CN110132711B - 一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法，属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域。该方法中通过使用特定的井字架，能够更好地模拟实际工程中陡倾节理地层小净距大断面隧道的分部开挖，其中该井字架中支撑部由钢板焊接而成，钢板完全隔开，减小分块开挖时，正在开挖部分对未开挖部分岩土体的扰动，同时承担临时支撑的作用；井字架中特定尺寸的拱圈在模拟隧道开挖过程中能够起到良好的支护作用，井字架中特定厚度的铁皮，将隧洞内填充的围岩与开挖限界外侧围岩隔离开，该铁皮刚度满足变形要求，内部填充围岩材料并压实后可有效的保证开挖限界。该方法能够真实、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。

Description

一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法。

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。

在隧道模型试验过程中，选择与实际工程力学性质相似的材料是模型试验的基础，也是模型试验能否成功的关键。目前，试验室隧道模型试验采用的初期支护相似材料通常有：等效抗拉强度、抗弯刚度的铝丝、铁丝等。李伟采用直径0.1mm的铝丝模拟锚杆杆体，采用直径5mm的铁丝模拟钢支撑【李伟.基于构造地应力环境的隧道开挖支护模型试验和数值模拟研究[D].长沙理工大学,2011.】，该材料虽然能够模拟锚杆，但铝丝直径过细，且其刚度并不能够满足，压实过程中容易变形，难以控制，同时其模型试验较小不能宏观的显示试验规律；张治国利用空心铝管模拟隧道衬砌，并用充满水的橡皮膜模拟隧道围岩的变形，空心铝管截面并不能符合隧道多心圆截面，只能局限模拟盾构开挖技术，利用充水橡皮膜比较实验室调配的围岩材料模拟围岩变形不能贴切的实际的围岩刚度要求，充水橡皮膜刚度较小，不能发挥围岩的支撑作用；邵珠山依赖先进的实验装置模拟围岩蠕动变形特点，操作复杂且千斤顶分布要求较高，若千斤顶分布不均，易发生应力集中，造成实验失败。因此，为了能够真实、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，需要使用与实际工程力学性质相似的材料及基于该材料的隧道模型试验方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法，所述方法包括如下步骤：

首选，将隧道模型试验箱调平，所述隧道模型试验箱正面和背面的中部对称设置有观测窗口，所述观测窗口内设置有处于同一水平相距0-2.5B的左、右两个相同的隧道，在所述隧道模型试验箱正面标记出陡倾节理地层位置，所述位置具体为：所述陡倾节理地层沿所述隧道模型试验箱正面左下角向右上角倾斜，斜穿左侧隧道，右侧隧道则处于所述陡倾节理地层下方；所述B为所述隧道的跨度；

然后，向所述左、右两个相同的隧道中置入与所述隧道大小匹配的井字架，以标记的陡倾节理地层位置为分界线，在所述分界线上方填充砂质泥岩相似材料，所述分界线下方填充砂岩相似材料，分界线上铺设节理相似材料，并在填充各材料的过程中埋入压力传感器；所述井字架的长度等于所述隧道模型试验箱正面和背面的距离，所述井字架由端面呈井字以钢板焊接而成的支撑部、包围所述支撑部侧面的外围层、环绕在所述外围层中部的拱圈和与所述拱圈可拆卸连接的若干根锚杆组成；

最后，经养护后将所述压力传感器与采集器和电脑连接，分别在各井字架分隔出的三行三列共9个区域上标记开挖顺序编号，根据所述开挖顺序编号进行加载开挖试验，挖掘完成后取出两个井字架，进行数据处理，即可；所述各井字架的开挖顺序编号具体为，按从左到右的顺序，第一行的编码为①、⑦、②，第二行的编码为③、⑧、④，第三行的编码为⑤、⑨、⑥。

优选的，所述陡倾节理地层与水平面的夹角为20°-45°。

优选的，所述陡倾节理地层位置标记好后，接着在所述隧道模型试验箱正面的观测窗口上水平绘制等分刻度线，在后续填充砂质泥岩相似材料、砂岩相似材料和铺设节理相似材料时，当到达各等分刻度线时以带有相同规定颜色的三种材料进行填充，而其它地方则以未带有规定颜色的三种材料进行填充和铺设。

优选的，所述钢板的厚度为2mm。

优选的，所述外围层为厚度是0.4mm的铁皮。

优选的，3个铝制拱圈依次间隔5cm并列环绕在所述外围层中部，所述铝制拱圈的截面尺寸为6.6×3.3mm。

优选的，所述锚杆的直径为4mm，长为15cm。

优选的，所述砂质泥岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.25：0.2：0.013混合而成。

优选的，所述砂岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.3：0.25：0.02混合而成。

优选的，所述节理相似材料按如下方法铺设：首先在铺设好的砂岩相似材料上铺设并固定聚乙烯纸，然后在所述聚乙烯纸上均匀铺设0.5-0.8cm厚的凡士林，最后在所述凡士林再次铺设并固定聚乙烯纸，即可。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法，该方法中通过使用特定的井字架，能够更好地模拟实际工程中陡倾节理地层小净距大断面隧道的分部开挖，其中该井字架中支撑部由钢板焊接而成，钢板完全隔开，减小分块开挖时，正在开挖部分对未开挖部分岩土体的扰动，同时承担临时支撑的作用；井字架中特定尺寸的拱圈在模拟隧道开挖过程中能够起到良好的支护作用，井字架中特定厚度的铁皮，将隧洞内填充的围岩与开挖限界外侧围岩隔离开，该铁皮刚度满足变形要求，内部填充围岩材料并压实后可有效的保证开挖限界，同时满足临时支撑的强度及刚度要求。该方法能够真实、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。

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示意图；

图2为本发明中陡倾节理地层位置示意图；

图3为本发明中井字架示意图；

图4为本发明中压力传感器分布图；

图5为本发明中隧道开挖顺序编号示意图。

附图标记：图1中，1为栅格框架、2为钢板、3为底座、4为观测窗口、5为观测窗口挡板、6为隧道；图3中，7为支撑部、8为外围层、9为拱圈、10为锚杆。

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。

实施例1

图1为本发明中隧道模型试验箱示意图，图1中，1为栅格框架、2为钢板、3为底座、4为观测窗口、5为观测窗口挡板、6为隧道。

图3为本发明中井字架示意图，图3中，7为支撑部、8为外围层、9为拱圈、10为锚杆。

采用长×高×宽为3m×2.4m×0.55m的隧道模型试验箱进行试验，该隧道模型试验箱的几何相似比为1:30，隧道模型试验箱中观测窗口挡板为1m(长)×1m(宽)×0.01m(厚)的树脂玻璃窗，具体试验方法如下：

首选，将隧道模型试验箱调平，该隧道模型试验箱正面和背面的中部对称设置有观测窗口，观测窗口内设置有处于同一水平相距0.5B的左、右两个相同的隧道，在隧道模型试验箱正面标记出陡倾节理地层位置，该位置如图2所示：陡倾节理地层沿隧道模型试验箱正面左下角向右上角倾斜，与水平面的夹角为35°，斜穿左侧隧道，右侧隧道则处于陡倾节理地层下方；其中，B为两个隧道的跨度，B＝376mm；接着在隧道模型试验箱正面的观测窗口上间隔10cm水平绘制等分刻度线；

然后，向左、右两个相同的隧道中置入与两个隧道大小匹配的井字架(如图3所示)，以标记的陡倾节理地层位置为分界线，在分界线上方填充砂质泥岩相似材料(重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.25：0.2：0.013混合而成)，分界线下方填充砂岩相似材料(重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.3：0.25：0.02混合而成)，分界线上铺设节理相似材料，并在填充各材料的过程中埋入压力传感器，压力传感器的分布如图4所示，分别在距离左侧隧道左边100mm、150mm、200mm，距离左侧隧道拱顶100mm、150mm、200mm，距离右侧隧道右边100mm、150mm、200mm，距离右侧隧道拱顶100mm、150mm、200mm，及两个隧道间布置压力传感器，两个隧道间布置了两处压力传感器，这两处压力传感器相距94mm，每个测点分别布置竖直方向和水平方向两个压力传感器分别用V_1-14、H_1-14表示，测量各测点垂直及水平方向的围岩压力。

三种相似材料的具体填充方法如下：首先将砂岩相似材料按每层10cm厚分层填入隧道模型试验箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当砂岩相似材料填装至两个隧道时，分别置入与两个隧道大小匹配的井字架，由于分界线斜穿左侧隧道，因此在填充左侧隧道中井字架时，同样在分界线上方填充砂质泥岩相似材料，分界线下方填充砂岩相似材料，而右侧隧道位于分界线下方，则以砂岩相似材料填充右侧隧道中井字架，待砂岩相似材料填充完毕后，形成砂岩斜面层，在砂岩斜面层上铺设并以铁钉固定聚乙烯纸以避免聚乙烯纸褶皱，然后在聚乙烯纸上均匀铺设0.75cm厚的凡士林，最后在凡士林再次铺设并以铁钉固定聚乙烯纸，完成节理相似材料的铺设，最后再将砂质泥岩相似材料分层填入的隧道模型试验箱内，每层填装完成后进行振捣压实，其中，在填充砂质泥岩相似材料、砂岩相似材料和铺设节理相似材料时，当到达各等分刻度线时以均混合蓝色颜料的三种材料进行填充，而其它地方则以未混合蓝色颜料三种材料进行填充和铺设；两个隧道中所使用的井字架的长度等于隧道模型试验箱正面和背面的距离，井字架由端面呈井字以厚度为2mm的钢板焊接而成的支撑部7、包围该支撑部侧面的厚度是0.4mm的铁皮8、依次间隔5cm并列环绕固定在铁皮中部的3个铝制拱圈9和与铝制拱圈螺纹连接的呈梅花型分散的63根锚杆10组成，铝制拱圈的截面尺寸为6.6×3.3mm，锚杆的直径为4mm，长为15cm；

最后，养护40天后将压力传感器与DH3821静态应力应变采集仪和电脑连接，分别在各井字架分隔出的三行三列共9个区域上标记开挖顺序编号，开挖顺序编号具体为，按从左到右的顺序，第一行的编码为①、⑦、②，第二行的编码为③、⑧、④，第三行的编码为⑤、⑨、⑥(见图5)，根据开挖顺序编号先对左隧道进行加载开挖，再对右隧道进行加载开挖，其中，加载系统由反力架、两个液压千斤顶、两个压力传感器及传力钢板(即隧道模型试验箱中与两个液压千斤顶接触的钢板)组成。在模型试验加载中，采用逐级加载的方式，每一级施加5KN，待到压力传感器数值稳定后再开始下一次的加载，将压力传感器放置千斤顶表面，再将压力传感器连接数据采集系统到达精确控制加载的目的。试验时，先用液压千斤顶对模型进行分级加载，加载至100KN待模型围岩稳定后开挖，每次开挖完后稳定15分钟测得数据后再继续下一步开挖，挖掘完成后取出两个井字架，进行数据处理，即可，相关数据见表1至表4。

表1随隧道开挖拱顶位置竖向位移(mm)

表2中夹岩处测点应力

表3左洞处测点应力

表4右洞处测点应力

由表1至表4可知：

(1)先行洞开挖时对后行洞应力的影响以及后行洞开挖对先行洞应力影响较为明显，靠近监测点隧道部分的开挖是监测点应力、变形、锚杆轴力变化的主要因素。

(2)先行洞和后行洞的开挖对中夹岩应力变化均有较大影响，后行洞在中夹岩竖直应力上对先行洞的影响大于先行洞对后行洞的影响。中夹岩处受力复杂，应力多次发生变化，易受到破坏，在实际工程中应及时支护。

(3)隧道开挖后，由于节理偏压作用，隧道竖直位移出现不对称现象，右洞拱顶竖直位移大于左洞拱顶，核心土上部分开挖导致竖直位移绝对值迅速增大；锚杆锚固作用发挥良好，越靠近锚杆端头的观测点，轴力越大。由于节理穿过右洞左拱肩，右洞左拱肩锚杆轴力远高于左洞左拱肩处。

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。

Claims (10)

1.一种陡倾节理地层小净距大断面隧道的模型试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

首选，将隧道模型试验箱调平，所述隧道模型试验箱正面和背面的中部对称设置有观测窗口，所述观测窗口内设置有处于同一水平相距0-2.5B的左、右两个相同的隧道，在所述隧道模型试验箱正面标记出陡倾节理地层位置，所述位置具体为：所述陡倾节理地层沿所述隧道模型试验箱正面左下角向右上角倾斜，斜穿左侧隧道，右侧隧道则处于所述陡倾节理地层下方；所述B为所述隧道的跨度；

然后，向所述左、右两个相同的隧道中置入与所述隧道大小匹配的井字架，以标记的陡倾节理地层位置为分界线，在所述分界线上方填充砂质泥岩相似材料，所述分界线下方填充砂岩相似材料，分界线上铺设节理相似材料，并在填充各材料的过程中埋入压力传感器；所述井字架的长度等于所述隧道模型试验箱正面和背面的距离，所述井字架由端面呈井字以钢板焊接而成的支撑部、包围所述支撑部侧面的外围层、环绕在所述外围层中部的拱圈和与所述拱圈可拆卸连接的若干根锚杆组成；

最后，经养护后将所述压力传感器与采集器和电脑连接，分别在各井字架分隔出的三行三列共9个区域上标记开挖顺序编号，根据所述开挖顺序编号进行加载开挖试验，挖掘完成后取出两个井字架，进行数据处理，即可；所述各井字架的开挖顺序编号具体为，按从左到右的顺序，第一行的编码为①、⑦、②，第二行的编码为③、⑧、④，第三行的编码为⑤、⑨、⑥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陡倾节理地层与水平面的夹角为20°-45°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陡倾节理地层位置标记好后，接着在所述隧道模型试验箱正面的观测窗口上水平绘制等分刻度线，在后续填充砂质泥岩相似材料、砂岩相似材料和铺设节理相似材料时，当到达各等分刻度线时以带有相同规定颜色的三种材料进行填充，而其它地方则以未带有规定颜色的三种材料进行填充和铺设。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板的厚度为2mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外围层为厚度是0.4mm的铁皮。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，3个铝制拱圈依次间隔5cm并列环绕在所述外围层中部，所述铝制拱圈的截面尺寸为6.6×3.3mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锚杆的直径为4mm，长为15cm。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述砂质泥岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.25：0.2：0.013混合而成。

9.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述砂岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比1.2：0.3：0.25：0.02混合而成。

10.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述节理相似材料按如下方法铺设：首先在铺设好的砂岩相似材料上铺设并固定聚乙烯纸，然后在所述聚乙烯纸上均匀铺设0.5-0.8cm厚的凡士林，最后在所述凡士林再次铺设并固定聚乙烯纸，即可。

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