CN105675363B - 一种模拟深部岩体开挖作业的方法 - Google Patents

一种模拟深部岩体开挖作业的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟深部岩体开挖作业的方法，该方法包括如下述步骤：首先制作由若干埋有铁丝的隧道薄片相互贴合形成的隧道实体试件；接着将隧道实体试件埋入深部岩体模具的对应开挖位置，再对该模具浇铸模拟材料，待固化后形成深部岩体试件；最后按设定开挖作业速度由外向内依次拉动隧道薄片上的外露铁丝，使对应隧道薄片由外向内逐渐破碎，最终形成开挖隧道。其优点是：可降低模拟试验的成本，不需要精确设计掘进和出渣方案，减少模拟试验工作量，提高了工作的效率；由于不使用开挖设备，在开挖过程中基本没有干扰信号的产生，因而模拟试验对相关参数的测试数据精度高。

Description

一种模拟深部岩体开挖作业的方法
技术领域
本发明涉及模拟深部岩体开挖作业。
背景技术
当前我国交通、水利水电、能源、矿山和军事防护都有涉及深部地下工程的问题，在深部高应力环境下的岩体，施工开挖带来的卸荷扰动有可能导致分区破裂、持续大变形和岩爆等灾害。因此为对可能的工程灾害进行预测，目前通常在实验室内模拟工程开挖作业，以研究深部岩体在施工开挖卸荷扰动下的力学行为，以便对深部地下工程可能发生的灾害进行防控。
目前模拟开挖作业是采用微型挖掘设备，并需要设计精确的掘进控制和出渣方案，试验成本高、工作效率低、费时费力，同时开挖设备的电磁、振动、噪声等干扰常常影响试验测试系统的测试精度，使测试不够精确。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，而提出的一种操作方便、成本低廉，并能准确模拟开挖卸荷扰动下的力学行为的模拟深部岩体开挖作业的方法。
上述目的通过下述模拟深部岩体开挖作业的方法得以解决。
该方法包括下述步骤：
1）制作隧道实体试件，该隧道实体试件由与开挖隧道截面相同的若干隧道薄片相互贴合形成，每一隧道薄片用模拟材料浇铸于隧道薄片模具后固化形成，浇铸时在对应模具中埋入至少相互两根交叉的铁丝，且使该两根铁丝的至少一端分别伸出模具外，致使每一隧道薄片至少有两根外露铁丝；
2）制作深部岩体试件，将所述隧道实体试件埋入深部岩体模具的对应开挖位置后，对该模具浇铸模拟材料，待固化后形成深部岩体试件；
3）模拟开挖作业，按设定开挖作业速度由外向内依次拉动隧道薄片上的外露铁丝，使对应隧道薄片由外向内逐渐破碎，最终形成开挖隧道。
为使隧道薄片更好地破损。隧道薄片中的两根交叉的铁丝，基本呈十字形，且交叉点基本位于隧道薄片的中心。
所述模拟材料为脆性岩石模拟材料，该材料包括下列质量份的各组分：20～80质量份的粗骨料，20～80质量份的细骨料，0.25～1.25质量份的松香和5～8质量份的酒精；其中：粗骨料包括粒径为20～40目的任意比例的重晶石砂和石英砂，细骨料为粒径小于500目的重晶石粉。
进一步的，所述脆性岩石模拟材料按下述步骤制备：
1）按各组分所对应的质量份称取组分材料；
2）将重晶石砂、石英砂和重晶石粉充分拌合，形成固体混合料；
3）将所述松香放入容器内，倒入所述酒精，使松香充分溶解于酒精中形成混合溶液；
4）边拌合固体混合料边倒入混合溶液，拌合均匀后形成模拟材料。
更进一步的，所述模拟材料浇铸于隧道薄片模具后置于通风干燥处，固化时间为3～5天
更进一步的，所述模拟材料浇铸于深部岩体模具后置于通风干燥处，固化时间为3～5天。
所述模拟材料为偏硅酸钠胶结岩石模拟材料，该材料包括下列质量份的各组分：20～50质量份的粗骨料，50～80质量份的细骨料， 1～5质量份的无水偏硅酸钠，0.6～3质量份的氟硅酸钠，和10～15质量份的水，其中：粗骨料为粒径20～40目的重晶石砂，细骨料为粒径小于500目的重晶石粉。
进一步的，所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料按下述步骤制备：
1）按各组分所对应的质量份称取组分材料；
2）将无水偏硅酸钠放入容器内，倒入水，充分溶解形成偏硅酸钠溶液；
3）将重晶石砂、重晶石粉及氟硅酸钠充分拌合，形成固体混合料；
4）边拌合固体混合料边倒入偏硅酸钠溶液，形成偏硅酸钠胶结岩石模拟材料。
更进一步的，用所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料浇铸于隧道薄片模具后，压实并置于通风干燥处，固化时间为3～5天脱模，形成所述隧道薄片。
更进一步的，所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料浇铸于深部岩体模具后，压实并置于通风干燥处，固化时间为3～5天脱模，形成所述深部岩体试件。
本发明的有益效果在于，用若干由隧道薄片相互贴合来形成隧道实体试件，并将其预埋于制作深部岩体试件的模具中，既使隧道薄片之间的相互粘结强度低，便于隧道薄片的破损，又使隧道实体试件与深部岩体试件之间存有一定的边界，以便隧道的形成；在隧道薄片中设置交叉的铁丝，利用薄片的结构模拟材料一般为低强度的脆性材料，通过拉动隧道薄片上的铁丝，使形成隧道开挖部分的隧道实体试件逐渐破损，最终在深部岩体试件上形成隧道，在隧道的形成过程中部需要用微型的开挖设备，从而可降低模拟试验的成本，还不需要精确设计掘进和出渣方案，减少模拟试验工作量，提高了工作的效率；由于不使用开挖设备，在开挖过程中基本没有干扰信号的产生，因而模拟试验对相关参数的测试数据精度高。
附图说明
图1是一种深部岩体试件剖视图。
图2是一种隧道薄片的结构示意图。
图3是由图2所示隧道薄片组合成的隧道试件的结构示意图。
图4是一种深部岩体试件的结构示意图。
图5是开挖掉如图3所示的隧道试件后，图1所示的深部岩体试件中所形成的隧道剖视图。
图6是另一种隧道试件的结构示意图。
图7是另一种隧道薄片的结构示意图。
图8是由图7所示隧道薄片组合成的隧道试件的结构示意图。。
图9是另一种深部岩体试件的结构示意图。
图10是开挖掉如图8所示的隧道试件后，图6所示的深部岩体试件中所形成的隧道剖视图。
图11是开挖掉如图3所示的隧道试件后，图4所示的深部岩体试件的示意图。
图12是开挖掉如图8所示的隧道试件后，图9所示的深部岩体试件的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
模拟材料制作实施例之一
本实施例采用脆性岩石模拟材料来制作深部岩体试件及埋于深部岩体试件中的隧道实体试件。
脆性岩石模拟材料主要包括下列组分的材料：粗骨料、细骨料、松香和酒精；其中的：粗骨料采用粒径为任意比例的20～40目的重晶石砂和石英砂，细骨料采用粒径小于500目的重晶石粉，松香起着粘结剂的作用，酒精用于松香溶解，其形成的溶解液用于调和粗、细骨料；上述的各组分材料按下述的质量份比例范围称取。
任意比例的重晶石砂和石英砂 20～80质量份
重晶石粉 20～80质量份，
松香 0.25～1.25质量份，
酒精 5～8质量份。
下面根据上述质量份比例范围给出三组质量份比例的组分材料进行模拟材料的制作。
实施例1
重晶石砂 20质量份，
石英砂 20质量份，
重晶石粉 60质量份，
松香 0.8质量份，
酒精 6质量份。
将按上述质量份称取的重晶石砂、石英砂和重晶石粉倒入搅拌机，进行充分拌合后形成固体混合料；再将按上述质量份称取的松香放入容器内，并倒入称取的酒精，使松香溶解于酒精中，松香完全后形成混合溶液；将该混合溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀后形成模拟材料。
实施例2
重晶石砂 20质量份，
重晶石粉 80质量份，
松香 0.25质量份，
酒精 8质量份。
将按上述质量份称取的重晶石砂、石英砂和重晶石粉倒入搅拌机，进行充分拌合后形成固体混合料；再将按上述质量份称取的松香放入容器内，并倒入称取的酒精，使松香溶解于酒精中，松香完全后形成混合溶液；将该混合溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀后形成模拟材料。
实施例3
石英砂 50质量份，
重晶石粉 50质量份，
松香 1.25质量份，
酒精 5质量份。
将按上述质量份称取的重晶石砂、石英砂和重晶石粉倒入搅拌机，进行充分拌合后形成固体混合料；再将按上述质量份称取的松香放入容器内，并倒入称取的酒精，使松香溶解于酒精中，松香完全后形成混合溶液；将该混合溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀后形成模拟材料。
模拟材料制作实施例之二
本实施例采用偏硅酸钠胶结岩石模拟材料来制作深部岩体试件及埋于深部岩体试件中的隧道实体试件。
偏硅酸钠胶结岩石模拟材料主要包含下列组分的材料：粗骨料、细骨料、无水偏硅酸钠、氟硅酸钠和水；其中的：粗骨料采用粒径为20～40目的重晶石砂；细骨料采用粒径小于500目的重晶石粉；无水偏硅酸钠起着粘结剂的作用；氟硅酸钠为固化剂；水位调和剂，用于溶解无水偏硅酸钠，其形成的溶解液用于调和粗、细骨料和氟硅酸钠。上述的各组分材料按下述的质量份比例范围称取。
重晶石砂 20～50质量份
重晶石粉 50～80质量份，
无水偏硅酸钠 1～5 质量份，
氟硅酸钠 0.6～3质量份，
水 10～15质量份。
下面根据上述质量份比例范围给出三组质量份比例的组分材料进行模拟材料的制作。
实施例1
重晶石砂 20质量份，
重晶石粉 80质量份，
无水偏硅酸钠 5质量份，
氟硅酸钠 2质量份，
水 15 质量份。
将按上述质量份范围称取的偏硅酸钠放入容器内，倒入称取的水，偏硅酸钠完全溶解于水后形成偏硅酸钠溶液，再将按按上述质量份称取的重晶石砂、重晶石粉和氟硅酸钠倒入搅拌机进行充分的拌合，以形成固体混合料；再将偏硅酸钠溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀最终形成模拟材料。
实施例2
重晶石砂 50 质量份，
重晶石粉 50质量份，
无水偏硅酸钠 3质量份，
氟硅酸钠 3质量份，
水 12 质量份。
将按上述质量份范围称取的偏硅酸钠放入容器内，倒入称取的水，偏硅酸钠完全溶解于水后形成偏硅酸钠溶液，再将按按上述质量份称取的重晶石砂、重晶石粉和氟硅酸钠倒入搅拌机进行充分的拌合，以形成固体混合料；再将偏硅酸钠溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀最终形成模拟材料。
实施例3
重晶石砂 30质量份，
重晶石粉 70质量份，
无水偏硅酸钠 1质量份，
氟硅酸钠 0.6质量份，
水 10质量份。
将按上述质量份范围称取的偏硅酸钠放入容器内，倒入称取的水，偏硅酸钠完全溶解于水后形成偏硅酸钠溶液，再将按按上述质量份称取的重晶石砂、重晶石粉和氟硅酸钠倒入搅拌机进行充分的拌合，以形成固体混合料；再将偏硅酸钠溶液倒入处于拌合状态下的固体混合料中，经充分拌合，料液均匀最终形成模拟材料。
模拟深部岩体开挖作业的实施例
有了上述制作好的模拟材料可进行模拟深部岩体的开挖作业，具体实施例如下：
实施例1
首先制作隧道实体试件，如图1，在隧道深部岩体试件1中设置隧道实体试件2，即该隧道实体试件2为隧道深部岩体试件1中被模拟开挖的部分。模拟开挖的隧道截面为圆形，因此隧道实体试件2为圆柱体。而该隧道实体试件2由与隧道圆形截面相同的若干隧道薄片21相互贴合形成，制作该隧道薄片21时，在该薄片的成型模具中埋入两根呈十字交叉的铁丝，且让该两根铁丝的至少一端部分别露出伸出该模具外，然后用上述实施例之一所制成的模拟材料分别浇铸到薄片成型模具中，压实后置于通风干燥处进行固化，固化时间为3～5天脱模，形成如图2所示的圆形隧道薄片21，其直径为200mm，厚度为3mm。根据隧道深度来决定该隧道薄片21的数量，再将该数量的隧道薄片21相互贴合形成如图3所示的隧道实体试件2。
接着制作深部岩体试件，将上述隧道实体试件2置于深部岩体模具中所设计的开挖位置，然后用上述模拟材料制作实施例之一所制成的模拟材料浇铸到深部岩体模具内，使深部岩体试件1具有预埋的隧道实体试件2，然后压实模拟材料并置于通风干燥处进行固化，固化3～5天后脱模，形成如图4的深部岩体试件1。
最后模拟开挖作业，按设定的开挖作业速度20～200mm /h由外到内依次拉动形成挖试件2的若干隧道薄片上的外露铁丝3，隧道薄片由外向内逐渐破碎，形成开挖隧道如图5。这是因为隧道实体试件2和深部岩体试件1先后固化，两者的固化时间不相同，使预埋于岩体试件1中的隧道实体试件2与岩体试件1之间粘贴强度较低，存在一定的边界，加之模拟材料一般为低强度的脆性材料，并制成薄片结构，当拉动埋设隧道薄片21中的铁丝3，其脆弱的结构很容易被破坏，本发明利用上述材料、结构及工艺形成的特点，方便省事地模拟工程开挖过程。
实施例2
首先制作隧道实体试件，如图6，该隧道实体试件2由与隧道截面相同的若干隧道薄片21相互贴合形成，制作该隧道薄片21时，在该薄片的成型模具中埋入两根呈十字交叉的铁丝，且让该两根铁丝的至少一端部分别露出伸出该模具外，然后用上述模拟材料制作实施例之二所制成的模拟材料分别浇铸到薄片成型模具中，压实后置于通风干燥处进行固化，固化时间为3～5天脱模，形成如图7所示的圆形隧道薄片21，其直径为200mm，厚度为3mm。根据隧道深度来决定该隧道薄片21的数量，再将该数量的隧道薄片21相互贴合形成如图8所示的隧道实体试件2。
接着制作深部岩体试件，将上述隧道实体试件2置于深部岩体模具中所设计的开挖位置，然后用上述模拟材料制作实施例之一所制成的模拟材料浇铸到深部岩体模具内，使深部岩体试件1具有预埋的隧道实体试件2，然后压实模拟材料并置于通风干燥处进行固化，固化3～5天后脱模，形成如图9的深部岩体试件1。
最后模拟开挖作业，按设定的开挖作业速度20～200mm /h由外到内依次拉动形成挖试件2的若干隧道薄片上的外露铁丝3，隧道薄片由外向内逐渐破碎，最终形成开挖隧道，如图10。
本发明通过对深部岩体试件1模拟开挖，得到开挖试件，如图11、12，研究人员可以利用该开挖试件进行相关力学模拟试验，以对深部地下工程可能发生的灾害进行探究，从而摸索出防范的策略。

Claims (10)

1.一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：包括下述步骤：
1）制作隧道实体试件，该隧道实体试件由与开挖隧道截面相同的若干隧道薄片相互贴合形成，每一隧道薄片用模拟材料浇铸于隧道薄片模具后固化形成，浇铸时在对应模具中埋入至少相互两根交叉的铁丝，且使该两根铁丝的至少一端分别伸出模具外，致使每一隧道薄片至少有两根外露铁丝；
2）制作深部岩体试件，将所述隧道实体试件埋入深部岩体模具的对应开挖位置后，对该模具浇铸模拟材料，待固化后形成深部岩体试件；
3）模拟开挖作业，按设定开挖作业速度由外向内依次拉动隧道薄片上的外露铁丝，使对应隧道薄片由外向内逐渐破碎，最终形成开挖隧道。
2.根据权利要求1所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述隧道薄片中的两根交叉的铁丝，基本呈十字形，且交叉点基本位于隧道薄片的中心。
3.根据权利要求1所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述模拟材料为脆性岩石模拟材料，该材料包括下列质量份的各组分：20～80质量份的粗骨料，20～80质量份的细骨料，0.25～1.25质量份的松香和5～8质量份的酒精；其中：粗骨料包括粒径为20～40目的任意比例的重晶石砂和石英砂，细骨料为粒径小于500目的重晶石粉。
4.根据权利要求3所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述脆性岩石模拟材料按下述步骤制备：
1）按各组分所对应的质量份称取组分材料；
2）将重晶石砂、石英砂和重晶石粉充分拌合，形成固体混合料；
3）将所述松香放入容器内，倒入所述酒精，使松香充分溶解于酒精中形成混合溶液；
4）边拌合固体混合料边倒入混合溶液，拌合均匀后形成模拟材料。
5.根据权利要求4所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述模拟材料浇铸于隧道薄片模具后置于通风干燥处，固化时间为3～5天。
6.根据权利要求4所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述模拟材料浇铸于深部岩体模具后置于通风干燥处，固化时间为3～5天。
7.根据权利要求1所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述模拟材料为偏硅酸钠胶结岩石模拟材料，该材料包括下列质量份的各组分：20～50质量份的粗骨料，50～80质量份的细骨料， 1～5质量份的无水偏硅酸钠，0.6～3质量份的氟硅酸钠，和10～15质量份的水，其中：粗骨料为粒径20～40目的重晶石砂，细骨料为粒径小于500目的重晶石粉。
8.根据权利要求7所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料按下述步骤制备：
1）按各组分所对应的质量份称取组分材料；
2）将无水偏硅酸钠放入容器内，倒入水，充分溶解形成偏硅酸钠溶液；
3）将重晶石砂、重晶石粉及氟硅酸钠充分拌合，形成固体混合料；
4）边拌合固体混合料边倒入偏硅酸钠溶液，形成偏硅酸钠胶结岩石模拟材料。
9.根据权利要求8所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：用所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料浇铸于隧道薄片模具后，压实并置于通风干燥处，固化时间为3～5天脱模，形成所述隧道薄片。
10.根据权利要求8所述的一种模拟深部岩体开挖作业的方法，其特征在于：所述偏硅酸钠胶结岩石模拟材料浇铸于深部岩体模具后，压实并置于通风干燥处，固化时间为3～5天脱模，形成所述深部岩体试件。
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