CN113310716A - 断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法，该系统包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统。断层错动台架系统用于容纳错动模型体并作为加载反力装置；断层错动顶升系统用于实施断层错动，并保证断层错动过程中模型体不发生扭转和倾覆现象；加载与错动控制系统用于对模型体进行初始地应力加载并控制断层错动顶升系统实施模型的断层错动。本发明可模拟复杂高地应力条件下深部地层的断层错动，真实模拟地下断层错动对深部隧洞运行安全稳定的影响，为深部工程安全建设提供强有力技术支撑。

Description

断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种在水电、交通、能源和矿山工程领域使用的模拟断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，中国已发展成为世界上隧洞和地下工程建造数量最多、规模最大、结构形式最多样的国家。近年来，中国交通、水电建设蓬勃发展，建设重心逐渐向地质条件更为复杂的西部地区转移，然而西部地区地震频繁、地震烈度高、地质构造复杂，极易导致地下活动断层产生滑移错动，由此对深部交通、水电隧洞运行安全造成极为不利的影响，因此有必要深入研究复杂断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。面对深部工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理模拟试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部工程的重要手段。要开展地下断层错动对隧洞运行安全影响的物理模拟试验，就必须具备相应的物理模拟试验系统。

目前有关断层错动物理模拟试验系统的研究现状如下：

在专利号为CN 201510200464.1，专利名称为：一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法的专利中公开了一种模拟装置，该模拟装置能够模拟自重应力作用下的断层错动，没有考虑初始构造地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

在专利号为CN 201620006494.9，专利名称为：模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置的专利中公开了一种试验装置，该装置通过平面加载模拟隧道受力破坏，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，且无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

在专利号为CN 201720049666.5，专利名称为：一种测试隧道正断层黏滑错动的试验箱装置的专利中公开了一种试验箱装置，该装置包括模拟试验箱和千斤顶，能够模拟高地震区域针对断层带的抗震减震效应，但在断层错动过程中模型试验装置容易产生侧转，且无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。。

在专利号为CN 201810860128.3，专利名称为：隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统的专利中公开了一种模型试验系统，由外箱、内箱、加载装置和测量装置组成，通过对内箱施加推力模拟断层错动，并获得断层错动状态下隧道的受力变形规律，但无法考虑倾斜构造断层的影响，也无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

在专利号为CN 201910049175.4，专利名称为：一种模拟断层错动的三维相似物理试验装置的专利中公开了一种试验装置，该装置采用透明亚克力板矩形箱体作为加载反力装置模拟浅埋断层错动，但该装置刚度不够，无法模拟深部断层的影响，也无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。。

在专利号为CN 201911125822.1，专利名称为：模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法的专利中公开了一种试验装置，能模拟自重作用下断层错动对隧道损伤的影响，但没有考虑初始构造地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

(7)在《岩石力学与工程学报》2008年第9期文章《地铁隧道穿越地裂缝带的物理模型试验研究》介绍了一种模型试验装置，能够模拟地裂缝错动对隧洞运行的影响，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

(8)在《同济大学学报》2012年第7期文章《逆断层粘滑错动对公路隧道的影响》介绍了一种模型试验装置，装置由固定盘、活动盘、加载系统组成，能够模拟不同倾角断层对隧洞稳定的影响，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种模拟断层错动对隧洞运行影响的真三维物理模拟系统，包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统；所述的断层错动台架系统，由断层上盘系统、断层下盘系统、加载作动器和台架旋转装置组成，其中断层上盘系统和断层下盘系统中的任一系统与断层错动顶升系统相连，断层错动顶升系统用于实现断层上盘系统和断层下盘系统的相对滑动，进而实施试验模型体的断层错动；所述的台架旋转装置用于驱动断层上盘系统、断层下盘系统旋转；加载作动器安装在断层上盘系统和断层下盘系统上，其与加载与错动控制系统相连，用于对试验模型体施加真三维初始地应力；加载与错动控制系统控制作动器加载、断层上盘与下盘系统旋转和断层滑移错动。

第二方面，基于上述模拟断层错动对隧洞运行影响的真三维物理模拟系统，本发明还提出了一种试验方法，如下：

上述的真三维物理模拟系统安装调试完毕，首先通过加载与错动控制系统控制加载作动器对试验模型体进行真三维初始地应力加载，待模型真三维初始地应力场形成以后，再进行模型隧洞开挖并保持初始地应力恒定，最后通过加载与错动控制系统控制断层错动顶升系统实施模型断层的滑移错动，籍此有效模拟地下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明整体上可以实现在真三维初始地应力环境条件下地下断层的滑移错动，真实模拟复杂地质环境对深部隧洞施工和运行安全稳定的影响，科学揭示不同规模、产状的地下断层错动对隧洞长期运行安全的影响。

(2)本发明为了节省断层错动台架系统的空间尺寸，将加载作动器外嵌在断层错动台架系统上，同时为了方便制作内含倾斜断层的试验模型体，在断层错动台架系统上配备了台架旋转装置，通过旋转断层上盘系统、断层下盘系统实现内含倾斜断层的试验模型体的加工制作。

(3)本发明的断层错动防扭装置用于保证断层错动过程中断层上盘系统和断层下盘系统紧密贴合不产生分离，并确保水平地应力持续稳定加载。断层错动防扭装置安装在断层上盘系统和外框平衡装置之间，当断层错动顶升系统推动断层上盘系统产生滑移错动时，防扭油缸和安装在弹簧套筒内的防扭弹簧也沿着固定在外框平衡装置上的竖向导轨同步垂直向上移动，同时防扭油缸驱动防扭弹簧持续对断层上盘系统施加水平弹性抗力，以确保断层上盘系统和断层下盘系统紧密贴合不出现张开分离现象，防止断层滑移错动过程中模型体出现任何偏移和扭转现象。

(4)本发明的外框平衡装置作为断层滑移错动过程中模型加载的反力装置，并防止断层错动台架系统发生倾倒。

(5)本发明在交通、水电、矿山和能源等地下工程，尤其在川藏铁路、西部长大深埋引水隧洞工程的物理模拟试验中具有广泛的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1本发明的系统整体结构示意图；

图2本发明的断层错动顶升系统示意图；

图3本发明的断层错动台架系统三维示意图；

图4本发明的断层错动台架系统侧视图；

图5本发明的断层错动台架系统前视图；

图6本发明的断层错动台架系统俯视图；

图7本发明的断层错动台架系统榫卯镶嵌结构示意图；

图8本发明的台架旋转装置示意图；

图9本发明的模型断层错动示意图；

图10本发明的断层错动防扭装置示意图；

图11本发明的外框平衡装置三维示意图；

图12本发明的加载限位装置示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

图中：1.模型试验台架系统；2.加载与错动控制系统；3.外框平衡装置；4.防扭油缸；5.防扭弹簧；6.弹簧套筒；7.竖向导轨；8.断层上盘系统；9.断层下盘系统；10.加载作动器；11.顶升作动器；12.导向杆；13.反力板；14.倾角调节器；15.支撑台；16.地梁；17.吊杆；18.吊耳；19.地槽；20.滑移导向榫；21.滑移导向卯；22.加载与错动控制软件系统；23.加载与错动控制柜；24.高压管路；25.顶部反力墙；26.底部反力墙；27.左侧反力墙；28.右侧反力墙；29.前部反力墙；30.后部反力墙；31.旋转轴；32-1.下盘旋转底座；32-2.上盘旋转底座；33.开挖窗口；34.下盘模型体；35.上盘模型体；36.开挖隧洞；37.加载限位装置；38.下盘旋转油缸；39.下盘旋转油缸地脚；40.上盘旋转油缸；41.上盘旋转油缸地脚；42.地下断层；43.弹簧固定板；44.套筒固定板；45.防扭固定板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提出的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，主要由模型试验台架系统1和加载与错动控制系统2组成，其中模型试验台架系统1又由断层错动台架系统、断层错动顶升系统组成；断层错动顶升系统用于驱动断层错动台架系统的两部分结构相对滑移错动；加载与错动控制系统2主要包括加载与错动控制软件系统22、加载与错动控制柜23和高压管路24等；加载与错动控制系统2通过高压管路24控制断层错动顶升系统、加载作动器10和顶升作动器11。

如图2-图7所示，断层错动台架系统主要用于容纳错动模型体，并作为加载反力装置。断层错动台架系统主要由断层上盘系统8、断层下盘系统9、加载作动器10和台架旋转装置组成；加载作动器10用于对断层上盘系统8、断层下盘系统9施加初始地应力；台架旋转装置用于驱动断层上盘系统8、断层下盘系统9进行旋转。

其中，如图3、图7所示，断层上盘系统8和断层下盘系统9的结构基本相同，断层上盘系统8由顶部反力墙25、前部反力墙29和左侧反力墙27、右侧反力墙28通过高强螺栓连接组合而成；断层下盘系统9由底部反力墙26、后部反力墙30、左侧反力墙27、右侧反力墙28通过高强螺栓连接组合而成；断层上盘系统8和断层下盘系统9的竖向截面为梯形，断层上盘系统8和断层下盘系统9组合在一起形成了矩形。各钢制反力墙模块由厚度30mm的优质高强Q345B钢板焊接制作而成。

进一步的，为防止断层错动过程中断层错动台架系统发生侧向偏移，断层上盘系统8和断层下盘系统9在断层接触面处通过榫卯结构(包括滑移导向榫20和滑移导向卯21)镶嵌连接，具体参见图7，在本实施例中，断层下盘系统9的滑移面上设置有滑移导向榫20，断层上盘系统8上设置有滑移导向卯21，滑移导向榫20和滑移导向卯21相互配合；当然不难理解的，还可以调换一下，在断层下盘系统9的滑移面上设置滑移导向卯21，断层上盘系统8上设置滑移导向榫20相互配合，同样可以防止断层错动台架系统发生侧向偏移。

如图2-图7所示，为节省断层错动台架系统的空间尺寸，加载作动器10外嵌在断层错动台架系统上。在断层错动台架系统的反力墙上共外嵌了48个设计加载吨位为450kN的加载作动器10，断层上盘系统8和断层下盘系统9各布设24个加载作动器10，加载作动器10行程为150mm，加载作动器10通过高压油管24与加载与错动控制系统2系统连接。断层上盘系统8沿断层42向上滑移错动之前和滑移错动过程中，通过加载与错动控制系统2内设的8个独立油路通道对试验模型体进行高地应力非均匀加载与稳压控制。

如图3和图8所示，为方便制作内含倾斜断层42的试验模型体，断层错动台架系统配备了台架旋转装置，台架旋转装置包括两个，其中第一台架旋转装置驱动断层下盘系统9旋转，第二台架旋转装置驱动断层上盘系统8旋转；

用于驱动断层下盘系统9的台架旋转装置包括位于附图8中左侧的下盘旋转油缸38、下盘旋转油缸地脚39、下盘旋转底座32-1，其中下盘旋转油缸地脚39固定在地梁16上，下盘旋转油缸38的缸体与下盘旋转油缸地脚39铰接，下盘旋转油缸38的驱动杆与断层下盘系统9铰接，且断层下盘系统9的脚部通过旋转轴、下盘旋转底座32-1与地梁16相连，需要说明的是，该脚部为断层下盘系统9下端左侧的直角部；

用于驱动断层上盘系统8的台架旋转装置包括位于附图8中右侧的上盘旋转油缸40、上盘旋转油缸地脚41、上盘旋转底座32-2，其中上盘旋转油缸地脚41固定在地槽19内，上盘旋转油缸40的缸体与上盘旋转油缸地脚41铰接，上盘旋转油缸40的驱动杆与断层上盘系统8铰接，且断层上盘系统8的脚部旋转轴31与固定在地梁上的旋转底座32-2相连，需要说明的是，该脚部为断层上盘系统8下端右侧的直角部；

台架旋转装置具体工作过程如下：

填料时，通过驱动上盘旋转油缸40、下盘旋转油缸38，首先将断层上盘系统8、断层下盘系统9旋转至水平状态，然后在断层上盘系统8和断层下盘系统9的台架装置内分别填充压实模型材料，最后再调节上盘旋转油缸40和下盘旋转油缸38使断层上盘系统8和断层下盘系统9合拢为一整体从而得到含有倾斜断层42的试验模型体。

如图2、图9所示，断层错动顶升系统主要用于实施断层上盘系统8沿着断层42发生滑移错动，断层错动顶升系统主要由液压顶升装置、断层错动防扭装置和外框平衡装置3等组成。液压顶升装置与断层上盘系统8的底部连接，驱动断层上盘系统8与断层下盘系统9相对滑动，断层错动防扭装置的两端分别与断层上盘系统8的侧部和外框平衡装置3连接，下面对该部分的结构进行详细说明：

如图1所示，上述的液压顶升装置安设在地槽19内，主要由顶升作动器11、导向杆12、反力板13、倾角调节器14和支撑台15组成；支撑台15水平安装在地槽内，在支撑台15的顶部安装有倾角调节器14，倾角调节器14上安装一个反力板13，反力板倾斜固定，在反力板13上通过导向杆12固定有顶升作动器11，顶升作动器11与断层上盘系统8相连；需要说明的是，顶升作动器11的轴线与断层上盘系统8和断层下盘系统9的断层接触面平行；通过设置在支撑台15上的倾角调节器14将顶升作动器11调节至试验所需的角度后，再利用导向杆12将顶升作动器11固定在断层上盘系统8的前部反力墙29上。为保证液压顶升装置的稳定性，在与导向杆12连接的反力板13的尾部安装了吊耳18和拉杆17，并将拉杆17固定在地槽19上部的地梁16上，这样可以完全保证在实施断层滑移错动时液压顶升装置的安全稳定。顶升作动器推力为2000kN，行程为150mm，位移加载速率0.1mm/min～10mm/min，断层垂直错距≤120mm。

如图2、图10所示，上述的断层错动防扭装置主要用于保证断层滑移错动过程中断层上盘系统8和断层下盘系统9紧密贴合不产生分离，并确保水平地应力持续稳定加载。如图2所示，本实施例中，在断层上盘系统8的前部反力墙29上共安装了8套断层错动防扭装置，每套断层错动防扭装置由设计吨位为450KN的防扭油缸4、四根安装在弹簧套筒6内的防扭弹簧5、弹簧固定板43和套筒固定板44组成。防扭油缸4后端通过防扭固定板45与前部反力墙29连接，防扭油缸4的前端通过弹簧固定板43与安装在弹簧套筒6内的防扭弹簧5连接，防扭弹簧5一端安装在弹簧固定板43上，另一端通过套筒固定板44与固定在外框平衡装置3上的竖向导轨7连接。模型断层错动防扭装置共设置了32根防扭弹簧5和32个弹簧套筒6。

如图2所示，当断层错动顶升系统的顶升作动器11推动断层上盘系统8沿断层面42向上滑移错动时，断层错动防扭装置的防扭油缸4和防扭弹簧5也沿着竖向导轨7同步垂直向上移动，同时防扭油缸4驱动防扭弹簧5持续对断层上盘系统8施加水平弹性抗力，以确保断层滑移错动过程中断层上盘系统8和断层下盘系统9不出现张开分离现象。

如图2、图11所示，为实施断层错动过程中模型水平地应力持续加载并确保断层错动台架系统不发生倾倒，在断层错动台架系统外部设置了外框平衡装置3，本实施例中，外框平衡装置3由截面尺寸为500mm×500mm立柱和连接立柱的横梁通过高强螺栓连接组合而成；在外框平衡装置3的内侧面安装有竖向导轨7，套筒固定板44的底部镶嵌有滚珠，同时滚珠可以沿着竖向导轨7滚动，进而在外力作用下，套筒固定板44可以沿着竖向导轨7上下滑动。

如图2、图12所示，为避免模型试验真三维加载过程中各方向加载板之间的相互干扰，在断层错动台架系统内部设置了加载限位装置37，加载限位装置37由高强度钢梁通过高强螺栓连接组合而成镂空立体装置。

如图1、图2所示，真三维物理模拟试验系统安装调试完毕，首先通过加载与错动控制系统2控制加载作动器10对试验模型体进行真三维初始地应力加载，待模型真三维初始地应力场形成以后，再开挖模型隧洞36并保持初始地应力不变，然后通过加载与错动控制系统2控制断层错动顶升系统实施模型断层42的滑移错动，籍此有效模拟地下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于：包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统；所述的断层错动台架系统，由断层上盘系统、断层下盘系统、加载作动器和台架旋转装置组成，其中断层上盘系统和断层下盘系统中的任一系统与断层错动顶升系统相连，断层错动顶升系统用于实现断层上盘系统和断层下盘系统的相对滑动，进而实施试验模型体的断层错动；所述的台架旋转装置用于驱动断层上盘系统、断层下盘系统旋转；加载作动器安装在断层上盘系统、断层下盘系统上，其与加载与错动控制系统相连，用于对试验模型体施加真三维初始地应力；加载与错动控制系统控制作动器加载、断层上盘与下盘系统旋转和断层滑移错动。

2.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的断层上盘系统和断层下盘系统在断层接触面处通过榫卯镶嵌结构连接。

3.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的台架旋转装置包括两个，第一台架旋转装置驱动断层下盘系统旋转，第二台架旋转装置驱动断层上盘系统旋转。

4.如权利要求3所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的第一台架旋转装置包括第一安装座、第一液压驱动装置，所述的第一安装座固定在地梁上，第一液压驱动装置的缸体与第一安装座铰接，液压驱动杆与断层下盘系统相连，且断层下盘系统底部与地梁铰接。

5.如权利要求3所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的第二台架旋转装置包括第二安装座、第二液压驱动装置，所述的第二安装座固定在地槽内，第二液压驱动装置的缸体与第二安装座铰接，液压驱动杆与断层上盘系统相连，且断层上盘系统底部与地梁铰接，地梁安装在地槽顶部。

6.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述断层错动顶升系统包括断层错动防扭装置、外框平衡装置和液压顶升装置；所述的液压顶升装置与断层上盘系统或者断层下盘系统连接，断层错动防扭装置一端与断层上盘系统或者断层下盘系统连接，另一端与外框平衡装置连接。

7.如权利要求6所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的断层错动防扭装置包括防扭油缸、防扭弹簧、弹簧套筒、弹簧固定板和套筒固定板；所述的防扭油缸一端与断层上盘系统或者断层下盘系统连接，另一端与弹簧固定板相连；弹簧固定板与套筒固定板之间通过多个防扭弹簧相连，每个防扭弹簧外面套装有一个弹簧套筒，弹簧套筒固定在套筒固定板上。

8.如权利要求6所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的外框平衡装置由安装在断层错动台架系统外侧四个边角的四根立柱和连接立柱的横梁通过螺栓连接组合而成。

9.如权利要求6所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，外框平衡装置的内侧面竖直地设有导轨，所述的套筒固定板在外力作用下可沿着所述导轨自由滑动。

10.如权利要求6所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的液压顶升装置包括顶升作动器和导向杆，所述顶升作动器的轴线由导向杆控制并与断层上盘系统和断层下盘系统的断层接触面平行。

11.如权利要求1-10任一所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统的试验方法，其特征在于：真三维物理模拟系统安装调试完毕，首先通过加载与错动控制系统控制加载作动器对试验模型体进行真三维初始地应力加载，待模型真三维初始地应力场形成以后，再进行模型隧洞开挖并保持初始地应力恒定，最后通过加载与错动控制系统控制断层错动顶升系统实施模型断层的滑移错动，籍此有效模拟地下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。

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