[发明专利]真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法

说明书

本发明涉及一种真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，包括以下步骤：1)采用衬砌管片预制模具制作二次衬砌管片；2)基于“先加载后开挖”的方式对模型体真三维应力加载，开挖并修整模型隧洞；3)按照“分片安装，逐段拼接”的方法分步施作二次衬砌管片，待整环衬砌施作完毕并与围岩接触稳定后进入下一施工循环。本发明工序简单、容易操作，克服了以往模型试验模拟隧洞施工过程的不足，可真实再现实际隧洞施工中边开挖边支护的全过程，为研究隧洞动态施工中围岩和衬砌结构的受力和变形特征提供了新的试验方法。

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，具体地说是一套完整的模拟地下工程动态施工的真三维地质力学模型试验方法。

背景技术

随着我国地下工程建设的发展，在交通、能源、水电、矿山等领域出现了越来越多的大埋深隧洞，这些隧洞穿越区往往地质条件复杂，构造强烈，出现了大量的坍塌、衬砌结构开裂或支护折断等问题，给地下工程的施工建设和后期运营带来了极大危害。以相似理论为基础的模型试验方法一直以来都是地下工程研究的一种重要手段，对地下工程的发展起着很大的推动作用，特别是在一些地质条件复杂、工程艰难的重大工程中，模型试验更是发挥着不可替代的作用，为工程设计与施工提供了宝贵的试验数据。因此开展隧洞开挖与衬砌支护的真三维地质力学模型试验研究具有重要的工程实践意义。

目前，国内外关于开展隧洞开挖与衬砌施作的模型试验研究现状如下：

(1)《岩土力学》2012年第11期介绍了一种模拟锚杆、钢架和喷射混凝土从施作到失效全过程的物理模型试验方法，研究了隧道结构整体承载能力的变化情况，为隧道结构的全寿命期设计提供了参考，但该试验基于平面应变类型开展，整个开挖和管片支护一次成型，与实际中隧洞施工过程并不相符。

(2)《中南大学学报》2013年第8期介绍了一种研究浅埋偏压隧洞施工的模型试验方法，分析了浅埋偏压隧洞施工中围岩和衬砌结构的变形、应力和破坏机制，但该试验采用预埋衬砌结构模拟支护，从衬砌模型内抽出块体模拟开挖，也与现场隧洞的实际施工过程明显不符。

(3)《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种研究隧洞施工过程中围岩和支护结构渐进性破坏机制的模型试验方法，获得了隧洞施工中围岩的变形破坏规律，为围岩稳定性评价和支护设计提供了参考，但该试验采用了“先开洞，后加载”的思想，与实际隧洞施工中围岩所经历的应力历史不符。

(4)《土木工程学报》2011年11期介绍了一种研究渗流场与应力场共同作用下隧洞施工的模型试验方法，获得了隧道开挖过程水压力及衬砌结构应力的变化规律，但该试验采用预埋式衬砌结构进行隧道支护，与现场实际不符。

(5)《Tunnelling and Underground Space Technology》2015年第46卷介绍了一种模拟不同非对称荷载下浅埋隧洞施工过程的模型试验方法，研究了非对称荷载对衬砌结构的应力特征的影响和围岩的变形破坏机制，但该试验采用了预埋石膏环模拟衬砌施作，与实际隧洞的施工过程明显不符。

(6)《岩石力学与工程学报》2013年第1期介绍了一种模拟深埋硬岩隧道开挖、支护及初期支护劣化过程的模型试验方法，获得了围岩和二次衬砌的位移及内力的变化规律，但该试验基于平面应变类型开展，而且开挖和支护均一次性完成，不能模拟实际隧洞施工中开挖和支护循环推进的过程。

发明内容

本发明的目的是为克服上述模型试验领域模拟隧洞动态施工的不足，提供一种模拟隧洞开挖与二次衬砌施作的真三维地质力学模型试验方法。该试验方法操作简单，安全可靠，能真实模拟现场实际中隧洞开挖和衬砌施作的全过程，为研究地下工程动态施工中围岩和衬砌结构的变形特征与应力变化规律提供了可靠的试验手段。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

真三维地质力学模型试验隧洞开挖二次衬砌结构施工方法，包括以下试验步骤：