CN217738811U - 一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，包括层状围岩模型系统以及监测系统；其中，层状围岩模型系统包含相似岩层(1)、开挖隧洞(2)、角度刻盘(3)、定位支架(4)、刻盘锁(5)、模型支架(6)、刻盘滑轮(7)、模型箱(10)、注浆口(11)、玻璃挡板(12)，用于模拟实际围岩。本实用新型可以模拟不同倾角层状围岩的开挖过程，并有效地监测围岩开挖时的稳定性变化，实现在隧道开挖过程中对周围层状围岩的加速度、应力、应变及位移等数据的动态测量，为揭示在不同倾角的层状围岩下，隧道开挖过程中的稳定性评价提供了试验依据和研究方法。

Description

一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统

技术领域

本实用新型涉及隧道开挖稳定性研究领域，具体涉及一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统。

背景技术

随着基础设施建设的发展，运用爆破对隧道进行开挖的情况十分常见。由于爆破施工过程对周边岩体的扰动十分强烈，故隧道开挖时对围岩稳定性的研究就显得非常重要。由于实际现场中的围岩条件千变万化，难以预测施工过程中围岩稳定性的变化情况，往往导致隧道的建设进度大大受限。在隧道爆破开挖过程中，围岩的岩性以及掌子面开挖后围岩的应力重分布是围岩稳定性变化的两大因素，对在上述两者条件下的围岩情况分析是工程需要考虑的重要问题。

目前，对于隧道现场复杂的施工条件，考虑到工作人员的安全，对隧道围岩的现场试验往往不能直接进行，对此，国内外常采用数值模拟技术，对隧道开挖时围岩的稳定性进行研究。虽然该方法解决了现场的安全性问题，但数值模拟过程中会因为软件中的材料参数、模型接触以及边界等条件与现场实际的差别，导致计算结果产生较大的误差，从而影响后续研究的准确性。因此，需要与实际现场条件更加切合的方法对隧道开挖过程中围岩稳定性进行研究。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，可以模拟不同倾角层状围岩开挖时的模型，并有效地监测围岩开挖时的稳定性变化，实现在隧道开挖过程中对周围层状围岩的加速度、应力、应变及位移等数据的动态测量，为揭示在不同倾角层状围岩下，隧道开挖过程中的稳定性评价提供了试验依据和研究方法。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，包括层状围岩模型系统、监测系统；

其中，层状围岩模型系统包含相似岩层、开挖隧洞、角度刻盘、定位支架、刻盘锁、模型支架、刻盘滑轮、模型箱、注浆口、玻璃挡板，用于模拟实际围岩。所述模型箱主体为内部空心的圆柱，内部用于浇筑所述相似岩层，外壁与内壁之间留有角度刻盘，用于测定所述相似岩层的节理倾角，所述模型箱前后两端各设置4个定位支架；所述模型箱两端下部设置有4个模型支架，用于稳定整个层状围岩模型系统；所述刻盘滑轮位于所述模型箱外壁与所述模型支架之间，用于转动所述角度刻盘；所述刻盘锁设置于所述模型支架顶端向外侧，用于锁定角度刻盘；所述注浆口位于所述模型箱顶部，用于注入所述相似岩层材料；所述玻璃挡板设置于所述模型箱前后两端，用于防止注浆泄露。

监测系统包括：微型土压力计、微型加速度计、压力计、压力气囊、拉线位移计、应变片、测试仪器。所述压力气囊预先设置在所述模型箱内部周边，并将压力计接至所述模型箱外部；所述微型土压力计与所述微型加速度计在所述相似岩层浇筑时进行预先埋置，用于测定开挖过程中岩层中压力及加速度的变化；所述位移计与所述应变片设置在所述开挖隧洞的底部及顶部，并沿所述开挖隧洞的轴线均匀布置数组，所述应变片与测试仪器相连。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，所述相似岩层由现场岩样经过相似配比制作，且根据现场岩样，配制多层所述相似岩层浇筑至所述模型箱中。所述刻盘锁可通过调节与所述刻盘滑轮的接触，在进行不同倾角层状的岩层浇筑时，通过调节所述刻盘锁，影响所述刻盘滑轮与所述角度刻盘之间的接触，使所述角度刻盘处于可转动状态或者锁定状态。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，所述相似岩层完成一层浇筑后，通过所述刻盘滑轮与所述刻盘锁转动所述角度刻盘，使已完成浇筑的岩层转过相应角度，之后再进行浇筑，使得到后续浇筑的相似岩层与已完成浇筑岩层之间具有不同的倾角。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，所述所述定位支架是可调节所述模型箱内部岩样松紧程度的螺丝，在所述相似岩层成模后，调节所述定位支架,固定所述相似岩层。

进一步地，所述开挖隧洞掌子面的位置根据现场情况按照比例相应设计。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，运用电火花激振器布置与掌子面中心，模拟隧道爆破开挖时围岩振动情况，并运用人工开挖的方式模拟隧道爆破后碎渣清理情况。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，所述压力气囊设置于所述模型箱内壁周边，所述压力计外接所述压力气囊用于监测所述相似岩层周边应力情况。

进一步地，在本实用新型一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统中，所述微型土压力计和所述微型加速度计分别连接到相应所述测试仪器的监测系统，所述拉线位移计连接到千分表，用于测定开挖过程中隧道壁的位移，所述应变片连接相应监测系统，用于监测开挖过程隧道壁测点的应变情况。

本实用新型可以模拟不同倾角层状围岩的开挖过程，并有效地监测围岩开挖时的稳定性变化，实现在隧道开挖过程中对周围层状围岩的加速度、应力、应变及位移等数据的动态测量，为揭示在不同倾角的层状围岩下，隧道开挖过程中的稳定性评价提供了试验依据和研究方法。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型试验系统的正面内部结构示意图；

图2是本实用新型试验系统的侧面示意图；

图3是本实用新型试验系统浇筑不同倾角岩层示意图；

图中：1-相似岩层，2-开挖隧洞，3-角度刻盘，4-定位支架，5-刻盘锁，6- 模型支架，7-刻盘滑轮，8-微型土压力计，9-微型加速度计，10-模型箱，11- 注浆口，12-玻璃挡板，13-压力气囊，14-压力计，15-拉线位移计，16-应变片， 17-测试仪器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本实用新型使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明的一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，包含相似岩层1、开挖隧洞2、角度刻盘3、定位支架4、刻盘锁5、模型支架6、刻盘滑轮7、模型箱10、注浆口11、玻璃挡板12，用于模拟实际围岩。所述模型箱10主体为内部空心的圆柱，内部用于浇筑所述相似岩层1，外壁与内壁之间留有角度刻盘3，用于测定所述相似岩层1的节理倾角；

本实施例中，模型箱10前后两端各设置4个定位支架4；模型箱10两端下部设置有4个模型支架6，用于稳定整个层状围岩模型系统；刻盘滑轮7位于模型箱10外壁与模型支架6之间，用于转动角度刻盘3；刻盘锁5设置于模型支架6顶端向外侧，用于锁定角度刻盘3；注浆口11位于所述模型箱10顶部，用于注入所述相似岩层1材料；玻璃挡板12设置于模型箱10前后两端，用于防止注浆泄露。参考图1，相似岩层1由现场岩样经过相似配比制作，具有相近的物理力学特性，可根据现场岩样，配制多层所述相似岩层1浇筑至所述模型箱 10中。

在进行浇筑相似岩层1时，刻盘锁5可通过调节与刻盘滑轮7的接触，在进行不同倾角层状的岩层浇筑时，通过调节所述刻盘锁5，影响所述刻盘滑轮7 与所述角度刻盘3之间的接触，使角度刻盘3处于可转动状态或者锁定状态。相似岩层1完成一层浇筑后，通过刻盘滑轮7与刻盘锁5转动角度刻盘3，使已完成浇筑的岩层转过相应角度，之后再进行浇筑，使得到后续浇筑的相似岩层与已完成浇筑岩层之间具有不同的倾角。通过刻盘滑轮7转动所述角度刻盘3，使得相似岩层具有不同的倾角层状。刻盘锁5可调节与刻盘滑轮7的接触，在进行浇筑不同倾角层状的相似岩层1时，通过调节刻盘锁5，使角度刻盘3处于可转动状态或者锁定状态。定位支架4是可调节模型箱10内部岩样松紧程度的螺丝，在相似岩层1成模后，调节定位支架4,固定相似岩层1。

监测系统包含：微型土压力计8、微型加速度计9、压力气囊13、压力计 14、拉线位移计15、应变片16、测试仪器17。压力气囊13预先设置在模型箱 10内部周边，并将压力计14接至模型箱10外部；微型土压力计8与微型加速度计9在所述相似岩层1浇筑时进行预先埋置，用于测定开挖过程中岩层压力及加速度的变化；位移计15与应变片16设置在开挖隧洞2的底部及顶部，并沿所述开挖隧洞2的轴线均匀布置数组，应变片16与测试仪器17相连。压力气囊13设置于模型箱10内壁周边，压力计41外接压力气囊13用于监测相似岩层1周边应力情况。微型土压力计8和微型加速度计9分别连接到相应测试仪器的监测系统，拉线位移计15连接到千分表，用于测定开挖过程中隧道壁的位移，应变片16连接相应监测系统，用于监测开挖过程隧道壁测点的应变情况。

操作方法包括以下步骤：

1)制作试验模型：

a、首先确定相似比，根据现场开挖隧洞与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，以二维模型模拟实际隧道断面，取一定的断面厚度，实际制作三维立体模型，根据第一、第二相似理论进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为L＝120，根据几何相似比，截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/120进行设计。重力加速度相似比Cg＝1，密度相似比Cρ＝1，容重相似比Cγ＝1，岩土体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，泊松比、摩擦角相似比： Cμ＝Cφ＝1，弹性模量按照原型岩体弹性模量的L＝120进行设计；同时根据量纲关系保证隧洞、岩土体的静力和动力响应相似，具体设计原则如下：

确定岩土体和锚碇结构相似比如下：

几何相似比：CL＝L；

弹性模量相似比：CE＝120；

容重相似比：Cγ＝1；

泊松比、摩擦角相似比：Cμ＝Cφ＝1；

确定静力和动力响应相似比根据：

根据量纲关系：压力＝重度×长度,集中力＝重度×长度3

则压力相似比Cξ＝Cγ×CL；

集中力相似比ψ＝Cγ×CL3

应力相似比Cσ＝L；

速度相似比Cv＝CL/Ct；

时间相似比Ct＝Cs0.5/Ca0.5；

位移相似比Cs＝CL；

加速度相似比Ca＝1；

b、布置模型箱，旋转刻度盘，使得刻度水平置零，拧紧刻盘锁固定，模型箱内壁周边预先粘贴压力气囊，并外接压力计，置零压力计读数。按照相似比预先计算微型土压力计、微型加速度计、拉线位移计、应变片在模型箱的相应位置。

c、浇筑岩土体材料，考虑到室内实验的简单省时要求，通常将现场层状围岩中单层岩体中的多种岩性简化为一种，结合工程实际与上述相似比，通过室内实验中的相似材料进行模拟。根据大量室内实验经验，以石英中砂、石英细沙、水泥、石膏、石膏混凝剂、水等材料作为现场层状围岩的相似材料。浇筑第一层围岩时，根据现场围岩厚度，按照相似比确定浇筑厚度通过注浆口进行垂直浇筑，浇筑时要根据上述测试仪器的计算埋深位置对其进行预埋，浇筑后用磨具捣压成型，之后，根据现场第二层围岩的层状倾角，通过几何计算，旋转刻度盘，使得岩体倾角与现场一致，再根据厚度相似比确定相似岩层厚度进行浇筑，埋设测试仪器，以此类推，完成整体相似岩层的浇筑，并进行相应养护。

2)固定相似岩层：相似岩层养护完成后，通过拧紧模型箱四周环向的定位支架，将相似岩层固定，并通过旋转刻度盘进行检验松紧程度。

3)设置压力气囊：对压力气囊进行充气，使得气囊与相似岩层紧密接触，充气完成后对压力计进行置零备用。

4)布置监测系统：微型加速度计和微型土压力计预先埋置在模型相似岩层中，分别连接到监测系统；将应变片呈十字形沿隧道轴线方向均匀贴于隧洞相似岩土层的上下顶面，连接测试系统；将拉线位移计沿隧道轴线方向布置于隧洞相似岩土层的上下顶面，外接千分表，布置完成后对千分表进行置零备用。

5)模型试验与数据记录：在相似岩层的监测系统布置完成后，根据现场隧洞大小，按照相似比标记隧洞位置，并根据现场掌子面炮孔布置位置标记相似岩层中爆孔的相应位置。预先根据循环进尺按照相似比设置凿岩冲击钻的钻头长度。上述设置完成后，布置电火花激振器于掌子面中心，将振动强度调节为现场炸药等效强度，模拟爆破引起的围岩振动情况。振动监测完成后，通过人工开挖掌子面，模拟爆破清渣时，围岩的力学情况，上述过程中应记录监测系统中微型加速度计、微型土压力计、应变片在各自对应的监测系统中数值的变化情况，记录拉线位移计外接千分表读数变化情况。

在完成第一循环进尺的开挖后，暂停操作，通过监测系统检查相似岩层中的各监测仪器是否正常工作：土压力计、加速度计、应变片连接系统处于稳定状态；千分表示数归零。检查完成后，按照设计的开挖方案进行下一循环进尺的开挖，重复上述开挖、监测过程，直至开挖完成，并记录数据。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：包括层状围岩模型系统以及监测系统；

其中，层状围岩模型系统包含相似岩层(1)、开挖隧洞(2)、角度刻盘(3)、定位支架(4)、刻盘锁(5)、模型支架(6)、刻盘滑轮(7)、模型箱(10)、注浆口(11)、玻璃挡板(12)，用于模拟实际围岩；

模型箱(10)主体内部中空并用于浇筑相似岩层(1)，模型箱(10)外壁与内壁之间留有角度刻盘(3)，用于测定所述相似岩层(1)的节理倾角，刻盘滑轮(7)位于所述模型箱(10)外壁与所述模型支架(6)之间，用于转动所述角度刻盘(3)；所述刻盘锁(5)设置于所述模型支架(6)顶端向外侧，用于锁定角度刻盘(3)；所述注浆口(11)位于所述模型箱(10)顶部，用于注入所述相似岩层(1)材料；所述玻璃挡板(12)设置于模型箱(10)前后两端，用于防止注浆泄露。

2.根据权利要求1所述的层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：模型箱(10)主体为内部空心的圆柱，模型箱(10)前后两端各设置有多个定位支架(4)；所述模型箱(10)两端下部设置有多个模型支架(6)，用于稳定整个层状围岩模型系统。

3.根据权利要求1所述的层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：监测系统包括微型土压力计(8)、微型加速度计(9)、压力计(14)、压力气囊(13)、拉线位移计(15)、应变片(16)、测试仪器(17)，所述压力气囊(13)预先设置在模型箱(10)内部，并将压力计(14)接至模型箱(10)外部；微型土压力计(8)与微型加速度计(9)在相似岩层(1)浇筑时进行预先埋置，用于测定开挖过程中岩层中压力及加速度的变化；拉线位移计(15)与应变片(16)设置在开挖隧洞(2)的底部及顶部，并沿开挖隧洞(2)的轴线均匀布置数组，应变片(16)与测试仪器(17)相连。

4.根据权利要求2所述的层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：所述定位支架(4)为可调节模型箱(10)内部岩样松紧程度的螺丝，在相似岩层(1)成模后，调节定位支架(4)，用于固定相似岩层(1)。

5.根据权利要求3所述的层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：压力气囊(13)设置于模型箱(10)内壁周边，压力计(14)外接压力气囊(13)用于监测相似岩层(1)周边应力情况。

6.根据权利要求3所述的层状围岩隧道开挖稳定性研究的模型试验系统，其特征在于：微型土压力计(8)和微型加速度计(9)分别连接到相应测试仪器(17)的监测系统，拉线位移计(15)连接到千分表，用于测定开挖过程中隧道壁的位移，应变片(16)连接相应监测系统，用于监测开挖过程隧道壁测点的应变情况。

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