[发明专利]穿越断层隧道开挖模拟实验装置

说明书

本发明提供的一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，利用两两铰接的短钢板模拟由围岩容重差异或高程差异导致的不均匀的围岩压力。铰接短钢板能传递剪力但不传递弯矩，使得模拟不均匀围岩压力的同时又不会因压力骤变而产生剪切破坏成为可能；通过纱网能灵活控制断层的厚度及倾角，得出更符合实际的断层模型，尤其在松软断层中更为明显；隧道衬砌模型两端的马蹄形软胶垫既能防止围岩材料进入隧道，又能防止出现因隧道结构与前后两侧的钢化玻璃在压力作用下直接接触产生的集中应力导致隧道衬砌模型破坏或钢化玻璃破裂的现象。本方案能做到通过控制单一变量研究断层地质对隧道的定量影响。

技术领域

本发明涉及隧道试验技术领域，具体涉及穿越断层隧道开挖模拟实验装置。

背景技术

隧道在穿越断层时，极易出现塌方、大变形、突水突泥等工程问题，这将极大增加工程难度与费用，甚至造成安全事故。开展模型试验对断层破碎带进行施工力学、围岩破坏规律及围岩稳定性研究能有效预防或处置该类灾害。

现有技术中，西南交通大学于2016年申请的申请号为201610004012.0的模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法，公开了其装置的构成是无盖的模型试验箱由活动的左半箱和固定的右半箱构成，左半箱通过加载板及水平加载装置连接于反力架上，通过下方的竖向加载装置连接于底座的水平移动副上，右半箱直接通过高强螺栓固定于底座上，右半箱的斜边与左半箱的斜边平行，且通过移动副连接。模型试验箱内设置有用于固定隧道模型的模型空间旋转支架。该装置能够模拟不同形式(走滑、倾向、斜向)、不同空间位置(隧道与断层交角、倾角关系)位移同步控制加载的活动断层粘滑错动下隧道破坏机制的试验，为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。

但是，现有的断层模型穿越断层隧道开挖模拟实验在隧道埋深、断层厚度、断层倾角与断层与隧道轴线夹角等方面过于单一，无法精确控制变量，进而研究隧道稳定性与各因素之间的定量关系，所测得的结果在实际应用中常有难以调适的偏差，不具有代表性，因此难以灵活适应多变的工程实际地质情况。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，能灵活控制隧道埋深、断层厚度、断层倾角、断层与隧道轴线夹角等变量，能适应各种断层环境的试验装置。

本发明提供的一种穿越断层隧道开挖模拟实验装置，包括试验箱体1，固定钢架2、U型钢3、角钢4、千斤顶5、传力钢板7、围岩模拟材料9、断层模拟材料10、隧道衬砌模型11、差动式数显位移计13、应变式土压力盒14、铰接装置16；

固定钢架2下端穿过试验箱体1，固定钢架2为四组，四组固定钢架2沿隧道轴向平行分布；固定钢架2之间下端通过U型钢3连接，下端通过角钢4相连接；千斤顶5上顶固定于固定钢架2的上部，千斤顶5的下顶设置于传力钢板7上；传力钢板7由四块短钢板通过铰接装置16拼接而成，每节短钢板上设置有千斤顶5；传力钢板7与试验箱体1所围空间填充围岩模拟材料9及断层模拟材料10；隧道衬砌模型1沿试验箱体1长度方向穿过围岩模拟材料9和断层模拟材料10；差动式数显位移计13和应变式土压力盒14沿隧道衬砌模型11初衬外侧布设。

进一步的，围岩模拟材料9和断层模拟材料10之间以纱网8相隔，纱网8用射钉15固定在试验箱体1上。

进一步的，隧道衬砌模型11两端通过马蹄形软胶垫12与试验箱体1相连。

进一步的，千斤顶5下顶与传力钢板7之间设置有防滑垫块6。

进一步的，试验箱体1左、右、下三面为内侧木板外侧钢板的复合结构。

进一步的，试验箱体1前后两侧为透明钢化玻璃。

进一步的，围岩模拟材料9由河沙、石英砂、粉煤灰、机油配制而成。

进一步的，断层模拟材料10由细砂、粉煤灰和锯末配制而成。