一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法

1.一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于所述方法包括：（S1）进行模型箱的安装，在所述模型箱内侧贴设壁纸，并在所述壁纸上设置刻度线；（S2）利用所述壁纸上的刻度线在所述模型箱内进行分层填土，并在垂直于盾构机的推进方向上设置观测断面，在所述观测断面周围布置地层位移计、土压力盒以及地表位移计；其中，所述地层位移计和所述土压力盒布置在土体内部，所述地表位移计布置在土体表面；（S3）在所述模型箱的后端板处设置盾构机，通过盾构机在所述模型箱内钻挖土体，以分别进行隧道开挖面主动失稳破坏试验和隧道开挖面被动失稳破坏试验，并记录所述地表位移计、所述地层位移计和所述土压力盒的数据；其中，当盾构机刀盘到达所述观测断面时，开始模拟隧道开挖面主动失稳过程；当盾构机刀盘掘进至距离所述观测断面一定距离时，开始模拟隧道开挖面的被动失稳过程；所述主动失稳的模拟方法为：控制所述盾构机不再向前掘进，即，设定掘进速度为0mm/min，所述盾构机的刀盘转速设定为0.2 r/min，所述盾构机的螺旋出土器转速设定为1.0 r/min；所述被动失稳的模拟方法为：当所述盾构机的刀盘掘进至距离所述观测断面50 mm时，开始模拟隧道开挖面的被动失稳过程，控制所述盾构机的刀盘与螺旋出土器均被关停，并设定所述盾构机的顶进速度为2 mm/min；（S4）开挖不同埋深的隧道进行试验，重复上述步骤S1至步骤S3，以研究隧道开挖面主动和被动失稳过程中地层的渐进变形规律。 2.如权利要求1所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于在分层填土的过程中，通过土体的相对密度计算出每层填土所需的土体质量后，将土体称重并填充到所述模型箱中，同时用夯锤夯实并用激光水平仪检查；填充达到预定高度后，通过所述激光水平仪确定所述地层位移计和所述土压力盒的具体埋设位置。 3.如权利要求1所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于在隧道开挖面主动失稳破坏试验和隧道开挖面被动失稳破坏试验中，所述地层位移计分别布置于所述盾构机开挖区域内的上方、所述盾构机开挖区域边界的上方以及所述盾构机开挖区域一侧的上方，所述地表位移计分别布置于所述盾构机开挖区域内的上方、所述盾构机开挖区域边界的上方以及所述盾构机开挖区域另一侧的上方，所述土压力盒分别布置于所述盾构机开挖区域内的上方、所述盾构机开挖区域的两侧以及所述盾构机开挖区域的两侧的上方。 4.如权利要求1所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于所述地表位移计同静态应变采集仪连接并由所述静态应变采集仪用于采集和记录所有表面位移和变形数据。 5.如权利要求1所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于所述地层位移计同光栅尺位移监测系统连接。 6.如权利要求1所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于所述模型箱为顶部敞口的立方箱体，包括底板、前端板、后端板、两侧的侧板以及两转角连接板；其中：所述前端板的两端分别通过所述转角连接板与所述侧板相连接；所述转角连接板呈直角状；所述转角连接板的端部与所述侧板的端部以及所述前端板的端部之间均采用橡胶卡接结构；所述后端板的两端部与两所述侧板之间也采用橡胶卡接结构。 7.如权利要求6所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于所述橡胶卡接结构包括橡胶壁板以及贯通轴式直线丝杆机构，所述橡胶壁板的两端分别开设有凸台，所述转角连接板的端部、所述侧板的端部、所述前端板的端部、所述后端板的端部分别开设有卡槽，所述凸台与所述卡槽在尺寸和形状上相对应适配，通过将所述橡胶壁板两端的所述凸台卡接在所要连接板体的端部所述卡槽之中以实现卡接；所述侧板的端部内、所述前端板的端部内以及所述后端板的端部内均预埋有所述贯通轴式直线丝杆机构，所述橡胶壁板的中心开设有供所述贯通轴式直线丝杆机构中的丝杆通过的通孔，通过驱动所述丝杆的前进或后退以微调所述橡胶壁板进行压缩或伸展；对于位于所述侧板与所述转角连接板之间的所述橡胶卡接结构时，所述贯通轴式直线丝杆机构预埋于所述侧板中且所述贯通轴式直线丝杆机构的丝杆前端与所述转角连接板的端部固定连接，对于位于所述前端板与所述转角连接板之间的所述橡胶卡接结构时，所述贯通轴式直线丝杆机构预埋于所述前端板中且所述贯通轴式直线丝杆机构的丝杆前端与所述转角连接板的端部固定连接；对于位于所述后端板与所述侧板之间的所述橡胶卡接结构时，所述贯通轴式直线丝杆机构预埋于所述后端板中且所述贯通轴式直线丝杆机构的丝杆前端与所述侧板的端部固定连接。 8.如权利要求7所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于步骤S3中，所述盾构机布置于支撑台座上并由滚珠丝杆机构驱动前后移动。 9.如权利要求8所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于步骤S3中，在所述盾构机向所述模型箱内钻挖土体的过程中，基于所述盾构机在开挖时对纵向和两侧所产生的挤土效应，控制各所述贯通轴式直线丝杆机构向前支顶以使所述前端板沿纵向位移并使两侧的所述侧板向外侧位移，所述橡胶壁板跟随伸展。 10.如权利要求8所述的一种开挖面主动和被动失稳破坏试验方法，其特征在于基于所述地层位移计的位移数据分别计算所述前端板和所述侧板的所需位移数据。