CN117538083A - 隧道多层支护结构的模型试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道多层支护结构的模型试验方法，包括确定模型试验的试验性质、几何相似比、模型箱尺寸以及结构形式；换算几何相似比确定围岩等级、锚杆、喷层以及二衬支护材料的参数；设计千斤顶的荷载，确定施加荷载范围；制作二衬‑喷层‑锚岩承载拱工况的毛洞模型体；施加锚杆相似材料；施加喷层相似材料；施加二衬相似材料；分级加载直至支护破坏；监测围岩、各支护类型的受力以及应变，记录受力数据以及应变数据，得到各支护的安全系数并计算总安全系数。本发明对隧道多层支护结构的支护效果与承载能力进行研究，计算隧道多层支护结构的总安全系数，促进新一代信息技术的发展。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程领域，涉及一种隧道多层支护结构的模型试验方法，尤其涉及一种基于总安全系数法设计理论的隧道多层支护结构的模型试验方法。
背景技术
隧道工程发展至今，在围岩特性、围岩压力、支护材料、支护机理、支护与围岩相互作用、支护结构的计算方法、特殊围岩与不良地质处理等多方面均有深入研究，形成了丰富的工程经验与设计施工理论。
支护结构设计的常用方法有工程类比法、荷载结构法、地层结构法以及特征曲线法等。其中工程类比法无法得出明确的安全系数；荷载结构法得出的安全系数只能用于二衬，且不同规范对荷载的取值不同；地层结构法能用于各种地层、各种形状结构的计算，但由于计算条件(地应力、围岩本构模型)难以准确确定，因而主要用于定性分析；特征曲线法主要用于λ＝1的圆形隧道，由于围岩特征曲线和支护特征曲线均难以确定，故也是一种定性分析方法。综上，支护结构设计还处于“经验为主、计算为辅”的阶段，无法实现支护参数的量化设计。
总安全系数法，初步构建了隧道支护结构量化设计体系，可实现隧道支护结构由“类比设计”向“量化设计”的转变，对推动隧道工程设计技术发展具有积极作用。总安全系数法中一种复杂的多层结构是二衬-喷层-锚岩承载拱组成的三层承载结构，由锚岩承载拱、喷层、二衬构成。目前总安全系数法已给出了该多层结构安全系数的计算方法：首先分别建立喷层、锚岩承载拱、二衬的荷载结构模型，然后通过计算得到三者各自的安全系数，再由三者的安全系数的组合公式即得到多层支护结构的总安全系数，这是新一代的信息技术。但是现在还没有具体的模型试验对这种新技术的理论结果进行验算。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种隧道多层支护结构的模型试验方法，该方法是通过开展二衬-喷层-锚岩承载拱在Ⅳ级、Ⅴ级围岩两种工况下的模型试验，对隧道多层支护结构的支护效果与承载能力进行研究，计算多层支护结构的总安全系数进一步完善总安全系数法设计体系促进新一代信息技术的发展。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述隧道多层支护结构的模型试验方法包括以下步骤：
S1)确定模型试验的试验性质、几何相似比、模型箱尺寸以及结构形式；
S2)根据依托工况换算几何相似比确定围岩等级、锚杆、喷层以及二衬支护材料的参数；
S3)根据依托工况中IV级围岩和V级围岩压力设计值与总安全系数，设计千斤顶的荷载，确定施加荷载范围；
S4)制作二衬-喷层-锚岩承载拱工况的毛洞模型体；
S5)施加锚杆相似材料；
S6)施加喷层相似材料；
S7)施加二衬相似材料；
S8)分级加载直至支护破坏；
S9)监测围岩、各支护类型的受力以及应变，记录受力数据以及应变数据，得到各支护如喷层、二衬、锚杆等的安全系数，并计算多层支护结构的总安全系数。
进一步，步骤S1)中，试验性质是不考虑地层与围岩之间作用，仅为结构承载能力试验；所述步骤S1)中的结构形式选取拱结构形式。
更进一步，所述步骤S1)中的几何相似比采用的几何相似比是12.5；所述步骤S1)中模型箱的长×宽×高是2.08m×0.45m×1.98m。
进一步，本步骤S2)中围岩等级的确定方式是：
a)依托工况围岩的力学参数换算几何相似比得到围岩相似材料；所述围岩相似材料以重度γ、变形模量E、内摩擦角以及黏聚力c为参考的力学参数；
b)根据围岩相似材料的组成成分及配比，确定骨料、黏结剂以及调节剂的配比；
c)根据骨料、黏结剂以及调节剂的配比，制备围岩相似材料；
d)针对围岩相似材料进行单轴抗压强度与直剪试验，根据试验结果确定IV级围岩相似材料以及V级围岩相似材料；
所述步骤S2)中的锚杆参数包括抗拉刚度EA、抗拉强度σt以及弹性模量E；
所述步骤S2)中的喷层包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架；钢拱架由钢片模拟；
所述步骤S2)中二衬由混凝土构成，所述混凝土包括抗压强度σc与弹性模量E。
进一步，步骤S3)的具体实现方式是：
S31)依托工况确定在IV级围岩对应的埋深以及V级围岩对应的埋深；
S32)参考依托工况中围岩压力设计值和总安全系数法，分别计算IV级围岩相似材料需要承受的最大荷载以及V级围岩相似材料需要承受的最大荷载；
S33)根据步骤S32)计算得到的结果分别计算IV级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载以及V级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载；所述IV级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是IV级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；所述V级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是V级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；
S34)根据步骤S33)的计算结果，对模型箱的竖直与水平方向施加相应的荷载。
进一步，步骤S4)的具体实现方式是：
S41)将围岩相似材料铺设夯实；
S42)在围岩相似材料的基础上对隧道模具进行预制与埋设，在隧道模具中预埋监测仪器；所述隧道模具采用聚苯乙烯泡沫原料制作，并在模型外包裹一层塑料膜；
S43)分步开挖隧道模具，同时清空塑料膜，得到二衬-喷层-锚岩承载拱工况的毛洞模型体。
进一步，步骤S5)的具体实现方式是：
S51)根据锚杆参数选取锚杆相似材料；
S52)在锚杆相似材料上挖槽，在槽中置入光纤光栅应变测点并进行封装；
S53)分步开挖隧道模具之后，根据锚杆分布位置在预定的位置钻孔，锚杆围绕模型洞壁设置，采用注浆机将粘结材料环氧树脂注入钻孔内部，之后在靠近毛洞模型的洞壁位置粘结托盘相似材料(钻完孔后将锚杆相似材料插入孔中，再将锚杆头上的垫片也就是托盘套到锚杆上并粘住，托盘是锚杆头上的垫片，在锚杆打入围岩后使用，托盘是锚杆相似材料中的一部分)。
进一步步骤S6)的具体实现方式是：
S61)根据喷层参数选取喷层相似材料；
S62)在毛洞模型的洞周内部用胶带或浆液固定若干微型土压力盒，用于测量围岩与喷层之间的接触压力；
S63)在毛洞模型的洞周涂刷喷层相似材料，所述喷层相似材料的厚度是2.0cm；
S64)制作粘贴应变片的喷层相似材料小块，黏入涂刷材料中；
S65)涂刷完成后进行风干烘烤，完全风干之后，在喷层内侧粘贴应变片。
进一步步骤S7)的具体实现方式是：
S71)根据二衬参数选取二衬相似材料；
S72)在预制二衬内外侧粘贴应变片；
S73)在整个二衬外围用光滑塑料薄膜包裹，模拟防水层；
S74)在外侧布置钢拱架相似材料，再将二衬置入毛洞模型的的洞内；
S75)采用注浆机对二衬与毛洞模型的洞周之间的空洞位置进行注浆填充。
进一步步骤S8)的具体实现方式是：
S81)选取加载设备；
S82)通过加载设备对步骤S7)得到的结果进行加载试验；
S83)判断加载试验是否完成，若是则直接进行步骤S9；若否，在继续进行步骤S82)直至完成加载试验，所述加载试验的终止条件是以二衬材料出现大规模裂缝以及出现压溃现象为准。
进一步，步骤S9)的具体实现方式是：监测围岩、各支护类型的受力、应变，观察破坏形态、破坏次序，记录多层支护结构极限承载力以及应变数据，得到各支护的安全系数及总安全系数。
与现阶段隧道多层支护结构室内模型试验方法和方案相比，本发明的有益效果是：
本发明所述多层支护结构是由锚杆-围岩承载拱(后简称“锚岩承载拱”、喷射混凝土层(包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架等，后简称“喷层”)、二次衬砌(后简称“二衬”)组成的三层复合结构。本发明通过对原始隧道进行等比例缩小试验，其步骤包括确定试验性质、拟定几何相似比、确定模型箱尺寸及试验的结构形式，再根据几何相似比结合依托工况拟定围岩、锚杆、喷层、二衬相似材料的参数，制作模具后置于模型架内，分级加载，监测围岩、各支护类型的受力、应变，记录多层支护结构极限承载力，根据采集的数据计算该支护的安全系数。
本发明是针对现阶段国内大部分模型试验中，二衬、喷层、锚杆的相似材料的尺寸都较小，其承载效应较难观察与监测。而本试验方法中的支护结构尺寸较大，且将支护结构形式设置为拱结构，在结果中更能体现支护的承载机理与载荷效果。同时，现有的模型试验并计算隧道多层支护结构的安全系数，而本试验方法计算模型的安全系数以及总安全系数，进一步完善总安全系数法设计体系。
本发明采用的室内模型试验方法，是一种对实际模型按比例放大或缩小，并与原结构保持相似的辅助试验方法，通过缩小或放大比例能避免不利因素的影响，降低试验的费用，缩短周期。所以模型试验能够为一些新结构设计理论提供试验的辅助验证、检验假设的可靠性。
附图说明
图1多层支护结构示意图。
图2模型箱尺寸图。
图3毛洞模型体分步制作图。
图4承载拱内外监测元件布置图。
图5施加锚杆相似材料效果图。
图6施加喷层相似材料效果图。
图7施加二衬相似材料效果图。
图8模型试验加载台架图；其中(a)为台架正视图，(b)为台架后视图。
具体实施方式
结合附图，对本发明实施例中的技术方案作进一步的详细说明。本发明的内容完全不限于此。
实施例
本发明所提供的模型试验的依托工况为宜昌至郑万高铁联络线优化试验段，隧道采用时速350km双线隧道断面形式，断面内轮廓高度为10.88m，跨度为13.3m。
隧道多层支护结构包括锚杆岩承载拱、喷层、二衬组成的三层复合结构，其结构如图1所示。
具体而言，本发明提供了一种隧道多层支护结构的模型试验方法，包括以下步骤：
S1，确定模型试验的试验性质、几何相似比、模型箱尺寸、结构形式。
S1包括以下子步骤：
试验性质为结构承载能力试验，几何相似比在国内现有的隧道模型试验中，大部分试验采用的几何相似比多数在50以上，断面尺寸大概都在20cm～60cm，基本遵循圣维南原理；当几何相似比较大时，由于断面尺寸相对较小，各类支护构件如衬砌、锚杆的受力与破坏形式较难监测，而本试验的重点在于分析隧道的支护结构受力特征，在保证开挖后围岩相似材料不发生垮塌的条件下，应使得隧道断面尽量大，方便观察支护破坏情况以及监测支护构件受力，且施加边界荷载会对支护受力影响较为显著，所以应将几何相似比设置较小；本试验的几何相似比取12.5。由于试验主要考察隧道结构在加载过程中力学破坏特性，边界拟设置较小；按照前述所确定的几何相似比(12.5)，依托工况中原型隧道的跨径为13.3m、高度为10.88m，则模型隧道跨径为1.06m、高度为0.87m；通过综合考虑隧道开挖影响范围、经济与技术、人员施工方便性、平面应变等因素，初步确定模型试验模型箱尺寸为2.08m×0.45m×1.98m(长×宽×高)试验的结构形式，同时采用拱结构形式，放置在尺寸为2.08m×0.45m×1.98m(长×宽×高)的模型箱内。如图2。拱结构的优点是能体现承载拱，更类似于结构荷载试验，与理论模型相似。
S2，根据依托工况换算几何相似比确定围岩等级、锚杆、喷层、二衬支护材料的参数。
S2包括以下子步骤：
S21，围岩相似材料以重度γ、变形模量E、内摩擦角黏聚力c为主要参考的力学参数，根据依托工况围岩的力学参数换算几何相似比得到围岩相似材料的目标参数见表1。根据调研的相似材料的组成成分及其配比，确定骨料、黏结剂以及调节剂配比的大致范围，尝试性地进行了多组相似材料的制备工作，开展了大量单轴抗压强度与直剪试验，基本确定了IV级、V级围岩达到目标参数时的配比。
表1围岩相似材料目标参数
S22，锚杆参数，以抗拉刚度EA、抗拉强度σt、弹性模量E为主要研究对象。根据相似比计算理论，当几何相似比为12.5时，抗拉强度、弹性模量相似比都是12.5，而抗拉刚度需要进行二次换算，其最终相似比为1953。通过进行不同类型材料的拉拔试验，得出锚杆相似材料的目标参数见表2。
表2锚杆相似材料目标参数
S23，根据依托工况中喷层参数与几何相似比换算得出喷层相似材料，喷层包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架；钢拱架由钢片进行模拟，工字钢I20a涉及到的力学参数较多，以弹性模量作为其力学参数的主要考察对象，根据计算，喷层的目标参数见表3。
表3喷层相似材料的目标参数
S24，根据依托工况中二衬的参数与几何相似比换算得出二衬材料的目标参数，二衬主要由混凝土构成，以抗压强度σc与弹性模量E作为主要参考的力学参数，进行二衬相似材料的单轴抗压强度试验，初步得出二衬相似材料的配比，二衬的目标参数如见表4。
表4二衬混凝土相似材料的目标参数
S3，根据依托工况设计千斤顶的荷载，确定施加荷载范围。
千斤顶施加载荷载设计应考虑到几何相似比12.5，参考依托工况中围岩压力设计值(Ⅳ级围岩中对应800m埋深的围岩压力为165kPa，Ⅴ级围岩中对应600m埋深的围岩压力为478kPa)，与总安全系数(Ⅳ级为11.62，Ⅴ级为4.63)来确定不同等级围岩相似材料所需承受最大荷载：
V级围岩：478kPa×4.63/12.5＝0.1771MPa
IV级围岩：165kPa×11.62/12.5＝0.1534MPa
由于模型试验用于研究支护结构的极限承载力，因此，将模型试验中千斤顶施加荷载设置为最大荷载乘以相应的荷载扩大系数，此处扩大系数取值为4倍。
V级围岩：0.1771MPa×4＝0.7084MPa
IV级围岩：0.1534MPa×4＝0.6136MPa
所以试验所需最大荷载为0.7084MPa。
竖直与水平方向所需千斤顶吨位：
2.08m×0.45m×0.7084Pa/9.8N/kg＝67.66T
1.98m×0.45m×0.7084MPa/9.8N/kg×0.6＝38.64T(取侧压力系数为0.6)
根据竖直与水平方向荷载，模型箱上方与左侧、右侧三个面上各设置一排千斤顶，上方千斤顶每排共4个30T千斤顶，左侧与右侧面上每排共4个30T千斤顶。
竖直方向千斤顶可提供荷载：
120000kg×9.8N/kg/(2.08m×0.45m)＝1.256MPa(7倍的设计荷载)
水平方向千斤顶可提供荷载：
120000kg×9.8N/kg/(1.98m×0.45m)＝1.320MPa(7.4倍的设计荷载)
S4，二衬-喷层-锚岩承载拱工况毛洞模型体制作的具体实施方案
S4包括以下子步骤：
S41，制作如图1的模型箱，尺寸为2.08m×0.45m×1.98m(长×宽×高)。内部模型隧道尺寸按照12.5的几何相似比，换算依托工况中的原型隧道，则模型隧道跨径为1.06m、高度为0.87m。
S42，毛洞模型体制作采用分层摊铺压实法。图3为分布制作效果图，具体工艺为：
S421)按材料规定配比大规模称量配置围岩相似材料，用搅拌机均匀搅拌材料，确定制作模型实体所需的材料层数与各层材料用量，将搅拌均匀的底部相似材料倒入模型架底部并摊铺均匀，按照规定压实度进行夯实。使用大功率电风扇对压实材料进行逐层风干，使得模型体的溶剂完全挥发干净。如图3(a)所示。
铺设相似材料的过程中，需要在四面预制厚度为3mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜具有高润滑与不黏附的特点，能够减小模型体的摩擦力。
S422)安装隧道模具，采用具有一定抗变形能力，且容易切割、挖除的材料制作隧道模具。本次试验选取聚苯乙烯泡沫塑料作为隧道模具。如图3(b)所示。
S423)在设计高程部位埋设量测元件(包括微型土压力盒、位移计、应变计等)。如图4。拱圈外围土压力盒用于监测经过细砂传递到拱圈外围的力大小，作为荷载结构法计算的外荷载。承载拱内部的土压力盒和应变砖用于测量承载拱内部应力应变，进而分析承载拱力学机理。安装挡板支架。如图3(c)所示。
S424)在挡板、模型箱框架和隧道模具围成的区域内进行相似材料填充并按照规定压实度进行夯实。再次使用大功率电风扇对压实材料进行逐层风干，使模型体的溶剂完全挥发干净。如图3(d)所示。
S425)拆除挡板及其支架，并在挡板、模型箱框架和隧道模具围成的区域内进行细砂填充。如图3(e)所示。
S426)拉伸支架长度，并在隧道模具两侧安装挡板支架。如图3(f)所示。
S427)重复步骤S423)、S424)以及S425)，直至模型顶部，盖上钢板，共重复填充、夯实16层围岩相似材料和细砂。如图3(g)所示。
S428)分步开挖隧道模具、清空模具外层塑料膜。若开挖过程中围岩材料不稳定，可以先在洞周刷薄薄一层衬砌材料，在洞周固定若干微型土压力盒，再在整个洞周区域用光滑塑料薄膜包裹，以此模拟防水层。如图3(h)所示。
S5，施加锚杆相似材料，在锚杆相似材料上挖槽置入光纤光栅应变测点并进行封装，分步开挖隧道模具之后，稳定一段时间，根据锚杆布置图在预定的位置钻孔，采用注浆机将粘结材料环氧树脂注入钻孔内部，之后在靠近洞壁位置粘结托盘相似材料。如图5所示。
S6，施加喷层相似材料，喷层包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架。钢拱架由钢片进行模拟，工字钢I20a涉及到的力学参数较多，以弹性模量作为其力学参数的主要考察对象。在模型中按照8cm纵向间距布置。
施加喷层时在洞周内部用胶带或浆液固定若干微型土压力盒，用于测量围岩与喷层之间的接触压力。制作粘贴应变片的喷层相似材料小块，约为2.0cm厚左右，将相似材料小块固定在洞周内部，然后在洞周涂刷喷层相似材料(便于监测喷层内外应变，也可作为喷层厚度标定)。涂刷完成后进行风干烘烤，完全风干之后，在喷层内侧施加钢拱架并粘贴应变片。如图6所示。
S7，施加二衬相似材料，首先预制二衬模具，二衬模具由内模具与外模具组成。先将二衬模具的内模具外表面与外模具内表面擦拭干净后涂刷脱模剂，组装，完成后，安置于模具底座上，完成模型支设。将一定配比的石膏与水分次浇灌入模具中，待干化后，将模板拆除，进行试件烘烤。
施加二衬时，在预制二衬内外侧粘贴应变片，再在二衬除仰拱外其他位置铺设光滑塑料薄膜，以此模拟防水层，然后在外侧布置钢拱架相似材料，再将二衬置入洞内，二衬外轮廓尺寸应设计较小，保证方便放入，二衬与洞周处预留注浆管和注浆孔，采用注浆机对二衬与洞周处存在的空洞进行填充。如图7。
S8，分级加载直至支护破坏
S8包括以下子步骤：
S81，加载设备由加载架、模型箱、液压加载系统、应力应变测量系统、计算机及控制系统组成。如图8。
S82，使用千斤顶分级加载，加载过程中缓慢进行，保证试验过程为准静态过程，开启监测设备，记录加载过程中的围岩与衬砌的应力应变。确定加载等级，根据几何相似比模拟自重应力场，为更好保证相似材料的传力效果，将试验每次设置为10级左右，每级增加10％，每次稳压3～5分钟，根据测量的应变与土压力数据为准。结合围岩材料受力状态，以二衬材料出现大规模裂缝、出现压溃现象为准，作为试验终止条件。
S9，监测围岩、各支护类型的受力、应变；观察破坏形态、破坏次序，探究多层支护结构的承载机理。记录多层支护结构极限承载力，最终根据《隧道支护结构设计总安全系数法》(肖明清著，人民交通出版社股份有限公司出版，ISBN：9787114165580)所记载的内容得到各层支护结构的安全系数及多层支护的总安全系数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1)确定模型试验的试验性质、几何相似比、模型箱尺寸以及结构形式；
S2)根据依托工况换算几何相似比确定围岩等级、锚杆、喷层以及二衬支护材料的参数；
S3)根据依托工况中IV级围岩和V级围岩压力设计值与总安全系数，设计千斤顶的荷载，确定施加荷载范围；
S4)制作二衬-喷层-锚岩承载拱工况的毛洞模型体；
S5)施加锚杆相似材料；
S6)施加喷层相似材料；
S7)施加二衬相似材料；
S8)分级加载直至支护破坏；
S9)监测围岩、各支护类型的受力以及应变，记录受力数据以及应变数据，得到各支护的安全系数并计算总安全系数。
2.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S1)中，试验性质不考虑地层与围岩之间作用，仅为结构承载能力试验；结构形式选取拱结构形式。
3.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：
所述步骤S2)中围岩等级的确定方式是：
a)依托工况围岩的力学参数换算几何相似比得到围岩相似材料；所述围岩相似材料以重度γ、变形模量E、内摩擦角以及黏聚力c为参考的力学参数；
b)根据围岩相似材料的组成成分及配比，确定骨料、黏结剂以及调节剂的配比；
c)根据骨料、黏结剂以及调节剂的配比，制备围岩相似材料；
d)针对围岩相似材料进行单轴抗压强度与直剪试验，根据试验结果确定IV级围岩相似材料以及V级围岩相似材料；
所述步骤S2)中的锚杆参数包括：抗拉刚度EA、抗拉强度σt以及弹性模量E；
所述步骤S2)中的喷层包括：喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架；钢拱架由钢片模拟；
所述步骤S2)中二衬由混凝土构成，所述混凝土包括抗压强度σc与弹性模量E。
4.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S3)的具体实现方式是：
S31)依托工况确定在IV级围岩对应的埋深以及V级围岩对应的埋深；
S32)参考依托工况中围岩压力设计值和总安全系数法，分别计算IV级围岩相似材料需要承受的最大荷载以及V级围岩相似材料需要承受的最大荷载；
S33)根据步骤S32)计算得到的结果分别计算IV级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载以及V级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载；所述IV级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是IV级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；所述V级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是V级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；
S34)根据步骤S33)的计算结果，对模型箱的竖直与水平方向施加相应的荷载。
5.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S4)的具体实现方式是：
S41)将围岩相似材料铺设夯实；
S42)在围岩相似材料的基础上对隧道模具进行预制与埋设，在隧道模具中预埋监测仪器；所述隧道模具采用聚苯乙烯泡沫原料制作，并在模型外包裹一层塑料膜；
S43)分步开挖隧道模具，同时清空塑料膜，得到二衬-喷层-锚岩承载拱工况的毛洞模型体。
6.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S5)的具体实现方式是：
S51)根据锚杆参数选取锚杆相似材料；
S52)在锚杆相似材料上挖槽，在槽中置入光纤光栅应变测点并进行封装；
S53)分步开挖隧道模具之后，根据锚杆分布位置在预定的位置钻孔，锚杆围绕模型洞壁设置，采用注浆机将粘结材料环氧树脂注入钻孔内部，之后在靠近毛洞模型的洞壁位置粘结托盘相似材料。
7.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S6)的具体实现方式是：
S61)根据喷层参数选取喷层相似材料；
S62)在毛洞模型的洞周内部用胶带或浆液固定若干微型土压力盒，用于测量围岩与喷层之间的接触压力；
S63)在毛洞模型的洞周涂刷喷层相似材料，所述喷层相似材料的厚度是2.0cm；
S64)制作粘贴应变片的喷层相似材料小块，黏入涂刷材料中；
S65)涂刷完成后进行风干烘烤，完全风干之后，在喷层内侧粘贴应变片。
8.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S7)的具体实现方式是：
S71)根据二衬参数选取二衬相似材料；
S72)在预制二衬内外侧粘贴应变片；
S73)在整个二衬外围用光滑塑料薄膜包裹，模拟防水层；
S74)在外侧布置钢拱架相似材料，再将二衬置入毛洞模型的的洞内；
S75)采用注浆机对二衬与毛洞模型的洞周之间的空洞位置进行注浆填充。
9.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S8)的具体实现方式是：
S81)选取加载设备；
S82)通过加载设备对步骤S7)得到的模型进行加载试验；
S83)判断加载试验是否完成，若是则直接进行步骤S9；若否，在继续进行步骤S82)直至完成加载试验，所述加载试验的终止条件是以二衬材料出现大规模裂缝以及出现压溃现象为准。
10.根据权利要求1所述的隧道多层支护结构的模型试验方法，其特征在于：所述步骤S9)的具体实现方式是：监测围岩、各支护类型的受力、应变，观察破坏形态、破坏次序，记录多层支护结构极限承载力以及应变数据，得到各支护的安全系数并计算总安全系数。
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|---|---|---|---|---|
| CN118313107A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-07-09 | 山东大学 | 隧道裂隙识别、预测与分布特征试验模拟验证方法及系统 |
| CN118327589A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-07-12 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 隧道主动支护体系设计方法、装置、设备及存储介质 |
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