CN107328898A - 穿越断层隧道开挖模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，利用两两铰接的短钢板模拟由围岩容重差异或高程差异导致的不均匀的围岩压力。铰接短钢板能传递剪力但不传递弯矩，使得模拟不均匀围岩压力的同时又不会因压力骤变而产生剪切破坏成为可能；通过纱网能灵活控制断层的厚度及倾角，得出更符合实际的断层模型，尤其在松软断层中更为明显；隧道衬砌模型两端的马蹄形软胶垫既能防止围岩材料进入隧道，又能防止出现因隧道结构与前后两侧的钢化玻璃在压力作用下直接接触产生的集中应力导致隧道衬砌模型破坏或钢化玻璃破裂的现象。本方案能做到通过控制单一变量研究断层地质对隧道的定量影响。
Description
技术领域
本发明涉及隧道试验技术领域，具体涉及穿越断层隧道开挖模拟实验装置。
背景技术
隧道在穿越断层时，极易出现塌方、大变形、突水突泥等工程问题，这将极大增加工程难度与费用，甚至造成安全事故。开展模型试验对断层破碎带进行施工力学、围岩破坏规律及围岩稳定性研究能有效预防或处置该类灾害。
现有技术中，西南交通大学于2016年申请的申请号为201610004012.0的模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法，公开了其装置的构成是无盖的模型试验箱由活动的左半箱和固定的右半箱构成，左半箱通过加载板及水平加载装置连接于反力架上，通过下方的竖向加载装置连接于底座的水平移动副上，右半箱直接通过高强螺栓固定于底座上，右半箱的斜边与左半箱的斜边平行，且通过移动副连接。模型试验箱内设置有用于固定隧道模型的模型空间旋转支架。该装置能够模拟不同形式（走滑、倾向、斜向）、不同空间位置（隧道与断层交角、倾角关系）位移同步控制加载的活动断层粘滑错动下隧道破坏机制的试验，为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。
但是，现有的断层模型穿越断层隧道开挖模拟实验在隧道埋深、断层厚度、断层倾角与断层与隧道轴线夹角等方面过于单一，无法精确控制变量，进而研究隧道稳定性与各因素之间的定量关系，所测得的结果在实际应用中常有难以调适的偏差，不具有代表性，因此难以灵活适应多变的工程实际地质情况。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，能灵活控制隧道埋深、断层厚度、断层倾角、断层与隧道轴线夹角等变量，能适应各种断层环境的试验装置。
本发明提供的一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，包括试验箱体1，固定钢架2、U型钢3、角钢4、千斤顶5、传力钢板7、围岩模拟材料9、断层模拟材料10、隧道衬砌模型11、差动式数显位移计13、应变式土压力盒14、铰接装置16；
固定钢架2下端穿过试验箱体1，固定钢架2为四组，四组固定钢架2沿隧道轴向平行分布；固定钢架2之间下端通过U型钢架3连接，下端通过角钢4相连接；千斤顶5上顶固定于固定钢架2的上部，千斤顶5的下顶设置于传力钢板7上；传力钢板7由四块短钢板通过铰接装置16拼接而成，每节短钢板上设置有千斤顶5；传力钢板7与试验箱体1所围空间填充围岩模拟材料9及断层模拟材料10；隧道衬砌模型1沿试验箱体1长度方向穿过围岩模拟材料9和断层模拟材料10；差动式数显位移计13和应变式土压力盒14沿隧道衬砌模型11初衬外侧布设。
进一步的，围岩模拟材料9和断层模拟材料10之间以纱网8相隔，纱网8用射钉15固定在试验箱体1上。
进一步的，隧道衬砌模型11两端通过马蹄形软胶垫12与试验箱体1相连。
进一步的，千斤顶5下顶与传力钢板7之间设置有防滑垫块6。
进一步的，试验箱体1左、右、下三面为内侧木板外侧钢板的复合结构。
进一步的，试验箱体1前后两侧为透明钢化玻璃。
进一步的，围岩模拟材料9由河沙、石英砂、粉煤灰、机油配制而成。
进一步的，断层模拟材料10由细砂、粉煤灰和锯末配制而成。
进一步的，U型钢3和角钢4的接连处用紧固螺钉固定。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：
本发明提供一种穿越断层隧道开挖模拟的实验装置，利用两两铰接的短钢板模拟由围岩容重差异或高程差异导致的不均匀的围岩压力。铰接短钢板能传递剪力但不传递弯矩，使得模拟不均匀围岩压力的同时又不会因压力骤变而产生剪切破坏成为可能；通过纱网能灵活控制断层的厚度及倾角，得出更符合实际的断层模型，尤其在松软断层中更为明显；隧道衬砌模型两端的马蹄形软胶垫既能防止围岩材料进入隧道，又能防止出现因隧道结构与前后两侧的钢化玻璃在压力作用下直接接触产生的集中应力导致隧道衬砌模型破坏或钢化玻璃破裂的现象。本方案能做到通过控制单一变量研究断层地质对隧道的定量影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明穿越断层隧道开挖模拟的实验装置的示意图。
图2为本发明穿越断层隧道开挖模拟的实验装置的侧向示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
请参阅图1至图2，本实施例提供的一种穿越断层隧道开挖模拟的实验装置，包括试验箱体1、固定钢架2、U型钢3、角钢4、千斤顶5、防滑垫块6、传力钢板7、纱网8、围岩模拟材料9、断层模拟材料10、隧道衬砌模型11、马蹄形软胶垫12、差动式数显位移计13、应变式土压力盒14、射钉15和铰接装置16。试验箱体1左、右、下三面为内侧木板外侧钢板的复合结构。试验箱体1前后两侧为透明钢化玻璃。固定钢架2下端穿过模型箱体1，四组固定钢架2沿隧道轴向平行分布，钢架之间用U型钢3、角钢4连接，接连处用紧固螺钉固定，千斤顶5上顶固定钢架2上部，下置防滑垫块6，防滑垫块6下置传力钢板7，传力钢板由四块钢板通过铰接装置16拼接而成，每节短钢板上设置有千斤顶5，千斤顶5和加载控制器相连接。传力钢板7与模型箱体1所围空间填充围岩模拟材料9及断层模拟材料10，围岩模拟材料9由河沙、石英砂、粉煤灰、机油配制而成，根据具体的工程地质通过实验控制粘聚力、内摩擦角、容重、弹性模量与泊松比来确定配合比。断层模拟材料10由细砂、粉煤灰和锯末配制而成，根据具体的工程地质通过直剪实验控制粘聚力、内摩擦角来确定配合比。围岩模拟材料9及断层模拟材料10中间以纱网8相隔，即用纱网控制断层厚度和倾角。纱网8用射钉15固定在模型箱体1上，隧道衬砌模型11沿模型箱体1长度方向穿过围岩模拟材料9及断层模拟材料10，差动式数显位移计13与应变式土压力盒14沿隧道衬砌模型11初衬外侧布设，差动式数显位移计13与应变式土压力盒14与PC端相连接。隧道衬砌模型11两端通过马蹄形软胶垫12与试验箱体1相连。
利用两两铰接的短钢板模拟由围岩容重差异或高程差异导致的不均匀的围岩压力。铰接短钢板能传递剪力但不传递弯矩，使得模拟不均匀围岩压力的同时又不会因压力骤变而产生剪切破坏成为可能；通过纱网能灵活控制断层的厚度及倾角，得出更符合实际的断层模型，尤其在松软断层中更为明显；隧道衬砌模型两端的马蹄形软胶垫既能防止围岩材料进入隧道，又能防止出现因隧道结构与前后两侧的钢化玻璃在压力作用下直接接触产生的集中应力导致隧道衬砌模型破坏或钢化玻璃破裂的现象。本方案能做到通过控制单一变量研究断层地质对隧道的定量影响。
采用上述装置进行实验时，具体实施步骤为：
1、集合模型尺寸的拟定。根据1:20的几何相似比确定试验箱体尺寸为5.5m（横向）×10m（纵向）×3.5m（高），隧道跨度B=60cm，高H=45cm（对应原型B=12m，H=9m），衬砌厚度为1.2m（原型为24cm）。
2、围岩模拟材料与断层模拟材料的配置。先通过直剪试验、单向压缩试验、三轴压缩试验和密度试验获得围岩的粘聚力、内摩擦角、容重、弹性模量与泊松比以及断层的粘聚力、内摩擦角，根据测试结果调节模型土的材料配比，直到获得期望的物理参数值。配比方法为：以河砂为基本材料，石英砂用以调节强度和弹性模量，粉煤灰用以围岩相似材料细颗粒，机油用以调节围岩相似材料的凝聚力和内摩擦角。
3、试验装置的安装。先安装试验箱体和固定钢架，设置好两层平行纱网的倾角以及对隧道轴线的夹角，在纱网上预留好轮廓线，用预制好的隧道衬砌模型穿过预设值倾角的纱网，在隧道衬砌模型外侧安装差动式数显位移计和应变式土压力盒。分别在纱网与箱体内壁之间及两层纱网中填入断层模拟材料与围岩模拟材料。
4、围岩压力的设定。根据模拟的具体地质与地形设置各个千斤顶的施压参数。
5、按照预先设置的参数进行施压，观察隧道衬砌模型并读取差动式数显位移计、应变式土压力盒的读数，记录外观情况与数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：包括试验箱体（1），固定钢架（2）、U型钢（3）、角钢（4）、千斤顶（5）、传力钢板（7）、围岩模拟材料（9）、断层模拟材料（10）、隧道衬砌模型（11）、差动式数显位移计（13）、应变式土压力盒（14）、铰接装置（16）；
所述固定钢架（2）下端穿过试验箱体（1），所述固定钢架（2）为四组，所述四组固定钢架（2）沿隧道轴向平行分布；所述固定钢架（2）之间下端通过U型钢架（3）连接，下端通过角钢（4）相连接；所述千斤顶（5）上顶固定于固定钢架（2）的上部，所述千斤顶（5）的下顶设置于传力钢板（7）上；所述传力钢板（7）由四块短钢板通过铰接装置（16）拼接而成，所述每节短钢板上设置有千斤顶（5）；所述传力钢板（7）与试验箱体（1）所围空间填充围岩模拟材料（9）及断层模拟材料（10）；所述隧道衬砌模型（11）沿试验箱体（1）长度方向穿过围岩模拟材料（9）和断层模拟材料（10）；所述差动式数显位移计（13）和应变式土压力盒（14）沿隧道衬砌模型（11）初衬外侧布设。
2.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于： 所述围岩模拟材料（9）和断层模拟材料（10）之间以纱网（8）相隔，所述纱网（8）用射钉（15）固定在试验箱体（1）上。
3.根据权利要求2所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述隧道衬砌模型（11）两端通过马蹄形软胶垫（12）与试验箱体（1）相连。
4.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述千斤顶（5）下顶与传力钢板（7）之间设置有防滑垫块（6）。
5.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述试验箱体（1）左、右、下三面为内侧木板外侧钢板的复合结构。
6.根据权利要求5所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述试验箱体（1）前后两侧为透明钢化玻璃。
7.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述围岩模拟材料（9）由河沙、石英砂、粉煤灰、机油配制而成。
8.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述断层模拟材料（10）由细砂、粉煤灰和锯末配制而成。
9.根据权利要求1所述的穿越断层隧道开挖模拟实验装置，其特征在于：所述U型钢（3）和角钢（4）的接连处用紧固螺钉固定。
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