一种下穿高地应力采空区隧道模型试验方法与流程

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，涉及一种下穿高地应力采空区隧道模型试验方法。

背景技术：

隧道力学的理论分析不能够完全反映实际工程状况，因此国内外很多学者提出了模型试验研究方法，在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真实、全面、直观地反映隧道开挖过程中围岩的受力特征、变形趋势和稳定性特点，因此隧道模型试验成为了研究隧道问题的重要方法。其中，在隧道模型试验过程中，选择与原型隧道衬砌、原型围岩材料、原型采空区材料力学性能相似的模型材料是模型试验的基础，也是模型试验能否成功的关键。软弱夹层是对实际工程具有较大危险系数的特殊岩体，相较于其他岩体，采空区区域具有较大孔隙率、较强的离散性、且围岩稳定性差等特点。因此，为了准确模拟出岩体结构中的采空区，需要能够满足相似关系的采空区模型材料及基于该材料的隧道模型试验方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种下穿采空区隧道围岩稳定性研究的模型试验方法，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，能充分模拟高地应力及下穿采空区隧道围岩实际工况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种下穿高地应力采空区隧道模型试验方法，将围岩相似材料、采空相似材料填充入隧道模型试验箱进行隧道岩土试验，其特征在于，包括以下步骤：将隧道模型试验箱固定放置于地面并调平；制作衬砌模型，并在衬砌模型内侧和外侧布置若干个用于测试其压力和形变的应变片；将围岩相似材料依次分层填入隧道模型试验箱，每层填装完成后进行振捣压实，当所述围岩相似材料填装与第一平面垂直距离为a时，置入衬砌模型，继续填充围岩相似材料，使围岩与衬砌模型紧密接触，并在围岩上布置若干个压力盒、位移计，所述第一平面为隧道模型试验箱底座所在的平面，当所述围岩相似材料填装至与第一平面垂直距离为b时，继续填入围岩相似材料至围岩远离地面的一侧与第一平面的夹角为15°至30°的位置，振捣压实后沿围岩连续均匀地填充采空区相似材料，根据试验要求布置相应厚度的采空区，然后在所述采空区上布置若干个压力盒、位移计，再沿远离所述第一平面的方向连续均匀地分层填筑围岩相似材料，直至达到距所述第一平面的垂直距离为c时停止填筑，其中c>b>a，根据实验需求调整a、b、c的大小；围岩相似材料养护完成后，使用钢板盖上围岩，并用伺服压力机对隧道模型试验箱平行和垂直于第一平面的方向施加压力，期间采集并分析围岩的压力、位移和衬砌的压力、形变。

优选地，制作衬砌模型时使用到衬砌模具，所述衬砌模具包括内模、外模、固定杆、模具底板以及模具盖板组装而成，所述内模及外模上设置有与固定杆相匹配的通孔，所述内模外侧和外模内侧均设有钢板；所述外模包括第一外模和第二外模，并通过外模连接器进行拼接固定；将内模和外模通过固定杆固定于模具底板上，再通过外模连接器将第一外模和第二外模拼接固定，完成衬砌模具的准备。

优选地，衬砌模型制作方法具体为：在内模外侧和外模内侧依次固定塑料薄膜及钢筋网；将衬砌模型材料搅拌均匀后缓慢倒入内模与外模组成的空隙中，并用振动棒振捣衬砌模型材料；在衬砌模具盖板涂上凡士林，并用所述衬砌盖板将衬砌模具密封；在室温环境中静置数天取出成型的衬砌模型。

优选地，位移计均匀布置在所述采空区靠近及远离所述衬砌模型的端面处。

优选地，压力盒在衬砌周围沿平行或/和垂直于第一平面的方向设置。

优选地，所述压力盒包括用于测试水平方向压力的水平压力盒及用于测试竖直方向压力的竖直压力盒，所述水平压力盒与竖直压力盒成对设置，以测试同一位置的水平压力和竖直压力。

优选地，衬砌模型材料、围岩相似材料及采空区相似材料均由石英砂、石膏、重晶石粉、水依次按质量比1：1：1.8：2、1：1：5.5：0.6及1：1.5：2.5：0.8混合而成。

优选地，a为600mm至800mm、b为640mm至850mm、c为2000mm至2200mm，采空区的厚度为200mm至250mm。

优选地，填充围岩相似材料时每层厚度为8cm至15cm。

优选地，所述隧道模型试验箱采用钢材焊接成型。

本发明的有益效果在于：隧道模型试验箱由钢材焊接而成，尺寸大、强度高，可以承受较高的应力；衬砌模具组装简单，制作衬砌模型时，在衬砌模具内粘贴塑料薄膜和钢丝网，容易取出成型的衬砌模型，且衬砌模型刚度大；采空区相似材料由石英砂、石膏、重晶石粉、水按质量比1：1.5：2.5：0.8混合而成，较大孔隙率和较强的离散性，物理和力学性能稳定，较真实的模拟实际采空区；采用伺服压力机在竖向和侧向给隧道模型试验箱精准的施加压力，较真实模拟隧道高地应力，最终的试验结果更能体现真实情况。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中隧道模型试验箱主视图；

图2为本发明中隧道模型试验箱左视图；

图3为本发明中衬砌模具组装结构示意图；

图4为本发明中采空区铺设位置示意图；

图5为本发明中位移计布置图；

图6为本发明中压力盒布置图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1-图6，附图中的元件标号分别表示：隧道模型试验箱1、试验箱底座11、栅格框架12、侧压加载板13、前盖板14、围岩2、衬砌模型3、内模31、第一外模32、第二外模33、外模连接器34、固定杆35、模具底板36、采空区4、位移计5、水平压力盒61、竖直压力盒62。

本发明提供一种下穿高地应力采空区隧道模型试验方法，将围岩相似材料、采空相似材料填充入隧道模型试验箱1进行相应隧道岩土试验。

本实施例中，隧道模型试验箱1由钢材的试验箱底座11、栅格框架12、前盖板14焊接组装而成，长方体结构，其两边还设置有用于加载水平压力的侧压加载板13。所述隧道模型试验箱1的长×高×宽为2.5m×2.5m×1.25m，其尺寸相似比为1:30。

本实施例中，衬砌模具包括内模31、外模、固定杆35、模具底板36及模具盖板组装而成，所述内模31及外模上设置有与固定杆35相匹配的通孔，所述外模包括第一外模32和第二外模33，所述第一外模32与第二外模33通过外模连接器34进行拼接固定。为增加模具的刚度，内模31的外侧和外模的内侧均设有1.5mm厚的钢板。使用时将内模31和外模通过固定杆35固定于模具底板36上，再通过外模连接器34将第一外模32和第二外模33拼接固定，完成衬砌模具的准备。

利用上述隧道模型试验箱1及衬砌模具进行隧道岩土实验的步骤如下：

(1)将隧道模型试验箱1固定放置于地面，并调平。

(2)使用衬砌模具将制作衬砌模型3，并在所述衬砌模型3内侧和外侧布置若干个用于测试其压力和形变的应变片。

(3)将围岩相似材料依次分层填入隧道模型试验箱1，每层填装完成后进行振捣压实，每层厚度为10cm；当所述围岩相似材料填装与第一平面垂直距离为a时，置入步骤(2)所述的衬砌模型3，继续填充围岩相似材料，使围岩2与衬砌模型3紧密接触，并在围岩2上布置若干个压力盒、位移计5，所述第一平面为试验箱底座11所在的平面；当所述围岩相似材料填装至与第一平面垂直距离为b时，继续填入围岩相似材料至围岩2上表面与第一平面的夹角为15°至30°的位置；振捣压实后沿围岩2连续均匀地填充采空区相似材料，根据试验要求布置相应厚度的采空区4，然后在所述采空区上布置若干个压力盒、位移计5；最后再沿远离所述第一平面的方向分层填入围岩相似材料，直至达到距所述第一平面的垂直距离为c，完成整个围岩2的填筑；其中c>b>a，根据实验需求调整a、b、c的大小。

(4)所述步骤(3)中的围岩2养护40天后，围岩2顶端覆盖1.5cm厚的钢板，用伺服压力机对隧道模型试验箱1施加竖直向下、水平向左、水平向右的大小为1mpa的压力；所述应变片、位移计5及压力盒均与信号采集装置电性相连，所述信号采集装置用于收集位移和力信号，在施加压力过程中通过信号采集系统采集并分析围岩2的压力、位移和衬砌的压力、形变。

其中具体的：

步骤(2)中所述衬砌模型3制作方法具体为：首先，在内模31外侧和外模内侧依次固定塑料薄膜及钢筋网，并组装好衬砌模具；而后，将衬砌模型材料搅拌均匀后缓慢倒入内模31与外模组成的空隙中，并用振动棒振捣衬砌模型材料，以防产生气泡；然后，在衬砌模具上盖板内侧涂上凡士林，并用所述衬砌盖板将衬砌模具密封；最后，在室温25°的环境中静置三天取出成型的衬砌模型3。

步骤(3)中a为700mm、b为734.25mm、c为2200mm，采空区4与所述第一平面的倾角为20°，采空区4的厚度为220mm。换言之，采空区4详细的铺设步骤为：首先，将围岩相似材料填入到700mm高度时，将预制好的衬砌模型3放入隧道模型试验箱1内，并继续填入围岩相似材料至734.25mm高度时暂停填筑；而后，使最左侧的围岩2高度暂且保持不变，以水平20°倾角从左至右填入围岩相似材料，在此过程中用量角器控制角度，当最右侧的围岩2填至1644.17mm高度时暂停填筑，并用量角器检测斜面是否大致与第一平面呈20°的倾角；然后，保持水平倾角20°连续均匀地填筑采空区相似材料，使最左侧填筑高程达968.37mm，最右侧高程达到1878.30mm时暂停填筑，再次用量角器检测斜面是否大致与第一平面呈20°的倾角；最后，从下往上依次连续地填筑围岩相似材料，填埋由下往上分层摊铺，每层为10cm厚，每浇注一层后进行振捣压实，最终左右均铺至设计高程2200mm时完成填筑。

所述步骤(3)中位移计5均匀布置在所述采空区4靠近及远离所述衬砌模型3的端面处，所述采空区4的两端分别设置有8个位移计5。

所述步骤(3)中的压力盒在衬砌周围沿平行或/和垂直于第一平面的方向设置。所述压力盒包括用于测试水平方向压力的水平压力盒61及用于测试竖直方向压力的竖直压力盒62，所述水平压力盒61与竖直压力盒62成对设置，以便测试同一位置的水平压力和竖直压力。具体设置时，保证压力盒遍布在衬砌模型的3周围，且采取区4内部、采空区4上下的围岩2区域均布置有压力盒。

本实施例根据现有研究技术，所述衬砌模型3材料选用石英砂、石膏、重晶石粉、水为原材料，通过直剪试验以及gds三轴压缩试验，得到模拟衬砌的衬砌相似材料的配比为1：1：1.8：2；围岩相似材料及采空区相似材料也均由石英砂、石膏、重晶石粉、水混合而成，依次的质量比为1：1：5.5：0.6及1：1.5：2.5：0.8。

本发明中采空区相似材料采用石英砂、石膏、重晶石粉、水按一定配比制成，具有较大孔隙率和较强的离散性，物理和力学性能稳定，较真实的模拟实际采空区4；隧道模型试验箱1由钢材焊接而成，尺寸大、强度高，可以承受较高的应力；衬砌模具组装简单，制作衬砌模型3时，在衬砌模具内粘贴塑料薄膜和钢丝网，容易取出成型的衬砌模型3，且衬砌模型3刚度大；采用伺服压力机在竖向和侧向给隧道模型试验箱1精准的施加压力，较真实模拟隧道高地应力，最终的试验结果更能体现真实情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。