本发明涉及应力测量与分析，尤其涉及一种长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法。
背景技术：
1、长大断面隧道是指具有较大断面面积和较长长度的隧道结构，是一种在工程规模、施工难度和技术要求上都较为复杂和具有挑战性的隧道工程。
2、长大断面隧道开挖施工技术方案主要包括以下几种：全断面开挖法：适用于地质条件较好的情况，可以一次性开挖整个隧道断面，这种方法施工速度快，但对地质条件要求较高。台阶法：将隧道断面分成上下两个台阶或更多部分，分步进行开挖和支护，适用于不同等级的围岩，可以根据地质条件调整开挖长度和支护方式。双侧壁导坑法：适用于软弱围岩，通过在隧道两侧先开挖导坑，然后逐步向中心开挖，这种方法可以提高围岩的稳定性。三台阶七步流水法：适用于v级、vi级围岩，通过分步开挖和支护，逐步完成隧道断面的施工。tbm（全断面掘进机）：在地质条件复杂或围岩稳定性差的长大隧道中，使用tbm可以提高施工安全性和效率，tbm通过集成的机械系统进行连续掘进和支护。
3、长大断面隧道开挖施工技术方案多样，但同时也面临着超欠挖控制、围岩稳定性、施工安全、效率提升、环境保护和监控量测等多方面的技术挑战。尤其是软弱围岩段的隧道施工面临诸多挑战，如岩溶、断层、煤层等不良地质条件，以及围岩稳定性差等问题。因此，如何科学地确定长大断面隧道开挖施工技术方案，有必要进行室内模拟试验提供数据参考。
4、在中国专利文献中，公开号为cn113311107a的发明专利申请公开了一种模拟特大断面变截面城市隧道开挖的试验装置及方法,包括由钢板组装成的顶端开口的模型箱,液压加载器,铜制环状支护,铜制固定架,位移及应变监测系统.该试验装置可以通过改变模型箱两端开口处盖板的隧道断面形状大小,实现大断面,变截面等隧道的开挖;可以改变传力垫块的形状和加载大小达到模拟不同建筑荷载的效果;通过设计固定装置调整环向支撑间距以及断面形状大小,达到便捷模拟现场施工支护情况的受力及变形情况,实现变截面,支护环间距可调的功能。
5、另外，潘羽擎等人则提出了大断面浅覆土矩形顶管模型试验研究，试验中测量了土层的竖向位移变化、顶进力的大小，以观察同步注浆对地面位移和顶力的影响。探究了浅覆土大断面矩形顶管隧道同步注浆对地面位移和顶进力的影响，以及不同注浆参数对地表沉降的控制效果。（“大断面浅覆土矩形顶管模型试验研究”，岩土工程学报, 2022年）。
6、然而，现有的试验方法依然存在成本高、风险大、周期长等缺点。因此，开发一种室内模拟试验方法及系统对于优化施工方法、提高施工安全性和效率具有重要意义。
技术实现思路
1、基于本发明的第一个主要方面，提供一种长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，包括如下步骤：
2、s1，应力释放率研究：将工程现场岩石取样加工，在rmt-301岩石与混凝土力学试验系统上进行单轴压缩试验、三轴压缩试验及巴西劈裂试验，测定其弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉及抗压强度。
3、s2，相似比计算：选择或计算模型和原型的物理量数据；构建多个无量纲的π数来表达特征参数之间的相似性；使用模型和原型的物理量数据计算π数，并且构建综合公式计算相似比；根据相似性条件调整模型设计，直到模型试验中的综合相似比与原型相等；
4、s3，根据相似比制备与实际围岩相似的试验材料：所述试验材料包括但不限于重晶石粉、石英砂、凡士林及乳胶，且所述试验材料的配制比例模拟原型围岩的力学性质；
5、s4，设计并构建模拟隧道的室内试验台架：所述台架的尺寸和形状应根据实际隧道的几何相似比进行缩小，且考虑消除边界效应；
6、s5，在试验台架中布置测点：包括土压力盒和应变片，用于测量围岩应力和支护受力，测点布置模拟实际隧道施工中的应力分布情况；
7、s6，模拟不同施工工法进行开挖试验：至少包括双侧壁导坑法、cd法、三台阶法，每种工法按照实际施工步骤进行模拟；
8、s7，采集并分析试验数据，优化施工工艺参数。
9、在以上步骤中，本发明通过应力释放率研究，能够准确测定岩石的力学性质，为模拟试验提供重要的物理参数。而且通过相似比计算确保了模型试验与实际工程之间的相似性，提高了模型试验的可靠性。
10、作为进一步的优选方案，步骤s2中所述相似比计算包括构建如下无量纲的π数：
11、应力与弹性模量相似π数：；
12、面积与密度相似π数：；
13、应力与密度相似π数：；
14、并且，构建如下综合公式计算相似比：；
15、以上式中，为应力与弹性模量相似π数，为面积与密度相似π数，为应力与密度相似π数，为综合相似比，为实测应力，a为隧道掌子面面积，e为实测弹性模量，为实测密度，l为选取的特征长度；
16、根据相似比计算得到综合相似比后，进一步提出如下确保相似性条件：
17、使模型中的综合相似比与原型中的相似满足：
18、；
19、其中，为模型的综合相似比，为原型的综合相似比。
20、在以上基础上，就可以通过调整模型的隧道掌子面面积a、选取的特征长度l来使得模型对原型的模拟达到较好水平。通过构建无量纲的π数和综合公式计算相似比，为模型设计提供了精确的理论依据，增强了模型的科学性。
21、作为进一步的优选方案，步骤s3中，在用于模拟i级围岩的试验模型中，所述试验材料的配制比例为重晶石粉、石英砂、凡士林及乳胶的质量比为20-30∶15-20∶2-3∶0.5-2。以上材料配制比例适用于模型与原型的几何缩放比为1∶20-1∶80之间。通过特定比例配制的试验材料，模拟了i级围岩的力学性质，使得试验材料的选择更加精确和针对性。
22、作为进一步的优选方案，在模型中，加入木质纤维用于模拟破碎和多孔围岩、含有有机物的围岩、具有复杂裂缝系统的围岩和具有渗透性的围岩；加入空心玻璃微珠用于模拟低密度和多孔隙的围岩；加入纳米粘土用于模拟具有一定塑性的围岩和膨胀性围岩；加入合成树脂用于模拟需要增强的软弱围岩；加入木质纤维和合成树脂的复合材料用于模拟环境敏感性围岩和模拟岩石与土壤过渡带的围岩。通过引入多种材料（木质纤维、空心玻璃微珠、纳米粘土、合成树脂）来模拟不同特性的围岩，提高了模型的多样性和适用性。
23、在模型与原型的几何缩放比为1∶20-1∶80之间，加入不同的附加材料以模拟不同的特殊围岩时，通过以下原则进行调整：
24、加入木质纤维用于模拟破碎和多孔围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维的质量比为：18-22∶15-18∶2.5-3∶1-2∶5-7；
25、加入木质纤维用于模拟含有有机物的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维的质量比为：20-25∶16-19∶2-2.5∶1.5-2∶7-10；
26、加入木质纤维用于模拟具有复杂裂缝系统的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维的质量比为：15-20∶14-17∶2.5-3∶2-2.5∶8-12；
27、加入木质纤维用于模拟具有渗透性的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维的质量比为：20-25∶17-20∶2-2.5∶1-1.5∶6-9；
28、加入空心玻璃微珠用于模拟低密度和多孔隙的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、空心玻璃微珠的质量比为：20∶15∶2.5∶1∶8；
29、加入纳米粘土用于模拟具有一定塑性的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、纳米粘土的质量比为：25-30∶17-20∶2-2.5∶1-1.5∶2-3；
30、加入纳米粘土和合成树脂用于模拟膨胀性围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、纳米粘土、合成树脂的质量比为：重晶石粉：20-25∶15-18∶2.5-3∶0.5-1∶1-2∶3-4；
31、加入合成树脂用于模拟需要增强的软弱围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、合成树脂的质量比为：20-22∶16-18∶2.5-3∶0.5-1∶4-5；
32、加入木质纤维和合成树脂的复合材料用于模拟环境敏感性围岩和模拟岩石与土壤过渡带的围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维及合成树脂的质量比为：20-25∶15-18∶2.5-2.8∶1-1.5∶5-7∶3-4。
33、以上方案为不同类型的围岩提供了具体的材料配制比例，使得模型试验能够更精确地模拟实际地质条件。
34、作为进一步的优选方案，在步骤s4和步骤s5中，根据选择确定的几何缩放比，选用重晶石粉、石英砂、凡士林及乳胶混合材料模拟基础围岩，加入纳米粘土或合成树脂之一或者其组合模拟不同的围岩特性，同时采用石膏模拟初期支护；确定台架尺寸，预留的开挖孔根据几何缩放比按实际尺寸缩小相应倍数；通过增加模型尺寸和使用多层相似材料模拟无限域边界条件；在模型中，布置土压力盒和应变片监测开挖过程中的应力和应变变化。通过增加模型尺寸和使用多层相似材料，有效模拟了无限域边界条件，提高了试验的代表性。
35、其中，所述通过增加模型尺寸和使用多层相似材料模拟无限域边界条件包括如下步骤：
36、根据相似比原则，先确定一个模型基础尺寸，然后将模型尺寸按比例逐步放大，直至确保模型试验能够反映原型隧道的实际行为；
37、在模型的不同区域使用不同力学性质的相似材料，以模拟地层的变化；
38、在模型外围增加一层或多层逐渐过渡的材料，以模拟无限域的边界条件；
39、在模型的外围设置柔性材料或可调节的支撑系统，以模拟地应力释放对隧道开挖的影响；
40、在模型的关键位置布置传感器，实时监测模型在模拟开挖过程中的应力、位移和变形情况；
41、根据初期试验结果，对模型设计进行迭代优化；调整相似材料的配比、模型尺寸和边界条件设置，直至模型试验结果与理论预测或现场监测数据相吻合。
42、在以上方案中，数据采集和分析系统的引入，使得试验数据的收集、处理和分析更加自动化和精确，有助于优化施工工艺参数。
43、作为进一步的优选方案，步骤s7中，至少包括如下步骤：
44、利用布置在试验台架中的包括土压力盒和应变片在内的传感器，实时收集包括围岩应力、支护受力、拱顶沉降在内的数据；
45、将收集到的数据进行整理和预处理，包括数据的滤波、去噪和归一化，确保数据的可用性和一致性；
46、采用统计学和数值分析方法对试验数据进行分析，识别不同施工工法下的围岩应力变化规律、支护受力特征和拱顶沉降模式；
47、将试验数据与理论计算或数值模拟结果进行对比，验证模型的准确性和可靠性；
48、根据分析结果，调整施工工艺参数，包括台阶高度、开挖步距和支护时机；
49、使用多目标优化算法，包括遗传算法或多目标遗传算法，来寻找最优的施工参数组合。
50、基于本发明的第二个主要方案，还提供一种用于实施前述长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法的系统，至少包括：
51、一个模拟实际隧道尺寸的试验箱；
52、用于模拟混凝土初期支护的石膏模型；
53、包括土压力盒和应变片在内的测量元件；
54、用于模拟不同施工工法的开挖工具；
55、数据采集和分析系统。
56、以上方案提供了一个完整的模拟试验系统，包括试验箱、石膏模型、测量元件、开挖工具和数据采集分析系统，使得整个模拟试验过程更加系统化和集成化。
57、在一些实施例中，所述数据采集和分析系统至少包括如下模块：
58、传感器管理模块：负责监控各测量元件实测的工作状态；传感器管理模块通过电缆或无线传输与数据采集卡dac相连；
59、数据采集卡dac：作为传感器管理模块与计算机之间的接口，负责接收传感器信号并将其转换为数字信号；
60、计算机系统：配备有数据采集软件，用于控制dac采集数据，并对数据进行存储和管理；计算机系统还负责执行数据分析算法和数值模拟；
61、数据分析模块：用于处理和分析采集到的数据，包括数据的滤波、去噪、统计分析和可视化；
62、数值模拟软件：用于建立隧道施工的数值模型，进行参数化分析和优化；并预测不同施工工艺下的隧道响应，与试验数据进行对比验证；
63、通信接口：确保数据采集卡dac与计算机系统之间的数据传输，包括usb、以太网或无线接口；
64、用户界面：提供给操作人员一个直观的界面，用于设置试验参数、启动/停止数据采集、查看实时数据和分析结果；
65、报告生成模块：自动化生成试验报告，包括试验设置、数据汇总、分析结果和优化建议。
66、数据采集和分析系统的各个模块化设计，提高了系统的灵活性和扩展性，使得系统能够适应不同的试验需求。
67、与现有技术相比，本发明具有如下的优点和进步：
68、精确的相似比计算：通过构建无量纲的π数和综合公式，确保了模型与原型之间的高度相似性，提高了试验的科学性和准确性。
69、多样化的材料选择：引入了多种材料来模拟不同特性的围岩，使得模型试验能够更好地反映实际地质条件的复杂性。
70、模型尺寸的优化：通过增加模型尺寸和使用多层相似材料，有效模拟了无限域边界条件，提高了试验的代表性和实用性。
71、自动化的数据采集与分析：集成的数据采集和分析系统提高了试验数据的处理效率和精度，有助于快速准确地优化施工工艺参数。
72、系统的模块化设计：数据采集和分析系统的模块化设计，提高了整个模拟试验系统的灵活性和适应性，能够满足不同试验条件下的需求。
73、综上所述，整个技术方案通过精确的相似比计算、多样化的材料选择、模型尺寸的优化、自动化的数据采集与分析以及系统的模块化设计，实现了对长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法的显著改进。
1.一种长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，步骤s3中，在用于模拟i级围岩的试验模型中，所述试验材料的配制比例为重晶石粉、石英砂、凡士林及乳胶的质量比为20-30∶15-20∶2-3∶0.5-2。
3.根据权利要求2所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，在模型中，加入木质纤维用于模拟破碎和多孔围岩、含有有机物的围岩、具有复杂裂缝系统的围岩和具有渗透性的围岩；加入空心玻璃微珠用于模拟低密度和多孔隙的围岩；加入纳米粘土用于模拟具有一定塑性的围岩和膨胀性围岩；加入合成树脂用于模拟需要增强的软弱围岩；加入木质纤维和合成树脂的复合材料用于模拟环境敏感性围岩和模拟岩石与土壤过渡带的围岩。
4.根据权利要求3所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，加入木质纤维用于模拟破碎和多孔围岩时，重晶石粉、石英砂、凡士林、乳胶、木质纤维的质量比为：18-22∶15-18∶2.5-3∶1-2∶5-7；
5.根据权利要求1所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，在步骤s4和步骤s5中，根据选择确定的几何缩放比，选用重晶石粉、石英砂、凡士林及乳胶混合材料模拟基础围岩，加入纳米粘土或合成树脂之一或者其组合模拟不同的围岩特性，同时采用石膏模拟初期支护；确定台架尺寸，预留的开挖孔根据几何缩放比按实际尺寸缩小相应倍数；通过增加模型尺寸和使用多层相似材料模拟无限域边界条件；在模型中，布置土压力盒和应变片监测开挖过程中的应力和应变变化。
6.根据权利要求5所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，所述通过增加模型尺寸和使用多层相似材料模拟无限域边界条件包括如下步骤：
7.根据权利要求1所述的长大断面隧道开挖施工室内模拟试验方法，其特征在于，步骤s7中，至少包括如下步骤：
