CN115824813B - 一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法，主要包括第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板，上顶板可上下活动设置，第二侧板可左右活动设置；第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，试验箱的中部设置有模拟隧道；上顶板的上端设置有第一驱动机构，第二侧板的侧面设置有第二驱动机构；第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板的内侧表面中部均设置有土压力盒，上顶板的两侧分别设置有雷达发射探头和反射波接收探头。试验方法包括步骤S1‑S8。本发明采用地质雷达技术实现非接触式围岩塑性区的测定，避免了传统钻孔方式对围岩的初始扰动影响，提升结果可视化程度提升，便于识别确定塑性区及其范围。

Description

一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道开挖模拟技术领域，具体涉及一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法。

背景技术

目前，隧道的施工开挖引起的大变形问题研究主要集中在中深埋段，对于极高深埋隧道的开挖安全研究较少；因此，研究高地应力环境下隧道的围岩变形特性成为了工程人员较为关心的科学问题。

通过现场试验能够较为直接反映施工过程中的围岩-衬砌相互作用特性及灾变机理，但是受工程施工环境及现场技术等多种因素的制约，现场的试验无法顺利开展；而数值模拟方法中土体本构、边界条件及其他参数的选取对计算结果影响较大，且体现围岩-衬砌相互作用的破坏状态直观性较差。相比于现场试验或者数值模拟研究，模型试验因其直观性强、便于操作等优点应用性较广，同时通过模型试验的手段能更好地揭示针对隧道施工引起的围岩灾害演变规律。

现有技术中在围岩塑性区测定、地应力加载方面进行了探索，包括可考虑隧道施工、高地应力环境等特征。但尚且存在以下两方面的不足需要进一步考虑：

1. 围岩塑性区的测定

现有的考虑隧道施工引起围岩塑性区测定的模型试验装置中，大多通过在洞周土体中预埋位移计进行测量，对于隧道施工的扰动影响的干扰较大；因此，亟需设计一种非接触式的围岩塑性区测定新方法。

2. 高地应力的施加

现有的考虑高地应力的隧道模型试验装置中，大多通过大量的液压千斤顶对箱体内部的土体进行施加地应力，导致模型箱整体自重较大，结构形式也较为复杂。因此研究一种较为便捷有效的地应力施加方式是目前推动高地应力环境下模型箱设计的主要着力点。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种克服以往隧道在既定地应力水平下开挖引起围岩塑性区测定的缺点与不足的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其包括左右平行设置的第一侧板和第二侧板、上下平行设置的上顶板和下底板，第一侧板和下底板垂直固定连接，上顶板可上下活动设置，第二侧板可左右活动设置，第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，试验箱的中部设置有模拟隧道；上顶板的上端设置有驱动上顶板向试验箱内侧移动的第一驱动机构，第二侧板的侧面设置有驱动第二侧板向试验箱内侧移动的第二驱动机构；第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板的内侧表面中部均设置有土压力盒，上顶板的两侧分别设置有雷达发射探头和反射波接收探头，雷达发射探头发射的雷达波通过下底板的反射被反射波接收探头接收；土压力盒、雷达发射探头和反射波接收探头均与控制系统电连接。

进一步地，第一驱动机构包括设置在上顶板上方的顶部反力盖板，第二驱动机构包括设置在第二侧板侧面的侧边反力盖板，侧边反力盖板与第二侧板之间、顶部反力盖板与上顶板之间均设置有驱动件。

进一步地，驱动件包括两块梯形的加载块，两块加载块之间设置有梯形的加载空间，加载空间为上小下大结构，加载空间内活动设置有梯形的驱动块，驱动块的两侧与加载空间的侧面滑动接触，驱动块的下端与上顶板和第二侧板接触；两块加载块串联在螺纹杆上，螺纹杆的一端转动设置在其中一块加载块上，且螺纹杆另一端贯穿另一块加载块与伺服电机传动连接，螺纹杆另一端与另一块加载块螺纹连接，另一块加载块滑动设置在顶部反力盖板和侧边反力盖板上。

进一步地，顶部反力盖板和侧边反力盖板上均设置有滑轨，另一块加载块上设置有滑块，滑块滑动设置在滑轨内。

进一步地，顶部反力盖板的一端与第一侧板固定连接，顶部反力盖板的另一端固定在横梁的上端，侧边反力盖板的一端与下底板固定连接，侧边反力盖板的另一端与横梁的侧面连接，上顶板的侧面和第二侧板的侧面接触横梁。

进一步地，横梁的下方放置有L形的移动辅助块，上顶板和第二侧板的端部分别放置在移动辅助块上。

进一步地，顶部反力盖板上设置有盖板锁固装置。

进一步地，第一侧板的内表面和下底板的内表面均设置有滑槽板，滑槽板上开设有滑槽，上顶板的侧面和第二侧板的侧面均设置有滑头，滑头滑动设置在滑槽内。

进一步地，还包括用于开挖隧道的柔性塑料囊，柔性塑料囊包括柔性塑料囊体，柔性塑料囊体的尾部设置有填充口，填充口的端部设置有密封盖，将装满砂土的柔性塑料囊装入模拟隧道预定位置后打开密封盖，接入吸砂装置，将柔性塑料囊体中的砂土通过填充口吸出，开挖出隧道。

提供一种采用上述测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置的试验方法，其包括以下步骤：

S1：将顶部反力盖板的盖板锁固装置解开，取下顶部反力盖板、第一驱动机构及上顶板；

S2：按照试验需求配置模型砂土，并将配置好的模型砂土装入模型箱中，模型砂装至预定模拟隧道位置后将充满模型砂土的柔性塑料囊放置于模拟隧道，并将模型箱其余位置填充完整；

S3：填土完成后，将步骤S1拆掉的顶部反力盖板、上顶板及第一驱动机构安装好；

S4：打开伺服电机，实时监测土压力盒的压力值，并利用公式，计算模拟隧道位置处的水平地应力值 S _v 和竖向地应力值 S _h ，其中， S ₁和 S ₃分别为上顶板和下底板上的压力盒监测的压力值， S ₂和 S ₄分别为第一侧板和第二侧板上的压力盒监测的压力值；

S5：判断水平地应力值 S _v 和竖向地应力值 S _h 是否满足应力施加要求，若是，则关闭伺服电机，进入步骤S6，否则，伺服电机继续工作，直到满足应力施加要求，进入步骤S6；

S6：将柔性塑料囊的密封盖打开，接入吸砂装置，并按照预先设好的模拟施工开挖步控制吸出量，吸出柔性塑料囊内的模型砂土；

S7：每吸出一次模型砂土，一个模拟施工开挖步完成，打开雷达发射探头和反射波接收探头，每发射接收一次，记录一次雷达图像；

S8：重复步骤S6-S7，当全部施工开挖步完成后，利用雷达图像绘制出裂缝的反射界面，再将每个施工开挖步测试得到的松动圈外边界点绘制在对应的雷达图像，把松动圈外边界点连接起来，得到围岩塑性区的分布范围。

本发明的有益效果为：本发明通过模型箱上部及右侧的地应力加载驱动机构及四个土压力盒实现了横向上的二维多向地应力加载精准控制；通过伺服电机协同活动及梯形块的配合进行加载，避免了常规地应力施加所用千斤顶的过度依赖，有效减小了模型箱的自重；

本发明借助雷达发射和接收探头真正实现了非接触式隧道开挖引起围岩塑性区的测定，使得测定结果的可视化效果更加突出，解译结果更加丰富多元；

采用本模型试验装置，对于研究不同地应力水准下的均质、软硬成层地层的隧道开挖引起围岩塑性区具有重要意义。

本发明主要通过伺服电机、配套螺纹杆、活动的梯形块和固定的梯形块的协同配合完成对土体地应力的施加，而围岩塑性区通过雷达的发射和接收测定。

采用地质雷达技术实现非接触式围岩塑性区的测定，避免了传统钻孔方式对围岩的初始扰动影响，同时也使得结果可视化程度提升，便于对塑性区的识别和对其范围的确定。

附图说明

图1为测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置的结构图。

图2为上顶板和第二侧板的结构图。

图3为滑槽板的结构图。

图4为横梁部分的结构图。

图5为柔性塑料囊的结构图。

其中，1、模拟隧道，2、下底板，3、顶部反力盖板，4、侧边反力盖板，5、盖板锁固装置，6、上顶板，7、第二侧板，9、滑槽板，10、雷达波，11、第一土压力盒，12、第二土压力盒，13、第三土压力盒，14、第四土压力盒，15、加载块，16、横梁，17、移动辅助块，18、柔性塑料囊，181、柔性塑料囊体，182、填充口，183、密封盖，19、驱动块，20、第二驱动机构，21、螺纹杆，22、伺服电机，23、滑轨，24、滑头，25、第一驱动机构，101、雷达发射探头，102、反射波接收探头。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本方案的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置包括左右平行设置的第一侧板和第二侧板7、上下平行设置的上顶板6和下底板2，第一侧板和下底板2垂直固定连接，上顶板6可上下活动设置，第二侧板7可左右活动设置，第一侧板、第二侧板7、上顶板6和下底板2围合形成试验箱，试验箱的中部设置有模拟隧道1；上顶板6的上端设置有驱动上顶板6向试验箱内侧移动的第一驱动机构25，第二侧板7的侧面设置有驱动第二侧板7向试验箱内侧移动的第二驱动机构20；第一侧板、第二侧板7、上顶板6和下底板2的内侧表面中部均设置有土压力盒，包括第一土压力盒11，第二土压力盒12、第三土压力盒13和第四土压力盒14；上顶板6的两侧分别设置有雷达发射探头101和反射波接收探头102，雷达发射探头101发射的雷达波10通过下底板2的反射被反射波接收探头102接收；土压力盒、雷达发射探头101和反射波接收探头102均与控制系统电连接。

本实施例中，第一驱动机构25包括设置在上顶板6上方的顶部反力盖板3，第二驱动机构20包括设置在第二侧板7侧面的侧边反力盖板4，侧边反力盖板4与第二侧板7之间、顶部反力盖板3与上顶板6之间均设置有驱动件。

驱动件包括两块梯形的加载块15，两块加载块15之间设置有梯形的加载空间，加载空间为上小下大结构，加载空间内活动设置有梯形的驱动块19，驱动块19的两侧与加载空间的侧面滑动接触，驱动块19的下端与上顶板6和第二侧板7接触；两块加载块15串联在螺纹杆21上，螺纹杆21的一端转动设置在其中一块加载块15上，且螺纹杆21另一端贯穿另一块加载块15与伺服电机22传动连接，螺纹杆21另一端与另一块加载块15螺纹连接，另一块加载块15滑动设置在顶部反力盖板3和侧边反力盖板4上。

顶部反力盖板3和侧边反力盖板4上均设置有滑轨23，另一块加载块15上设置有滑块，滑块滑动设置在滑轨23内。

如图1和图4所示，顶部反力盖板3的一端与第一侧板固定连接，顶部反力盖板3的另一端固定在横梁16的上端，侧边反力盖板4的一端与下底板2固定连接，侧边反力盖板4的另一端与横梁16的侧面连接，上顶板6的侧面和第二侧板7的侧面接触横梁16。

横梁16的下方放置有L形的移动辅助块17，上顶板6和第二侧板7的端部分别放置在移动辅助块17上；顶部反力盖板3上设置有盖板锁固装置5。移动辅助块17辅助上顶板6和第二侧板7进行移动，确保向上顶板6和第二侧板7施加应力均匀，上顶板6和第二侧板7不倾斜。

如图1-图3所示，第一侧板的内表面和下底板2的内表面均设置有滑槽板9，滑槽板9上开设有滑槽，上顶板6的侧面和第二侧板7的侧面均设置有滑头24，滑头24滑动设置在滑槽内。

如图5所示，还包括用于开挖隧道的柔性塑料囊18，柔性塑料囊18包括柔性塑料囊体181，柔性塑料囊体181的尾部设置有填充口182，填充口182的端部设置有密封盖183，将装满砂土的柔性塑料囊18装入模拟隧道1预定位置后打开密封盖183，接入吸砂装置，将柔性塑料囊体181中的砂土通过填充口182吸出，开挖出隧道。

采用上述测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置的试验方法包括以下步骤：

S1：将顶部反力盖板3的盖板锁固装置5解开，取下顶部反力盖板3、第一驱动机构25及上顶板6；

S2：按照试验需求配置模型砂土，并将配置好的模型砂土装入模型箱中，模型砂装至预定模拟隧道1位置后将充满模型砂土的柔性塑料囊18放置于模拟隧道1，并将模型箱其余位置填充完整；

S3：填土完成后，将步骤S1拆掉的顶部反力盖板3、上顶板6及第一驱动机构25安装好；

S4：打开伺服电机22，实时监测土压力盒的压力值，并利用公式，计算模拟隧道1位置处的水平地应力值 S _v 和竖向地应力值 S _h ，其中， S ₁和 S ₃分别为上顶板6和下底板2上的压力盒监测的压力值， S ₂和 S ₄分别为第一侧板和第二侧板7上的压力盒监测的压力值；

S5：判断水平地应力值 S _v 和竖向地应力值 S _h 是否满足应力施加要求，若是，则关闭伺服电机22，进入步骤S6，否则，伺服电机22继续工作，直到满足应力施加要求，进入步骤S6；

S6：将柔性塑料囊18的密封盖183打开，接入吸砂装置，并按照预先设好的模拟施工开挖步控制吸出量，吸出柔性塑料囊18内的模型砂土；

S7：每吸出一次模型砂土，一个模拟施工开挖步完成，打开雷达发射探头101和反射波接收探头102，每发射接收一次，记录一次雷达图像；

S8：重复步骤S6-S7，当全部施工开挖步完成后，利用雷达图像绘制出裂缝的反射界面，再将每个施工开挖步测试得到的松动圈外边界点绘制在对应的雷达图像，把松动圈外边界点连接起来，得到围岩塑性区的分布范围。

本发明通过模型箱上部及右侧的地应力加载驱动机构及四个土压力盒实现了横向上的二维多向地应力加载精准控制；通过伺服电机22协同活动及梯形块的配合进行加载，避免了常规地应力施加所用千斤顶的过度依赖，有效减小了模型箱的自重；

本发明借助雷达发射和接收探头真正实现了非接触式隧道开挖引起围岩塑性区的测定，使得测定结果的可视化效果更加突出，解译结果更加丰富多元；

采用本模型试验装置，对于研究不同地应力水准下的均质、软硬成层地层的隧道开挖引起围岩塑性区具有重要意义。

本发明主要通过伺服电机22、配套螺纹杆21、活动的梯形块和固定的梯形块的协同配合完成对土体地应力的施加，而围岩塑性区通过雷达的发射和接收测定。

采用地质雷达技术实现非接触式围岩塑性区的测定，避免了传统钻孔方式对围岩的初始扰动影响，同时也使得结果可视化程度提升，便于对塑性区的识别和对其范围的确定。

Claims (7)

1.一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，包括左右平行设置的第一侧板和第二侧板、上下平行设置的上顶板和下底板，所述第一侧板和下底板垂直固定连接，所述上顶板可上下活动设置，所述第二侧板可左右活动设置，所述第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，所述试验箱的中部设置有模拟隧道；所述上顶板的上端设置有驱动上顶板向试验箱内侧移动的第一驱动机构，所述第二侧板的侧面设置有驱动第二侧板向试验箱内侧移动的第二驱动机构；所述第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板的内侧表面中部均设置有土压力盒，所述上顶板的两侧分别设置有雷达发射探头和反射波接收探头，所述雷达发射探头发射的雷达波通过下底板的反射被反射波接收探头接收；所述土压力盒、雷达发射探头和反射波接收探头均与控制系统电连接；

所述第一驱动机构包括设置在上顶板上方的顶部反力盖板，所述第二驱动机构包括设置在第二侧板侧面的侧边反力盖板，所述侧边反力盖板与第二侧板之间、顶部反力盖板与上顶板之间均设置有驱动件；

所述顶部反力盖板的一端与第一侧板固定连接，所述顶部反力盖板的另一端固定在横梁的上端，所述侧边反力盖板的一端与下底板固定连接，所述侧边反力盖板的另一端与横梁的侧面连接，所述上顶板的侧面和第二侧板的侧面接触横梁；

所述横梁的下方放置有L形的移动辅助块，所述上顶板和第二侧板的端部分别放置在移动辅助块上。

2.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述驱动件包括两块梯形的加载块，两块所述加载块之间设置有梯形的加载空间，所述加载空间为上小下大结构，所述加载空间内活动设置有梯形的驱动块，所述驱动块的两侧与加载空间的侧面滑动接触，所述驱动块的下端与上顶板和第二侧板接触；两块所述加载块串联在螺纹杆上，所述螺纹杆的一端转动设置在其中一块加载块上，且螺纹杆另一端贯穿另一块加载块与伺服电机传动连接，所述螺纹杆另一端与另一块加载块螺纹连接，另一块所述加载块滑动设置在顶部反力盖板和侧边反力盖板上。

3.根据权利要求2所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述顶部反力盖板和侧边反力盖板上均设置有滑轨，另一块所述加载块上设置有滑块，所述滑块滑动设置在滑轨内。

4.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述顶部反力盖板上设置有盖板锁固装置。

5.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述第一侧板的内表面和下底板的内表面均设置有滑槽板，所述滑槽板上开设有滑槽，所述上顶板的侧面和第二侧板的侧面均设置有滑头，所述滑头滑动设置在滑槽内。

6.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，还包括用于开挖隧道的柔性塑料囊，所述柔性塑料囊包括柔性塑料囊体，所述柔性塑料囊体的尾部设置有填充口，所述填充口的端部设置有密封盖，将装满砂土的柔性塑料囊装入模拟隧道预定位置后打开密封盖，接入吸砂装置，将柔性塑料囊体中的砂土通过填充口吸出，开挖出隧道。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将顶部反力盖板的盖板锁固装置解开，取下顶部反力盖板、第一驱动机构及上顶板；

S2：按照试验需求配置模型砂土，并将配置好的模型砂土装入模型箱中，模型砂装至预定模拟隧道位置后将充满模型砂土的柔性塑料囊放置于模拟隧道，并将模型箱其余位置填充完整；

S3：填土完成后，将步骤S1拆掉的顶部反力盖板、上顶板及第一驱动机构安装好；

S4：打开伺服电机，实时监测土压力盒的压力值，并利用公式、计算模拟隧道位置处的水平地应力值S _v和竖向地应力值S _h，其中，S ₁和S ₃分别为上顶板和下底板上的压力盒监测的压力值，S ₂和S ₄分别为第一侧板和第二侧板上的压力盒监测的压力值；

S5：判断水平地应力值S _v和竖向地应力值S _h是否满足应力施加要求，若是，则关闭伺服电机，进入步骤S6，否则，伺服电机继续工作，直到满足应力施加要求，进入步骤S6；

S6：将柔性塑料囊的密封盖打开，接入吸砂装置，并按照预先设好的模拟施工开挖步控制吸出量，吸出柔性塑料囊内的模型砂土；

S7：每吸出一次模型砂土，一个模拟施工开挖步完成，打开雷达发射探头和反射波接收探头，每发射接收一次，记录一次雷达图像；

S8：重复步骤S6-S7，当全部施工开挖步完成后，利用雷达图像绘制出裂缝的反射界面，再将每个施工开挖步测试得到的松动圈外边界点绘制在对应的雷达图像，把松动圈外边界点连接起来，得到围岩塑性区的分布范围。

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