高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置及试验方法

1.本发明涉及隧道工程室内模型试验技术领域，具体公开了一种高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置及试验方法，尤其涉及一种高地应力、高地温环境中的隧道缩尺模型试验装置及试验方法。


背景技术：

2.受亚欧板块与印度洋板块运动影响，我国中西部区域地貌以山地重丘为主。隧道作为修建于地表以下的条状构筑物，施工建设受气候影响小且具有缩短里程、保护环境的优势。因此，隧道方案在我国中西部铁路及公路交通体系建设中被广泛采用。然而，隧道修建过程中又往往面临高地应力、高岩温等复杂地质环境，为隧道施工建设带来的巨大施工挑战。
3.相比能源、矿山领域，交通行业对高岩温隧道的研究起步较晚，目前仅有铁路部门给出了部分指导性建议，但在多数情况下仍以工程经验类比为主，而针对高温隧道围岩及衬砌热-力耦合环境下力学行为改变及围岩损伤加剧等问题，多是考虑防治措施，尚缺乏统筹规划。此外，随着地热开发、高温隧道建设的进程加快，国内外相关课题研究也相继开展，但是多数研究采用现场监测与数值计算手段进行相关研究，存在现场影响因素多及计算机模型不适等问题，因此需要一种能够巧妙避开上述方案短板的室内缩尺模型试验系统进行模拟试验。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置及试验方法，可用于高地温、高地应力环境中隧道围岩及衬砌损伤变形行为的缩尺模型试验研究，通过模型箱体的均匀发热与多方向载荷功能，能够分别模拟地层高地应力环境与高地温环境并可实现两者的耦合，同时，该试验系统能够满足传统常规隧道开挖卸荷、地表超载、偏压载荷等大尺度模型试验开展的要求，适用性广。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置，包括恒温环境室和设置在恒温环境室外的环境温度控制设备、隧道通风控制设备以及与环境温度控制设备、隧道通风控制设备电连接的pc端控制与监测系统；
7.恒温环境室内设置由围岩相似材料填充的模型箱体，模型箱体内设置有由围岩相似材料组成的地层模型，地层模型内设有内外表面贴有应变片的隧道衬砌结构，地层模型垂直于隧道轴线设置多个纵向监测断面，每个纵向监测断面上设置多个隧道径向围岩应力/温度监测点，隧道径向围岩应力/温度监测点径向均设置有多个压力传感器和温度传感器，且相连放置，隧道衬砌结构设置多个衬砌应变监测断面，每个衬砌应变监测断面上设置多个结构应变监测元件，每个衬砌监测断面内均径向设置多个安装有百分表的衬砌变形监测点；
8.模型箱体的前后面固定有正面约束面板和背面约束面板，模型箱体的上下和左右四面固定有发热加载面板，正面约束面板及背面约束面板中间均设置隧道观测窗口，贯穿隧道通风控制设备的隧道通风管道均穿过隧道观测窗口与隧道衬砌结构连通，发热加载面板中间端部均设置有荷载作用面板，荷载作用面板上固定连接有分段式传力杆，分段式传力杆上固定连接有伺服加载装置，伺服加载装置及发热加载面板电连接pc端控制与监测系统，pc端控制与监测系统电连接伺服加载装置的监测加载作用力以及发热加载面板的发热温度。
9.进一步，发热加载面板分别为两侧的侧向加载板、上部的法向加载板及底部的底侧加载板。
10.进一步，发热加载面板分为上下通过连接螺栓扣固定的两部分，发热加载面板上部分包括荷载作用面板、固定在荷载作用面板下部的荷载分散传递肋板、位于荷载分散传递肋板下部的加载板及与加载板四周固定连接的螺栓约束裙边，加载板一侧顶部对称设置有两个发热电缆电源孔。有益效果:通过荷载分散传递肋板，将动力传递给加载板；通过螺栓约束裙边,将发热加载面板与模型箱体固定连接。
11.进一步，发热加载面板的下部分为发热箱，发热箱内串联多根发热电缆，发热电缆的首尾端部穿过发热电缆电源孔外接电源，发热箱的底面为传热加载铝板。有益效果:铝板导热性好，发热箱的发热功能由发热电缆通电发热实现，通过传热加载铝板将热量传递给地层模型。
12.进一步，发热箱内通过分区隔板分隔为多个分区槽，分区槽内发热电缆串联，分区槽内填充珍珠岩颗粒，每个分区槽对应发热箱上开设有与发热电缆电源孔配合使用且便于发热电缆穿过的电缆线孔。有益效果:发热箱分区槽是为了加热均匀且避免铝板变形。
13.进一步，连接螺栓扣包括设置在螺栓约束裙边内侧多个螺栓上套叩、发热箱内侧向上延伸设置与螺栓上套叩配合使用的螺栓下套叩及贯穿螺栓上套叩和螺栓下套叩的销钉。有益效果:连接螺栓扣便于拆卸更换发热电缆规格以满足温度等级需求。
14.进一步，模型箱体外设置模型箱体框架，模型箱体框架由多个
ⅱ‑
型刚性可连接横梁及
ⅰ‑
型刚性可连接立柱上固定组成，
ⅱ‑
型刚性可连接横梁及
ⅰ‑
型刚性可连接立柱上开设有多个连接螺栓孔。有益效果:模型箱体框架采用刚性的可连接横梁和刚性可连接立柱上,确保模型箱体框架的稳定性及牢固性，模型箱体框架变形量误差小。
15.进一步,纵向监测断面采用矩形、马蹄形、门洞形、圆形多种断面形式，适用性广。
16.该高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
17.s1、将模型箱体根据试验需求装配在恒温环境室内，模型箱体上侧和左右两侧通过分段式传力杆上和伺服加载装置与恒温环境室固定，在模型箱体的前后两侧穿设隧道通风管道，并将环境温度控制设备、隧道通风控制设备连接至pc端控制与监测系统，其中模型箱体中围岩相似材料按照质量比为：水泥：粉煤灰：石膏：重晶石粉：石英砂：铁粉：水＝7：1：2：12：25：1：4；
18.s2、根据试验需求通过伺服加载装置与分段式传力梁对模型箱体左右两侧的侧向加载板施加压力，通过发热加载面板下部的发热箱对模型箱体加热来模拟地层模型的应力场环境与温度场环境；
19.s3、通过模型地层内每个纵向监测断面上的每个隧道径向围岩应力/温度监测点
的压力传感器和温度传感器对隧道围岩地应力场与温度场分布规律进行监测，通过衬砌结构内外表面相对分布的应变监测点上的应变片对衬砌结构在热-力耦合环境中的环向轴力与弯矩分布状态进行监测，通过隧道内衬砌变形监测点处的百分表对热-力耦合作用下的衬砌结构变形进行监测。
20.进一步,步骤s1中围岩相似材料选取时，包括以下步骤：
21.s11、调整基准配比，即作为胶凝材料的粉煤灰、石膏按照1：1的质量份数比替代水泥10％的比例，水泥、粉煤灰、石膏为胶凝材料；水占胶凝材料的40％；细集料和胶凝材料的质量份数比为1：3，细集料中重晶石粉、石英砂质量份数比为1：1；铁粉作为导热材料掺入比例为10％；
22.s12、对步骤s11基准配比后的围岩相似材料进行三轴压缩试验、直接剪切试验和导热性能测试；
23.s13、根据步骤s12测试的结果与真实的隧道围岩测试参数进行比对，如果强度达不到要求则调整水泥替代比，如果弹性模量、泊松比达不到要求则调整粉煤灰与石膏配比以及重晶石粉与石英砂配比，如果粘聚力、内摩擦角达不到要求则调整粉砂胶配比，如果导热系数达不到要求则调整铁粉掺量，如果比热容达不到要求则调整水胶比，调整各配方比重后重复步骤s12和步骤s13，如此往复达到模拟真实隧道围岩测试要求。
24.本方案的工作原理及有益效果在于：
25.1、本发明所公开的高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置，通过模型箱体内填充适合的围岩材料，能够模拟高地应力、高地温隧道环境；模型箱体外设置模型箱体框架，模型箱体框架对模型箱体起到防护的作用，防止模型箱体法向和水平双向加载时发热加载面板发生冲撞。发热加载面板内的发热电缆可以发热，透过底面传热加载铝板将热量传递至地层模型，分段式传力杆和伺服加载装置的配合将应力传递至地层模型，实现应力场与温度场在同一地层模型的耦合。此外恒温环境室起到维持环境温度，防止热量损失的效果，隧道通风控制设备中隧道通风管道是模拟隧道通风降温过程，满足地层模型在不同温度场状态下，岩体的应力-应变关系。
26.2、本发明所公开的高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置，主要由恒温环境室、双向伺服加载装置、发热保温模型箱体、隧道通风调控系统、模型地层温度与压力监测系统组成；可用于高地温、高地应力环境中隧道围岩及衬砌损伤变形行为的大比例缩尺模型试验研究。
27.3、本发明所公开的高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置，模型箱体前后的正面约束面板、背面约束面板中心采用可拼装观测(高强透明有机玻璃)窗口，便于更换改变隧道断面形式，满足不同的试验需求。
28.4、本发明基于高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置的试验方法，围岩相似材料采用了水泥、粉煤灰、石膏、重晶石粉、石英砂、铁粉和水进行配合，更加与真实环境中岩石结构相近似，该围岩相似材料相对于常规围岩材料，进一步考虑了岩石的导热性，创造性的加入了铁粉作为媒介进行导热，使得试验环境更加与真实环境接近，提高试验准确性。
29.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
30.图1为本发明高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置的结构示意图一；
31.图2为本发明高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中模型箱体的结构示意图；
32.图3为本发明温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中模型箱体分块拆分的示意图；
33.图4为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中模型箱体框架的结构示意图；
34.图5为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中发热加载面板的结构示意图；
35.图6为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中发热加载面板上部分的结构示意图；
36.图7为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中发热加载面板的俯视图；
37.图8为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中发热箱的结构示意图；
38.图9为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中发热电缆连接示意图；
39.图10为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中连接螺栓扣的结构示意图；
40.图11为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中传热加载铝板与螺栓下套叩连接示意图；
41.图12为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中地层模型的结构示意图；
42.图13为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中地层模型的剖视图；
43.图14为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中压力传感器和温度传感器的布置图；
44.图15为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置中隧道衬砌结构的结构示意图；
45.图16为本发明隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置的结构示意图二；
46.图17为本发明实施例围岩相似材料的调配方法示意图。
47.附图中标记如下：恒温环境室1、环境温度控制设备2、隧道通风控制设备3、隧道通风管道4、pc端控制与监测系统5、伺服加载装置6、模型箱体7、分段式传力杆8、法向加载板9、侧向加载板10、正面约束面板11、隧道观测窗口12、背面约束面板13、底侧加载板14、ⅱ型刚性可连接横梁15、ⅰ型刚性可连接立柱16、荷载作用面板17、荷载分散传递肋板18、加载板19、约束螺栓孔20、发热箱21、传热加载铝板22、螺栓约束裙边23、连接螺栓扣24、发热电缆电源孔25、分区隔板26、珍珠岩颗粒27、发热电缆28、电缆线孔29、螺栓下套叩241、螺栓上套叩242、加热箱槽30、地层模型31、隧道衬砌结构32、纵向监测断面33、隧道径向围岩应力/温度监测点34、压力传感器35、温度传感器36、衬砌变形监测点37、结构应变监测元件38、衬砌
监测断面39。
具体实施方式
48.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
49.如图1-图16所示的高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置，包括恒温环境室1和设置在恒温环境室1外的环境温度控制设备2、隧道通风控制设备3以及与环境温度控制设备2、隧道通风控制设备3电连接的pc端控制与监测系统5；恒温环境室1内置由围岩相似材料填充的模型箱体7，模型箱体7内的围岩相似材料组成地层模型31，地层模型31内设有内外表面贴有应变片的隧道衬砌结构32，地层模型31垂直于隧道轴线设置多个纵向监测断面33，每个纵向监测断面33上设置多个隧道径向围岩应力/温度监测点34，隧道径向围岩应力/温度监测点34径向均设置多个压力传感器35和温度传感器36，且相连放置，纵向监测断面33采用矩形、马蹄形、门洞形、圆形等多种断面形式，隧道衬砌结构32设置多个衬砌监测断面39，每个衬砌监测断面39上设置多个结构应变监测元件38，纵向监测断面33径向均设置多个安装百分表的衬砌变形监测点37。
50.模型箱体7框架由i型刚性可连接立柱16与ⅱ型刚性可连接横梁15通过螺栓连接构成，i型刚性可连接立柱与ⅱ型刚性可连接横梁15型号、尺寸一致，且分布相同的连接螺栓孔，采用刚性的可连接横梁及刚性可连接立柱上,确保模型箱体7的稳定性及牢固性。
51.模型箱体7的前后面固定有正面约束面板11和背面约束面板13，正面约束面板11及背面约束面板13中间均设置隧道观测窗口12，正面约束面板11和背面约束面板13不进行加载，试验期间需将正面约束面板11和背面约束面板13与模型箱体7框架螺栓连接，正面约束面板11和背面约束面板13的中心采用可高强透明有机玻璃的窗口，便于更换改变隧道断面形式，贯穿隧道通风控制设备3的隧道通风管道4均穿过隧道观测窗口12与隧道衬砌结构32连通。
52.发热加载面板包括两侧的侧向加载板10、上部的法向加载板9及底部的底侧加载板14，且两侧的侧向加载板10、上部的法向加载板9及底部的底侧加载板14尺寸、形状、结构和螺栓孔分布相同，发热加载面板上部分包括位于发热加载面板中间端部的荷载作用面板17、固定在荷载作用面板17下部的荷载分散传递肋板18、位于荷载分散传递肋板18下部的加载板19及与加载板19四周固定连接的螺栓约束裙边23，荷载作用面板17上螺栓连接有分段式传力杆8，分段式传力杆8上固定连接伺服加载装置6，伺服加载装置6及模型箱体7连接pc端控制与监测系统5，加载板19一侧顶部对称设置有两个发热电缆电源孔25，通过荷载分散传递肋板18，将动力传递给加载板19，螺栓约束裙边23上设置多个约束螺栓孔20，通过螺栓约束裙边23，将发热加载面板与模型箱体7固定连接。
53.发热加载面板的下部分为发热箱21，发热箱21内串联多根发热电缆28，发热电缆28的首尾端部穿过发热电缆电源孔25外接电源，发热箱21的底面为传热加载铝板22，通过发热电缆28便于对发热箱21发热，通过传热加载铝板22将热量传递给地层模型，发热箱21内设置多个分区槽，相邻分区槽通过分区隔板26分隔，分区槽内铺设珍珠岩颗粒27，每个分区槽对应发热箱21上开设有与发热电缆电源孔25配合使用且便于发热电缆28穿过的电缆线孔29。
54.发热加载面板的上、下两部分通过连接螺栓扣24及销钉固定连接，连接螺栓扣24
包括设置在螺栓约束裙边23内侧十六个螺栓上套叩242、加热箱槽30内侧向上延伸设置与螺栓上套叩242配合使用的八个螺栓下套叩241及贯穿螺栓上套叩242和螺栓下套叩241的八个销钉。
55.该高温隧道围岩及衬砌热-力耦合模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
56.s1、将模型箱体根据试验需求装配在恒温环境室内，模型箱体上侧和左右两侧通过分段式传力杆上和伺服加载装置与恒温环境室固定，在模型箱体的前后两侧穿设隧道通风管道，并将环境温度控制设备、隧道通风控制设备连接至pc端控制与监测系统，其中模型箱体中围岩相似材料按照质量比为：水泥：粉煤灰：石膏：重晶石粉：石英砂：铁粉：水＝7：1：2：12：25：1：4；
57.如图17所示围岩相似材料选取时，包括以下步骤：
58.s11、调整基准配比，即作为胶凝材料的粉煤灰、石膏按照1：1的质量份数比替代水泥10％的比例，水泥、粉煤灰、石膏为胶凝材料；水占胶凝材料的40％；细集料和胶凝材料的质量份数比为1：3，细集料中重晶石粉、石英砂质量份数比为1：1；铁粉作为导热材料掺入比例为10％；
59.s12、对步骤s11基准配比后的围岩相似材料进行三轴压缩试验、直接剪切试验和导热性能测试；
60.s13、根据步骤s12测试的结果与真实的隧道围岩测试参数进行比对，如果强度达不到要求则调整水泥替代比，如果弹性模量、泊松比达不到要求则调整粉煤灰与石膏配比以及重晶石粉与石英砂配比，如果粘聚力、内摩擦角达不到要求则调整粉砂胶配比，如果导热系数达不到要求则调整铁粉掺量，如果比热容达不到要求则调整水胶比，调整各配方比重后重复步骤s12和步骤s13，如此往复达到模拟真实隧道围岩测试要求。
61.s2、根据试验需求通过伺服加载装置与分段式传力梁对模型箱体左右两侧的侧向加载板施加压力，通过发热加载面板下部的发热箱对模型箱体加热来模拟地层模型的应力场环境与温度场环境；
62.s3、通过模型地层内每个纵向监测断面上的每个隧道径向围岩应力/温度监测点的压力传感器和温度传感器对隧道围岩地应力场与温度场分布规律进行监测，通过衬砌结构内外表面相对分布的应变监测点上的应变片对衬砌结构在热-力耦合环境中的环向轴力与弯矩分布状态进行监测，通过隧道内衬砌变形监测点处的百分表对热-力耦合作用下的衬砌结构变形进行监测。
63.实施例
64.本实施例围岩相似材料进行了特殊的选取，使其试验环境更加与真实环境接近。
65.综合考虑材料的力学性质与导热性质的前提下，围岩相似材料的调配方法见附图17；基本配比为：按照质量比，水泥：粉煤灰：石膏：重晶石粉：石英砂：铁粉：水＝0.7kg：0.1kg：0.2kg：1.2kg：2.5kg：0.1kg：0.4kg。
66.经过测试围岩相似材料性能参数见表一：
67.表一
68.[0069][0070]
对试验数据的分析结果：
[0071]
1)依托模型试验平台，不考虑围岩地应力场，在通风条件下隧道围岩温度场测试数据(通风温度边界28℃，围岩温度场边界60℃)。隧道围岩温度场不同洞径深度分别在通风1天、7天、14天、30天和90天的隧道围岩温度场测试结果见表二：
[0072]
表二
[0073][0074]
2)依托模型试验平台，在通风90天后温度场基本温度条件下，考虑模型加载过程中5种侧向压力系数条件下的围岩应力场特征，试验模型在不同侧压力系数下竖向和侧向载荷状态测试结果见表三，不同洞径深度处径向和切向载荷状态测试结果见表四：
[0075]
表三
[0076]
侧压力系数0.50.751.01.251.5竖向荷载320kpa320kpa320kpa320kpa320kpa侧向荷载160kpa240kpa320kpa400kpa480kpa
[0077]
表四
[0078][0079][0080]
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多
描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。