验土体材料时盖板发生转动。

本实施例中，所述基本框架由不锈钢制成，所述模型箱的两侧为长方形， 所述模型箱7上设有用于标识盖板倾斜角度的刻度尺19，可以便于识别当前正 在进行测试的边坡角度。

本实施例中，所述进口侧盖板2和出口侧盖板3均为伸缩式结构，即在进 口侧盖板2和出口侧盖板3下部设置夹层，盖板上部插于夹层中，当需要调整 开挖深度时，只需将盖板上部从夹层中抽出，盖板上的通孔位置升高，从而实 现改变开挖深度，这样设计可以满足在模拟不同边坡角度和开挖深度情况下， 隧道模型可从盖板上的通孔中穿过。

本实施例中，所述隧道模型9为空心结构的PE管，以模拟衬砌结构，所述 推进装置8为实心圆柱状的不锈钢管，其直径与隧道开挖直径成比例，以模拟 隧道开挖。

本实施例中，所述推进装置8的端部设有抽拉手柄10，便于试验时从土体 模型中抽离推进装置，以更好的模拟隧道开挖。

本实施例通过设置基本框架和隧道模型系统，采用推进装置模拟隧道开挖， 并利用隧道模型模拟衬砌结构，以成型试验隧道土体模型及隧道洞口边坡，通 过边坡支护模拟系统和降雨模拟系统以模拟对隧道洞口边坡有无支护和降雨的 情况，同时结合位移检测装置和数据处理装置对边坡位移数据进行监测和处理， 即该系统能够模拟隧道开挖和降雨在有无边坡支护的工况，依靠位移检测装置 监测位移变化，得到边坡形态参数，记录数据并分析处理，揭示隧道洞口边坡 失稳机制，为隧道开挖以及边坡支护对调控边坡稳定提供参考和有效建议，从 而为有效避免隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

实施例2

本实施例提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法；

如图1-图5所示，采用隧道洞口边坡稳定性模拟系统模拟隧道开挖有边坡 支护的工况，包括以下步骤：

步骤a、调节进口侧盖板2和出口侧盖板3的倾斜角度后采用锁定螺钉18 固定位置，将进口侧工作台4和出口侧工作台5的脚架6也调到相应高度；

步骤b、将模型箱7调节好后，向模型箱7内填充所模拟隧道施工现场的实 际土层相似的土层材料至通孔底部，并压实土体使其平整；

步骤c、将实心圆柱推进装置8水平放入模型箱7，将有抽拉手柄10的一 侧放在出口侧的通孔，并将把手外露于通孔；

步骤d、向模型箱7内继续填满所模拟隧道施工现场的实际土层相似的土层 材料并压实；

步骤e、盖上顶板1，施压压实，待土体模型压实成型后，取下顶板1和进 口侧盖板2和出口侧盖板3，待试验；

步骤f、将入口侧边坡土体压实并平整，进行等间距钻孔；

步骤g、将锚杆21锚入钻好的孔洞后及时注浆，在一定的孔洞内插入位移 计22，采用粘接式锚固锚杆，且锚杆呈梅花形布置，间距1.0m×1.0m；

步骤h、将钢筋网20紧贴坡面固定在锚杆上，钢筋网20与锚杆21连接牢 固，保证在喷射混凝土时不易晃动，固定钢筋网20后及时喷混凝土封闭后进行 养护，喷射的混凝土强度为C20，喷射10cm厚，钢筋网采用φ6，网格间距20cm ×20cm；

步骤i、握住抽拉手柄10，以一定的速度向出口侧抽出推进装置8，并同时 按相同的速度从入口侧插入隧道模型9，抽离推进装置8与插入隧道模型9同步 进行，且每抽离一定长度的推进装置8则插入一段相应长度的隧道模型9，以模 拟边开挖边衬砌的工况；

步骤j、改变抽出推进装置8和插入隧道模型9的速度，重复步骤i进行多 次试验，并记录位移变化。

在模型箱内盛装试验土体时，在分析不同的岩土地区隧道开挖过程中洞口 边坡的稳定性时，土体的类型与实际施工过程中的岩土类型相似，对应采取相 应的岩土类型，从而得到该岩土地区的隧道洞口边坡稳定性机理，并提供对应 的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种岩土类型的洞口边坡的模拟 分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见。

推进装置抽出后，将隧道模型推入，且推进装置抽出的距离与隧道模型推 入的距离相同，以模拟隧道施工的工况对洞口边坡稳定形的影响；进口侧与出 口侧的盖板可以调制不同的角度，以模拟不同边坡角度对边坡稳定性的影响； 进口侧和出口侧的工作台安装了可升降的脚架，连接的是进口侧和出口侧的边 坡盖板，通过升降高度，模拟不同开挖深度对隧道洞口边坡稳定性的影响；隧 道洞口边坡支护对隧道洞口边坡支护影响可通过模拟试验进行分析，通过多方 面的分析，以得到更为全面和宽泛的数据参考。

实施例3

本实施例提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法；

如图1-图5所示，采用隧道洞口边坡稳定性模拟系统模拟隧道开挖有边坡 支护且有降雨的工况，包括以下步骤：

步骤a、调节进口侧盖板2和出口侧盖板3的倾斜角度后采用锁定螺钉18 固定位置，将进口侧工作台4和出口侧工作台5的脚架6也调到相应高度；

步骤b、将模型箱7调节好后，向模型箱7内填充所模拟隧道施工现场的实 际土层相似的土层材料至通孔底部，并压实土体使其平整；

步骤c、将实心圆柱推进装置8水平放入模型箱，将有抽拉手柄10的一侧 放在出口侧的通孔，并将把手外露于通孔；

步骤d、向模型箱7内继续填满所模拟隧道施工现场的实际土层相似的土层 材料并压实；

步骤e、盖上顶板1，施压压实，待土体模型压实成型后，取下顶板1和进 口侧盖板2和出口侧盖板3，待试验；

步骤f、将入口侧边坡土体压实并平整，进行等间距钻孔；

步骤g、将锚杆21锚入钻好的孔洞后及时注浆，在一定的孔洞内插入位移 计22，采用粘接式锚固锚杆，且锚杆呈梅花形布置，间距1.0m×1.0m；

步骤h、将钢筋网20紧贴坡面固定在锚杆上，钢筋网20与锚杆21连接牢 固，保证在喷射混凝土时不易晃动，固定钢筋网20后及时喷混凝土封闭后进行 养护，喷射的混凝土强度为C20，喷射10cm厚，钢筋网采用φ6，网格间距20cm ×20cm；

步骤i、握住抽拉手柄10，以一定的速度向出口侧抽出推进装置8，并同时 按相同的速度从入口侧插入隧道模型9，抽离推进装置8与插入隧道模型9同步 进行，且每抽离一定长度的推进装置8则插入一段相应长度的隧道模型9，以模 拟边开挖边衬砌的工况；

步骤j、将渗水管11调节于隧道洞口边坡上方，启动抽水泵15；

步骤k、改变抽出推进装置8和插入隧道模型9的速度，以及改变进口侧盖 板和出口侧盖板的倾斜角度后重复进行多次试验，并记录位移变化；

步骤l、调节渗水管的位置和高度重复步骤j，在边坡不同位置降雨，进行 多次试验，并记录位移变化。

在模型箱内盛装试验土体时，在分析不同的岩土地区隧道开挖过程中洞口 边坡的稳定性时，土体的类型与实际施工过程中的岩土类型相似，对应采取相 应的岩土类型，从而得到该岩土地区的隧道洞口边坡稳定性机理，并提供对应 的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种岩土类型的洞口边坡的模拟 分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见。

推进装置抽出后，将隧道模型推入，且推进装置抽出的距离与隧道模型推 入的距离相同，以模拟隧道施工的工况对洞口边坡稳定形的影响；进口侧与出 口侧的盖板可以调制不同的角度，以模拟不同边坡角度对边坡稳定性的影响； 进口侧和出口侧的工作台安装了可升降的脚架，连接的是进口侧和出口侧的边 坡盖板，通过升降高度，模拟不同开挖深度对隧道洞口边坡稳定性的影响；降 雨装置的渗水管可伸缩可旋转，可在边坡不同位置进行降水，降雨装置的降雨 量可调节，以模拟降雨对隧道洞口边坡稳定性的影响；隧道洞口边坡支护对隧 道洞口边坡支护影响可通过模拟试验进行分析，通过多方面的分析，以得到更 为全面和宽泛的数据参考。

实施例4

本实施例提供一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法；

如图1-图5所示，采用隧道洞口边坡稳定性模拟系统模拟隧道开挖没有边 坡支护但有降雨的工况，包括以下步骤：

步骤a、调节进口侧盖板2和出口侧盖板3的倾斜角度后采用锁定螺钉18 固定位置，将进口侧工作台4和出口侧工作台5的脚架6也调到相应高度；

步骤b、将模型箱7调节好后，向模型箱7内填充所模拟隧道施工现场的实 际土层相似的土层材料至通孔底部，并压实土体使其平整；

步骤c、将实心圆柱推进装置8水平放入模型箱，将有抽拉手柄10的一侧 放在出口侧的通孔，并将把手外露于通孔；

步骤d、向模型箱内继续填满所模拟隧道施工现场的实际土层相似的土层材 料并压实；

步骤e、盖上顶板1，施压压实，待土体模型压实成型后，取下顶板1和进 口侧盖板2和出口侧盖板3，待试验；

步骤f、握住抽拉手柄10，以一定的速度向出口侧抽出推进装置8，并同时 按相同的速度从入口侧插入隧道模型9，抽离推进装置8与插入隧道模型9同步 进行，且每抽离一定长度的推进装置8则插入一段相应长度的隧道模型9，以模 拟边开挖边衬砌的工况；

步骤g、将渗水管11调节于隧道洞口边坡上方，启动抽水泵15；

步骤h、改变抽出推进装置8和插入隧道模型9的速度，重复步骤f进行多 次试验，并记录位移变化；

步骤i、调节渗水管的位置和高度重复步骤g，在边坡不同位置降雨，进行 多次试验，并记录位移变化；

在模型箱内盛装试验土体时，在分析不同的岩土地区隧道开挖过程中洞口 边坡的稳定性时，土体的类型与实际施工过程中的岩土类型相似，对应采取相 应的岩土类型，从而得到该岩土地区的隧道洞口边坡稳定性机理，并提供对应 的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种岩土类型的洞口边坡的模拟 分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见。

推进装置抽出后，将隧道模型推入，且推进装置抽出的距离与隧道模型推 入的距离相同，以模拟隧道施工的工况对洞口边坡稳定形的影响；进口侧与出 口侧的盖板可以调制不同的角度，以模拟不同边坡角度对边坡稳定性的影响； 进口侧和出口侧的工作台安装了可升降的脚架，连接的是进口侧和出口侧的边 坡盖板，通过升降高度，模拟不同开挖深度对隧道洞口边坡稳定性的影响；降 雨装置的渗水管可伸缩可旋转，可在边坡不同位置进行降水，降雨装置的降雨 量可调节，以模拟降雨对隧道洞口边坡稳定性的影响，通过多方面的分析，以 得到更为全面和宽泛的数据参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (17)

1.一种隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，包括基本框架、隧道模型系统、降雨模拟系统、边坡支护模拟系统、位移监测装置和数据处理装置，其中：

所述基本框架包括用于盛装试验土体材料的模型箱，所述模型箱设有可拆卸的顶板，所述模型箱进口侧和出口侧分别连有倾斜布置的盖板，所述盖板上设有用于安装隧道模型的通孔；

所述隧道模型系统包括空心管状的隧道模型和实心圆柱状的推进装置，所述隧道模型和推进装置的管径相同且同轴设置；

所述降雨模拟系统设于模型箱上方，用于向隧道洞口边坡模拟降雨；

所述边坡支护模拟系统设于隧道洞口边坡处，用于对隧道洞口边坡进行模拟支护处理；

所述位移监测装置设于隧道洞口边坡土体中，用于对边坡位移进行监测；

所述数据处理装置与所述位移监测装置相连，用于对位移监测装置反馈的数据进行储存、分析并处理位移变化数据。

2.根据权利要求1所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述基本框架还包括分别设置在模型箱进口侧和出口侧的工作台，所述工作台下方设有能伸缩的脚架。

3.根据权利要求1所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述降雨模拟系统包括渗水管、输水管、回水管、集水槽、水箱和抽水装置，所述渗水管设于隧道洞口边坡上方，所述抽水装置连接水箱与输水管，所述输水管与渗水管相连，所述集水槽设于工作台上并靠近边坡位置，所述回水管连接集水槽与水箱。

4.根据权利要求3所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述渗水管上设有多个等间距的出水孔。

5.根据权利要求4所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述渗水管、输水管、回水管、集水槽和水箱均由不锈钢制成。

6.根据权利要求1所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述边坡支护模拟系统包括锚杆、钢筋网和混凝土喷射设备，所述锚杆设置在模型箱内的试验土体中，所述钢筋网设置在隧道洞口边坡上并与锚杆相连，所述混凝土喷射设备用于向钢筋网上喷射混凝土。

7.根据权利要求1所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述位移检测装置为位移计，所述位移计布置在边坡表层中。

8.根据权利要求1-7之一所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述盖板与模型箱底部铰接，所述盖板上还有位置锁定螺钉。

9.根据权利要求8所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述模型箱上设有用于标识盖板倾斜角度的刻度尺。

10.根据权利要求9所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述盖板为伸缩式结构。

11.根据权利要求1所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述隧道模型为空心结构的PE管，所述推进装置为实心圆柱状的不锈钢管。

12.根据权利要求11所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其特征在于，所述推进装置的端部设有抽拉手柄。

13.一种如权利要求1-12任一所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、调节盖板的倾斜角度，同时对应调整工作台高度；

b、向调整好的模型箱内填充试验土体材料至通孔底部后压平土体；

c、将推进装置穿过盖板上通孔后水平放入模型箱；

d、向模型箱内继续填满试验土体材料；

e、盖上顶板并压实土体，待土体模型压实成型后，移除顶板和盖板；

f、将推进装置从土体模型中抽出，将隧道模型同步插入。

14.根据权利13所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，其特征在于，所述试验土体材料为与隧道施工现场的实际土层相似的土层材料。

15.根据权利13所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，其特征在于，在所述步骤e之后，根据试验需要对成型后的土体模型进行边坡支护。

16.根据权利13所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，其特征在于，在所述步骤f之后，根据试验需要对土体模型进行模拟降雨。

17.根据权利13所述的隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，其特征在于，需改变步骤a中盖板的倾斜角度进行重复试验。