模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学及隧道工程领域，具体涉及模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法。

背景技术

随着我国川藏铁路等国家重大战略项目的推进，山区建设中涌现了一大批隧道工程，当隧道开挖穿越高应力环境的软弱缓倾层状围岩时，常会发生一种典型的地质灾害—隧道底鼓，对建设期间的施工安全和服役期间的行车安全造成了严重威胁。由于隧道底鼓是一个十分复杂的力学过程，与隧道围岩性质、开挖卸荷量及地应力等因素密切相关，因此，对开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓开展研究是十分必要的。

目前，针对隧道底鼓方面的研究多采用地质调查、现场监测分析以及数值模拟的手段(如钟祖良,刘新荣,王道良,等.桃树垭隧道底鼓发生机理与防治技术研究[J].岩土工程学报,2012,34(03):471-47；王进博,黄滚,唐建新,等.水平层状页岩隧道底鼓机理及处治技术[J].安全与环境学报,2017,102(06):2246-2251)，定性地研究隧道底鼓的发生机理及其主要影响因素，并得出了隧道发生底鼓的理论模型。

因此，为了掌握开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的破坏响应，需要提出一种可以模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法，对隧道底鼓破坏的启动机理及控制性指标的具体影响进行深入研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法，基于前人的隧道底鼓理论模型，依托研究基地给出对应的隧道围岩地质模型，通过不同岩性和几何尺寸的层状原岩(也可以为模型材料)来模拟隧道底部围岩，获得试验模型，通过对试验模型的竖向卸荷来模拟隧道开挖的卸荷，采用对模型试件施加水平荷载来模拟围岩的地应力，获取隧道底鼓的宏观模式以及力学、变形特征。

本发明的技术方案是：一种模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法，其特征在于，

该方法基于获取的隧道围岩地质模型，将与现场缓倾层状围岩各岩层性质相同的原岩或相似模型材料按照隧道底部围岩的地质特征构建试验模型；

在试验模型各层的层间处，分别粘贴与岩层方向一致和与岩层方向垂直的应变片，监测岩层间的层间错动以及层间张开量，在模型的顶部均匀贴上与岩层方向一致的应变片，监测模型顶部各部位的变形；

通过对试验模型施加竖向卸荷来模拟隧道开挖的卸荷，采用对试验模型施加水平荷载来模拟围岩的地应力，获取隧道底鼓的宏观模式以及力学及变形特征。

具体过程是：

(1)以依托工程为研究基地，调查隧道底部围岩的地质特征，获取隧道围岩地质模型，并现场获取缓倾层状围岩各岩层的样本，制备出符合试验标准的圆柱形岩层试样，通过室内试验(如单轴、三轴压缩试验)获取不同岩层试样的强度、模量参数及破坏形态；

(2)以步骤(1)中的强度、模量参数及破坏形态作为参考标准，配置各岩层的相似模型，并记录各岩层相似材料的配比；

(3)根据步骤(1)中隧道围岩地质模型，采用步骤(2)中的相似材料，分层浇筑模拟缓倾层状围岩体隧道底部围岩的长方体试验模型；

(4)在试验模型各层的层间处，分别粘贴与岩层方向一致和与岩层方向垂直的应变片，监测岩层间的层间错动以及层间张开量，在试样的顶部均匀贴上与岩层方向一致的应变片，监测试样顶部各部位的变形；

(5)将试验模型放置于双向加载试验系统(可水平和竖向加载)，采用应力控制的方式，首先施加竖向荷载至σ

(6)保持水平荷载不变，采用应力控制的方向，逐渐卸载竖向荷载至卸荷后竖向应力(模拟隧道开挖过程)，整个过程采用高速高清摄像机进行拍摄，记录岩层底鼓破坏的演化过程；

(7)关闭双向加载试验系统，分析试验数据，获取试验成果，即隧道底鼓的宏观模式以及力学及变形特征。

本发明所涉及的隧道底鼓方面的问题，主要针对于马蹄形隧道开挖底鼓研究，隧道底板是一个平面，所构建的试验模型为长方体试验模型。

进一步，本发明中各岩层试样除了采用相似模型材料分层浇筑之外，还能采用含天然层面的层状岩体切割制作。

所述试验模型的长宽比为2:1，厚度根据岩层厚度及层数确定。

本发明能模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的过程，充分考虑了隧道底部层状围岩鼓出的重要影响因素，包括岩体结构(岩层厚度)、地应力(水平荷载、竖向荷载)、开挖方式(卸荷量(竖向荷载的大小)和卸荷速率)。

本发明方法能够对隧道底部(隧道局部)鼓出变形机制进行深入分析，充分考虑隧道岩体本身的应力分布特征(如缓倾层状岩体机构)，通过该方法可对开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓问题进行系统深入的理论研究，为隧道底鼓灾害的原因分析及防治措施提供良好的借鉴依据。

附图说明

图1为开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的理论模型；

图2为试验模型设计及其应变片监测的布置；

图3为图2中局部放大图；

图4为试验模型顶部应变片的布置；

图5为试验系统的整体布置。

图中：1.隧道、2.隧道底部层状围岩、3.隧道掘进方向、4.水平地应力、5. 竖向卸荷、6.试验模型的层面、7.监测层间错动应变片、8.监测层间张开应变片、 9.监测试验模型顶部变形应变片、10.初始竖向应力、11.初始水平应力、12.卸荷后竖向应力。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明：

本发明提出的试验方法是基于开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的理论模型，理论模型如图1所示，该理论模型具体说明如下：当隧道1沿隧道掘进方向3掘进时，隧道底部的层状围岩2会在临空面方向发生竖向卸荷5，而岩层的水平方向仍存在水平地应力4，在这种复杂加卸载的作用下，隧道底部的缓倾层状岩体会在最软弱部位(隧道底部的中间)发生隆起鼓出变形，甚至发生折断。

本发明公开了一种模拟开挖卸荷诱发缓倾层状岩体隧道底鼓的试验方法，具体实施步骤如下：

(1)以依托工程为研究基地，调查隧道底部围岩的地质特征，获取隧道围岩地质模型，并现场获取缓倾层状围岩各岩层的样本，制备出符合试验标准的圆柱形岩层试样，通过室内试验(如单轴、三轴压缩试验)获取不同岩层试样的强度、模量参数(包括压缩模量和弹性模量)及破坏形态；

(2)以步骤(1)中的各岩层强度、模量参数之间的比例及破坏形态作为参考标准，配置各岩层的相似模型材料，通过与步骤(1)中相同的室内试验加以验证，使得不同模型材料之间的力学参数比例与各岩层之间的力学参数比例相同(即力学性能相似)，记录各岩层相似材料的配比；

(3)根据步骤(1)中隧道底部的隧道围岩地质模型，通过原岩材料参数与模型参数的比值，确定相似模型的几何尺寸及模型各层的高度，采用步骤(2) 中的相似材料，分层浇筑模拟层缓倾层状围岩体隧道底部围岩的长方体试验模型，如图2所示，模型长为L，宽为W，高为H，由n层模型材料浇筑而成，从上往下各层厚度分别为h

(4)在试验模型的层面6处，分别粘贴与岩层方向一致的监测层间错动应变片7和与岩层方向垂直的监测层间张开应变片8，如图2和图3，监测岩层间的层间错动以及层间张开量；在试验模型的顶部均匀贴上与岩层方向一致的监测试验模型顶部变形应变片9，如图4，监测试样顶部岩层的纵向变形；监测层间错动应变片7、监测层间张开应变片8、监测试验模型顶部变形应变片9位于同一横截面上；

(5)将试验模型放置于双向加载试验系统(可水平和竖向加卸载)，采用应力控制的方式，首先施加竖向荷载至初始竖向应力10(模拟隧道底部围岩的竖向地应力σ

(6)保持水平荷载不变，采用应力控制的方向，逐渐卸载竖向荷载至卸荷后竖向应力12，整个过程采用高速高清摄像机进行拍摄，记录岩层底鼓破坏的演化过程；卸荷后竖向应力可以为0，

(7)关闭实验系统，分析试验数据，获取试验成果。

本实施中施加的初始竖向应力10根据隧道底部围岩的竖向地应力σ

本实施中监测层间错动应变片7和监测层间张开应变片8的位置，在试验模型的跨内均匀布置，如图2所示，最外侧应变片距离端部的位置为跨长L的 1/18，相邻应变片之间的距离为跨长L的1/4.5。

本实施中监测试验模型顶部变形应变片9，沿跨长布置的位置与监测层间错动应变片7和监测层间张开应变片8的一致；沿试验模型宽度布置的位置，均匀分摊在试验模型顶部面上，最外侧监测试验模型顶部变形应变片9与端部的间距为试验模型宽度的1/4，相邻应变片宽度之间位置距离也为试验模型宽度的1/4。

本发明未述及之处适用于现有技术。