CN107192602A - 一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备及*** - Google Patents

Abstract

一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备及***，属于隧道试验设备领域。高地应力软岩隧道室内模型试验设备包括：用于固定岩体的试验台架，试验台架设置有容纳空间。高地应力软岩隧道室内模型试验设备还包括提供加载于岩体的作用力的加载工具。高地应力软岩隧道室内模型试验设备还包括测量工具。测量工具包括相互匹配的测量仪和数据处理仪。测量仪用以测量岩体的围岩区域的应力、应变中的一种或两种，数据处理仪包括接受并存储测量仪反馈的测量数据的存储装置。高地应力软岩隧道室内模型试验设备可以用于模拟地下工程问题中常遇到具有各种分布特征的初始地应力，且简单实用的原则，在能满足精度需要的前提下，做到通用性高及可重复利用性好的优点。

Description

一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备及***

技术领域

本发明涉及隧道试验设备领域，具体而言，涉及一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备及***。

背景技术

高地应力软岩隧道室内模型试验设备是物理模型试验的另外一项重要内容。地下工程问题中常遇到具有各种分布特征的初始地应力，良好的模型试验台架要求能够通过简单的操作就可以模拟出这些特征，满足试验后续步骤的开展及结果测量的需要。现有的模拟设备结构相对比较复杂，且不便操作、增加了试验难度。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备，以用于研究高地应力地区隧道施工中围岩变形特征。

在本发明的第二方面，提供了一种高地应力软岩隧道室内模型试验***，以满足高地应力环境的模拟需求，且其具有加载灵活、状态稳定的优点。

本发明是这样实现的：

一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其用于模拟隧道开挖过程中岩体的围岩区域所受作用力下的变形特征。高地应力软岩隧道室内模型试验设备包括：

被配置为固定岩体的试验台架，试验台架设置有容纳空间，容纳空间被配置为容纳岩体.

加载工具，加载工具被配置为提供加载于岩体的作用力.

测量工具，测量工具包括相互匹配的测量仪和数据处理仪，测量仪被配置为测量岩体的围岩区域的应力、应变中的一种或两种，数据处理仪包括接受并存储测量仪反馈的测量数据的存储装置。

在较佳的一个示例中，试验台架为框架结构。

在较佳的一个示例中，试验台架由钢材制作而成。

在较佳的一个示例中，钢材为角钢。

在较佳的一个示例中，加载工具包括加载组件，加载组件包括相互匹配的拉杆和加载螺栓，拉杆被配置为穿设岩体相对的两侧面、且拉杆的两端伸出岩体外分别与一个加载螺栓匹配连接。

在较佳的一个示例中，加载工具包括三个加载组件，三个加载组件呈三维正交布置。

在较佳的一个示例中，每个加载组件中的拉杆数量为四根、且以矩形的方式布置。

在较佳的一个示例中，测量仪还包括连接于位于岩体内的拉杆的部分的应变测量传感器。

在较佳的一个示例中，测量仪还包括测量岩体内的应力的压力测量传感器，压力测量传感器被配置为设置在岩体内的目标测量点。

一种高地应力软岩隧道室内模型试验***，包括前述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备。

上述方案的有益效果：本发明提供的一种高地应力软岩隧道室内高地应力软岩隧道室内模型试验设备及***采用相似原理并结合实际的工程特点，可以模拟实际的隧道开挖过程中岩体在作用力下发生的应力、应变中的一种或两种特性，从而为隧道开挖工程提供数据支持，提高隧道开挖的效率和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备中的试验台架的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备中的应变块的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备中的设置有垫板的加载螺栓的配合结构的第一视角示意图；

图4示出了本发明实施例提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备中的设置有垫板的加载螺栓的配合结构的第二视角示意图；

图5示出了本发明实施例提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备中的位移测量装置与铁丝网的配合结构示意图。

图标：100-试验台架；101-角钢；102-容纳空间；200-应变块；202-应变片；201-尼龙块；300-垫板；303-通孔；108-第一叠区；301-螺母；302-第一端；501-衬砌；502-铝管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

地下工程(如开挖隧道)问题中常遇到具有各种分布特征的初始地应力，良好的模型试验装置能够满足通过简单的操作就可以模拟出上述特征，以达到试验后续步骤的顺序开展及满足结果测量的需要。另外，测量工具也要根据简单实用的原则，在能满足精度需要的前提下，尽可能地做到通用性高及可重复利用性好。

基于前述的内容，发明人提出了一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备，并且通过先加载外力，后开挖的方式进行试验，以便模拟隧道分布开挖过程。

本实施例提供了一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备，是一种三维试验设备。高地应力软岩隧道室内模型试验设备依据相似原理并结合实际工程特点设计而成，其可用于研究高地应力地区隧道施工中围岩变形特征。

高地应力软岩隧道室内模型试验设备包括加载工具和测量工具以及如图1所示的试验台架100。

其中，试验台架100被用于固定待模拟进行开挖隧道的岩体。即岩体是固定在试验台架100内的。试验台架100设置有用于容纳岩体的容纳空间102。在实际的模拟开挖隧道过程中，岩体被固定在容纳空间102内。

作为一种实现方式，试验台架100是由硬质且耐挤压、拉伸的材料制作而成。例如，试验台架100由钢材、钢板、铁板等焊接而成。

参阅图1，较佳地，试验台架100由角钢101焊接而成。试验台架100大体呈长方体型，是一种框架结构。长方体型的试验台架100由12根角钢101焊接而成，12根角钢101构成长方体型的试验台架100棱。12根角钢101组合限定一个长方体型的容纳空间102，待开挖隧道的岩体也为长方体型，且与容纳空间102向匹配。岩体固定在容纳空间102内。

试验台架100的尺寸可以根据具体的岩体特性进行选择，本发明不对其具体尺寸进行限定。试验台架100的定性模型几何相似常数在100～200之间，定量模型几何相似常数在10～50之间，本发明提出的模型试验装置的设计及制作基于几何相似常数为60进行。参照我国高速铁路隧道净空面积标准，见表1，选取200km/h客运专兼顾货物运输单线铁路隧道为研究模拟的对象其净空面积标准值为52m²。在本发明的一些示例中，试验台架100为100cm×70cm×70cm尺寸的长方体。

表1我国高速铁路隧道净空面积标准(m²)

类别	单线	双线
			200km/h客运专线兼顾货物运输	52(53.6)	80(85)
250km/h高速铁路	58	92
			300～350km/h高速铁路	70	100

注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。

基于简化计算和分析的过程，对隧道进行简化，即矩形、直墙拱形和马蹄形等洞室时，可将它们看作面积相当的圆形进行近似计算。结合本模拟高地应力区软岩隧道开挖施工过程中的围岩在时空上的变形特征，在模型试验的隧道截面设计时在一定程度上进行简化，将非圆形隧道按照面积等效的准则换算成圆形截面，根据选定的几何相似常数，确定隧道的直径为13.56cm。

在隧道施工中，岩体在一定的范围内存在扰动，而在距隧道施工范围一定距离以外的岩体仍会保持原岩初始应力状态，所以发生扰动的岩体，即围岩。参考现有模型试验经验及理论分析，在距离洞室中心4r(r为隧道跨度，本实施例中，r为13.56cm)处，岩体仍保持原岩应力状态。本发明实施例中，试验台架100在隧道横断面上的平面尺寸为100cm×70cm，所取的模型围岩区域大于4r。

其中，加载工具是用于提供加载于岩体的作用力的设备。加载工具可以通过在目标研究区域内通过施加面力的方式加载作用力，即在试验台架100的侧面进行加载，从而对岩体施加作用力。加载方式主要有两种：一种是运用“千斤顶+反力架”的组合方式提供集中荷载，加载千斤顶可以采用大型千斤顶或者小型千斤顶群或采用液压囊；另一种是通过对穿螺杆方式提供集中点荷载，此种方式无需反力架，可以为测量***的布置提供充足空间。集中点荷载通过分散梁或分散板最终转化成面荷载作用在围岩相似材料上。

在本发明较佳的示例中，加载工具包括加载组件。作为一种可选的实现方式，加载组件包括相互匹配的拉杆和加载螺栓。在模拟隧道开挖过程中，拉杆穿设岩体相对的两侧面，拉杆的两端伸出岩体外并分别与一个加载螺栓匹配连接。即，一个拉杆和连接在拉杆两端的加载螺栓构成一个加载功能组。

参阅图3和图4，加载组件包括圆柱形的杆体。杆体由第一端302至第二端延伸而成。其中，第一端302形成有螺纹(图3未示出)，第二端形成有螺纹。第一端302和第二端分别通过螺纹连接的方式与螺母301连接。进一步地，第一端302与螺母301之间、第二端与螺母301之间还分别设置有垫板300。两个垫板300分别设置通孔303，并套设在第一端302和第二端。第一端302、一个垫板300、一个螺母301构成一个加载螺栓。第二端、一个垫板300、一个螺母301构成一个加载螺栓。

进一步地，加载工具包括三个加载组件，三个加载组件呈三维正交布置。长方体型的岩体的六个面，以两两相对的方式形成三组侧面。三个加载组件分别一一对应穿设在三组侧面。更进一步地，每个加载组件中的拉杆数量为四根、且以矩形的方式布置。相应地，每个加载组件包括八个加载螺栓。即。每个加载组件包括四根拉杆和八个加载螺栓，具有四个前述的加载功能组。加载功能组由一个拉杆和连接在拉杆两端的加载螺栓构成。

进行模拟实验时，垫板300支撑在分散梁或分散板，并通过调整螺母301使对拉杆(杆体)固定在岩体，从而在进行加载时，由分散板形成面荷载。

由于岩体特性的不同，加载作用力也不同。例如，针对高地应力区软岩隧道施工中的围岩变形特征研究，提供0.2MPa～0.3MPa的初始地应力就可以满足对高地应力的模拟。本发明实施例中，对拉杆(对拉钢杆)采用32mm的钢筋。

其中，测量工具用于对岩体在被施加载荷下的变形特征。测量工具可以包括相互匹配的测量仪和数据处理仪。测量仪用于测量岩体的围岩区域的应力、应变中的一种或两种。数据处理仪包括接受并存储测量仪反馈的测量数据的存储装置。进一步地，数据处理以还可包括对测量数据进行处理的数据处理装置。例如，数据处理仪为基于计算机的工作站，其包括存储器。进一步地，工作站还具有模拟软件，如FLAC3D软件。岩体采用实体单元模拟，弹性模型。变形模量可以为200GPa、泊松比0.2、重度25kN/m³。

工作站主要包括处理器，存储器，总线和通信接口，处理器、通信接口和存储器通过总线连接。处理器用于执行存储器中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口(可以是有线或者无线)实现该***网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

其中，存储器用于存储程序，处理器在接收到执行指令后，执行程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。

处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

由于通过拉杆(钢筋)施加初始地应力，因此，可以在对拉杆上固定应变检测装置以检测应变。作为一种实现方式，应变检测装置固定在对拉杆的中部。应变检测装置可以选用应变片202，其是一种能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。应变检测装置还可以是位移测量设备，例如，百分表。基于百分表测量围岩应变可以采用“沉降板+百分表”的组合方式进行，且测量点在距离隧道圆心1.5r处的变形。

进一步地，为了验证加载工具所施加的载荷，从而定岩土体内部的应力场是否能符合试验要求，可以对岩体内的应力场进行验算。例如，采用数值模拟的方式对试验台架100内的应力场进行初步的验算。

较佳地，在岩体内的多个测量点(目标测量点或监测点)埋设应力测量装置，以检测在加载工具施加载荷时，岩体内的应力。作为一种可选的方案，应力测量装置可以采用土压力盒，例如，XY-TYB3A系列电阻式土压力盒。土压力盒是一种测量土压力的钢弦式传感器，主要用于测量软土和填土中埋设点的土体压力变化；也可测量土体对挡土墙、抗滑桩等表面接触压力。

作为一种实现方式，土压力盒由三个。三个土压力盒的设置位置可以通过以下方式确定：

岩体的六个面两两相对，形成三组侧面。每一组侧面形成一条分布线，且分布线分别垂直于一组侧面的两个相对面。岩体具有三个分布线，且分别为横向线、纵向线、垂向线。三个土压力盒分别一一对应位于三个分布线上，即分别位于横向线、纵向线、垂向线。

当测量点有多个时，例如，在三向加载载荷的情况下，设置多个土压力盒的难度相对较大，且成本亦较高。因此，作为优选的方案，如图2所示的，应变测量装置可以采用固定有应变片202的尼龙块201设计。具体地，应变测量装置包括由尼龙块201和应变仪构成的应变块200。尼龙块201为正方体型，且其三个相邻且正交的侧面分别粘贴一个应变片202，应变片202分别通过数据电缆与应变仪连接。进行模拟实验时，将应变块200埋设在岩体内的测量点处。通过检测三个正交方向的应力和应变情况，可以减少测量点，提高测量的精确度，从而有利于提高简化测量过程，实现对实际隧道过程更真实的模拟。

在本发明的一些示例中，还可以通过在隧道设置支护，从而探索支护与围岩的相互作用，以为实际工程的设计施工提供更精准的参考。支护的方式有多种，例如，用钢筋网和石膏等制作相应的衬砌，再添加用铝丝模拟的锚杆。支护还可以是将初期支护按照抗弯刚度(EI)相等的标准简化为等厚度的铁板或者铝板。

在本发明的较佳示例中，基于刚度等效换算理论，适当增加钢板厚度来体现锚杆及二次衬砌的支护效应，以得到刚度等效支护。通过数值计算的方法，将目前常用的支护方式及对应的支护参数进行分析，将其等效代换为模型试验中用薄铁板进行支护的相应参数。

上述的支护模拟方式不仅可以更全面地体现支护结构整体的支护效应，而且还能够实现变强度支护在模型试验中的实现。另外，为了体现出隧道整个施工过程中的围岩变形情况，支护的选择要允许围岩充分变形，以围岩的最终允许变形量(预留变形量)为标准，通过数值计算和模型试验的方法设计变形等效支护。本发明中的一个示例中，预留变形量为300mm。

进一步地，选用铁丝网作为支护模拟材料。铁丝网的弹性模量可以通过铁丝的粗细度和网格大小进行调整，且价格便宜、制作方便。作为一种实现方式，铁丝网的规格为：铁丝直径1mm，网格0.75cm×0.75cm。

基于隧道设置支护的情况，围岩在被施加载荷后，可以在与监测衬砌变形的监测位置对应处设置多个监测点，通过检测获得衬砌与围岩接触处的围岩变形情况。参阅图5，具体地，通过钢丝实现衬砌与百分表的连接。用螺丝将钢丝一端与衬砌501(主要由钢丝网形成)固定，钢丝另一端连接固定在试验台架100上的百分表。为了防止围岩对钢丝的摩擦干扰，用铝管502(管径可以是0.8cm)套在钢丝外部进行保护。衬砌501上可以设置应变测量装置，例如应变块200。

基于前述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，本实施例还提供了一种高地应力软岩隧道室内模型试验***。高地应力软岩隧道室内模型试验***包括前述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备、岩体、测量设备固定架。

其中，岩体设置在试验台架100的容纳空间102内，岩体设置有供加载工具中的对拉杆穿过的通孔。测量设备固定架连接在试验台架100的由角钢101形成的棱上。测量设备如百分表固定在测量设备固定架，百分表的测量头与位于岩体内的测量原件连接。

本发明提供的高地应力软岩隧道室内模型试验设备可模拟先加载后开挖的隧道工程。

(1)试验台架100及加载装置结合，可以满足高地应力环境的模拟需求，且加载灵活、状态稳定。

(2)隧道支护：用薄铁板模拟隧道支护结构，将喷锚支护、钢拱架支护和二次衬砌支护的整体支护效果体现出来，同时验证了喷锚支护在对高地应力地区软岩隧道的围岩变形控制的作用。

(3)以目前工程中采用的预留变形量为依据，采用数值计算与模型试验相结合的方法，设计了以铁丝网为支护材料的变形等效支护，用于模拟围岩在整个施工过程中的变形情况。对于不同的工程需要，可以通过灵活地变换铁丝网的铁丝直径及网格大小得到需要的支护强度。

(4)围岩变形及应力测量工具：围岩的变形采用“沉降板+百分表”组合的测量工具进行监测。应力变化的测量采用的是以“尼龙块201+应变片202”组合的测量工具，通过一个很小体积的尼龙材料的立方体同时监测三个方向的应力变化状态，可以解决模型试验台架100内空间不足的问题，而且精度度高、经济性好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高地应力软岩隧道室内模型试验设备，用于模拟隧道开挖过程中岩体在受作用力下的变形特征，其特征在于，所述高地应力软岩隧道室内模型试验设备包括：

被配置为固定所述岩体的试验台架，所述试验台架设置有容纳空间，所述容纳空间被配置为容纳所述岩体；

加载工具，所述加载工具被配置为提供加载于所述岩体的作用力；

测量工具，所述测量工具包括相互匹配的测量仪和数据处理仪，所述测量仪被配置为测量所述岩体的围岩区域的应力、应变中的一种或两种，所述数据处理仪包括接受并存储所述测量仪反馈的测量数据的存储装置。

2.根据权利要求1所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述试验台架为框架结构。

3.根据权利要求1所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述试验台架由钢材制作而成。

4.根据权利要求3所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述钢材为角钢。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述加载工具包括加载组件，所述加载组件包括相互匹配的拉杆和加载螺栓，所述拉杆被配置为穿设所述岩体相对的两侧面、且所述拉杆的两端伸出所述岩体外分别与一个所述加载螺栓匹配连接。

6.根据权利要求5所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述加载工具包括三个加载组件，所述三个加载组件呈三维正交布置。

7.根据权利要求5所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，每个所述加载组件中的所述拉杆数量为四根、且以矩形的方式布置。

8.根据权利要求5所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述测量仪还包括连接于在所述岩体内的所述拉杆的部分的应变测量传感器。

9.根据权利要求5所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备，其特征在于，所述测量仪还包括测量所述岩体内的应力的压力测量传感器，所述压力测量传感器被配置为设置在所述岩体内的目标测量点。

10.一种高地应力软岩隧道室内模型试验***，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的高地应力软岩隧道室内模型试验设备。