使用深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的测试方法

1.一种使用深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的试验方法，试验装置包括试样（00）、深埋隧道岩体模型仪（10）、钻进面（20）、垂向压力系统（30）、压力板（40）、分布式光纤监测系统（50）、光纤（60）、应变片（70）、微型盾构机（80）、无级变速箱（90）和数据采集系统（100）；
其连接关系是：
在深埋隧道岩体模型仪（10）内的试样（00）上加盖压力板（40），在压力板（40）之上设置垂向压力系统（30），进行加荷以模拟施加自重应力；
微型盾构机（80）自钻进面（20）钻入试样（00）中，微型盾构机（80）、无级变速箱（90）和电机依次连接，实现钻进；
在试样（00）中布设8条光纤（60）和6枚应变片（70），光纤（60）与分布式光纤监测系统（50）相连，分布式光纤监测系统（50）和应变片（70）分别与数据采集系统（100）连接，实现检测和记录；
其特征在于试验方法包括下列步骤：
①试样的制备
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a、试样采用相似材料模拟现实隧道建设中的深埋隧道岩体，密度为2.0～3.0g/cm，含水率为10～20%，并按实际岩体结构性质和破裂情况采用土、砂、重晶石以一定重量比例调配而成，土：砂：重晶石=1：2：7；
b、在试样指定位置布设光纤和应变片；
c、加入压力板，并根据深埋隧道实际埋深，计算出其自重应力场，由垂向压力系统在试样顶部施加相应压力值，压实固结48h；
②检查试样的初始值
启动分布式光纤监测系统和数据采集系统，观察光纤所导出的试样应力初始值和应变片测试出的应变初始值；
必须保证初始值在预先设计的有效范围之内，若某个初始值偏离平均值过大，应当考虑重新制备试样或更换相应元件；
③检查试样的固结程度
若试样在12h内其应力、应变基本保持不变，则表明试样已固结好，可以进行下一步操作；
④启动微型盾构机，自深埋隧道岩体模型仪钻进面开始沿水平直线以一定速率钻入试样中，使用无级变速箱控制其钻进速率，钻入试样至一定深度后，停止钻进；观测掌子面及其附近在停止钻进后一段时间内的应力变化情况，同时分析是否有岩爆及软岩大变形情况的发生；如无相关工程地质问题发生，再行启动微型盾构机，保持恒定速率钻进；
⑤使用光纤监测系统观测整个试验过程中试样内部应力、位移的变化情况，同时观测应变片所反映出的应变变化规律，并采集应力、位移、应变变化数据，并输入数据库中，再对试验获得的各种监测数据进行分析，从而获得模拟隧道开挖时深埋隧道岩体应力应变变化的相关规律和岩爆的形成机理。

使用深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的测试方\n法 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。 \n背景技术\n[0002] 在深埋隧道工程规划建设过程中，洞室围岩稳定性是岩土工程和地质工程工作者必须予以高度重视的问题。洞室围岩一般是指地下洞室周围，由于地下局部开挖而引起变形及应力重新分布的一定范围内的岩土体，由于地质条件的差异，容易发生岩爆和软岩大变形等重大工程地质问题，直接关系到地下洞室施工的安全、进度和质量。岩爆是围岩在高地应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛散，以及洞壁片状剥落等动力破坏现象。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定性带来很多的问题，甚至会造成重大工程事故。而了解隧道建设过程中深埋隧道岩体的应力、位移的变化规律对于分析洞室围岩稳定性和预防岩爆的发生无疑具有重要意义。 [0003] 目前，针对深埋隧道建设中隧道岩体应力应变监测的研究多集中于理论上的分析，对于深埋隧道岩体围岩应力应变监测的实验室模拟是该研究领域的空白，而针对深埋隧道建设中隧道围岩岩体应力应变监测的模拟实验装置是研究隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆形成机理的重要手段之一，具有重要的理论和实际意义。 \n[0004] 经检索，目前尚无一套成熟准确模拟深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。 \n发明内容\n[0005] 本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。 \n[0006] 其一是本试验装置能准确模拟在深埋隧道建设中，随着隧道开挖，隧道围岩岩体内的位移、应力和应变也将随着变化，为隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一种新的试验手段。 \n[0007] 其二是本试验方法可以实现在隧道施工中采取不同施工组合方式进行施工时，深埋隧道围岩岩体随开挖速率的不同，检测其位移、应力、应变的变化规律，这有利于启发我们找到最安全、高效的隧道施工速度。 \n[0008] 本发明的目的是这样实现的： \n[0009] 根据实际隧道建设中隧道围岩岩体的岩性、结构特征和工程地质力学性质建立地质模型，并概化为实验室数学模型，并用可比拟的相似性材料建立物理模型；在试样顶部施加一定均匀荷载模拟其深埋隧道所在位置的自重应力场，如此可以使试样准确模拟实际隧道围岩分布特征和力学特性；采用试验用微型盾构机模拟隧道建设时的开挖过程，使用无级变速箱控制钻进速率，并布设监测系统准确测得隧道围岩内部位移、应力和应变的变化规律，以供后期数据分析。其原理符合野外地质体和施工现场的相似模拟模式，试验装置相对简单，造价低廉，可以为大多数教学科研单位所装备。 \n[0010] 1、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置（简称试验装置） [0011] 本试验装置包括试样、深埋隧道岩体模型仪、钻进面、垂向压力系统、压力板、分布式光纤监测系统、光纤、应变片、微型盾构机、无级变速箱和数据采集系统； [0012] 其连接关系是： \n[0013] 在深埋隧道岩体模型仪内的试样上加盖压力板，在压力板之上设置垂向压力系统，进行加荷以模拟施加自重应力； \n[0014] 微型盾构机自钻进面钻入试样中，微型盾构机、无级变速箱和电机依次连接，实现钻进； \n[0015] 在试样中布设8条光纤和6枚应变片，光纤与分布式光纤监测系统相连，分布式光纤监测系统和应变片分别与数据采集系统连接，实现检测和记录。 \n[0016] 2、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验方法（简称试验方法） [0017] 本试验方法是基于上述深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的，具体包括下列步骤： \n[0018] ①试样的制备 \n[0019] a、试样采用相似材料模拟现实隧道建设中的深埋隧道岩体，密度为2.0～3.0g/\n3\ncm，含水率为10～20%，并按实际岩体结构性质和破裂情况采用土、砂、重晶石以一定重量比例（土：砂：重晶石=1：2：7）调配而成； \n[0020] b、在试样指定位置布设光纤和应变片； \n[0021] c、加入压力板，并根据深埋隧道实际埋深，计算出其自重应力场，由垂向压力系统在试样顶部施加相应压力值，压实固结48h； \n[0022] ②检查试样的初始值 \n[0023] 启动分布式光纤监测系统和数据采集系统，观察光纤所导出的试样应力初始值和应变片测试出的应变初始值； \n[0024] 必须保证初始值在预先设计的有效范围之内，若某个初始值偏离平均值过大，应当考虑重新制备试样或更换相应元件； \n[0025] ③检查试样的固结程度 \n[0026] 若试样在12h内其应力、应变基本保持不变，则表明试样已固结好，可以进行下一步操作； \n[0027] ④启动微型盾构机，自深埋隧道岩体模型仪钻进面开始沿水平直线以一定速率钻入试样中，使用无级变速箱控制其钻进速率，钻入试样至一定深度后，停止钻进；观测掌子面及其附近在停止钻进后一段时间内的应力变化情况，同时分析是否有岩爆及软岩大变形等情况的发生；如无相关工程地质问题发生，再行启动微型盾构机，保持恒定速率钻进； [0028] ⑤使用光纤监测系统观测整个试验过程中试样内部应力、位移的变化情况，同时观测应变片所反映出的应变变化规律，并采集应力、位移、应变变化数据，并输入数据库中，再对试验获得的各种监测数据进行分析，从而获得模拟隧道开挖时深埋隧道岩体应力应变变化的相关规律和岩爆的形成机理。 \n[0029] 工作原理： \n[0030] 采用垂向压力系统对试样施加荷载，模拟深埋隧道所在位置的自重应力场；利用微型盾构机对试样进行开挖，并使用无级变速箱控制开挖速率，利用分布式 光纤监测系统和应变片监测试样内部位移、应力、应变的变化规律，根据数据采集系统记录的相关数据，对试验获得的各种监测数据进行分析，从而获得模拟隧道开挖时深埋隧道岩体应力应变变化的相关规律和岩爆的形成机理。 \n[0031] 本发明具有下列优点和积极效果： \n[0032] ①能准确地再现隧道建设中深埋隧道岩体在被开挖时应力应变的发展变化规律，为隧道建设过程中洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一条新的解决途径，填补了目前该项研究中的空白； \n[0033] ②采用垂向压力系统，可以模拟分析不同隧道埋深条件下，深埋隧道的岩爆和软岩大变形的形成机理； \n[0034] ③采用了无级变速箱和微型盾构机，可以精确控制开挖速率，从而在对比试验中，可以实现模拟隧道在以不同施工组合方式进行施工时，深埋隧道岩体应力应变变化规律的不同，从而为隧道建设开挖的安全性和高效性分析提供了依据。 \n附图说明\n[0035] 图1为本试验装置的结构方框图； \n[0036] 图2为本试验装置的结构示意图。 \n[0037] 其中： \n[0038] 00—试样； \n[0039] 10—深埋隧道岩体模型仪； \n[0040] 20—钻进面； \n[0041] 30—垂向压力系统； \n[0042] 40—压力板； \n[0043] 50—分布式光纤监测系统； \n[0044] 60—光纤； \n[0045] 70—应变片； \n[0046] 80—微型盾构机； \n[0047] 90—无级变速箱； \n[0048] 100—数据采集系统。 \n具体实施方式\n[0049] 下面结合附图和实施例详细说明： \n[0050] 一、实验装置 \n[0051] 1、总体 \n[0052] 如图1、2，本试验装置包括试样00、深埋隧道岩体模型仪10、钻进面20、垂向压力系统30、压力板40、分布式光纤监测系统50、光纤60、应变片70、微型盾构机80、无级变速箱90和数据采集系统100； \n[0053] 其连接关系是： \n[0054] 在深埋隧道岩体模型仪10内的试样00上加盖压力板40，在压力板40之上设置垂向压力系统30，进行加荷以模拟施加自重应力； \n[0055] 微型盾构机80自钻进面20钻入试样00中，微型盾构机80、无级变速箱90和电机依次连接，实现钻进； \n[0056] 在试样00中布设8条光纤60和6枚应变片70，光纤60与分布式光纤监测系统\n50相连，分布式光纤监测系统50和应变片70分别与数据采集系统100连接，实现检测和记录。 \n[0057] 其工作过程是： \n[0058] 在深埋隧道岩体模型仪10内的试样00上加盖压力板40，在压力板40之上设置垂向压力系统30进行加荷以模拟施加自重应力； \n[0059] 试验过程中，微型盾构机80自钻进面20开始沿水平直线以一定速率钻入试样00中，使用无级变速箱90控制其钻进速率，微型盾构机80采用电能驱动； [0060] 到达一定深度后，停止钻进；观测掌子面及其附近在停止钻进后一段时间内的应力变化情况，同时分析是否有岩爆及软岩大变形等情况的发生；如无相关工程地质问题发生，再行启动微型盾构机80，保持恒定速率钻进； \n[0061] 在试样00中布设8条光纤60和6枚应变片70，光纤60与分布式光纤监测系统\n50相连，分布式光纤监测系统50和应变片70分别与数据采集系统100连接，试验时观察试样00应力应变的持续变化规律，记录相关数据。 \n[0062] 2、功能部件 \n[0063] 1）深埋隧道岩体模型仪10 \n[0064] 深埋隧道岩体模型仪10是一种长方形腔体（长×宽×高=2m×1m×1.5m）， 外带刻度标尺，标尺精度为1mm，周边设立固定装置，采用特殊钢化玻璃制成，最大工作压力为\n5Mpa，其内装有试样00，并在钻进面20开孔处有圆盖11与其配套。 \n[0065] 本部件由山东省济南海威尔仪器有限责任公司提供。 \n[0066] 2）钻进面20 \n[0067] 钻进面20是深埋隧道岩体模型仪10侧面上的一个圆形孔洞（直径10cm），其大小是根据实际隧道建设开挖面与整个模型的相对比例大小而确定的。在深埋隧道岩体模型仪\n10的制作中有与钻进面20配套的圆盖11，圆盖11与深埋隧道岩体模型仪10钻进面20处采用螺纹紧密连接。 \n[0068] 3）垂向压力系统30 \n[0069] 垂向压力系统30是由依次连接的液压泵、千斤顶和结构连接杆组成的载荷施加装置，用以对试样00施加荷载来模拟其自重压力，垂向压力系统30施加的压力值需根据实际隧洞埋深处的自重应力场来控制。 \n[0070] 4）压力板40 \n[0071] 压力板40是用合成纤维板制成的一块长方形板材，其长×宽略小于深埋隧道岩体模型仪10顶面的长×宽尺寸，置于试样00的顶端并与其紧密接触，其作用是使垂向压力系统施加的荷载均匀分布在试样00上。 \n[0072] 5）分布式光纤监测系统50 \n[0073] 分布式光纤监测系统50是一种通用的分布调制的光纤传感系统，由激光光源、传感光纤和检测单元组成，具体选用北京达卡科技有限公司生产的LC-DTS11型分布式光纤监测系统。 \n[0074] 其功能是用来监测试样00的位移、应力变化情况。 \n[0075] 其工作原理就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制（传感），在光纤中形成调制信息谱带，并通过检测技术，解调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布。 \n[0076] 6）光纤60 \n[0077] 光纤60是分布式光纤监测系统50的传导介质，与分布式光纤监测系统50相连并布设于试样00之中。 \n[0078] 光纤监测系统由8条光纤并联而成，平行和垂直于试样开挖方向各4条，距 离开挖轴面一个直径长度处，以保证数据具有较高的有效性。 \n[0079] 7）应变片70 \n[0080] 应变片70是用导体或半导体材料制成的一种通用传感器，具体选用北京必创科技有限公司生产的KFG箔金属应变片。 \n[0081] 其原理是导体或半导体材料在外界力作用下产生物理变形时，其电阻值产生相应的变化，根据其电阻的变化可以获得被测试样应变的大小。 \n[0082] 在深埋隧道岩体模型仪内的试样中布设6个应变片70；应变片70位于距离开挖轴面一个半径长度处，根据开挖长度等间距排列，相邻应变片间隔角度大致为黄金分割角度137°，以保证数据具有较高的有效性。 \n[0083] 8）微型盾构机80 \n[0084] 微型盾构机80是模拟隧道施工盾构机而制作的试样开挖机械，与无级变速箱90相连接以实现钻进速率的控制。 \n[0085] 9）无级变速箱90 \n[0086] 无级变速箱90是一种由MB系列无级变速机和相关配件组成的变速机械，内部底面转速范围为0～2000转/分，无级可调。 \n[0087] 10）数据采集系统100 \n[0088] 数据采集系统100是一种通用的功能块，采用多功能数据采集板卡、PC计算机和数据采集软件进行数据采集、传输与记录。 \n[0089] 具体采用北京北方天地科技有限公司的BF2010CJ02模块及配套软件。