CN108333049B - 一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下岩体施工试验领域，具体的说是一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型及试验方法。本发明的模型包括围岩模拟块、贯穿开设在围岩模拟块中的硐室模拟腔以及设置在硐室模拟腔中的临时支护机构，临时支护机构包括与硐室模拟腔形状相对应的刚性承载管，在刚性承载管的外壁上设有石蜡层、用于将石蜡层融化以模拟硐室开挖卸载的电热丝以及用于将融化后的石蜡导入至刚性承载管内腔中的多个排蜡孔。本发明可解决现有技术中不能正确反映硐室开挖和应力加载顺序的缺点，从而使实验模型可以反映真实硐室围岩的破裂区域和范围，进而对实际硐室开挖施工提供精确的参考。
Description
技术领域
本发明涉及地下岩体施工试验领域，具体的说是一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型及试验方法。
背景技术
随着交通工程、采矿工程的快速发展，施工单位需要在山区和地下修建了大量的硐室空间。但是由于地下工程环境复杂，硐室的开挖极易引起周边围岩的劣化，发生围岩松动、破裂和坠石等现象，严重时会发生大规模的塌方，危及地下工程的修建和使用。采用模型试验的方法，通过模拟硐室开挖以预测围岩的破裂形式和范围是一种可行的方法。
在地下硐室开挖时，其周边应力逐步卸载，围岩产生径向或环向破裂区，破裂区域的大小和形态决定了地下硐室支护的强度与方式。很多学者试图通过模型试验的方式获取硐室围岩破坏的范围，由于试验条件的限制，他们大多采用“先开洞、后加载”的方式，但该方法存在不能正确反映硐室开挖和应力加载顺序的缺点，并导致实验模型不能反映真实硐室围岩的破裂区域和范围，无法对实际施工提供精确的参考。
发明内容
本发明旨在提供一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型及试验方法，以解决现有技术中不能正确反映硐室开挖和应力加载顺序的缺点，从而使实验模型可以反映真实硐室围岩的破裂区域和范围，进而对实际硐室开挖施工提供精确的参考。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，包括围岩模拟块、贯穿开设在围岩模拟块中的硐室模拟腔以及设置在硐室模拟腔中的临时支护机构，临时支护机构包括与硐室模拟腔形状相对应的刚性承载管，在刚性承载管的外壁上设有石蜡层、用于将石蜡层融化以模拟硐室开挖卸载的电热丝以及用于将融化后的石蜡导入至刚性承载管内腔中的多个排蜡孔。
优选的，电热丝呈螺旋状绕设在刚性承载管的外壁上，电热丝的两端分别均设置在围岩模拟块外部，电热丝的两端之间连接有电源以及用于控制电热丝通电的开关。
优选的，电热丝的数量为多根，任意一根电热丝的两端均设有与该电热丝在刚性承载管上的分布位置相对应的标识。
优选的，刚性承载管采用非导电的聚乙烯硬塑料材质制作。
优选的，围岩模拟块为长方体，硐室模拟腔沿围岩模拟块的长度或宽度方向分布。
优选的，硐室模拟腔通过临时支护机构与围岩模拟块采用分层夯筑的方式一体成型。
一种深埋硐室先加载后开挖的试验方法，包括以下步骤：
1）、首先根据试验拟开挖硐室的形状预制刚性承载管，并在刚性承载管的管壁上间隔开设多个排蜡孔，然后在刚性承载管的外壁上以螺旋盘绕方式设置电热丝，最后在刚性承载管的外壁上均匀浇筑石蜡层，即制得临时支护机构；
2）、按照8-12:2.5:1的质量比例分别称取沙、水泥以及水，将沙和水泥均匀搅拌后加入水并再次搅拌均匀制得混合料；
3）、首先将顶部敞口的模具水平放置，取部分步骤2）中制得的混合料分层回填至模具底部并夯实，然后将步骤1）中制得的临时支护机构放置在模具中并位于夯实层上，将临时支护机构上的电热丝的端部放置在模具以外，取剩余部分步骤2）中制得的混合料分层回填至磨具中并夯实，最后将模具塑封包装，待经26-30天养护期后，脱模取样即制得深埋硐室先加载后开挖的试验模型；
4）、将步骤3）中制得的深埋硐室先加载后开挖的试验模型安装在专用三向加载设备上，通过专用三向加载设备的压头对深埋硐室先加载后开挖的试验模型的六个面进行均匀的外部加载，直至到达指定荷载后停止外部加载并稳定载荷；
5）、按照实验硐室开挖顺序，依次对设置在刚性承载管上的电加热丝通电加热，使刚性承载管上的石蜡层分段熔化并通过排蜡孔流入刚性支撑管中，通过石蜡层的融化实现临时支护机构对硐室模拟腔内壁的卸载，以模拟硐室开挖过程；
6）、将深埋硐室先加载后开挖的试验模型从专用三向加载设备上取下，将临时支护机构从硐室模拟腔中掏出，将围岩模拟块破开并记录围岩模拟块的破坏区域和范围。
有益效果
本发明利用石蜡通电加热后快速熔化的特点，实现三向受力条件下模型硐室的开挖，具有施工速度快、安全性高、操作方便快捷等优点；试验时，可以对试验模型在三个方向上同时加载，也可独立调整三个方向施加荷载的大小，实现不同围岩应力条件下硐室围岩破坏的试验研究。
附图说明
图1为本发明的围岩模拟块在试验过程中的三项加载受力示意图；
图2为本发明的临时支护机构部分的结构示意图；
图中标记：1、围岩模拟块，2、临时支护机构，201、电热丝，202、电源，203、开关，204、排蜡孔，205、石蜡层，206、刚性承载管，3、硐室模拟腔。
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，包括围岩模拟块1、贯穿开设在围岩模拟块1中的硐室模拟腔207以及设置在硐室模拟腔207中的临时支护机构2。
围岩模拟块1的形状为长方体，硐室模拟腔207沿围岩模拟块1的长度或宽度方向分布，围岩模拟块1采用沙、水泥以及水均匀混合的混合料通过夯筑制成，沙、水泥以及水的质量比例为8-12:2.5:1，当被模拟岩体强度大时，沙占比取小值，反之取大值。
临时支护机构2包括与硐室模拟腔207形状相对应的刚性承载管206，在刚性承载管206的外壁上设有石蜡层205、用于将石蜡层205融化以模拟硐室开挖卸载的电热丝201以及用于将融化后的石蜡导入至刚性承载管206内腔中的多个排蜡孔204。硐室模拟腔207通过临时支护机构2与围岩模拟块1采用分层夯筑的方式一体成型，以通过临时支护机构2对硐室模拟腔207的内壁加载支撑力，其中临时支护机构2中的石蜡层205采用浇筑的方式均匀覆盖在刚性承载管206的外表面上，通过电热丝201通电升温将石蜡层205融化，融化的石蜡顺排蜡孔204流入刚性承载管206中的方式实现临时支护机构2对于硐室内壁支撑力的卸载，达到模拟硐室开挖过程的效果。
本实施例中的刚性承载管206采用非导电的聚乙烯硬塑料材质制作。电热丝201数量为多根，多根电热丝201分别呈螺旋状绕设在刚性承载管206的外壁上，任意一根电热丝201的两端分别以漆包线的形式设置在围岩模拟块1外部，电热丝201的两端之间连接有电源202以及用于控制电热丝201通电的开关203。任意一根电热丝201的两端均设有与该电热丝201在刚性承载管206上的分布位置相对应的标识，实际操作中，可按照多根电阻丝养刚性承载管206上的分布位置将标识设置为赤橙红绿青蓝紫等颜色，也可制作号牌标注1、2、3、4、5等数字。
本发明的一种深埋硐室先加载后开挖的试验方法，包括以下步骤：
1）、首先根据试验拟开挖硐室的形状预制刚性承载管206，并在刚性承载管206的管壁上以成行成列的方式开设多个排蜡孔204，排蜡孔204可设置为锥形，且小端朝向刚性承载管206的中心，以便对融化后的石蜡层205进入刚性承载管206中进行适当的导向作用；然后在刚性承载管206的外壁上以螺旋盘绕方式设置电热丝201，并确保每一砸电热丝201互不接触，将每一根电热丝201的两端以漆包线的绝缘形式引出；最后在刚性承载管206的外壁上均匀浇筑石蜡层205，即制得临时支护机构2；
2）、按照8-12:2.5:1的质量比例分别称取沙、水泥以及水，先通过搅拌机将沙和水泥搅拌均匀，然后向沙和水泥中加入水并再次搅拌支撑混合料备用；
3）、将顶部敞口的模具水平放置。本实施例中的模具采用高强度45号钢板通过螺栓拼接支撑，模具包括底板、前侧板、后侧板、左侧板以及右侧板，在底板、前侧板、后侧板、左侧板以及右侧板对应的连接位置分别设有翻边及螺栓孔。在拼接过程中，将底板放置在水平地面上，安装左侧侧板，并旋紧侧板与底板之间的连接螺栓；然后，分别安装前后侧板，旋紧前后侧板与左侧侧板及底板之间的连接螺栓；最后，安装右侧侧板，并使之与前后侧板和底板牢固连接。
在模具拼接完成后，首先取部分步骤2）中制得的混合料分层回填至模具底部并夯实，回填量大致相当于模具高度的一半；然后将步骤1）中制得的临时支护机构2放置在模具中并位于夯实层上，将临时支护机构2上的电热丝201的端部放置在模具以外，以避免电热丝201的两端被封与围岩模拟块1中，取剩余部分步骤2）中制得的混合料分层回填至磨具中并夯实，最后将模具塑封包装，待经26-30天养护期后，脱模取样即制得深埋硐室先加载后开挖的试验模型；
4）、将步骤3）中制得的深埋硐室先加载后开挖的试验模型安装在专用三向加载设备上，通过专用三向加载设备的压头对深埋硐室先加载后开挖的试验模型的六个面进行均匀的外部加载，直至到达指定荷载后停止外部加载并稳定载荷；
5）、按照实验硐室开挖顺序，依次对设置在刚性承载管206上的电加热丝通电加热，使刚性承载管206上的石蜡层205分段熔化并通过排蜡孔204流入刚性支撑管中，通过石蜡层205的融化实现临时支护机构2对硐室模拟腔207内壁的卸载，以模拟硐室开挖过程。
6）、在硐室开挖模拟过程结束后，将深埋硐室先加载后开挖的试验模型从专用三向加载设备上取下，将临时支护机构2缓慢的从硐室模拟腔207中掏出，最后将围岩模拟块1通过收据和毛刷进行破开并清理，通过记录围岩模拟块1的破坏区域和范围为深埋硐室施工中的支护提供参考依据。
Claims (4)
1.一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，其特征在于：包括围岩模拟块（1）、贯穿开设在围岩模拟块（1）中的硐室模拟腔（3）以及设置在硐室模拟腔（3）中的临时支护机构（2），临时支护机构（2）包括与硐室模拟腔（3）形状相对应的刚性承载管（206），在刚性承载管（206）的外壁上设有石蜡层（205）、用于将石蜡层（205）融化以模拟硐室开挖卸载的电热丝（201）以及用于将融化后的石蜡导入至刚性承载管（206）内腔中的多个排蜡孔（204）；
刚性承载管（206）采用非导电的聚乙烯硬塑料材质制作；
硐室模拟腔（3）通过临时支护机构（2）与围岩模拟块（1）采用分层夯筑的方式一体成型；
通过上述的深埋硐室先加载后开挖的试验模型进行深埋硐室先加载后开挖的试验方法，包括以下步骤：
1）、首先根据试验拟开挖硐室的形状预制刚性承载管（206），并在刚性承载管（206）的管壁上间隔开设多个排蜡孔（204），然后在刚性承载管（206）的外壁上以螺旋盘绕方式设置电热丝（201），最后在刚性承载管（206）的外壁上均匀浇筑石蜡层（205），即制得临时支护机构（2）；
2）、按照8-12:2.5:1的质量比例分别称取沙、水泥以及水，将沙和水泥均匀搅拌后加入水并再次搅拌均匀制得混合料；
3）、首先将顶部敞口的模具水平放置，取部分步骤2）中制得的混合料分层回填至模具底部并夯实，然后将步骤1）中制得的临时支护机构（2）放置在模具中并位于夯实层上，将临时支护机构（2）上的电热丝（201）的端部放置在模具以外，取剩余部分步骤2）中制得的混合料分层回填至磨具中并夯实，最后将模具塑封包装，待经26-30天养护期后，脱模取样即制得深埋硐室先加载后开挖的试验模型；
4）、将步骤3）中制得的深埋硐室先加载后开挖的试验模型安装在专用三向加载设备上，通过专用三向加载设备的压头对深埋硐室先加载后开挖的试验模型的六个面进行均匀的外部加载，直至到达指定荷载后停止外部加载并稳定载荷；
5）、按照实验硐室开挖顺序，依次对设置在刚性承载管（206）上的电加热丝通电加热，使刚性承载管（206）上的石蜡层（205）分段熔化并通过排蜡孔（204）流入刚性承载管（206）中，通过石蜡层（205）的融化实现临时支护机构（2）对硐室模拟腔（3）内壁的卸载，以模拟硐室开挖过程；
6）、将深埋硐室先加载后开挖的试验模型从专用三向加载设备上取下，将临时支护机构（2）从硐室模拟腔（3）中掏出，将围岩模拟块（1）破开并记录围岩模拟块（1）的破坏区域和范围。
2.根据权利要求1所述的一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，其特征在于：电热丝（201）呈螺旋状绕设在刚性承载管（206）的外壁上，电热丝（201）的两端分别均设置在围岩模拟块（1）外部，电热丝（201）的两端之间连接有电源（202）以及用于控制电热丝（201）通电的开关（203）。
3.根据权利要求2所述的一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，其特征在于：电热丝（201）的数量为多根，任意一根电热丝（201）的两端均设有与该电热丝（201）在刚性承载管（206）上的分布位置相对应的标识。
4.根据权利要求1所述的一种深埋硐室先加载后开挖的试验模型，其特征在于：围岩模拟块（1）为长方体，硐室模拟腔（3）沿围岩模拟块（1）的长度或宽度方向分布。
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