一种隧道全断面开挖模拟系统及方法

本发明属于地下工程实验特别是隧道模型模拟全断面开挖实验领域，具体涉及一种隧道全断面开挖模拟系统及方法。

背景技术：

我国作为世界上隧道数量和通车里程最多的国家，病害隧道十分普遍，据不完全统计，在二十世纪末建成的5000余座铁路运营隧道中，有3270座隧道因各种病害问题导致隧道失格，占隧道总数的67％，其中有46％的隧道存在渗漏水问题，22％的隧道衬砌严重腐蚀裂损，9.8％的隧道仰拱及铺底变形损坏，而这些病害大多数在开挖时已经有预兆，同时，地下空间日益拥堵，近接施工日益频繁，因此模拟开挖过程，特别针对不同洞型、不同大小、不同近接方式开挖对于隧道设计和病害预防具有重要意义。

如图1-3所示，岩石力学三维物理模拟实验系统自问世以来，因其对于隧道较为完善的加载模拟性能，可模拟不同洞型以及不同加载受力工况，广受相关行业的关注。

隧道开挖需要获得围岩变形和围岩压力之间的关系，为大变形让压设计提供依据，同时面对的岩石力学效应相对复杂。

现有岩石力学三维物理模拟实验系统目前主要是提供了一个较为完善的围压加载平台，但是主要是用于围岩压力的模拟，但是缺乏隧道开挖模拟等动态模拟手段。

现有隧道开挖模拟实验装置一方面对于不同隧道洞型的适应能力较差，主要突出一种或几种洞型，另一方面对于模拟不同隧道开挖方式的灵活性不足，大多是仅仅适用于台阶式开挖，而且开挖过程模拟较为粗略。

同时现有隧道开挖模拟仪器及方法大多带有附属的加载系统，而对于超出附带加载装置加载范围的实验，则需要重新订制装置，花费较大且在一定程度上阻碍了隧道开挖模拟实验的顺利进行。

专利文献cn111707805a提出了一种模拟开挖隧道类岩堆体的模型试验系统和操作方法，但是，由于泥浆刚度太低，试验中出现了不符合理论及不该出现的数据偏差，对于真实开挖状态不甚理想，同时，加载能力不理想，容易在加载过程中对围岩试件造成不必要的损伤；将加载装置作为了整个系统的一部分，加载方式不够灵活，同时其使用的加载方式为单轴加载，不能给使围岩试件充分模拟真实围岩状态。

技术实现要素：

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种隧道全断面开挖模拟系统及方法，能够配合岩石力学三维物理模拟实验系统等外围加载设备，模拟隧道开挖过程，提供还原度较高的原始围岩环境，在保障变形的基础上，还原其应力环境。同步加载，在开挖模拟前不会造成围岩试件不必要的损伤。得到不同洞型，不同埋深以及不同地质环境下围岩应力及应变的关系，为隧道设计软件模拟提供实验验证。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种隧道全断面开挖模拟系统，其中：包括围岩试块、柔性油囊、砂囊、油路加载装置；

所述砂囊设置在所述围岩试块的隧道模拟孔中，所述砂囊为空心环柱状，砂囊内壁和砂囊外壁之间的砂腔内部填充砂与粘合剂的混合物；

所述柔性油囊设置在所述砂囊内壁内的空腔中；

所述油路加载装置与所述柔性油囊的油路相通。

进一步优选地，所述砂囊包括纵向加固条；

若干所述纵向加固条沿所述砂囊的轴向延伸、分布在所述砂囊内壁和砂囊外壁之间，将砂腔在环向上分隔开来。

进一步优选地，所述砂囊包括环向加固条；

若干所述环向加固条沿所述砂囊的环向延伸、分布在所述砂囊内壁和砂囊外壁之间，将砂腔在纵向上分隔开来。

进一步优选地，所述砂腔内可更换不同种类的填充物。

进一步优选地，所述柔性油囊包括油囊囊体、单向阀门、油压传感器；

所述油囊囊体为弹性材料制成；

所述单向阀门安装在所述油囊囊体端面，与所述油路加载装置相通；

所述油压传感器安装在所述油囊囊体的油路管道中。

进一步优选地，所述柔性油囊包括排气管、泄气阀、气泵；

所述排气管为布置有若干小孔的管道，安装在所述油囊囊体内，连接至囊体端面；

所述泄气阀的一端通过管道与端面的所述排气管接口相连，另一端与所述气泵相连。

进一步优选地，所述油路加载装置包括溢流阀、油泵、油源、伺服阀；

所述油源、油泵、溢流阀、柔性油囊依次连通形成加载油路；

所述油源、伺服阀、柔性油囊依次连通形成卸载油路。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道全断面开挖模拟方法，其中，使用所述的隧道全断面开挖模拟系统，以及对围岩试块外围进行三维物理模拟加载的外围加载设备；

包括如下步骤：

s1、在围岩试块的隧道模拟孔内，油路加载装置将柔性油囊充油至围岩试块边界条件为零；

s2、在启动外围加载设备对围岩试块外围进行三维物理模拟加载的同时，也启动隧道全断面开挖模拟系统的油路加载装置对柔性油囊加压。

进一步优选地，步骤s1包括如下步骤：

s1.1、制备围岩试块；

s1.2、柔性油囊和砂囊装配在围岩试块的隧道模拟孔中，围岩试块置于外围加载设备中；

s1.3、接通油路加载装置与柔性油囊的油路，向柔性油囊充油，排出柔性油囊内的气泡；

s1.4、继续充油至围岩试块边界条件为零，根据拉梅公式得出压力值，停止充油。

进一步优选地，在步骤s2之后还包括：

s3、待达到模拟岩层力学环境后，外围加载设备稳压预定时长，稳压期间对围岩试块进行观测；

s4、油路加载装置对柔性油囊进行泄压，泄压期间对围岩试块进行观测。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，能够配合岩石力学三维物理模拟实验系统等外围加载设备，模拟隧道开挖过程，提供还原度较高的原始围岩环境，在保障变形的基础上，还原其应力环境。同步加载，在开挖模拟前不会造成围岩试件不必要的损伤。能得到不同洞型，不同埋深以及不同地质环境下围岩应力及应变的关系，为隧道设计软件模拟提供实验验证。

2、本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，在柔性油囊与围岩试块之间巧妙设置了砂囊，砂腔内部填充砂与粘合剂的混合物，并通过加强件均匀分隔，提供一定的预支撑作用；砂囊有效模拟了衬砌、土层等结构，其强度比泥浆高、比围岩低，既考虑了真实开挖时填充物的应力，又保证了其刚度，提高了开模模拟的还原度；实验时，可根据实验要求，更换不同种类填充物的砂囊，以模拟不同的实验条件。

3、本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，外围加载设备与内柔性油囊同步加载，模拟了真实的开挖动态受力过程，在开挖模拟前不会造成围岩试件不必要的损伤。

4、本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，柔性油囊的大小及砂囊大小、砂囊填充物类型等等根据实验要求进行可更换，适用范围广泛。

附图说明

图1是现有岩石力学三维物理模拟实验系统的侧视示意图；

图2是现有岩石力学三维物理模拟实验系统的正视示意图；

图3是现有岩石力学三维物理模拟实验系统的俯视示意图；

图4是本发明实施例的隧道全断面开挖模拟系统的示意图；

图5是本发明实施例的隧道全断面开挖模拟系统的柔性油囊的示意图；

图6是本发明实施例的隧道全断面开挖模拟系统的砂囊的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图4-6所示，本发明提供一种隧道全断面开挖模拟系统，包括围岩试块1、柔性油囊2、砂囊3、油路加载装置、电控系统9。

如图6所示，所述砂囊3设置在所述围岩试块1的隧道模拟孔中，所述砂囊3为空心环柱状，砂囊内壁31和砂囊外壁32之间的砂腔17内部填充砂与粘合剂的混合物。

如图4所示，所述柔性油囊2设置在所述砂囊内壁31内的空腔中，所述油路加载装置与所述柔性油囊2的油路相通。

如图5所示，进一步优选地，所述柔性油囊2主要包括油囊囊体11、单向阀门12、油压传感器13、排气管14、泄气阀15、气泵16。

所述油囊囊体11为弹性材料制成，是一个整体，充油后可近似具有各向同性、外径大小接近模拟隧道内径。所述单向阀门12分为单进阀门和单出阀门，安装在油囊囊体11端面处，所述单向阀门12与溢流阀4、伺服阀7之间的油路上设置有可拆卸式接头8。所述油压传感器13通过管道安装在油囊囊体11端面顶部。所述排气管14为布置有大量小孔的管道，安装在油囊囊体11内顶部，连接至油囊囊体端面；所述泄气阀15通过管道与端面处的排气管14接口相连，后部与气泵16相连。

如图6所示，进一步优选地，所述砂囊3主要包括砂腔17、纵向加固条18和环向加固条19。所述砂腔17内部填充砂与粘合剂的混合物，所述纵向加固条18和环向加固条19采用热处理的方式加工，若干所述纵向加固条18沿所述砂囊3的轴向延伸、分布在所述砂囊内壁31和砂囊外壁32之间，将砂腔17在环向上分隔开来；若干所述环向加固条19沿所述砂囊3的环向延伸、分布在所述砂囊内壁31和砂囊外壁32之间，将砂腔17在纵向上分隔开来；纵向加固条18和环向加固条19将砂腔之间分隔开来，提供一定的预支撑作用，同时保证砂囊内的填充物分布均匀。实验时，可根据实验要求，更换不同种类填充物的砂囊。

如图4所示，进一步优选地，所述油路加载装置包括溢流阀4、油泵5、油源6、伺服阀7、可拆卸式接头8。所述油源6、油泵5、溢流阀4、柔性油囊2依次连通形成加载油路；所述油源6、伺服阀7、柔性油囊2依次连通形成卸载油路。

进一步优选地，装置中，溢流阀4、油泵5、油源6、伺服阀7、单向阀门12、油压传感器13、排气管14、泄气阀15、气泵16等均电连接电控系统9。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种隧道全断面开挖模拟方法，使用所述的隧道全断面开挖模拟系统，以及对围岩试块1外围进行三维物理模拟加载的外围加载设备，包括但不限于如图1-3所示的现有的岩石力学三维物理模拟实验系统；

包括如下步骤：

s1、在围岩试块1的隧道模拟孔内，油路加载装置将柔性油囊2充油至围岩试块1边界条件为零。

进一步优选地，步骤s1包括如下步骤：

s1.1、制备围岩试块1；

工作时，将围岩试块1按照模拟围岩力学性能调整配合比，按照加载装置要求制成不同样式的试样，这里以岩石力学三维物理模拟实验系统通用试件大小举例：使用岩石力学三维物理模拟实验系统标准试件模具，将一外径为100mm的pvc管固定于模具中心位置，在模具内与pvc管外部范围内浇筑预先调配好的混凝土，进行养护，得到500mm×500mm×500mm，中间预留直径为100mm前后贯通孔洞的方形围岩试块1。

s1.2、柔性油囊2和砂囊3装配在围岩试块1的隧道模拟孔中，围岩试块1置于外围加载设备中；其中，柔性油囊2、砂囊3、围岩试块1相互装配的顺序不做限定，包括但不限于先将砂囊3置于围岩试块1中，柔性油囊2置于砂囊3中，围岩试块1再放入外围加载设备中。柔性油囊的大小及砂囊大小、砂囊填充物类型等等根据实验要求进行可更换。

s1.3、接通油路加载装置与柔性油囊2的油路，将溢流阀4和泄气阀15打开，向柔性油囊充油，通过油压传感器13的传输信号至电控系统9，控制油路流速，前期快速充油，接近充满时缓慢冲油，油囊囊体11基本充满时，打开气泵16，排出囊内气泡，在此过程中，油泵5打开，缓慢充油，待油囊囊体11内无气体后，关闭气泵16。

s1.4、继续缓慢充油至围岩试块1的边界条件为零时，根据拉梅公式得出的压力值，关闭油泵5，停止充油。

s2、在启动外围加载设备对围岩试块1外围进行三维物理模拟加载的同时，也启动隧道全断面开挖模拟系统的油路加载装置对柔性油囊2加压。具体地，启动岩石力学三维物理模拟实验系统进行加载，将溢流阀4和油泵5以及岩石力学三维物理模拟实验系统连接至电控系统9，在梅拉公式的基础上进行编程，随着岩石力学三维物理模拟实验系统加载，开挖模拟系统的柔性油囊2同时加压。

s3、待达到模拟岩层力学环境后，外围加载设备稳压预定时长，稳压期间对围岩试块1进行观测；

s4、打开伺服阀5，油路加载装置对柔性油囊2按照开挖工况要求控制流速进行泄压，泄压期间对围岩试块1进行观测。

步骤s3和s4之前，观测装置根据模拟开挖实验具体要求进行应力应变传感器的安装布置。

综上所述，与现有技术相比，本发明的方案具有如下显著优势：

本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，能够配合岩石力学三维物理模拟实验系统等外围加载设备，模拟隧道开挖过程，提供还原度较高的原始围岩环境，在保障变形的基础上，还原其应力环境。同步加载，在开挖模拟前不会造成围岩试件不必要的损伤。能得到不同洞型，不同埋深以及不同地质环境下围岩应力及应变的关系，为隧道设计软件模拟提供实验验证。

本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，在柔性油囊与围岩试块之间巧妙设置了砂囊，砂腔内部填充砂与粘合剂的混合物，并通过加强件均匀分隔，提供一定的预支撑作用；砂囊有效模拟了衬砌、土层等结构，其强度比泥浆高、比围岩低，既考虑了真实开挖时填充物的应力，又保证了其刚度，提高了开模模拟的还原度；实验时，可根据实验要求，更换不同种类填充物的砂囊，以模拟不同的实验条件。

本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，外围加载设备与内柔性油囊同步加载，模拟了真实的开挖动态受力过程，在开挖模拟前不会造成围岩试件不必要的损伤。

本发明的隧道全断面开挖模拟系统及方法，柔性油囊的大小及砂囊大小、砂囊填充物类型等等根据实验要求进行可更换，适用范围广泛。

可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。