本發(fā)明涉及隧道試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及穿越斷層隧道開挖模擬實驗裝置。

背景技術(shù)：

隧道在穿越斷層時，極易出現(xiàn)塌方、大變形、突水突泥等工程問題，這將極大增加工程難度與費用，甚至造成安全事故。開展模型試驗對斷層破碎帶進行施工力學(xué)、圍巖破壞規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性研究能有效預(yù)防或處置該類災(zāi)害。

現(xiàn)有技術(shù)中，西南交通大學(xué)于2016年申請的申請?zhí)枮?01610004012.0的模擬隧道穿越活動斷層的位移同步控制裝置及試驗方法，公開了其裝置的構(gòu)成是無蓋的模型試驗箱由活動的左半箱和固定的右半箱構(gòu)成，左半箱通過加載板及水平加載裝置連接于反力架上，通過下方的豎向加載裝置連接于底座的水平移動副上，右半箱直接通過高強螺栓固定于底座上，右半箱的斜邊與左半箱的斜邊平行，且通過移動副連接。模型試驗箱內(nèi)設(shè)置有用于固定隧道模型的模型空間旋轉(zhuǎn)支架。該裝置能夠模擬不同形式（走滑、傾向、斜向）、不同空間位置（隧道與斷層交角、傾角關(guān)系）位移同步控制加載的活動斷層粘滑錯動下隧道破壞機制的試驗，為隧道的設(shè)計與施工提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，以保證隧道的運營安全。

但是，現(xiàn)有的斷層模型穿越斷層隧道開挖模擬實驗在隧道埋深、斷層厚度、斷層傾角與斷層與隧道軸線夾角等方面過于單一，無法精確控制變量，進而研究隧道穩(wěn)定性與各因素之間的定量關(guān)系，所測得的結(jié)果在實際應(yīng)用中常有難以調(diào)適的偏差，不具有代表性，因此難以靈活適應(yīng)多變的工程實際地質(zhì)情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種穿越斷層隧道開挖模擬實驗裝置，能靈活控制隧道埋深、斷層厚度、斷層傾角、斷層與隧道軸線夾角等變量，能適應(yīng)各種斷層環(huán)境的試驗裝置。

本發(fā)明提供的一種穿越斷層隧道開挖模擬實驗裝置，包括試驗箱體1，固定鋼架2、u型鋼3、角鋼4、千斤頂5、傳力鋼板7、圍巖模擬材料9、斷層模擬材料10、隧道襯砌模型11、差動式數(shù)顯位移計13、應(yīng)變式土壓力盒14、鉸接裝置16；

固定鋼架2下端穿過試驗箱體1，固定鋼架2為四組，四組固定鋼架2沿隧道軸向平行分布；固定鋼架2之間下端通過u型鋼架3連接，下端通過角鋼4相連接；千斤頂5上頂固定于固定鋼架2的上部，千斤頂5的下頂設(shè)置于傳力鋼板7上；傳力鋼板7由四塊短鋼板通過鉸接裝置16拼接而成，每節(jié)短鋼板上設(shè)置有千斤頂5；傳力鋼板7與試驗箱體1所圍空間填充圍巖模擬材料9及斷層模擬材料10；隧道襯砌模型1沿試驗箱體1長度方向穿過圍巖模擬材料9和斷層模擬材料10；差動式數(shù)顯位移計13和應(yīng)變式土壓力盒14沿隧道襯砌模型11初襯外側(cè)布設(shè)。

進一步的，圍巖模擬材料9和斷層模擬材料10之間以紗網(wǎng)8相隔，紗網(wǎng)8用射釘15固定在試驗箱體1上。

進一步的，隧道襯砌模型11兩端通過馬蹄形軟膠墊12與試驗箱體1相連。

進一步的，千斤頂5下頂與傳力鋼板7之間設(shè)置有防滑墊塊6。

進一步的，試驗箱體1左、右、下三面為內(nèi)側(cè)木板外側(cè)鋼板的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

進一步的，試驗箱體1前后兩側(cè)為透明鋼化玻璃。

進一步的，圍巖模擬材料9由河沙、石英砂、粉煤灰、機油配制而成。

進一步的，斷層模擬材料10由細砂、粉煤灰和鋸末配制而成。

進一步的，u型鋼3和角鋼4的接連處用緊固螺釘固定。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供一種穿越斷層隧道開挖模擬的實驗裝置，利用兩兩鉸接的短鋼板模擬由圍巖容重差異或高程差異導(dǎo)致的不均勻的圍巖壓力。鉸接短鋼板能傳遞剪力但不傳遞彎矩，使得模擬不均勻圍巖壓力的同時又不會因壓力驟變而產(chǎn)生剪切破壞成為可能；通過紗網(wǎng)能靈活控制斷層的厚度及傾角，得出更符合實際的斷層模型，尤其在松軟斷層中更為明顯；隧道襯砌模型兩端的馬蹄形軟膠墊既能防止圍巖材料進入隧道，又能防止出現(xiàn)因隧道結(jié)構(gòu)與前后兩側(cè)的鋼化玻璃在壓力作用下直接接觸產(chǎn)生的集中應(yīng)力導(dǎo)致隧道襯砌模型破壞或鋼化玻璃破裂的現(xiàn)象。本方案能做到通過控制單一變量研究斷層地質(zhì)對隧道的定量影響。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標(biāo)記標(biāo)識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1為本發(fā)明穿越斷層隧道開挖模擬的實驗裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明穿越斷層隧道開挖模擬的實驗裝置的側(cè)向示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。

請參閱圖1至圖2，本實施例提供的一種穿越斷層隧道開挖模擬的實驗裝置，包括試驗箱體1、固定鋼架2、u型鋼3、角鋼4、千斤頂5、防滑墊塊6、傳力鋼板7、紗網(wǎng)8、圍巖模擬材料9、斷層模擬材料10、隧道襯砌模型11、馬蹄形軟膠墊12、差動式數(shù)顯位移計13、應(yīng)變式土壓力盒14、射釘15和鉸接裝置16。試驗箱體1左、右、下三面為內(nèi)側(cè)木板外側(cè)鋼板的復(fù)合結(jié)構(gòu)。試驗箱體1前后兩側(cè)為透明鋼化玻璃。固定鋼架2下端穿過模型箱體1，四組固定鋼架2沿隧道軸向平行分布，鋼架之間用u型鋼3、角鋼4連接，接連處用緊固螺釘固定，千斤頂5上頂固定鋼架2上部，下置防滑墊塊6，防滑墊塊6下置傳力鋼板7，傳力鋼板由四塊鋼板通過鉸接裝置16拼接而成，每節(jié)短鋼板上設(shè)置有千斤頂5，千斤頂5和加載控制器相連接。傳力鋼板7與模型箱體1所圍空間填充圍巖模擬材料9及斷層模擬材料10，圍巖模擬材料9由河沙、石英砂、粉煤灰、機油配制而成，根據(jù)具體的工程地質(zhì)通過實驗控制粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重、彈性模量與泊松比來確定配合比。斷層模擬材料10由細砂、粉煤灰和鋸末配制而成，根據(jù)具體的工程地質(zhì)通過直剪實驗控制粘聚力、內(nèi)摩擦角來確定配合比。圍巖模擬材料9及斷層模擬材料10中間以紗網(wǎng)8相隔，即用紗網(wǎng)控制斷層厚度和傾角。紗網(wǎng)8用射釘15固定在模型箱體1上，隧道襯砌模型11沿模型箱體1長度方向穿過圍巖模擬材料9及斷層模擬材料10，差動式數(shù)顯位移計13與應(yīng)變式土壓力盒14沿隧道襯砌模型11初襯外側(cè)布設(shè)，差動式數(shù)顯位移計13與應(yīng)變式土壓力盒14與pc端相連接。隧道襯砌模型11兩端通過馬蹄形軟膠墊12與試驗箱體1相連。

利用兩兩鉸接的短鋼板模擬由圍巖容重差異或高程差異導(dǎo)致的不均勻的圍巖壓力。鉸接短鋼板能傳遞剪力但不傳遞彎矩，使得模擬不均勻圍巖壓力的同時又不會因壓力驟變而產(chǎn)生剪切破壞成為可能；通過紗網(wǎng)能靈活控制斷層的厚度及傾角，得出更符合實際的斷層模型，尤其在松軟斷層中更為明顯；隧道襯砌模型兩端的馬蹄形軟膠墊既能防止圍巖材料進入隧道，又能防止出現(xiàn)因隧道結(jié)構(gòu)與前后兩側(cè)的鋼化玻璃在壓力作用下直接接觸產(chǎn)生的集中應(yīng)力導(dǎo)致隧道襯砌模型破壞或鋼化玻璃破裂的現(xiàn)象。本方案能做到通過控制單一變量研究斷層地質(zhì)對隧道的定量影響。

采用上述裝置進行實驗時，具體實施步驟為：

1、集合模型尺寸的擬定。根據(jù)1:20的幾何相似比確定試驗箱體尺寸為5.5m（橫向）×10m（縱向）×3.5m（高），隧道跨度b=60cm，高h=45cm（對應(yīng)原型b=12m，h=9m），襯砌厚度為1.2m（原型為24cm）。

2、圍巖模擬材料與斷層模擬材料的配置。先通過直剪試驗、單向壓縮試驗、三軸壓縮試驗和密度試驗獲得圍巖的粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重、彈性模量與泊松比以及斷層的粘聚力、內(nèi)摩擦角，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)節(jié)模型土的材料配比，直到獲得期望的物理參數(shù)值。配比方法為：以河砂為基本材料，石英砂用以調(diào)節(jié)強度和彈性模量，粉煤灰用以圍巖相似材料細顆粒，機油用以調(diào)節(jié)圍巖相似材料的凝聚力和內(nèi)摩擦角。

3、試驗裝置的安裝。先安裝試驗箱體和固定鋼架，設(shè)置好兩層平行紗網(wǎng)的傾角以及對隧道軸線的夾角，在紗網(wǎng)上預(yù)留好輪廓線，用預(yù)制好的隧道襯砌模型穿過預(yù)設(shè)值傾角的紗網(wǎng)，在隧道襯砌模型外側(cè)安裝差動式數(shù)顯位移計和應(yīng)變式土壓力盒。分別在紗網(wǎng)與箱體內(nèi)壁之間及兩層紗網(wǎng)中填入斷層模擬材料與圍巖模擬材料。

4、圍巖壓力的設(shè)定。根據(jù)模擬的具體地質(zhì)與地形設(shè)置各個千斤頂?shù)氖簠?shù)。

5、按照預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進行施壓，觀察隧道襯砌模型并讀取差動式數(shù)顯位移計、應(yīng)變式土壓力盒的讀數(shù)，記錄外觀情況與數(shù)據(jù)。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。