模拟拱形隧洞不同区域受力的装置及方法与流程

本发明涉及隧洞技术领域，尤其是一种模拟拱形隧洞不同区域受力的装置及方法，适用于工程隧洞、工程巷道、采矿岩洞支护等领域的研究。

背景技术：

近年来，随着我国国民经济的快速发展，以高速公路和国道为主体的快速交通网络的建设取得了突飞猛进的进步，山区公路隧洞作为高速公路的一个重要组成部分，在日趋注重高速公路环保、经济和效率的今天，起着愈发突出的作用。然而，由于隧洞所处的地质条件和工程条件愈发复杂，隧洞施工中及施工后的问题也愈发突出，如关角铁路隧道施工期间，隧底上鼓约1m，通车后隧底上鼓30cm；辛普伦铁路隧道横通道边墙、拱部和底部破裂、隆起。因此，解决这一系列问题支护技术的研究对隧洞工程具有重要意义。

目前实际工程中隧道的不同区域受力监测较为复杂，且所见的隧洞受力模拟装置都无法真实的模拟隧洞所受到的力，对隧洞的研究有一定的局限性，其主要在于现有模拟装置体积过大，操作极其不方便，且对其受力不能很好得记录，而有些装置则不能很好得模拟隧洞受力情况，使对其上所受力的分析偏离真实，且研究范围较小，不能有效的研究隧洞各个方向及位置的受力情况，因此，亟需设计一种模拟隧洞受力的装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟拱形隧洞不同区域受力的装置及方法，可以解决无法真实的测得拱形隧洞流质充填衬砌支护结构受力特征和相关规律的问题，可真实模拟拱形隧洞流质充填衬砌支护结构不同区域受力情况，可实时多方位监测各项力学参数，实时对隧洞受力情况及时反馈，也可定量研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，所用装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟拱形隧洞不同区域受力的装置，包括模拟隧洞立体结构，

模拟隧洞立体结构由中空无盖的弧形隧洞段以及连接于弧形隧洞段两端的中空无盖直线隧洞段组成，弧形隧洞段与各中空无盖直线隧洞段相连通，弧形隧洞段的一侧壁的最高处开设有第一卸压口，第一卸压口与一根中空无盖直线隧洞段之间的侧壁上开设有第二卸压口，模拟隧洞立体结构内填充有流质充填物；弧形隧洞段的顶部开口上的流质充填物上铺设有薄膜；

模拟隧洞立体结构顶部设置有顶部原样岩土体填充层，中空无盖直线隧洞段外侧设置有侧面原样岩土体填充层，顶部原样岩土体填充层顶部设置有多个顶部加载装置，侧面原样岩土体填充层上设置有侧面加载装置；

模拟隧洞立体结构的内壁上设置有多个压力传感器和应变片。

模拟隧洞立体结构顶部通过设置于弧形隧洞段的顶部开口上的弧形加压盖板与顶部原样岩土体填充层连接。

弧形隧洞段的中点底壁设置有第一压力传感器，弧形隧洞段与两中空无盖直线隧洞段接触位置的底壁分别设置有第二压力传感器和第三压力传感器，两中空无盖直线隧洞段的中点内壁上分别设置有第四压力传感器和第五压力传感器。

弧形隧洞段底壁设置有多个顶部应变片，两中空无盖直线隧洞段的内壁上分别设置有侧部应变片。

流质充填物为砂或陶粒或碎石土或淤泥形成的充填物。

顶部加载装置和侧面加载装置包括设置在顶部原样岩土体填充层和侧面原样岩土体填充层上的加载滑板，各加载滑板上安装有加载设备，各加载滑板上设置有有压力监测仪。

一种采用上述装置进行模拟拱形隧洞不同区域受力试验的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：预制模拟隧洞立体结构；

步骤2：在模拟隧洞立体结构的一侧壁的最高处开设第一卸压口，在第一卸压口与一根中空无盖直线隧洞段之间的侧壁上开设第二卸压口；

步骤3：在模拟隧洞立体结构的内壁上相应位置粘贴压力传感器；

步骤4：在模拟隧洞立体结构的内壁上相应位置焊接应变片；

步骤5：填充流质充填物：通过弧形隧洞段顶部开口向模拟隧洞立体结构内填充流质充填物，填充完成后，在弧形隧洞段的顶部开口上的流质充填物上铺设薄膜，盖上弧形加压盖板；

步骤6：填充原样岩土体：在模拟隧洞立体结构上填充原样岩土体形成模拟隧洞立体结构顶部的顶部原样岩土体填充层和中空无盖直线隧洞段外侧的侧面原样岩土体填充层；

步骤7：布置抽吸设备：在第一卸压口和第二卸压口处安装卸压导管，将主动抽吸设备的抽吸管与第一卸压口和第二卸压口连接，当监测到荷载达到模拟隧洞立体结构的屈服强度85%时，利用抽吸设备对流质充填物进行抽吸，快速卸除荷载；

步骤8：在顶部原样岩土体填充层顶部设置多个顶部加载装置，在侧面原样岩土体填充层上设置侧面加载装置，在每个加载装置的加载滑板上粘贴压力监测仪，通过加载装置给不同区域的加载滑板上施加荷载，模拟真实隧道围岩变形情况，监测隧道不同区域受力；

步骤9：连接采集设备：将各压力传感器与压力采集系统连接，将各应变片与应变采集仪连接；

步骤10：模拟试验：利用各顶部加载装置和侧面加载装置施加不同等级的荷载，先对每块加载滑板施加荷载到50kn用于模拟隧道开挖的初始荷载，在对某一块加载滑板以5kn为一个量级进行荷载加载，模拟隧洞围岩局部大变形作用对流质充填衬砌支护结构上的作用，通过布设的压力传感器及应变片来监测隧道不同位置的受力大小，待加载荷载达到模拟隧洞立体结构的屈服极限的85%时进行抽吸卸压操作，利用抽吸设备吸出填充层的砂体，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完成后将卸压孔塞住，在进行加载卸压操作，在此过程中通过布设的压力传感器及应变片测得各监测点的压力、变形量和应变等力学参数；

步骤11：根据测得的各项力学参数，得到隧道不同区域及位置的受力变形规律及蠕变规律，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑，完成模拟拱形隧洞不同区域受力试验。

本发明提供的模拟拱形隧洞不同区域受力的装置及方法，有益效果如下：

1、创新性地在实际隧洞工程中初衬和二衬之间的预留变形量层填充一层流质充填物作为缓冲层，该缓冲层既能给围岩提供变形的空间又能通过缓冲层自身的强度消耗一部分围岩的应力，对二衬支护结构起到保护作用，从而使二衬支护效果达到最佳。

2、本发明装置可模拟隧洞围岩不同区域及位置变形作用对衬砌支护结构的作用效果，也可定量研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律。

3、本发明装置可实时监测隧洞受力情况，受力机理更加接近隧洞自身受力情况，且充分利用填充物的流动性均化局部大荷载，提出的用卸压设备可及时卸除隧洞围岩大变形产生的荷载，使得隧洞整体衬砌支护结构受力更为均匀和安全。

4、针对隧洞支护结构受力较小的位置，利用流质充填物的流动性使得受力较小的位置的结构发挥较大的支护效果，整个隧洞支护结构受力更加均匀。

5、本发明装置可实时监测隧洞开挖后的受力变形情况并及时反馈，为工程中监测隧洞变形提供一种新方法，且所测得的数据也为实际工程提供理论支撑，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

6、有效地解决了模拟情况失真，模拟操作不方便等问题，从而能够真实模拟隧洞围岩的受力变形情况，装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，并为拱形隧洞流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的基础。

解决了现有装置无法较好地模拟隧洞开挖后充填填充物的隧道真实受力情况，无法真实地测得拱形隧洞流质充填衬砌支护结构受力特征和相关规律，且不能有效地研究隧洞不同方位及位置的受力情况等问题，可真实模拟拱形隧洞流质充填衬砌支护结构不同区域受力情况，该装置可实时多方位监测各项力学参数，实时对隧洞受力情况及时反馈，也可定量研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，为研究隧道不同区域受力开辟了新途径，也为拱形隧洞流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的理论基础，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的模拟隧洞立体结构的示意图；

图3为本装置的外观图；

图4为本发明装置的弧形加压盖板的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图4所示，一种模拟拱形隧洞不同区域受力的装置，包括模拟隧洞立体结构，

模拟隧洞立体结构由中空无盖的弧形隧洞段1以及连接于弧形隧洞段1两端的中空无盖直线隧洞段4组成，弧形隧洞段1与各中空无盖直线隧洞段4相连通，弧形隧洞段1的一侧壁2的最高处开设有第一卸压口6，第一卸压口6与一根中空无盖直线隧洞段4之间的侧壁2上开设有第二卸压口7，模拟隧洞立体结构内填充有流质充填物8；弧形隧洞段1的顶部开口上的流质充填物8上铺设有薄膜；

模拟隧洞立体结构顶部设置有顶部原样岩土体填充层17，中空无盖直线隧洞段4外侧设置有侧面原样岩土体填充层18，顶部原样岩土体填充层17顶部布设有三个顶部加载装置；侧面原样岩土体填充层18上设置有侧面加载装置；

模拟隧洞立体结构的内壁上设置有多个压力传感器和应变片。

弧形隧洞段1由两槽钢侧壁2和槽钢底壁3组成，其弧度在90度~180度之间不等，使用刚度较大的钢板制成。

模拟隧洞立体结构顶部通过设置于弧形隧洞段1的顶部开口上的弧形加压盖板10与顶部原样岩土体填充层17连接。

弧形隧洞段1的中点底壁设置有第一压力传感器11，弧形隧洞段1与两中空无盖直线隧洞段4接触位置的底壁分别设置有第二压力传感器12和第三压力传感器13，两中空无盖直线隧洞段4的中点内壁上分别设置有第四压力传感器14和第五压力传感器15。

弧形隧洞段1底壁设置有多个顶部应变片16，两中空无盖直线隧洞段4的内壁上分别设置有侧部应变片。

流质充填物8为砂或陶粒或碎石土或淤泥形成的充填物。

顶部加载装置和侧面加载装置包括设置在顶部原样岩土体填充层17和侧面原样岩土体填充层18上的加载滑板，顶部加载装置还包括预制反力框架5和安装在预制反力框架5内的千斤顶9，侧面加载装置还括包括预制反力框架和安装在预制反力框架内的千斤顶。

加载滑板分别为第一加载滑板20、第二加载滑板21、第三加载滑板22、第四加载滑板23及第五加载滑板19。

各加载滑板上安装有加载设备，各加载滑板上设置有有压力监测仪。

实施例二

一种采用上述装置进行模拟拱形隧洞不同区域受力试验的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：预制模拟隧洞立体结构；

步骤2：在模拟隧洞立体结构的一侧壁2的最高处开设第一卸压口6，在第一卸压口6与一根中空无盖直线隧洞段4之间的侧壁2上开设第二卸压口7；

步骤3：在模拟隧洞立体结构的内壁上相应位置粘贴压力传感器；

步骤4：在模拟隧洞立体结构的内壁上相应位置焊接应变片；

步骤5：填充流质充填物：通过弧形隧洞段1顶部开口向模拟隧洞立体结构内填充流质充填物8，填充完成后，在弧形隧洞段1的顶部开口上的流质充填物8上铺设薄膜，盖上弧形加压盖板10；

步骤6：填充原样岩土体：在模拟隧洞立体结构上填充原样岩土体形成模拟隧洞立体结构顶部的顶部原样岩土体填充层17和中空无盖直线隧洞段4外侧的侧面原样岩土体填充层18；

步骤7：布置抽吸设备：在第一卸压口6和第二卸压口7处安装卸压导管，将主动抽吸设备的抽吸管与第一卸压口6和第二卸压口7连接，当监测到荷载达到模拟隧洞立体结构（即槽钢）的屈服强度85%时，利用抽吸设备对流质充填物8进行抽吸，快速卸除荷载；

步骤8：在顶部原样岩土体填充层17顶部设置多个顶部加载装置，在侧面原样岩土体填充层18上设置侧面加载装置，在每个加载装置的加载滑板上粘贴压力监测仪，通过加载装置给不同区域的加载滑板上施加荷载，模拟真实隧道围岩变形情况，监测隧道不同区域受力；

步骤9：连接采集设备：将各压力传感器与压力采集系统连接，将各应变片与应变采集仪连接；

步骤10：模拟试验：利用各顶部加载装置和侧面加载装置施加不同等级的荷载，先对每块加载滑板施加荷载到50kn用于模拟隧道开挖的初始荷载，在对某一块加载滑板以5kn为一个量级进行荷载加载，模拟隧洞围岩局部大变形作用对流质充填衬砌支护结构上的作用，通过布设的压力传感器及应变片来监测隧道不同位置的受力大小，待加载荷载达到模拟隧洞立体结构（即槽钢）的屈服极限的85%时进行抽吸卸压操作，利用抽吸设备吸出填充层的砂体，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完成后将卸压孔塞住，在进行加载卸压操作，在此过程中通过布设的压力传感器及应变片测得各监测点的压力、变形量和应变等力学参数；

步骤11：根据测得的各项力学参数，得到隧道不同区域及位置的受力变形规律及蠕变规律，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑，完成模拟拱形隧洞不同区域受力试验。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。