本發(fā)明涉及一種穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著公路及鐵路隧道的大量興建，隧道不可避免的穿越巖溶地層，我國地形地貌復(fù)雜，溶腔分布也極其復(fù)雜且難以探測，對隧道建設(shè)安全造成極大危害，如果隧道在設(shè)計與施工中探測不清，處治不當(dāng)，穿越溶腔時必然給施工帶來一定的困難，增加施工風(fēng)險和處治成本。溶腔的存在不僅使得周圍巖土體松散而破碎，還使得圍巖承載力降低，引起隧道不均勻沉降，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形和開裂，同時，溶腔中水的存在也對隧道的施工造成重大的安全隱患。目前主要是通過數(shù)值試驗與監(jiān)控量測的手段來研究隧道穿巖溶地層的穩(wěn)定性，而通過室內(nèi)試驗來研究的較少，因此，深入研究穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)具有十分重要的意義。

通過對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，在僅有的隧道開挖模型試驗中，針對溶腔的模擬直接采用空洞模擬，并沒有考慮水存在的靜水壓力及動水壓力對隧道的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)能夠模擬不同水壓條件下溶腔對隧道的影響。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，包括箱體、模擬圍巖層、支護構(gòu)件、溶腔模擬裝置、施力裝置和檢測裝置，所述模擬圍巖層填充于箱體內(nèi)，所述支護構(gòu)件呈環(huán)狀并位于模擬圍巖層內(nèi)，所述溶腔模擬裝置包括水袋和水壓裝置，所述水袋位于箱體內(nèi)并對應(yīng)在支護構(gòu)件外，所述水壓裝置為水袋供水并調(diào)節(jié)水袋內(nèi)的水壓，所述施力裝置位于箱體外對箱體施加壓力，所述檢測裝置安裝在支護構(gòu)件的外壁上以測量支護構(gòu)件的位移和壓力。

進一步地，所述水壓裝置包括水箱、水泵、進水管、回水管、水壓計和調(diào)壓閥，所述水箱位于箱體外，所述水泵通過進水管將水箱內(nèi)的水輸送至水袋內(nèi)，所述水袋中的水通過回水管回流至水箱，所述水壓計測量水袋內(nèi)的水壓，所述調(diào)壓閥位于進水管上以調(diào)節(jié)水袋內(nèi)的水壓。

進一步地，所述所述水袋內(nèi)設(shè)有對其進行支撐的骨架。

進一步地，所述檢測裝置包括差動式位移傳感器和應(yīng)變式土壓力盒，所述應(yīng)變式土壓力盒周向均布在支護構(gòu)件的外圈上，所述差動式位移傳感器與應(yīng)變式土壓力盒對應(yīng)，并安裝在應(yīng)變式土壓力盒上。

進一步地，所述支護構(gòu)件包括混凝土圈和周向均布與混凝土圈內(nèi)的筋骨。

進一步地，所述箱體前后兩端分別通過斜撐和混凝土層進行約束。

進一步地，所述施力裝置包括千斤頂和反力梁，所述千斤頂對箱體頂部施加壓力，所述反力梁位于千斤頂上方以承受千斤頂?shù)姆戳Α?/p>

進一步地，所述模擬圍巖層由河砂、石英砂、粉煤灰和機油制成，通過直剪試驗、單向壓縮試驗、三軸壓縮試驗和密度試驗獲得真實圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)真實圍巖的物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)河砂、石英砂、粉煤灰和機油配比。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，通過溶腔模擬裝置，模擬不同水壓條件下溶腔對隧道的影響；

2、本發(fā)明的穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，模擬動水水壓，并且能實現(xiàn)水的循環(huán)利用；

3、本發(fā)明的穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，通過箱體前后兩端約束可以有效的消除模型隧道開挖邊界效應(yīng)；

4、本發(fā)明的穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)，可以模擬隧道開挖支護的施工過程，從而真實的模擬隧道的受力狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)的正視示意圖；

圖2為本發(fā)明穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)的側(cè)視示意圖；

圖3為本發(fā)明模擬溶腔水袋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明隧道周邊位移計及土壓力盒布置示意圖；

附圖標(biāo)記：

1-箱體、2-模擬圍巖層、3-支護構(gòu)件、4-溶腔模擬裝置、5-施力裝置、6-檢測裝置、7-斜撐、8-混凝土結(jié)構(gòu)；

401-水袋、402-水壓裝置、403-骨架、411-水箱、412-水泵、413-進水管、414-回水管、415-水壓計、416-調(diào)壓閥、501-千斤頂、502-反力梁、601-差動式位移傳感器、602-應(yīng)變式土壓力盒。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的穿越巖溶地層的隧道實驗系統(tǒng)包括箱體1、模擬圍巖層2、支護構(gòu)件3、溶腔模擬裝置4、施力裝置5和檢測裝置6。本實驗系統(tǒng)的原理是：模擬圍巖層2澆筑在箱體1內(nèi)以模擬真實的隧道圍巖層，支護構(gòu)件3作為真實隧道開挖時的支撐構(gòu)件，支護構(gòu)件3內(nèi)的模擬圍巖層3外待挖的隧道，施力裝置5作用下載箱體1上以對模擬圍巖層施加壓力，該壓力用于模擬真實圍巖層的自重，檢測裝置6則用于檢測支護構(gòu)件3的位移和應(yīng)力變化，溶腔模擬裝置4在模擬圍巖層3內(nèi)模擬真實圍巖層內(nèi)的溶腔。通過設(shè)置溶腔模擬裝置4，可以模擬溶腔存在情況下的靜水壓力及動水壓力對隧道位移和應(yīng)力的影響。

箱體1為多組槽鋼組成的臺架結(jié)構(gòu)，箱體1外形尺寸為5.5m(橫向)×1m(縱向)×3.5m(高)，箱體1前后兩端分別通過斜撐7和混凝土結(jié)構(gòu)8進行約束，保證整個模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)，箱體1內(nèi)表面黏一層1mm厚的聚四氯乙烯板以減小模型邊界摩擦效應(yīng)。

模擬圍巖層2填充于箱體1內(nèi)，用于模擬真實隧道外的圍巖層，模擬圍巖層由河砂、石英砂、粉煤灰和機油按一定比例調(diào)配后制成。石英砂主要用于調(diào)節(jié)模擬圍巖層2的強度和彈性模量，粉煤灰用于補充細顆粒，粉煤灰與機油配合使用可調(diào)節(jié)模擬圍巖層2的凝聚力和內(nèi)摩擦角。通過直剪試驗、單向壓縮試驗、三軸壓縮試驗和密度試驗獲得真實圍巖的凝聚力、摩擦角、容重、彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)，具體的：

直剪試驗是指：通過不固結(jié)不排水試驗確定真實圍巖層的黏聚力c。

單向壓縮試驗是指：通過室內(nèi)單向壓縮試驗儀測得真實圍巖層的壓縮模量Es，進而得到模擬圍巖層的彈性模量E。

三軸壓縮試驗是指：通過三軸儀測定真實圍巖層的靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀，然后根據(jù)泊松比μ與靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀的關(guān)系：

計算出泊松比μ；通過三軸試驗做出不同圍壓下真實圍巖層的應(yīng)力莫爾圓，求出模擬圍巖層的摩擦角φ。

密度試驗是指：通過環(huán)刀法等密度試驗方法測得各土層的濕密度ρ，并計算相應(yīng)的天然重度γ。

根據(jù)真實圍巖層的上述物理力學(xué)參數(shù)來調(diào)節(jié)河砂、石英砂、粉煤灰和機油配比，從而使模擬圍巖層的物理學(xué)參數(shù)與真實圍巖層相同。本實施例中，模擬圍巖層2的各組分比例為：河砂：石英砂：粉煤灰：機油＝1:1:0.75:0.2。

支護構(gòu)件3呈環(huán)狀并位于模擬圍巖層2內(nèi)，支護構(gòu)件3在隧道開挖時起支護作用，支護構(gòu)件3包括混凝土圈和周向均布與混凝土圈內(nèi)的筋骨。支護構(gòu)件3的軸向與箱體1的縱向平行，支護構(gòu)件3的前后兩端與模擬圍巖層2的前后兩端對齊，支護構(gòu)件3的前端貼有透明PVC塑料薄膜。支護構(gòu)件3以內(nèi)的圍巖層為待挖部分，挖掉支護構(gòu)件3以內(nèi)的圍巖層部分后就形成了隧道。

溶腔模擬裝置4包括水袋401和水壓裝置402，水袋401位于箱體1內(nèi)并對應(yīng)在支護構(gòu)件3外，水袋401用以模仿溶腔，水壓裝置402為水袋401供水并調(diào)節(jié)水袋401內(nèi)的水壓和流速，從而可以模擬溶腔內(nèi)水壓和水流的變化對隧道的影響。水壓裝置402包括水箱411、水泵412、進水管413、回水管414、水壓計415和調(diào)壓閥416，水箱411位于箱體1外，水泵412通過進水管413將水箱411內(nèi)的水輸送至水袋401內(nèi)，水袋401中的水通過回水管414回流至水箱411從而形式水循環(huán)，水壓計415用于測量水袋401內(nèi)的水壓，調(diào)壓閥416位于進水管413上以調(diào)節(jié)水袋401內(nèi)的水壓。通過溶腔模擬裝置，模擬不同水壓條件下溶腔對隧道的影響。為了更加真實的模擬溶腔對隧道的影響，水袋401可向外滲水。

為了增強水袋401的強度，水袋401內(nèi)設(shè)有對其進行支撐的骨架403。

檢測裝置6安裝在支護構(gòu)件3的外壁上以測量支護構(gòu)件3的位移和壓力。具體包括差動式位移傳感器601和應(yīng)變式土壓力盒602，應(yīng)變式土壓力盒602周向均布在支護構(gòu)件3的外圈上，差動式位移傳感器601與應(yīng)變式土壓力盒602一一對應(yīng)，并安裝在應(yīng)變式土壓力盒602上，應(yīng)變式土壓力盒602用以檢測支護構(gòu)件3上的應(yīng)力即隧道的應(yīng)力，差動式位移傳感器601用以檢測支護構(gòu)件3的位移變化。

施力裝置5位于箱體1外對箱體1施加壓力，施力裝置5包括千斤頂501和反力梁502，千斤頂501對箱體1頂部施加壓力，千斤頂施加的壓力用以模仿真實圍巖層的自重，反力梁502位于千斤頂501上方以承受千斤頂501的反力。為了緩沖千斤頂501的輸出力，箱體1的頂部位于千斤頂501所在位置設(shè)有套管，所述套管內(nèi)設(shè)有壓板和壓簧，壓簧向上支撐壓板，千斤頂501的輸出端與壓板連接，壓板與套管內(nèi)壁滑動配合，千斤頂501向下壓壓板時，壓簧對壓板進行緩沖，從而防止千斤頂501的沖擊載荷對箱體1造成破壞。

本實施例的實驗系統(tǒng)的安裝方法是：在箱體1內(nèi)擬定的隧道位置放置已安裝有檢測裝置6的支護構(gòu)件3，在支護構(gòu)件3的前端安裝透明PVC塑料薄膜，在箱體1內(nèi)擬定的溶腔位置放置水袋401及其內(nèi)部的骨架403，并安裝進水管413、回水管414及水壓計415，從箱體1內(nèi)引出進水管413連接到水泵412上，回水管414連接到水箱411中，待上述裝置安裝完后，再在箱體內(nèi)埋設(shè)模擬圍巖層2。

本實施例的實驗系統(tǒng)的實驗過程是：(1)通過水泵412向水袋401加載水壓；(2)通過箱體1上的施力裝置5向模擬圍巖層2及隧道結(jié)構(gòu)進行加載；(3)檢測裝置6進行溶腔存在的初始應(yīng)力及初始位移數(shù)據(jù)的采集；(4)采用掏槽工具模擬隧道的開挖：將支護結(jié)構(gòu)3內(nèi)的模擬圍巖層2掏空，形成隧道；(5)通過箱體1上的施力裝置5向模擬圍巖層2及隧道結(jié)構(gòu)進行加載；(6)檢測裝置6進行隧道挖掘和隧道成型后的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)的采集。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。