一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法

摘要

本发明公开了一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法，包括以下步骤，步骤1，在多棱柱模具中加入水和石灰的混合物形成岩石模型；然后在多个岩石模型之间加入泥质填充物形成柱状节理岩体模型；步骤2，对柱状节理岩体模型的外侧施加外荷载，然后对柱状节理岩体模型进行模拟开挖形成模拟隧道；步骤3，在模拟隧道中的内表面上设置位移传感器和应力传感器，对开挖后的柱状节理岩体模型继续施加外荷载，直至柱状节理岩体模型发生破坏；步骤4，处理位移传感器和应力传感器的测量数据后探究柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能变化。探究柱状节理岩体隧道围岩的力学性能和破坏机制的试验方法，有效减少隧道施工过程中事故发生的可能性。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体属于一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法。

背景技术

随着西部大开发战略的持续推进，铁路交通的建设也逐渐向西部边陲倾斜。由于我国地势西高东低，西部分布有大量山脉，在进行隧道修建时，若遇到山脉往往采用开挖隧道的方法向前掘进。在岩体隧道开挖过程中，玄武岩是一种常见的工程岩体，而玄武岩岩体一般都不同程度的发育有柱状节理，且岩体中的柱状节理一般是火山类岩石经过冷却形成的，因此岩体中柱状节理形成过程较为复杂，导致柱状节理岩体的隧道围岩具有复杂的力学特性，一般都会给隧道开挖的设计和施工造成一定程度的困难。在隧道施工过程中，由于岩体中柱状节理面的存在，导致岩体的整体力学稳定性降低。而且在隧道开挖过程中，往往会出现隧道围岩的应力重分布现象，尤其是当岩体中发育有柱状节理时，其力学性能相较于一般岩石显得较低，容易发生岩石块体的掉落、隧道的坍塌等工程事故，增加了隧道施工的风险。

由于柱状节理岩体分布范围广，且在西部山区进行隧道施工时，大部分的岩体隧道一般都需要穿越发育有较大规模的柱状节理岩体，当隧道施工穿越破碎的柱状节理岩体时，由于柱状节理岩体整体力学性能较差，稳定性不良，就会容易发生碎石掉落和隧道坍塌等事故，虽然现有的室内模拟隧道开挖的方法有很多种，但并没有考虑当岩体中发育有柱状节理时，柱状节理分布对隧道围岩力学性能和位移变化的影响，不能够很好的模拟出当隧道围岩为柱状节理岩体时，隧道开挖对柱状节理岩体围岩稳定性产生的影响。现有技术中缺少模拟隧道穿越柱状节理岩体的方法，因此不能为隧道穿越柱状节理岩体的设计与施工提供相应的技术指导，增加了当隧道穿越柱状节理岩体时发生施工风险的机率，使得整体工程的工期延长，造价提高，工程效益显著降低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种模拟当隧道穿越柱状节理岩体时，探究柱状节理岩体隧道围岩的力学性能和破坏机制的试验方法，能够辅佐工程实践，有效减少隧道施工过程中事故发生的可能性，增加影响施工人员及设备安全性的因素，在一定程度上能够加快施工进度，减少工程造价；使隧道的工程建设更加具有安全性、经济性，还可获得更大的社会效益。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法，包括以下步骤，

步骤1，在多棱柱模具中加入水和石灰的混合物形成岩石模型；然后在多个岩石模型之间加入泥质填充物形成柱状节理岩体模型；

步骤2，对柱状节理岩体模型的外侧施加外荷载，然后对柱状节理岩体模型进行模拟开挖形成模拟隧道；

步骤3，在模拟隧道中的内表面上设置位移传感器和应力传感器，然后对开挖后的柱状节理岩体模型继续施加外荷载，直至柱状节理岩体模型发生破坏；

步骤4，处理位移传感器和应力传感器的测量数据后探究柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能变化。

优选的，步骤1中，所述多棱柱模具是采用无色透明的有机玻璃板拼接形成。

优选的，步骤1中，通过调整水和石灰的配合比，形成不同强度等级的岩石模型，模拟不同等级围岩下的隧道开挖。

优选的，所述柱状节理岩体模型的整体断面尺寸不应小于1m×1m。

优选的，步骤2中，模拟开挖的具体方法为在柱状节理岩体模型先进行预开挖形成隧道，在预开挖隧道内部放置一个与隧道大小相同充满气体的内置气囊，然后将制作好的岩体模型放入双轴压缩试验装置，对模型的横向和竖向施加一定大小外荷载，以模拟岩体中所存在的围压，然后通过岩体模型内部预置的充满气体的气囊释放出气体来模拟隧道的开挖。

优选的，步骤2中，所述模拟隧道的隧道断面尺寸不大于柱状节理岩体模型尺寸的1/5。

优选的，步骤3中，通过对液压双轴压缩机伸缩杆的调整用来对不同尺寸的柱状节理岩体模型施加外荷载。

优选的，步骤3中，所述模拟隧道内部的表面上均匀设置有若干个位移传感器和应力传感器。

优选的，所述进行模拟试验的模型加载试验装置外部设置有视频测量仪。

优选的，步骤4中，通过Origin软件进行位移和应力的数据处理和分析，得到位移和应力的变化曲线，进而得到当隧道穿越柱状节理岩体时，探究柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能变化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法，通过模拟当隧道开挖需要穿越柱状节理岩体时，探究柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能，为隧道的开挖设计方案提供可靠依据，降低在隧道开挖过程中遭遇风险的概率。通过制作与实际柱状节理岩体力学性能相似的含柱状节理的模型，将柱状节理岩体模型施加一定的外荷载。在预开挖的隧道模型内部放入应力和位移传感器，同时在隧道开挖断面的围岩周围安装位移传感器，对进行隧道开挖后的柱状节理模型进行双轴压缩试验，监测位移及应力传感器的数据变化，然后对位移和应力的监测数据进行处理；探究在实际工程中，当隧道穿越柱状节理岩体时，隧道围岩的破坏机制和力学性能的变化，辅佐工程实践，有效减少隧道施工过程中事故发生的可能性，增加影响施工人员及设备安全性的因素，在一定程度上能够加快施工进度，减少工程造价；使隧道的工程建设更加具有安全性、经济性，还可获得更大的社会效益。

进一步的，通过采用无色透明的有机玻璃形成多棱柱模具，能够较好的观察岩石模型的形成过程，避免岩石模型的成型强度不够造成测量数据误差。

进一步的，通过调整水和石灰的配合比，形成不同强度等级的岩石模型，模拟不同等级围岩下的隧道开挖，能够试验各种不同强度等级的岩石，增大测量数据的范围。

进一步的，试验模拟隧道开挖。通过预先在模型内部隧道预开挖处放置一个充满气的气囊，模拟隧道开挖时，使气囊中的气体快速排出，来模拟实际工程中的隧道开挖，更接近工程的实际状况。

进一步的，柱状节理岩石模型的断面尺寸不应小于1m×1m。通过限定断面尺寸，便于进行隧道的开挖及位移和应力的数据测量收集。

进一步的，模拟隧道的隧道断面尺寸应小于岩体模型尺寸的1/5，以便更加接近工程实际。

进一步的，通过调整液压双轴压缩机的伸缩杆，便于进行不同尺寸岩体模型的压缩试验。

进一步的，通过在距隧道模型加载装置一定距离处放置视频测量仪，利用视频测量仪实时测量隧道断面围岩的位移改变量，推导出围岩监测点的位移应变量，与围岩表面安置的位移应变片监测的数据相结合，用以详细探究隧道围岩的破坏过程。

进一步的，在隧道开挖断面的周围岩体上设置若干个位移传感器，在隧道的内部均匀设置有若干个位移传感器和应力传感器，便于更好分析柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能的变化规律。

附图说明

图1是本发明实施例中所制作的柱状节理岩体模型主视示意图；

图2是本发明实施例中隧道穿越柱状节理岩体模型主视面示意图；

图3是本发明实施例中玻璃板拼接所形成的模具示意图；

图4是本发明实施例中隧道穿越柱状节理岩体整体示意图；

图5是本发明实施例中隧道穿越柱状节理模型侧面剖面示意图；

图6是本发明实施例中岩体模型内置气囊示意图；

图7是本发明实施例中液压双轴压缩试验机局部示意图；

图8是本发明实施例中传感器和气囊位置关系示意图；

图9是本发明实施例中气囊与隧道断面关系示意图；

图10是本发明实施例中隧道外部位移传感器安装位置示意图；

图11是本发明实施例中使用摄影技术记录围岩破坏过程的示意图；

图12是本发明实施例中所用的弧形切刀结构示意图；

附图中：1为隧道断面；2为柱状岩石；3为隧道边墙传感器所在位置；4为隧道顶部传感器所在位置；5为玻璃板；6为内置气囊；7为隧道围岩的传感器所在位置；8为伸缩杆；9为岩体模型结构面；11为模型加载试验装置；12为摄影灯箱；13为视频测量仪；14为岩体试样模型。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的目的是针对现有室内模拟隧道开挖的方法虽种类繁多，但不能够很好的模拟出当隧道围岩为柱状节理岩体时，柱状节理岩体对隧道开挖产生的影响，因此提供一种模拟当隧道穿越柱状节理岩体时，探究柱状节理岩体隧道围岩的力学性能和破坏机制的试验方法。

一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法，包括：柱状节理岩体模型的制作、隧道开挖方式的选择、开挖后柱状节理岩体模型的荷载加压方式以及开挖后柱状节理岩体模型相关数据的监测；柱状节理岩体模型的断面采用多棱柱的形式，采用有机玻璃拼接形成三维的多棱柱模具，向模具中加入石灰和水按一定比例配合而成的混合物，形成岩石模型，后在岩石模型之间加入泥质填充物形成结构面，最终岩石模型和泥质填充物拼接形成柱状节理岩体模型。将制好的柱状节理岩体模型放入双轴加载装置中，对模型的顶部和侧面施加一定的外荷载，模拟实际工程中隧道围岩所受到的压力，使试验装置和方法接近于工程实践，然后进行模拟隧道的开挖。

本试验方法中模拟隧道的开挖方式采用模型内置气囊的方法。在制作好的岩体模型内部，在不施加载荷的情况下，通过预开挖形成模拟隧道，在岩体模型的预开挖模拟隧道处放置一充满气体的内置气囊6，内置气囊6与预开挖模拟隧道的大小相同；然后再对岩体模型的外侧施加载荷，在模拟隧道的开挖过程中，使气囊中的气体迅速排出，进行模拟隧道的开挖。在所制作而成的柱状节理岩体模型的隧道断面周围岩体上安置位移传感器以及在内部隧道预开挖处加入位移传感器和应力传感器，用以监测模拟柱状节理岩体模型在外荷载作用下，柱状节理岩体隧道围岩所受应力的大小及位移的变化规律，所得数据和结果可用来指导工程实践。

本发明模拟当隧道开挖需要穿越柱状节理岩体时，探究柱状节理岩体隧道围岩的破坏机制和力学性能，为隧道的开挖设计方案提供可靠依据，降低在隧道开挖过程中遭遇风险的概率。通过制作与实际柱状节理岩体力学性能相似的含柱状节理的模型，将柱状节理岩体模型放入双轴压缩试验机中，对模型施加一定的外荷载，模拟岩体所受到的围压。后采用模型内部预置气囊的方法进行模拟隧道的开挖，开挖形成模拟隧道断面1尺寸应小于岩体模型尺寸的1/5，以便更加接近工程实际。在预开挖的隧道模型内部放入应力和位移传感器，在隧道断面的周围岩体上安置位移传感器，对进行隧道开挖后的柱状节理模型继续进行双轴压缩加载，直到柱状节理岩体模型发生破坏，用位移和应力传感器监测相应数据的变化，同时在距隧道模型加载装置一定距离处放置视频测量仪用以监测围岩位移的变化过程。探究在实际工程中，当隧道穿越柱状节理岩体时，隧道围岩的破坏机制和力学性能的变化规律。

实施例

如图1至图12所示，一种模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验方法，包括柱状节理岩体模型的制作、隧道的开挖、隧道荷载的加压和位移及应力的数据监测。

首先进行柱状节理岩体模型的制作。选用无色有机玻璃板5拼接成整体断面尺寸为1m×1m的四棱柱模具，如图3所示，制作柱状节理岩体模型的材料采用水和石灰按一定比例形成的混合物。根据实际工程概况，通过调整水灰比来制成不同强度的石膏，来模拟不同围岩等级下的岩石模型。在制作而成的岩石模型之间用泥质填充物进行拼接，泥质填充物形成岩石模型结构面9，从而进一步制成柱状岩体模型，本实施例中泥质填充物为淤泥，如图1所示。

在冲击钻钻头安装弧形切刀如图12所示，对制作好的柱状节理岩体模型进行切割来进行预开挖形成隧道，以形成具有隧道的柱状节理岩体模型。在隧道处的内表面及隧道断面围岩处安置一定量的应变片，后在岩体模型内部隧道预开挖处放置一个与隧道大小相同充满气体的气囊，然后将制作好的岩体模型放入双轴压缩试验装置，对模型的横向和竖向施加一定大小外荷载，以模拟岩体中所存在的围压。然后通过岩体模型内部预置的充满气体的内置气囊6快速释放出气体来模拟隧道的开挖，如图6、图8和图9所示。

然后对隧道开挖完成后的柱状节理岩体模型继续进行双轴加载，如图7所示。对柱状岩体模型继续施加横向荷载和竖向荷载，直到岩体模型发生破坏；通过对液压双轴压缩机伸缩杆8的调整可用来对不同尺寸的柱状节理岩体模型施加外荷载。通过隧道内部安置的位移和应力传感器，如图8所示，来监测和收集在不同外荷载作用情况下，柱状岩体模型隧道内位移和应力的数值变化，位移传感器和应力传感器设置在图中隧道边墙传感器所在位置3和隧道顶部传感器所在位置4部位，此外在隧道断面1的周围岩体即图中隧道围岩的传感器所在位置7上安置位移传感器，监测加载过程中隧道外围岩的位移变化状态，如图10所示。采用模型加载试验装置11对隧道开挖完成后的柱状节理岩体试样模型14继续进行双轴加载的同时，在距隧道加载装置1.5m处放置视频测量仪13和摄影灯箱12用以实时测量隧道断面围岩位移的变化量，如图11所示，视频测量仪13的推导出的数据与隧道表面安置的位移传感器的监测数据相结合，以便更好的分析隧道围岩的破坏过程。图11中g为视频测量仪距加载试验装置之间的距离。

然后将所得到的监测数据进行整理，结合Origin软件进行位移和应力的数据处理和分析，得到位移和应力的变化曲线，进而得到当隧道穿越柱状节理岩体时，隧道围岩的力学性能的变化规律和破坏机制。

模拟隧道穿越柱状节理岩体的试验过程，首先进行的是含有柱状节理模型的制作，模型的强度应与实际岩体的强度相似，以便更好地模拟工程实践。在制作好的岩体模型内部隧道的预开挖处放置充满气体的气囊，并在隧道表面安置一定数量的位移和应力传感器；对柱状节理岩体模型施加一定外荷载，模拟岩体所受到的围岩压力。然后在所制作的模型中进行隧道的开挖，通过预置气囊释放气体，完成模拟隧道的开挖；模型中隧道开挖完成后，再对模型继续施加外荷载，直至岩体模型发生破坏。利用位移和应力传感器监测和收集相关数据，利用视频测量仪13测量隧道断面围岩的位移变化情况；然后结合相关软件进行数据的整理和分析，并利用视频测量仪13所推导出隧道围岩位移的改变量，综合得出隧道穿越柱状节理岩体模型时，隧道围岩力学性能和破坏机制的变化规律。本发明为隧道施工的工程实践提供试验依据，能够有效降低隧道施工中事故发生的概率。