一、裝置闡述
本裝置針對新建地鐵隧道穿越煤礦塌陷區(qū)的特殊性設(shè)計(jì)，整合相似模擬、非線性力學(xué)分析與處治方案驗(yàn)證功能�？蓮�(fù)現(xiàn)塌陷區(qū)形成過程、殘余變形規(guī)律，模擬“樁基+地下梁+錨桿樁+斜拉錨索”等綜合處治措施的力學(xué)響應(yīng)，為無先例參考的塌陷區(qū)地鐵隧道建設(shè)提供穩(wěn)定性分析、方案驗(yàn)證及數(shù)據(jù)支撐的專用試驗(yàn)平臺。
二、技術(shù)參數(shù)
1.相似比與模擬范圍：相似比設(shè)為1:50-1:80，匹配煤礦塌陷區(qū)復(fù)雜地質(zhì)；可模擬煤層埋深50-200m（對應(yīng)模型1-2.5m）、塌陷區(qū)橫向跨度10-50m（對應(yīng)模型0.2-0.6m），支持南大槽、北大槽類雙塌陷區(qū)同步模擬。
2.力學(xué)參數(shù)精度：基于廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則，相似材料黏聚力模擬誤差≤5%、內(nèi)摩擦角誤差≤3°；突變理論模型計(jì)算響應(yīng)時(shí)間≤10s，頂煤穩(wěn)定性預(yù)測準(zhǔn)確率≥90%。
3.變形監(jiān)測精度：殘余沉降監(jiān)測精度±0.05mm，可捕捉塌陷區(qū)長期殘余變形；圍巖位移監(jiān)測精度±0.1mm，滿足側(cè)壁圍巖穩(wěn)定性分析需求。
4.處治措施模擬參數(shù)：樁基模擬直徑5-15cm（對應(yīng)實(shí)際2.5-7.5m）、承載力0-30kN；錨桿樁拉力模擬范圍0-20kN；斜拉錨索預(yù)緊力調(diào)節(jié)范圍0-15kN，加載精度±0.1kN。
5.環(huán)境控制：溫度20-25℃（±1℃），濕度45%-55%（±5%），避免環(huán)境因素干擾殘余變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。
三、結(jié)構(gòu)組成
1.雙塌陷區(qū)模擬試驗(yàn)臺：鋼結(jié)構(gòu)框架（長6m×寬3m×高4m），內(nèi)部劃分兩個(gè)獨(dú)立模擬腔（對應(yīng)南大槽、北大槽），可調(diào)整塌陷區(qū)跨度、埋深；底部設(shè)可調(diào)支撐，保證模型水平，預(yù)留處治結(jié)構(gòu)安裝通道。
2.相似材料制備與填充系統(tǒng)：含1.2m³混合罐、自動布料機(jī)及分層壓實(shí)裝置，按地質(zhì)參數(shù)精準(zhǔn)混合巖塊、石膏、粉煤灰等材料，控制每層壓實(shí)度（誤差≤2%），模擬覆巖、頂煤及表土層結(jié)構(gòu)。
3.塌陷區(qū)形成與變形模擬裝置：
空區(qū)模擬模塊：可預(yù)設(shè)不同尺寸殘留空區(qū)（模型內(nèi)0.1-0.5m），通過液壓抽芯裝置模擬空區(qū)頂煤冒落過程。
殘余變形驅(qū)動模塊：伺服電機(jī)控制的位移加載單元，可按殘余沉降動態(tài)預(yù)測模型施加緩慢位移（0.01-0.1mm/min），復(fù)現(xiàn)長期殘余變形。
4.綜合處治模擬系統(tǒng)：
結(jié)構(gòu)安裝組件：可精準(zhǔn)定位安裝模擬樁基（鋼制，直徑5-15cm）、地下梁（鋼制，截面10×15cm）、錨桿樁（鋼索，直徑5-8mm）。
荷載施加單元：門式加載架+伺服千斤頂，為錨桿樁、斜拉錨索提供精準(zhǔn)拉力，為樁基施加豎向荷載，模擬處治結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。
5.監(jiān)測與分析系統(tǒng)：
力學(xué)監(jiān)測：埋設(shè)20-30個(gè)壓力傳感器（精度±0.01MPa）監(jiān)測圍巖應(yīng)力，10-15個(gè)拉力傳感器監(jiān)測處治結(jié)構(gòu)受力。
變形監(jiān)測：布設(shè)激光位移傳感器（15-20個(gè)）監(jiān)測地表及隧道沉降，高速攝像機(jī)（幀率50fps）記錄頂煤冒落與巖層移動。
數(shù)據(jù)處理單元：工業(yè)計(jì)算機(jī)+專用軟件，集成突變理論與殘余變形預(yù)測模型，自動生成穩(wěn)定性評價(jià)報(bào)告與變形曲線。
四、主要功能
1.塌陷區(qū)演化模擬：復(fù)現(xiàn)殘留空區(qū)形成、頂煤冒落過程，基于突變理論判斷頂煤是否發(fā)生突變失穩(wěn)，驗(yàn)證“穩(wěn)定狀態(tài)”預(yù)測結(jié)果。
2.殘余變形分析：通過殘余移動變形預(yù)計(jì)模型，模擬長期殘余沉降規(guī)律，計(jì)算不同階段殘余變形量，為隧道抗變形設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
3.綜合處治方案驗(yàn)證：可完整模擬“樁基+地下梁+錨桿樁+斜拉錨索”方案的安裝與受力，分析各組件協(xié)同工作效果，優(yōu)化處治參數(shù)。
4.側(cè)壁圍巖穩(wěn)定性評估：監(jiān)測塌陷區(qū)側(cè)壁圍巖位移與應(yīng)力變化，判斷圍巖是否發(fā)生滑移或破壞，評估隧道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響。
5.多場景對比分析：支持有無處治措施、不同處治方案的對比試驗(yàn)，量化處治措施對提升地基穩(wěn)定性的效果，篩選最優(yōu)方案。
五、可做試驗(yàn)類型
1.塌陷區(qū)殘留空區(qū)頂煤穩(wěn)定性試驗(yàn)：預(yù)設(shè)不同尺寸殘留空區(qū)，基于突變理論模型，監(jiān)測頂煤應(yīng)力與位移，驗(yàn)證頂煤是否發(fā)生突變失穩(wěn)與筒狀塌落。
2.塌陷區(qū)殘余變形規(guī)律試驗(yàn)：模擬煤層開采后長期殘余變形，通過殘余沉降動態(tài)預(yù)測模型，獲取殘余沉降量、沉降速率等參數(shù)，分析變形趨勢。
3.綜合處治方案受力性能試驗(yàn)：安裝“樁基+地下梁+錨桿樁+斜拉錨索”結(jié)構(gòu)，施加荷載，監(jiān)測各組件受力與變形，驗(yàn)證方案承載能力與協(xié)同性。
4.側(cè)壁圍巖穩(wěn)定性試驗(yàn)：模擬隧道開挖過程，監(jiān)測側(cè)壁圍巖位移、應(yīng)力分布，判斷圍巖穩(wěn)定臨界狀態(tài)，優(yōu)化隧道支護(hù)參數(shù)。
5.不同處治方案對比試驗(yàn)：分別模擬單一樁基、樁基+錨桿樁、完整綜合方案，對比各方案的穩(wěn)定性提升效果，確定最優(yōu)處治組合。
