CN108827669A - 一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，包括：隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。与现有技术相比，本发明具有实际荷载环境模拟程度高、试验准确程度高以及和原型的匹配程度高等优点。

Description

一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统

技术领域

本发明涉及隧道工程物理模型试验技术领域，尤其是涉及一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统。

背景技术

与桥梁、工民建等地上建筑不同，隧道等地下结构由于埋置于复杂的岩土介质体中，致使结构承载能力、力学性态以及与周围岩土体的相互作用机理等等问题存在很大的不确定性，单纯理论分析和数值解析计算结果与工程实际情况有较大的出入，很难用作确切的设计依据。物理模型试验因其可以较好的模拟结构实际受力情况及变形破损特征、有效验证设计施工方案合理性而倍受青睐，近些年在隧道等地下工程建设运维技术攻关中得到广泛应用。

当前，随着地下工程技术和建设规模的迅速发展，修建于软弱破碎围岩或不良地质区段的隧道工程不断增多，周边工程扰动或自然条件演变导致运营期结构外部荷载出现变化，诱发较大变形、甚至开裂，严重影响结构承载安全和使用性能。当前对带病害结构力学性能及加固方法的研究还不够深入，已有技术尚不成熟，“处治方案不合理”、“治标不治本”的情况时有发生，通过室内模型试验真实模拟隧道衬砌结构力学行为、指导加固维修愈发迫切。目前大多数的实验装置主要分为两类，一种是基于地层结构计算理论的模型试验箱，这种设备一方面无法满足较大比例的模型试验，另一方面较难模拟结构实际的荷载环境，岩土体介质物理力学参数的相似也很难实现；另外一种装置就是基于荷载结构计算理论的试验架，这种设备大多数都是将局部衬砌视为受力结构，忽略了实际工程中周围地层对结构变形的约束作用，致使最终实验结果出现很大偏差，无法反推回原型；此外，当前涉及隧道加固维修的仪器设备，研发较少，尚未见详细报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，所述试验系统包括：

隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；

外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；

量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；

伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。

优选地，所述外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，所述载荷施加模块沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°。

优选地，所述载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，所述弧形传力板与隧道二衬模型的外表面连接，所述千斤顶和压力传感器均与伺服控制器连接。

优选地，隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30。

优选地，所述量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，所述应变片分别设置于隧道二衬模型的内表面和外表面，所述数控位移计与隧道二衬模型连接，所述显微镜位于隧道二衬模型的旁侧，所述应变片、数控位移计和显微镜均与伺服控制器连接。

优选地，所述试验系统还包括加固子模块，所述加固子模块通过现场浇筑或黏贴的方式设置于隧道二衬模型的内表面，并与量测子系统连接。

优选地，所述加固子模块包括套拱、黏钢或纤维，所述套拱通过现场浇筑的方式与隧道二衬模型的内表面连接，所述黏钢和纤维均通过黏贴的方式与隧道二衬模型的内表面连接。

优选地，所述加固子模块与隧道二衬模型之间还设有连接分离机构，所述连接分离机构包括短锚杆、防水板、销钉或压条。

优选地，所述试验系统还包括设置于隧道二衬模型下方的辅助支撑子系统，所述辅助支撑子系统包括由上至下依次布置的滚珠、实心木板和混凝土砌块，所述隧道二衬模型设置于滚珠上，所述混凝土砌块直接放置于地面上。

优选地，所述试验系统还包括设置于外部荷载抗力子系统外侧的反力子系统，所述反力子系统包括钢板反力架和环箍，所述外部荷载抗力子系统与钢板反力架连接，所述环箍设置于钢板反力架的外侧，所述钢板反力架的弧度与隧道二衬模型一致。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过在隧道二衬模型外表面全周布设外部荷载抗力子系统，而且该外部荷载抗力子系统通过伺服控制器来进行控制，从而可以实现对实际荷载环境的模拟，解决了现有基于地层结构计算理论的模型试验箱对于荷载环境模拟不准确的问题；而且由于该外部荷载抗力子系统是全周布设于隧道二衬模型外部，解决了现有基于荷载结构计算理论的实验架只能将局部衬砌视为受力结构而忽略了周围地层对结构变形约束作用的问题，因此本发明中的试验系统，模拟准确，试验结果符合实际情况，对于地下工程有着精确的指导作用。

(2)外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°，这样的布设方式，分布均匀，既可模拟整体受力又可模拟局部受力，因此可以较为真实的模拟围岩对结构变形的约束作用。

(3)载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，通过千斤顶实现隧道结构外部荷载环境的模拟，包括拱顶松动荷载、偏压荷载、塑性地压等形式；为有效模拟围岩与隧道相互作用，采用弹簧，并按照抗力系数相似比为1的原则进行控制，实现柔性加载的同时，真实反映围岩对结构变形的约束作用；模拟加载用的千斤顶通过连接板与弹簧组成一套模块借助弧形传力板将集中力转换为均布荷载，施加给隧道结构。

(4)隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30，这样的相似比，可以较好的保证隧道二衬模型的模拟效果。

(5)量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，数控位移计分断面径向位移监测与整体下沉监测两种，断面径向位移测点与千斤顶匹配，每只千斤顶布设一组测点，整体下沉测点布置在两侧边墙起拱线处；隧道二衬模型内外表面黏贴应变片监测结构应力，沿环向每20～30°布设1组，加固过程中，原有应变片不拆除，加固后，加固结构内表面黏贴应变边；针对张开发展的裂缝，利用显微镜精细观察裂缝发展情况；综合断面径向位移、整体下沉及应变数据，可自动分析结构刚度退化情况，从而得到较为精确的试验数据，对于地下工程起到精确的指导作用。

(6)试验系统还包括加固子模块，通过现场浇筑或黏贴的方式设置于隧道二衬模型的内表面，并与量测子系统连接，通过加固子模块的设置，可以精确模拟隧道在加固维修时以及加固维修后的隧道受力情况，而且该加固子模块是通过现场浇筑或黏贴的方式来实现的，真实模拟了加固维修的情况，解决了现有技术中无法模拟加固维修对隧道产生的影响的问题。

(7)加固子模块包括套拱、黏钢或纤维，套拱通过现场浇筑的方式与隧道二衬模型的内表面连接，黏钢和纤维均通过黏贴的方式与隧道二衬模型的内表面连接，根据实际情况选择加固子模块采用的材料，并根据该材料选择相应的模拟加固方式，符合实际情况而且选择灵活，适合普遍推广。

(8)加固子模块与隧道二衬模型之间还设有连接分离机构，所述连接分离机构包括短锚杆、防水板、销钉或压条，该连接分离机构可以有效模拟新旧结构之间的相互作用；而且模拟的方式灵活，可以根据实际情况进行选择，因此模拟效果较好，提高了整个试验装置的准确程度。

(9)试验系统还包括设置于隧道二衬模型下方的辅助支撑子系统，包括由上至下依次布置的滚珠、实心木板和混凝土砌块，该辅助支撑子系统可以有效支撑隧道二衬模型、加固结构模型；而且为减小水平放置隧道结构时自重作用引起的摩阻力影响，隧道二衬模型、加固结构模型与实心木板之间铺设一层滚珠，将静摩擦转化为滚动摩擦。

(10)试验系统还包括设置于外部荷载抗力子系统外侧的反力子系统，包括钢板反力架和环箍，通过该反力子系统可以对外部荷载抗力子系统提供有效的支撑作用，保证外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加的载荷是稳定的。

附图说明

图1为本发明系统的平面结构示意图；

图2为外部荷载抗力子系统的结构示意图；

图3为反力子系统的结构示意图；

图4为拱顶松动荷载作用范围示意图；

图5为偏压荷载作用范围示意图；

图6为衬砌结构小变形开裂截面转角示意图；

图7为拱顶截面转角换算几何关系示意图；

其中，1为隧道二衬模型，2为加固子模块，3为外部荷载抗力子系统，4为伺服控制器，5为反力子系统，51为液压千斤顶，52为压力传感器，53为连接板，54为压缩弹簧，55为弧形传力板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例中提供了一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，该试验系统中，隧道二衬模型1安置在辅助支撑子系统上，沿隧道二衬模型1外表面全周布设外部荷载抗力子系统3，外部荷载抗力子系统3两侧分别与隧道二衬模型1与反力子系统5连接，并与量测子系统一起接入工控机上的伺服控制器4，实现结构外部荷载加卸载及量测数据的采集分析，研究荷载作用下结构变形、裂损情况及不同时机、加固方法下的维修效果。

其中，隧道二衬模型1对应单洞两～四车道的隧道原型，原型/模型几何相似比宜取3～30，模型衬砌厚度宜取4cm以上，不应小于1.5cm，模拟钢筋笼所用的镀锌钢丝网采用双层配筋形式，直径不应大于0.8mm，间距取1.5～2.5cm。辅助支撑子系统由滚珠、实心木板、混凝土方形砌块组成，由上到下依次布置，隧道二衬模型1直接放置于滚珠上；滚珠直径5mm，不少于100颗，用于减少摩阻力对试验结果影响；混凝土方形砌块不少于4块，每块高15cm×宽20cm×长20cm，直接放置于地面上，放置前确保地表平整、无杂物。外部荷载抗力子系统3沿环向每20°～30°布设一套，每套如图2所示，由带自锁功能的电动小量程液压千斤顶51、垫圈形压力传感器52、连接板53、YB型两端圈制扁螺旋压缩弹簧54、弧形传力板55组成，由外到内依次连接；各套之间相互独立、互不影响，控制不同部位千斤顶伸缩可模拟不同范围的拱顶松动荷载、偏压及塑性地压作用模式，拱部及边墙部位支持主动、被动加载两种模式，仰拱部位仅支持被动加载。千斤顶底部通过法兰盘与反力子系统5固定连接，顶部活塞端通过预留攻丝槽孔相继安装垫圈形压力传感器52、连接板53，连接板53与弧形传力板55之间焊接固定1组YB型两端圈制扁螺旋压缩弹簧54；仰拱部位不带千斤顶，垫圈形压力传感器52直接与反力子系统5连接，其他构件连接与拱部位置一致。电动小量程液压千斤顶51最大量程15kN，支持力控制、位移控制两种模式，最小加载量100N或0.1mm，内置橡胶阀门实现自锁，确保油压及持荷效果。YB型两端圈制扁螺旋压缩弹簧54的一组包含3支，沿轴向并联布置，两端圈焊缝应平整，单支弹簧高度不超过10cm，可模拟抗力系数10～150MPa/m，对应Ⅴ～Ⅵ级围岩；弧形传力板55与隧道二衬模型1柔性接触，弧度与隧道二衬模型1一致，将集中荷载转化为均布面荷载，有效保证了结构受力的均匀性和连续性；相邻两套弧形传力板55之间环向净距不得小于2cm，避免结构压缩变形过大时相互挤压影响试验。反力子系统5如图3所示，由热轧一次成型的3cm厚钢板反力架、上下2道槽钢卷制的环箍组成，反力架弧形与隧道二衬模型1一致。量测子系统由黏贴于隧道结构内外两侧的应变片、断面径向变形千分表数控位移计、结构整体下沉千分表数控位移计、显微镜组成。隧道二衬模型1表面需进行打磨处理，在应变测点处平滑涂刷乳胶漆，保持乳胶漆表面光滑平整，然后粘贴应变片，待应变片粘贴牢固后再在其表面涂抹一层AB胶，确保应变片黏结牢固及应变数据的可靠性。伺服控制器4通过测量排线与外部荷载抗力子系统3、量测子系统连接，实现各部位千斤顶的加卸载、持荷及结构位移、应变的测量，同时测算模块实现各阶段刚度的计算、分析，分析时，通过拱应变片量测数据计算拱部截面弯矩M，通过断面径向变形千分表数控位移计以及结构整体下沉千分表数控位移计量测数据计算拱部截面曲率ψ，工控机自动计算短期刚度B_s＝M/ψ，如图6～图7所示，关键步骤如下：

s1)拱部截面弯矩：

s2)拱部截面挠度值：f＝y_o-(y_A+y_B)/2；

s3)拱部截面转角：

s4)拱部截面曲率：

s5)拱部截面短期刚度：

式中E为隧道模型材料弹性模量，ε_内、ε_外为结构内外表面的应变数据；y_o、y_A、y_B分别为拱顶、左右边墙处竖向量测位移值；l为隧道模型断面净宽。

该系统具有如下优点：

a)试验系统由隧道二衬模型1、外部荷载抗力子系统3、量测子系统、反力子系统5、辅助支撑子系统以及伺服控制器4组成，试验对象为隧道二衬模型1、加固结构模型，通过外部荷载抗力子系统3实现外部荷载变化、并模拟围岩与隧道的相互作用，借助量测子系统分析外力作用下原结构及加固结构的力学响应，同时特殊设计了反力子系统5、辅助支撑子系统以及伺服控制子系统辅助荷载的施加。

b)原结构精细化模拟：隧道二衬模型1利用水泥、砂浆材料预制，模拟钢筋混凝土衬砌，带仰拱，为保证模拟效果，规定几何相似比不宜超过30，模型衬砌厚度应大于1.5cm，建议取4cm及以上，镀锌钢丝网内外双层布置，直径不应大于0.8mm，间距取1.5～2.5cm，养护1个月、达到设计强度后才可进行试验。

c)降低摩阻力影响的设计：辅助支撑子系统主要由实心木板、混凝土方形砌块和滚珠组成，混凝土方形砌块不少于4块，每块高15cm×宽20cm×长20cm，直接放置于地面上，其上布置木板，木板长1.2m×宽1.2m×厚3cm，上表面固定一层3mm厚的不锈钢，有效支撑隧道二衬模型1、加固结构模型；为减小水平放置隧道结构时自重作用引起的摩阻力影响，隧道二衬模型1、加固结构模型与实心木板之间铺设一层滚珠，滚珠直径5mm，不少于100颗，将静摩擦转化为滚动摩擦。

d)外部荷载环境、围岩抗力作用模拟及伺服控制：为避免地层结构法试验中荷载环境难以精确控制的缺陷，采用荷载结构法工作原理，通过千斤顶实现隧道结构外部荷载环境的模拟，包括拱顶松动荷载、偏压荷载、塑性地压等形式；为有效模拟围岩与隧道相互作用，采用弹簧，并按照抗力系数相似比为1的原则进行控制，实现柔性加载的同时，真实反映围岩对结构变形的约束作用；模拟加载用的千斤顶通过连接板53与弹簧组成一套系统，借助弧形传力板55将集中力转换为均布荷载，施加给隧道结构；外力荷载抗力子系统沿隧道环向每20～30°布设一套，仰拱部分为被动加载，不布设千斤顶。

进一步的，为控制加载精度，采用电动液压小量程千斤顶，通过研究、测试确定最大量程15kN，单次加载分辨率集中力100N或位移0.1mm，配置橡胶阀，维持油压水平；同时配置了伺服控制系统，可按设定要求、自动的控制每支千斤顶，准备模拟不同部位的加卸载、持荷；为确保荷载施加精度，千斤顶活塞端部预装1支垫圈形压力传感器52，通过铆钉固定，其次再与弹簧连接板53相接；为保证抗力模拟可靠性，采用两端圈制扁的YB型螺栓弹簧模拟地层，弹簧高10cm，两端分别焊接在连接板53、弧形传力板55上，连接板53安装在千斤顶活塞端部，弧形传力板55与隧道二衬模型1接触；每支千斤顶上固定3支弹簧、沿隧道轴向并联布置形成一组，每组弹簧刚度系数换算后对应围岩抗力系数10～150Mpa/m，模拟Ⅴ～Ⅵ级围岩；每组外部荷载抗力子系统3的弧形传力板55弧度与隧道二衬模型1保持一致，确保荷载均布，相邻两组之间应保持一定净距，不小于2cm；从隧道二衬模型1外表面，连接构件向外依次为弧形传力板55、弹簧、传力板、垫圈形压力传感器52、千斤顶、反力架。

e)结构变形及力学响应监测、状态分析：综合垫圈形压力传感器52、千分表位移计、应变片、显微镜共同集成了量测子系统，监测隧道结构模型的变形及应变分布情况；垫圈形压力传感器52用于监测千斤顶主动施加或被动承担荷载；千分表位移计分断面径向位移监测与整体下沉监测两种，断面径向位移测点与千斤顶匹配，每只千斤顶布设一组测点，整体下沉测点布置在两侧边墙起拱线处；隧道二衬模型1内外表面黏贴应变片监测结构应力，沿环向每20～30°布设1组，加固过程中，原有应变片不拆除，加固后，加固结构内表面黏贴应变边；针对张开发展的裂缝，利用显微镜精细观察裂缝发展情况；综合断面径向位移、整体下沉及应变数据，可自动分析结构刚度退化情况。

每组断面径向位移监测测点，配两支千分表位移计，分别监测千斤顶活塞端部位移S_i1和弧形传力板55位移S_i2，进而测算隧道断面径向位移S_i＝S_i2和弹簧压缩量△_i＝S_i1-S_i2，起到校正压力传感器52监测数据的目的；隧道整体下沉监测布置在两侧起拱线处，监测隧道竖向沉降y_A、y_B，记拱顶径向位移y₀，拱顶截面挠度f＝y_o-(y_A+y_B)/2；隧道二衬模型1内外表面对称黏贴一组应变片，沿环向每20～30°布设1组，与千斤顶配套布置；工控机通过短期刚度计算公式B_s＝M/ψ监视刚度发展趋势，记l为隧道模型断面净宽，则拱部截面转角拱部截面曲率拱部截面短期刚度为确保应变片黏结牢固及应变数据的可靠性述，隧道二衬模型1表面需进行打磨处理，并在应变测点处平滑涂刷乳胶漆，保持乳胶漆表面光滑平整，然后粘贴应变片，待应变片粘贴牢固后再在其表面涂抹一层AB胶。

综上所述，本实施例中的试验系统构造机制主要为：将隧道二衬模型1安置在辅助支撑子系统上，沿隧道二衬模型1外表面全周布设外部荷载抗力子系统3，外部荷载抗力子系统3两侧分别与隧道二衬模型1与反力子系统5连接，并与量测子系统一起接入工控机上的伺服控制器4，实现结构外部荷载加卸载及量测数据的采集分析，研究拱顶松动荷载作用下隧道二衬结构的变形、裂损情况，该试验装置的构造过程如下：

步骤一，首先根据模型试验相似原理以及试验条件确定几何相似比CL，应力相似比Cσ、弹模相似比CE均按砂浆材料选定，其余物理量的相似比例就可通过量纲分析方法推导得到的基本相似判据获得。待所有所需物理量的相似比列关系确定后，据此结果制作隧道二衬模型1，浇筑时需在内外侧模具上涂抹一定量的润滑剂，降低拆模时对二衬模型的扰动损害程度；将浇筑好的二衬模型放置在特殊环境下养护，待二衬模型达到强度所需的养护时间后，进行拆模并对二衬模型外表面进行打磨处理。

步骤二，固定辅助支撑子系统。辅助支撑子系统由滚珠、实心木板、混凝土方形砌块组成，混凝土方形砌块不少于4块，每块高15cm×宽20cm×长20cm，直接放置于地面上，放置前确保地表平整、无杂物；其上布置木板，木板长1.2m×宽1.2m×厚3cm，上面表固定一层3mm厚的不锈钢；为减小水平放置隧道结构时自重作用引起的摩阻力影响，在实心木板上表面沿隧道二衬模型1轮廓均匀铺设一层滚珠，滚珠直径5mm，不少于100颗；待辅助支撑子系统固定完整后，将隧道二衬模型1用龙门架水平吊起，缓慢放置于辅助支撑子系统上固定位置处。

步骤三，安装、固定外部荷载抗力子系统3。外部荷载抗力子系统3沿环向每20°～30°布设一套，每套由带自锁功能的电动小量程液压千斤顶51、垫圈形压力传感器52、连接板53、YB型两端圈制扁螺旋压缩弹簧54、弧形传力板55组成，由外到内依次连接，各套之间相互独立、互不影响；仰拱部位不带千斤顶，垫圈形压力传感器52直接与反力子系统5连接，其他构件连接与拱部位置一致。在此过程中需注意两点，一是保证弧形传力板55弧度与隧道二衬模型1保持一致，确保荷载均布；二是确保每组均匀地沿着隧道二衬模型1外轮廓法线方向分布，并且相邻两组之间应保持一定净距，不小于2cm。

步骤四，按照试验所需布设量测子系统。垫圈形压力传感器52固定在连接板53上面，用于监测千斤顶主动施加或被动承担的荷载；千分表位移计分断面径向位移监测与整体下沉监测两种，断面径向位移测点与千斤顶匹配，每只千斤顶布设一组测点，整体下沉测点布置在两侧边墙起拱线处；隧道二衬模型1内外表面黏贴应变片监测结构应力，沿环向每20～30°布设1组；针对张开发展的主裂缝，利用显微镜精细观察裂缝发展情况。

步骤五，将量测子系统的测量排线接入工控机上的伺服控制器4。在连接量测子系统各测量元件的排线时，有两点注意点，一是将垫圈形压力传感器52、千分表位移计以及应变片的测量排线成组分开绑定，二是根据不同测点、不同测量参数，将各排线、各接头按顺序依次进行编号。这样做可以避免混淆不同属性的测量元件，并且降低实验过程中更换损坏测量元件所带来的额外工作量。

步骤六，待上述所有工作完毕，开启伺服控制器4，测试数据归零，然后进行加载，如图4所示。本实施例的加载方式为单调静力加载，加载时只控制拱顶三个千斤顶主动加压，三者所加压力相同，模拟拱顶的松动地压，其压力大小通过压力传感器52进行控制；其余千斤顶作为支撑，与活塞杆前端弹簧一起承受被动抗力，模拟地层的弹性约束。加载时，根据预计破坏荷载值的大小进行分级加载，每级荷载60N(三个主动加载千斤顶顶力均为60N)，荷载稳定20min再开始下一级加载。持荷20min，进行应变数据和位移数据的采集，并用显微镜记录主裂缝的发展过程，每一次读数，各部位测点的测读程序在整个试验过程中宜保持一致，各测点间读数时间间隔不宜过长。

实施例2

本实施例中试验系统结构与实施例1中的结构完全相同，不过本实施例为研究偏压荷载作用下隧道二衬结构变形破坏特性分析研究的试验系统，因此，本实施例中主动荷载施加区域与实施例1不同，具体如图5所示。

实施例3

本实施例中的试验系统增加了加固子模块2，加固子模块2包含套拱、黏钢、纤维3种形式，采用现浇或黏贴方式制作，制作过程中维持隧道二衬模型1外部荷载基本不变，现浇方式模拟叠合式套拱或分离式套拱加固，黏贴方式模拟黏贴钢板或黏贴纤维，而且在加固子模块2与隧道二衬模型1之间增加了连接分离机构，该连接分离机构包括短锚杆、防水板、压条、销钉，如采用叠合式套拱加固，应对隧道二衬模型1内表面凿毛处理，并沿周向按一定间距采用直径3～4mm短锚杆构件连接新旧结构；采用分离式套拱加固，仅敷设一道防水板隔离新旧结构；采用黏贴钢板或黏贴纤维加固，沿周向按一定间距采用直径2-3mm销钉和钢制压条构件连接新旧结构。

如图1所示，将隧道二衬模型1、加固子系统安置在辅助支撑子系统上，隧道二衬模型1与加固子系统之间布设连接分离机构，沿隧道二衬模型1外表面全周布设外部荷载抗力子系统3，外部荷载抗力子系统3两侧分别与隧道二衬模型1与反力子系统5连接，并与量测子系统一起接入工控机上的伺服控制器4，实现结构外部荷载加卸载及量测数据的采集分析，研究荷载作用下结构变形、裂损情况及不同时机、加固方法下的维修效果。

本实施例采用叠合式套拱加固模型，待原始隧道二衬模型1承载力降低到一定程度时，停止加载，保持荷载不变，按照相似原理沿二衬模型内侧浇筑一定厚度的套拱结构模型。在浇筑套拱时，尤须采取措施，对叠合面进行处理，确保新增套拱和原有结构能够成为一个整体。在试验操作过程中，套拱浇筑环节首先需对原衬砌内表面凿毛，使得叠合面足够粗糙，然后钻孔并植入销钉，销钉插入部分裹上环氧树脂，与隧道二衬模型1良好连接。在浇筑套拱砂浆前，清洗灰尘，刷水至表面湿润。

在加固过程中，保留原有隧道二衬模型1内表面应变片，加固后，在加固子系统内表面相应位置再黏贴一组应变边，这样可以通过应变监测数据，预判结构开裂情况及开裂部位，分析拱部截面弯矩；针对逐级加荷过程中不断张开发展的主裂缝，需利用显微镜精细观察裂缝发展情况；并基于断面径向位移、整体下沉及应变数据，还可以自动分析结构刚度退化情况。

Claims (10)

1.一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：

隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；

外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；

量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；

伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。

2.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，所述载荷施加模块沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°。

3.根据权利要求2所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，所述弧形传力板与隧道二衬模型的外表面连接，所述千斤顶和压力传感器均与伺服控制器连接。

4.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30。

5.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，所述应变片分别设置于隧道二衬模型的内表面和外表面，所述数控位移计与隧道二衬模型连接，所述显微镜位于隧道二衬模型的旁侧，所述应变片、数控位移计和显微镜均与伺服控制器连接。

6.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括加固子模块，所述加固子模块通过现场浇筑或黏贴的方式设置于隧道二衬模型的内表面，并与量测子系统连接。

7.根据权利要求6所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述加固子模块包括套拱、黏钢或纤维，所述套拱通过现场浇筑的方式与隧道二衬模型的内表面连接，所述黏钢和纤维均通过黏贴的方式与隧道二衬模型的内表面连接。

8.根据权利要求6所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述加固子模块与隧道二衬模型之间还设有连接分离机构，所述连接分离机构包括短锚杆、防水板、销钉或压条。

9.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括设置于隧道二衬模型下方的辅助支撑子系统，所述辅助支撑子系统包括由上至下依次布置的滚珠、实心木板和混凝土砌块，所述隧道二衬模型设置于滚珠上，所述混凝土砌块直接放置于地面上。

10.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括设置于外部荷载抗力子系统外侧的反力子系统，所述反力子系统包括钢板反力架和环箍，所述外部荷载抗力子系统与钢板反力架连接，所述环箍设置于钢板反力架的外侧，所述钢板反力架的弧度与隧道二衬模型一致。