隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置及方法

本发明涉及隧道断层破碎带变形破坏物理模拟技术领域，更具体而言，涉及一种通过多个方向施加荷载实现断层活化效应，以及模拟隧道受列车动荷载及地震荷载作用下穿越断层破碎带时，隧道结构变形及破坏的模拟试验装置及其操作方法。

背景技术：

随着我国经济飞速发展，基础设施建设也在不断完善，隧道工程得到前所未有的发展，目前已经成为世界上隧道工程建设规模最大、发展速度最快、结构最复杂的国家。近年来伴随着基础设施建设的逐步推进，国家对西部地区交通基础设施领域的投资力度不断加大；但我国西部多为山地，地质条件复杂，地震较频繁，隧道建设不可避免地需要经过断层、高烈度地震区域，隧道在施工中经常会遇到断层及破碎带等不良地质。诸多的工程实践和相关研究表明，隧道围岩的变形与破坏一般受断层破碎带等软弱结构面控制，如果处理不当，特别容易诱发涌水、突泥和隧道塌方等事故，从而给隧道工程的设计和施工带来极大的挑战。其中模型试验作为一种科学有效的研究手段，在隧道工程领域起到了重要的作用。

模型试验依据一定的模型比例尺寸模拟隧道开挖及运行时隧道变形特征与破坏特性。现阶段隧道模型试验装置基本趋于完善，但现有试验台架只能实现平面应变三向加载，针对模拟断层，实现断层活化、列车动荷载以及地震作用下穿越断层破碎带隧道结构变形模拟试验装置及方法的研究还相对匮乏。

技术实现要素：

本发明申请的目的是设计一种能够实现断层活化效应，并能模拟隧道受列车动荷载及地震荷载作用下穿越断层破碎带时，隧道结构的变形及破坏的模拟试验装置；同时也具体介绍了该试验装置的操作方法，以解决隧道结构处于列车动荷载及地震作用下穿越断层破碎带时的变形破坏问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面的技术方案提供了隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置，包括：承载框架、环向千斤顶、试验内槽、岩土填充槽、隧道开挖面、作动器支架、作动器、背面反力墙、背面千斤顶及隧道衬砌模型，其中，所述环向千斤顶固定安装在所述承载框架内壁上，所述试验内槽位于所述承载框架内部，所述试验内槽内侧为所述岩土填充槽，所述隧道开挖面位于所述试验内槽上，所述隧道衬砌模型设置在所述隧道开挖面处，所述隧道衬砌模型贯穿所述试验内槽的前、后表面，所述作动器支架与所述作动器连接，组成作动装置，所述作动装置通过伸入所述隧道衬砌模型中，与所述隧道衬砌模型相配合，所述背面千斤顶与所述背面反力墙固定连接。

本发明上述技术方案提供的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置，通过承载框架与环向千斤顶相结合组成的加载反力装置，相比于现有装置，能够同时进行多个方向上的荷载模拟，使模拟结果更加准确，模拟结果更具备参考性，能够有效克服现有装置只能单向施加荷载的不足，具有显著的有益效果。

另外，本发明上述技术方案提供的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置还具有如下技术特征：

作为本发明的一种优选方案，所述承载框架与所述环向千斤顶共同组成加载反力装置。

作为本发明的一种优选方案，所述环向千斤顶与所述背面千斤顶相结合对所述试验内槽外壁施加荷载。

作为本发明的一种优选方案，所述作动器安装在所述作动器支架底部，所述作动器的数量不少于2个，所述作动器均匀排布在所述作动器支架上。

作为本发明的一种优选方案，所述隧道衬砌模型的结构为管状结构，所述隧道衬砌模型的长度等于所述试验内槽的长度。

作为本发明的一种优选方案，所述试验内槽由主动槽及被动槽组成，所述主动槽与所述被动槽柔性连接，所述主动槽顶部设有主动盖，所述被动槽顶部设有被动盖，所述主动盖与所述被动盖柔性连接。

作为本发明的另一种优选方案，所述试验内槽由所述主动槽、中槽及所述被动槽组成，所述主动槽与所述中槽之间柔性连接，所述中槽另一侧与所述被动槽柔性连接，所述主动槽顶部设有主动盖，所述被动槽顶部设有被动盖，所述中槽顶部设有中槽盖。

作为本发明上述优选方案的改进方案，所述中槽设置的数量至少为1个，当所述中槽的数量为1个以上时，相邻所述中槽之间柔性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

根据本申请的装置，通过承载框架与环向千斤顶相结合组成的加载反力装置，相比于现有装置，能够同时进行多个方向上的荷载模拟，使模拟结果更加准确，模拟结果更具备参考性，能够有效克服现有装置只能单向施加荷载的不足，具有显著的有益效果。

通过环向千斤顶与背面千斤顶相结合对主动槽施加荷载，突破了以往模拟装置只能平面错动问题，实现了三维空间位移；利用作动器支架与作动器相连接，形成可拆卸作动装置，实现列车振动荷载以及地震作用下穿越断层破碎带隧道结构变形模拟。

本发明的一个方面的技术方案提供了隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的使用方法，包括：

s1.获取参照模型，对所述试验内槽内的所述岩土填充槽采用与所述参照模型相似材料进行填充；

s2.将填充完的所述试验内槽放入所述加载反力装置中，通过所述环向千斤顶对所述试验内槽施加梯度荷载，模拟隧道结构实际受力情况，所述环向千斤顶与所述背面千斤顶配合对所述试验内槽外壁施加荷载，使所述试验内槽处发生相对位移形成断层带；

s3.沿所述隧道开挖面，进行隧道开挖并穿过所述断层带，挖好后将所述隧道衬砌模型插入；

s4.将所述作动器支架与所述作动器连接组成所述作动装置，并将所述作动装置伸入所述隧道衬砌模型中，通过所述作动装置对所述隧道衬砌模型施加动荷载；

s5.用所述环向千斤顶对整个所述试验内槽施加梯度荷载，进行地震状态模拟。

附图说明

图1是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的立体结构图；

图2是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的主体正视结构图；

图3是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的主体侧视结构图；

图4是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的加载装置空间结构示意图；

图5是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的背面反力墙结构示意图；

图6是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的作动装置示意图；

图7是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的隧道衬砌模型结构示意图；

图8是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的试验内槽方案一示意图；

图9是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的试验内槽方案二示意图；

图10是本发明的实施例所述隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的试验内槽方案二其他情况示意图。

其中，图1至图10中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1承载框架、2环向千斤顶、3试验内槽、4岩土填充槽、5隧道开挖面、6作动器支架、7作动器、8背面反力墙、9背面千斤顶、10隧道衬砌模型、11主动槽、12被动槽、13主动盖、14被动盖、15中槽、16中槽盖。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。作动器又名激振器，用于进行动力学试验，是动力学试验的出力装置。

下面参照附图1至图10描述根据本发明一些实施例的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置及方法。

实施例一

如图1-8所示，根据本发明一些实施例提供的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置，包括承载框架1、环向千斤顶2，环向千斤顶2固定安装在承载框架1内壁上，承载框架1与环向千斤顶2共同组成加载反力装置，承载框架1底面固定安装在地面上，承载框架1为前后面开口的框架结构，承载框架1顶面与侧面的相交位置设有倾斜面，承载框架1的倾斜面与侧面内壁的夹角为135°，承载框架1的倾斜面与顶面内壁的夹角为135°，承载框架1顶部处设置倾斜面可以增加承载框架1的结构稳定性，环向千斤顶2分布于承载框架1顶面内壁、底面内壁、侧面内壁及倾斜面内壁上，环向千斤顶2在承载框架1的每个内壁面上均有布置，环向千斤顶2在承载框架1的每个内壁面上均布置有多个，环向千斤顶2呈均匀阵列排布；需要说明的是，环向千斤顶2的数量及排布方式并不存在限制，而是可以根据实际需要进行布设。

试验内槽3，试验内槽3由主动槽11及被动槽12组成，主动槽11与被动槽12柔性连接，主动槽11顶部设有主动盖13，主动盖13与主动槽11可拆卸连接，被动槽12顶部设有被动盖14，被动盖14与被动槽12可拆卸连接，主动盖13与被动盖14柔性连接，主动槽11及被动槽12所组成的槽体内侧为岩土填充槽4，岩土填充槽4用于装填模拟断层带所用的岩土材料；试验内槽3放置在承载框架1内部，在环向千斤顶2未对试验内槽3施加荷载时，试验内槽3底面与承载框架1底部的环向千斤顶2接触。

隧道开挖面5，隧道开挖面5位于试验内槽3上，用于试验人员进行隧道开挖时定位开挖位置。

隧道衬砌模型10，隧道衬砌模型10用于在试验时模拟隧道，隧道衬砌模型10设置在隧道开挖面5处，在隧道开挖完成后，隧道衬砌模型10插入至挖穿位置处，隧道衬砌模型10贯穿试验内槽3的前、后表面，并且隧道衬砌模型10的长度与试验内槽3的长度相等，隧道衬砌模型10的结构为圆管状结构。

作动器支架6、作动器7，作动器支架6与作动器7进行固定连接，组成作动装置，通过作动装置可以模拟列车通过隧道时的动荷载，5个作动器均匀排布在作动器支架6上，作动器7安装于作动器支架6的底部，需要说明的是，作动器支架6上排布的作动器7的数量不局限于5个，而是根据试验的实际情况需要进行布设，可以是4个，也可以是6个，还可以是更多个，具体可以根据试验需要进行变量控制，但作动器7的布设的数量至少为2个，以模拟多节列车通过时对隧道施加动荷载的情况。

背面反力墙8、背面千斤顶9，背面千斤顶9固定安装在背面反力墙8上，背面千斤顶9的数量设置有3个，3个背面千斤顶9排布在同一列上，需要说明的是，背面千斤顶9的数量不限于3个，列数也不限于1列，而是根据试验的实际情况需要进行数量及列数的布局，进而得出更加精确的试验数据，背面反力墙8设在承载框架1的前侧开口或后侧开口处，背面反力墙8固定安装在地面上。

通过背面千斤顶9可以对主动槽11前表面施加荷载，通过环向千斤顶2对主动槽11左侧面、右侧面、顶面、底面施加荷载，通过环向千斤顶2及背向千斤顶9对主动槽11施加荷载，使主动槽11与被动槽12之间发生错动，进而实现断层带形成过程模拟。

作动装置在模拟列车动荷载的过程中，放置到隧道衬砌模型10中，作动装置产生的振动传递至隧道衬砌模型10以及断层带，进而实现在列车动荷载作用下，隧道结构变形及破坏的模拟试验。

在地震荷载模拟的过程中，通过环向千斤顶2对整个实验内槽3施加梯度荷载，进而实现地震荷载模拟。

由于千斤顶以及作动器的原理与技术均已为现有技术，在此属于对其直接引用，因此不再进行赘述。

实施例二

如图9-10所示，本实施例与实施例一的区别在于，试验内槽3由主动槽11、中槽15及被动槽12组成，主动槽11与中槽15之间柔性连接，中槽15另一侧与被动槽12柔性连接，主动槽11顶部设有主动盖13，主动槽11与主动盖13可拆卸连接，被动槽12顶部设有被动盖14，被动盖14与被动槽12可拆卸连接，中槽15顶部设有中槽盖16，中槽盖16与中槽15可拆卸连接，主动槽11、被动槽12及中槽15所组成的槽体内侧为岩土填充槽4，岩土填充槽4用于装填模拟断层带所用的岩土材料，中槽15设置的数量至少为1个，当中槽15的数量为1个以上时，相邻中槽15之间柔性连接，通过设置中槽15，使试验装置能够模拟隧道处于1个以上断层带时的情形。

实施例三

根据本发明一些实施例提供的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的使用方法，包括：

步骤1，对需要进行隧道建设的位置进行实地探测，获取试验所需数据，进而生成参照模型，而后按照参照模型数据采用岩土材料对岩土填充槽4进行填充，对岩土填充槽4填充完毕后，将主动盖13、被动盖14分别与主动槽11、被动槽12盖好。

步骤2，将由主动槽11、被动槽12组成的试验内槽3放置到承载框架1中，通过环向千斤顶2对主动槽11左侧面、右侧面、顶面、底面施加荷载，同时通过背面千斤顶9可以对主动槽11前表面施加荷载，通过环向千斤顶2及背向千斤顶9共同对主动槽11施加荷载，使主动槽11与被动槽12之间发生错动，进而实现断层带形成过程模拟。

步骤3，沿隧道开挖面5，进行隧道开挖并穿过断层带，隧道开挖完成后，将隧道衬砌模型10放置在挖穿位置处，用于模拟隧道穿过断层带的过程。

步骤4，将作动器支架6与作动器7安装连接组成作动装置，将作动装置放置到隧道衬砌模型10中，作动器7产生的振动传递至隧道衬砌模型10以及断层带，进而实现在列车动荷载作用下，隧道结构变形及破坏的模拟试验。

步骤5，通过环向千斤顶2对整个实验内槽3施加梯度荷载，进而实现在地震作用下，隧道结构变形及破坏的模拟试验。

实施例四

根据本发明一些实施例提供的隧道断层破碎带变形破坏的模拟装置的使用方法，包括：

步骤1，对需要进行隧道建设的位置进行实地探测，获取试验所需数据，进而生成参照模型，而后按照参照模型数据采用岩土材料对岩土填充槽4进行填充，对岩土填充槽4填充完毕后，将主动盖13、被动盖14、中槽盖16分别与主动槽11、被动槽12、中槽15盖好。

步骤2，将由主动槽11、中槽15、被动槽12组成的试验内槽3放置到承载框架1中，通过环向千斤顶2对主动槽11左侧面、右侧面、顶面、底面施加荷载，同时通过背面千斤顶9可以对主动槽11前表面施加荷载，通过环向千斤顶2及背向千斤顶9共同对主动槽11施加荷载，使主动槽11、中槽15、被动槽12之间发生错动，进而实现断层带形成过程模拟。

步骤3，沿隧道开挖面5，进行隧道开挖并穿过断层带，隧道开挖完成后，将隧道衬砌模型10放置在挖穿位置处，用于模拟隧道穿过断层带的过程。

步骤4，将作动器支架6与作动器7安装连接组成作动装置，将作动装置放置到隧道衬砌模型10中，作动器7产生的振动传递至隧道衬砌模型10以及断层带，进而实现在列车动荷载作用下，隧道结构变形及破坏的模拟试验。

步骤5，通过环向千斤顶2对整个实验内槽3施加梯度荷载，进而实现在地震作用下，隧道结构变形及破坏的模拟试验。

本实施例与实施例三的区别在于，在本实施例中，试验内槽3在主动槽11及被动槽12之间设置有中槽15，中槽15顶部设有中槽盖16。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性：术语“多个”是指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“中”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发明和简化描述，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发明的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。