專利名稱：深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及巖土力學實驗技術，尤其涉及一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置及其方法。
背景技術：
在深埋隧道工程規劃建設過程中，洞室圍巖穩定性是巖土工程和地質工程工作者必須予以高度重視的問題。洞室圍巖一般是指地下洞室周圍，由于地下局部開挖而引起變形及應力重新分布的一定范圍內的巖土體，由于地質條件的差異，容易發生巖爆和軟巖大變形等重大工程地質問題，直接關系到地下洞室施工的安全、進度和質量。巖爆是圍巖在高 地應力場條件下所產生的巖片(塊)飛射拋散，以及洞壁片狀剝落等動力破壞現象。巖爆是地下工程施工的一大地質災害，由于它的破壞性很大，常常給施工安全、巖體及建筑物的穩定性帶來很多的問題，甚至會造成重大工程事故。而了解隧道建設過程中深埋隧道巖體的應力、位移的變化規律對于分析洞室圍巖穩定性和預防巖爆的發生無疑具有重要意義。目前，針對深埋隧道建設中隧道巖體應力應變監測的研究多集中于理論上的分析，對于深埋隧道巖體圍巖應力應變監測的實驗室模擬是該研究領域的空白，而針對深埋隧道建設中隧道圍巖巖體應力應變監測的模擬實驗裝置是研究隧道施工時洞室圍巖穩定性及巖爆形成機理的重要手段之一，具有重要的理論和實際意義。經檢索，目前尚無一套成熟準確模擬深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置及其方法。
發明內容
本發明的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置及其方法。其一是本試驗裝置能準確模擬在深埋隧道建設中，隨著隧道開挖，隧道圍巖巖體內的位移、應力和應變也將隨著變化，為隧道施工時洞室圍巖穩定性及巖爆的形成機理研究提供了一種新的試驗手段。其二是本試驗方法可以實現在隧道施工中采取不同施工組合方式進行施工時，深埋隧道圍巖巖體隨開挖速率的不同，檢測其位移、應力、應變的變化規律，這有利于啟發我們找到最安全、高效的隧道施工速度。本發明的目的是這樣實現的根據實際隧道建設中隧道圍巖巖體的巖性、結構特征和工程地質力學性質建立地質模型，并概化為實驗室數學模型，并用可比擬的相似性材料建立物理模型；在試樣頂部施加一定均勻荷載模擬其深埋隧道所在位置的自重應力場，如此可以使試樣準確模擬實際隧道圍巖分布特征和力學特性；采用試驗用微型盾構機模擬隧道建設時的開挖過程，使用無級變速箱控制鉆進速率，并布設監測系統準確測得隧道圍巖內部位移、應力和應變的變化規律，以供后期數據分析。其原理符合野外地質體和施工現場的相似模擬模式，試驗裝置相對簡單，造價低廉，可以為大多數教學科研單位所裝備。I、深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置(簡稱試驗裝置)本試驗裝置包括試樣、深埋隧道巖體模型儀、鉆進面、垂向壓力系統、壓力板、分布式光纖監測系統、光纖、應變片、微型盾構機、無級變速箱和數據采集系統；其連接關系是在深埋隧道巖體模型儀內的試樣上加蓋壓力板，在壓力板之上設置垂向壓力系統，進行加荷以模擬施加自重應力；微型盾構機自鉆進面鉆入試樣中，微型盾構機、無級變速箱 和電機依次連接，實現鉆進;在試樣中布設8條光纖和6枚應變片,光纖與分布式光纖監測系統相連,分布式光纖監測系統和應變片分別與數據采集系統連接，實現檢測和記錄。2、深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗方法(簡稱試驗方法)本試驗方法是基于上述深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置的，具體包括下列步驟①試樣的制備a、試樣采用相似材料模擬現實隧道建設中的深埋隧道巖體，密度為2. 0 3. Og/cm3,含水率為10 20%,并按實際巖體結構性質和破裂情況米用土、砂、重晶石以一定重量比例(土 砂重晶石=1 2 7)調配而成；b、在試樣指定位置布設光纖和應變片；C、加入壓力板，并根據深埋隧道實際埋深，計算出其自重應力場，由垂向壓力系統在試樣頂部施加相應壓力值，壓實固結48h ；②檢查試樣的初始值啟動分布式光纖監測系統和數據采集系統，觀察光纖所導出的試樣應力初始值和應變片測試出的應變初始值；必須保證初始值在預先設計的有效范圍之內，若某個初始值偏離平均值過大，應當考慮重新制備試樣或更換相應元件；③檢查試樣的固結程度若試樣在12h內其應力、應變基本保持不變，則表明試樣已固結好，可以進行下一步操作；④啟動微型盾構機，自深埋隧道巖體模型儀鉆進面開始沿水平直線以一定速率鉆入試樣中，使用無級變速箱控制其鉆進速率，鉆入試樣至一定深度后，停止鉆進；觀測掌子面及其附近在停止鉆進后一段時間內的應力變化情況，同時分析是否有巖爆及軟巖大變形等情況的發生；如無相關工程地質問題發生，再行啟動微型盾構機，保持恒定速率鉆進；⑤使用光纖監測系統觀測整個試驗過程中試樣內部應力、位移的變化情況，同時觀測應變片所反映出的應變變化規律，并采集應力、位移、應變變化數據，并輸入數據庫中，再對試驗獲得的各種監測數據進行分析，從而獲得模擬隧道開挖時深埋隧道巖體應力應變變化的相關規律和巖爆的形成機理。工作原理采用垂向壓力系統對試樣施加荷載，模擬深埋隧道所在位置的自重應力場；利用微型盾構機對試樣進行開挖，并使用無級變速箱控制開挖速率，利用分布式光纖監測系統和應變片監測試樣內部位移、應力、應變的變化規律，根據數據采集系統記錄的相關數據，對試驗獲得的各種監測數據進行分析，從而獲得模擬隧道開挖時深埋隧道巖體應力應變變化的相關規律和巖爆的形成機理。本發明具有下列優點和積極效果①能準確地再現隧道建設中深埋隧道巖體在被開挖時應力應變的發展變化規律，為隧道建設過程中洞室圍巖穩定性及巖爆的形成機理研究提供了一條新的解決途徑，填補了目前該項研究中的空白；②采用垂向壓力系統，可以模擬分析不同隧道埋深條 件下，深埋隧道的巖爆和軟巖大變形的形成機理；③采用了無級變速箱和微型盾構機，可以精確控制開挖速率，從而在對比試驗中，可以實現模擬隧道在以不同施工組合方式進行施工時，深埋隧道巖體應力應變變化規律的不同，從而為隧道建設開挖的安全性和高效性分析提供了依據。
圖I為本試驗裝置的結構方框圖；圖2為本試驗裝置的結構示意圖。其中00—試樣；10—深埋隧道巖體模型儀；20—鉆進面；30—垂向壓力系統；40—壓力板；50一分布式光纖監測系統；60—光纖；70一應變片；80—微型盾構機；90—無級變速箱；100—數據采集系統。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明一、實驗裝置I、總體如圖1、2，本試驗裝置包括試樣00、深埋隧道巖體模型儀10、鉆進面20、垂向壓力系統30、壓力板40、分布式光纖監測系統50、光纖60、應變片70、微型盾構機80、無級變速箱90和數據采集系統100 ；其連接關系是在深埋隧道巖體模型儀10內的試樣00上加蓋壓力板40，在壓力板40之上設置垂向壓力系統30，進行加荷以模擬施加自重應力；微型盾構機80自鉆進面20鉆入試樣00中，微型盾構機80、無級變速箱90和電機依次連接，實現鉆進；在試樣00中布設8條光纖60和6枚應變片70,光纖60與分布式光纖監測系統50相連，分布式光纖監測系統50和應變片70分別與數據采集系統100連接，實現檢測和記錄。其工作過程是在深埋隧道巖體模型儀10內的試樣00上加蓋壓力板40，在壓力板40之上設置垂向壓力系統30進行加荷以模擬施加自重應力；試驗過程中，微型盾構機80自鉆進面20開始沿水平直線以一定速率鉆入試樣00中，使用無級變速箱90控制其鉆進速率，微型盾構機80采用電能驅動；·到達一定深度后，停止鉆進；觀測掌子面及其附近在停止鉆進后一段時間內的應力變化情況，同時分析是否有巖爆及軟巖大變形等情況的發生；如無相關工程地質問題發生，再行啟動微型盾構機80，保持恒定速率鉆進；在試樣00中布設8條光纖60和6枚應變片70,光纖60與分布式光纖監測系統50相連，分布式光纖監測系統50和應變片70分別與數據采集系統100連接，試驗時觀察試樣00應力應變的持續變化規律，記錄相關數據。2、功能部件I)深埋隧道巖體模型儀10深埋隧道巖體模型儀10是一種長方形腔體(長X寬X高=2mX ImX I. 5m)，外帶刻度標尺，標尺精度為1mm，周邊設立固定裝置，采用特殊鋼化玻璃制成，最大工作壓力為5Mpa，其內裝有試樣00，并在鉆進面20開孔處有圓蓋11與其配套。本部件由山東省濟南海威爾儀器有限責任公司提供。2)鉆進面 20鉆進面20是深埋隧道巖體模型儀10側面上的一個圓形孔洞(直徑10cm)，其大小是根據實際隧道建設開挖面與整個模型的相對比例大小而確定的。在深埋隧道巖體模型儀10的制作中有與鉆進面20配套的圓蓋11，圓蓋11與深埋隧道巖體模型儀10鉆進面20處采用螺紋緊密連接。3)垂向壓力系統30垂向壓力系統30是由依次連接的液壓泵、千斤頂和結構連接桿組成的載荷施加裝置，用以對試樣00施加荷載來模擬其自重壓力，垂向壓力系統30施加的壓力值需根據實際隧洞埋深處的自重應力場來控制。4)壓力板 40壓力板40是用合成纖維板制成的一塊長方形板材，其長X寬略小于深埋隧道巖體模型儀10頂面的長X寬尺寸，置于試樣00的頂端并與其緊密接觸，其作用是使垂向壓力系統施加的荷載均勻分布在試樣00上。5)分布式光纖監測系統50分布式光纖監測系統50是一種通用的分布調制的光纖傳感系統，由激光光源、傳感光纖和檢測單元組成，具體選用北京達卡科技有限公司生產的LC-DTSll型分布式光纖監測系統。其功能是用來監測試樣00的位移、應力變化情況。其工作原理就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號以一定的方式對光纖中的光波進行不斷調制(傳感)，在光纖中形成調制信息譜帶，并通過檢測技術，解調調制信號譜帶，從而獲得外界場信號的大小及空間分布。6)光纖 60光纖60是分布式光纖監測系統50的傳導介質,與分布式光纖監測系統50相連并布設于試樣00之中。光纖監測系統由8條光纖并聯而成，平行和垂直于試樣開挖方向各4條，距離開挖軸面一個直徑長度處，以保證數據具有較高的有效性。7 )應變片 7O應變片70是用導體或半導體材料制成的一種通用傳感器，具體選用北京必創科技有限公司生產的KFG箔金屬應變片。其原理是導體或半導體材料在外界力作用下產生物理變形時，其電阻值產生相應的變化，根據其電阻的變化可以獲得被測試樣應變的大小。在深埋隧道巖體模型儀內的試樣中布設6個應變片70 ;應變片70位于距離開挖軸面一個半徑長度處，根據開挖長度等間距排列，相鄰應變片間隔角度大致為黃金分割角度137°，以保證數據具有較高的有效性。8)微型盾構機80微型盾構機80是模擬隧道施工盾構機而制作的試樣開挖機械，與無級變速箱90相連接以實現鉆進速率的控制。9)無級變速箱90無級變速箱90是一種由MB系列無級變速機和相關配件組成的變速機械，內部底面轉速范圍為0 2000轉/分，無級可調。10)數據采集系統100數據采集系統100是一種通用的功能塊，采用多功能數據采集板卡、PC計算機和數據采集軟件進行數據采集、傳輸與記錄。具體采用北京北方天地科技有限公司的BF2010CJ02模塊及配套軟件。
權利要求
1.一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置，其特征在于 本試驗裝置包括試樣(00)、深埋隧道巖體模型儀(10)、鉆進面(20)、垂向壓力系統(30 )、壓力板(40 )、分布式光纖監測系統(50 )、光纖(60 )、應變片(70 )、微型盾構機(80 )、無級變速箱(90)和數據采集系統(100)； 其連接關系是 在深埋隧道巖體模型儀(10)內的試樣(00)上加蓋壓力板(40)，在壓力板(40)之上設置垂向壓力系統(30)，進行加荷以模擬施加自重應力； 微型盾構機(80)自鉆進面(20)鉆入試樣(00)中，微型盾構機(80)、無級變速箱(90) 和電機依次連接，實現鉆進； 在試樣(00)中布設8條光纖(60)和6枚應變片(70),光纖(60)與分布式光纖監測系統(50)相連，分布式光纖監測系統(50)和應變片(70)分別與數據采集系統(100)連接，實現檢測和記錄。
2.按權利要求I所述的一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置，其特征在于 所述光纖(60)由8條并聯而成，平行和垂直于試樣開挖方向各4條，距離開挖軸面一個直徑長度處，以保證數據具有較高的有效性。
3.按權利要求I所述的一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置，其特征在于 所述的6個應變片(70)位于距離開挖軸面一個半徑長度處，根據開挖長度等間距排列，相鄰應變片間隔角度為黃金分割角度137°，以保證數據具有較高的有效性。
4.基于權利要求I所述的一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置的試驗方法，其特征在于包括下列步驟 ①試樣的制備 a、試樣采用相似材料模擬現實隧道建設中的深埋隧道巖體，密度為2.0 3. Og/cm3，含水率為10 20%，并按實際巖體結構性質和破裂情況采用土、砂、重晶石以一定重量比例調配而成，土 砂重晶石=1 :2 7 ； b、在試樣指定位置布設光纖和應變片； C、加入壓力板，并根據深埋隧道實際埋深，計算出其自重應力場，由垂向壓力系統在試樣頂部施加相應壓力值，壓實固結48h ； ②檢查試樣的初始值 啟動分布式光纖監測系統和數據采集系統，觀察光纖所導出的試樣應力初始值和應變片測試出的應變初始值； 必須保證初始值在預先設計的有效范圍之內，若某個初始值偏離平均值過大，應當考慮重新制備試樣或更換相應元件； ③檢查試樣的固結程度 若試樣在12h內其應力、應變基本保持不變，則表明試樣已固結好，可以進行下一步操作； ④啟動微型盾構機，自深埋隧道巖體模型儀鉆進面開始沿水平直線以一定速率鉆入試樣中，使用無級變速箱控制其鉆進速率，鉆入試樣至一定深度后，停止鉆進；觀測掌子面及其附近在停止鉆進后一段時間內的應力變化情況，同時分析是否有巖爆及軟巖大變形等情況的發生；如無相關工程地質問題發生，再行啟動微型盾構機，保持恒定速率鉆進； ⑤使用光纖監測系統觀測整個試驗過程中試樣內部應力、位移的變化情況，同時觀測 應變片所反映出的應變變化規律，并采集應力、位移、應變變化數據，并輸入數據庫中，再對試驗獲得的各種監測數據進行分析，從而獲得模擬隧道開挖時深埋隧道巖體應力應變變化的相關規律和巖爆的形成機理。
全文摘要
本發明公開了一種深埋隧道圍巖穩定性物理仿真模擬試驗裝置及其方法，涉及巖土力學實驗技術。本試驗裝置的結構是在深埋隧道巖體模型儀內的試樣上加蓋壓力板，在壓力板之上設置垂向壓力系統，進行加荷以模擬施加自重應力；微型盾構機自鉆進面鉆入試樣中，微型盾構機、無級變速箱和電機依次連接，實現鉆進；在試樣中布設8條光纖和6枚應變片，光纖與分布式光纖監測系統相連，分布式光纖監測系統和應變片分別與數據采集系統連接，實現檢測和記錄。本發明能準確地再現隧道建設中深埋隧道巖體在被開挖時應力應變的發展變化規律，為隧道建設過程中洞室圍巖穩定性及巖爆的形成機理研究提供了一條新的解決途徑。
文檔編號G01N3/00GK102721604SQ20121022448
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者周能娟, 張永雙, 張瑞端, 杜宇本, 蔣良文, 郭長寶 申請人:中國地質科學院地質力學研究所