一、裝置闡述
本裝置針對新建地鐵隧道穿越煤礦塌陷區的特殊性設計，整合相似模擬、非線性力學分析與處治方案驗證功能。可復現塌陷區形成過程、殘余變形規律，模擬“樁基+地下梁+錨桿樁+斜拉錨索”等綜合處治措施的力學響應，為無先例參考的塌陷區地鐵隧道建設提供穩定性分析、方案驗證及數據支撐的專用試驗平臺。
二、技術參數
1.相似比與模擬范圍：相似比設為1:50-1:80，匹配煤礦塌陷區復雜地質；可模擬煤層埋深50-200m（對應模型1-2.5m）、塌陷區橫向跨度10-50m（對應模型0.2-0.6m），支持南大槽、北大槽類雙塌陷區同步模擬。
2.力學參數精度：基于廣義H-B強度準則，相似材料黏聚力模擬誤差≤5%、內摩擦角誤差≤3°；突變理論模型計算響應時間≤10s，頂煤穩定性預測準確率≥90%。
3.變形監測精度：殘余沉降監測精度±0.05mm，可捕捉塌陷區長期殘余變形；圍巖位移監測精度±0.1mm，滿足側壁圍巖穩定性分析需求。
4.處治措施模擬參數：樁基模擬直徑5-15cm（對應實際2.5-7.5m）、承載力0-30kN；錨桿樁拉力模擬范圍0-20kN；斜拉錨索預緊力調節范圍0-15kN，加載精度±0.1kN。
5.環境控制：溫度20-25℃（±1℃），濕度45%-55%（±5%），避免環境因素干擾殘余變形監測數據。
三、結構組成
1.雙塌陷區模擬試驗臺：鋼結構框架（長6m×寬3m×高4m），內部劃分兩個獨立模擬腔（對應南大槽、北大槽），可調整塌陷區跨度、埋深；底部設可調支撐，保證模型水平，預留處治結構安裝通道。
2.相似材料制備與填充系統：含1.2m³混合罐、自動布料機及分層壓實裝置，按地質參數精準混合巖塊、石膏、粉煤灰等材料，控制每層壓實度（誤差≤2%），模擬覆巖、頂煤及表土層結構。
3.塌陷區形成與變形模擬裝置：
空區模擬模塊：可預設不同尺寸殘留空區（模型內0.1-0.5m），通過液壓抽芯裝置模擬空區頂煤冒落過程。
殘余變形驅動模塊：伺服電機控制的位移加載單元，可按殘余沉降動態預測模型施加緩慢位移（0.01-0.1mm/min），復現長期殘余變形。
4.綜合處治模擬系統：
結構安裝組件：可精準定位安裝模擬樁基（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、斜拉錨索提供精準拉力，為樁基施加豎向荷載，模擬處治結構受力狀態。
5.監測與分析系統：
力學監測：埋設20-30個壓力傳感器（精度±0.01MPa）監測圍巖應力，10-15個拉力傳感器監測處治結構受力。
變形監測：布設激光位移傳感器（15-20個）監測地表及隧道沉降，高速攝像機（幀率50fps）記錄頂煤冒落與巖層移動。
數據處理單元：工業計算機+專用軟件，集成突變理論與殘余變形預測模型，自動生成穩定性評價報告與變形曲線。
四、主要功能
1.塌陷區演化模擬：復現殘留空區形成、頂煤冒落過程，基于突變理論判斷頂煤是否發生突變失穩，驗證“穩定狀態”預測結果。
2.殘余變形分析：通過殘余移動變形預計模型，模擬長期殘余沉降規律，計算不同階段殘余變形量，為隧道抗變形設計提供依據。
3.綜合處治方案驗證：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，分析各組件協同工作效果，優化處治參數。
4.側壁圍巖穩定性評估：監測塌陷區側壁圍巖位移與應力變化，判斷圍巖是否發生滑移或破壞，評估隧道開挖對圍巖穩定性的影響。
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，量化處治措施對提升地基穩定性的效果，篩選最優方案。
五、可做試驗類型
1.塌陷區殘留空區頂煤穩定性試驗：預設不同尺寸殘留空區，基于突變理論模型，監測頂煤應力與位移，驗證頂煤是否發生突變失穩與筒狀塌落。
2.塌陷區殘余變形規律試驗：模擬煤層開采后長期殘余變形，通過殘余沉降動態預測模型，獲取殘余沉降量、沉降速率等參數，分析變形趨勢。
3.綜合處治方案受力性能試驗：安裝“樁基+地下梁+錨桿樁+斜拉錨索”結構，施加荷載，監測各組件受力與變形，驗證方案承載能力與協同性。
4.側壁圍巖穩定性試驗：模擬隧道開挖過程，監測側壁圍巖位移、應力分布，判斷圍巖穩定臨界狀態，優化隧道支護參數。
5.不同處治方案對比試驗：分別模擬單一樁基、樁基+錨桿樁、完整綜合方案，對比各方案的穩定性提升效果，確定最優處治組合。
