CN102660966A

CN102660966A - 一种地质力学模型硐室开挖装置

Info

Publication number: CN102660966A
Application number: CN2012100978161A
Authority: CN
Inventors: 陈旭光; 王媛
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了一种地质力学模型硐室开挖装置，包括模型体，还包括多腔气囊及气压控制设备，所述的多腔气囊预置于模型体内部，多腔气囊的形状与拟开挖硐室形状大小相一致，所述多腔气囊被分割成数个气腔，气腔个数与硐室拟开挖步数相同，各个气腔互相封闭，内部充满气体，气压与模型应力一致。在每个腔室内均设置有导气管，所述的气压控制设备连接在导气管上。通过抽气设备将多腔气囊依次释放，实现可控的、能有效反映围岩开挖卸荷作用的硐室开挖。该开挖装置具有高效快捷、设备操作简单、开挖方式可控、与实际工程相一致、可实现封闭硐室开挖等优点，保证了模型实验的高质量进行。

Description

一种地质力学模型硐室开挖装置

技术领域

本发明涉及一种大型三维地质力学模型硐室开挖装置，具体是分段舍弃式开挖装置。

背景技术

随着交通基础建设的快速发展和地下资源开发的大力发展，地下洞室作为一种主要的地下结构型式在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，需要更多地依靠模型实验进行地下洞室开挖围岩稳定性的分析与评价。由于硐室开挖使围岩卸荷导致围岩应力重分布、应力释放，该现象是造成围岩非线性力学行为的主要因素。硐室开挖过程模拟不准，模型试验就无法反映实际工程的非线性行为。

目前国内外模型硐室开挖多采用预制硐室性质块体然后取出或采用人工凿、掘的方式。上述方式无法有效反映硐室开挖卸荷的动态过程，更无法实现开挖步数及围岩卸荷过程与工程原型的一致性，导致模型试验产生较大误差。

目前国内相关大型三维模型制作方法的研究现状如下：

（1）武汉水利电力大学学报1994年第2期介绍了一种预制块按硐室形状和尺寸雕成芯块砌入预定部位，试验时取出以形成硐室方法。该方法一次性取出硐室材料，不能反映围岩动力卸荷过程，造成围岩应力场失真。

（2）岩土工程学报2007年第9期介绍了一种采用人工钻凿进行隧洞开挖的方法。该方法采用人工挖铲方式，无法有效反映围岩动力卸荷过程，无法实现开挖步的准确定位。

（3）申请号为02129366.x的中国专利介绍了一种实体模型试验中隐蔽硐室开挖的方法及设备。该方法实现了对隐蔽硐室的开挖。但该设备较繁琐，无法实现开挖步的准确定位。

综上所述，目前对模型硐室开挖过程的模拟还不精确，多数定性化范畴。硐室开挖过程模拟不准，就无法反映因硐室开挖导致的围岩地应力状态重分布。造成诸多模型试验模拟不准的情况。因此，亟需发明一种能有效模拟围岩因硐室开挖地应力真实卸荷过程及围岩地应力状态的模型硐室开挖装置及相应开挖方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可模拟实际隧洞开挖围岩卸荷过程、反映硐室开挖围岩真实应力场的一种地质力学模型开挖装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地质力学模型硐室开挖装置，包括模型体，其特征在于：还包括多腔气囊及气压控制设备，所述的多腔气囊预置于模型体内部，多腔气囊的形状与拟开挖硐室形状大小相一致，所述多腔气囊被分割成数个气腔，气腔个数与硐室拟开挖步数相同，各个气腔互相封闭，内部充满高压气体，气体压强与模型的应力保持一致，在每个腔室内均设置有导气管，所述的气压控制设备连接在导气管上

所述多腔气囊为乳胶气囊，其形状与拟开挖硐室的形状、大小相一致。

所述后端气腔的导气管置于前面气腔的内部，所述导气管端部设有与所述气压控制装置连接的微型阀门与接头。

所述的气压控制设备包括气流表、阀门和空压机。

地质力学模型通过预制标准模块粘结堆积成型的方式制作，硐室形状由模块雕出。模型砌筑过程中，将气囊充气置入硐室位置，以与模型完全吻合。

所述多腔气囊中间分隔多个气腔，气腔数与硐室拟开挖步数相同。气腔内气体压力与模型地应力相一致，有效模拟了硐室开挖前围岩应力变形状态。模型开挖时，通过气压控制设备依次将各个气腔内气压降为零，实现对硐室开挖过程的模拟。

所述多腔气囊各个气腔端部均连接有导气管，导气管置于前一个气腔内。导气管与气压控制装置相连接，由气压控制设备施加预压力，并且提供了气囊内气体的排出通道。

所述气压控制设备包括气流表、调节阀门和空压机。气压控制设备与气腔内导气管连接，用于向气腔内注入气体形成预留硐室，并将气腔内气体排出以模拟硐室开挖过程。阀门用于调节气体流速，以模拟不同开挖方式下的围岩卸荷速度。

所述气流表用于量测气体排出速度，与硐室开挖卸荷过程相一致。

本发明具有如下技术优势：

(1)气腔内气体可在瞬间释放，实现了模型硐室的动力开挖卸荷，有效反映了隧洞的动力开挖卸荷效应；

(2)分段舍弃的设计方式，模拟了隧洞实际开挖步数，与工程原型的实际工况保持一致；

(3)通过气压控制装置，使得卸荷过程精确可控，可模拟不同速度的开挖工法，如钻爆法与盾构法等；

(4)功能多，除可用于开放式硐室开挖外，还可用于模拟内置封闭腔体的开挖，如盐岩地下储气库、水电站的隐蔽地下厂房等；

(5)操作简单、方便；

(6)该发明方法可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域地下工程地质力学模型隧洞开挖过程，应用范围广泛。

附图说明

图1是模型与多腔气囊结构图；

图2是多腔气囊结构示意图

图3是分段舍弃式开挖装置结构图；

图中，1.模型体，2.多腔气囊，3.气腔，4.调节阀门，5.导气管，6.气流表，7.空压机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1或2所示，一种大型三维地质力学模型硐室分段舍弃式开挖装置。

所述分段舍弃式开挖工具包括多腔气囊2及气压控制设备。多腔气囊2预置于模型体内部，通过导气管5与位于模型体1之外的气压控制设备连接。

所述多腔气囊2为乳胶制成，其形状与拟开挖硐室的形状、大小相一致。地质力学模型通过预制标准模块粘结堆积成型的方式制作，硐室形状由模块雕出。模型砌筑过程中，将多腔气囊2充气置入硐室位置，与模型完全吻合。

所述多腔气囊2中间分隔多个气腔3，气腔3个数与硐室拟开挖步数相同。气腔3内气体压力与模型体1地应力相一致，有效模拟了硐室开挖前围岩应力变形状态。模型开挖时，通过气压控制设备依次将各个气腔3内气压降为零，实现对硐室开挖过程的模拟。

所述多腔气囊2各个气腔端部均连接有导气管，导气管5置于前一个气腔内。导气管5与气压控制装置相连接，由空压机7向气腔3施加预压力，并且提供了多腔气囊2内气体的排出通道。

所述气压控制设备包括调节阀门4、气流表6和空压机7。气流表6与调节阀门与气腔3内导气管5连接，用于将气腔3内气体抽出。调节阀门4用于调节气体流速，以模拟不同开挖方式下的围岩卸荷速度。空压机7用于向多腔气囊体内充气。

所述气流表6用于量测气体压力下降速度，保证气体流出速度与硐室开挖卸荷过程相一致。

（式中，

为某气腔气压释放时间，即某开挖步开挖时间；为气腔内气压，即模型地应力；

为气压下降速度，即围岩开挖卸荷速度）

步骤为：

1）预制标准相似材料模块，制作过程中采用模具制出硐室的圆弧面；

2）按设计图纸堆积模型，堆积至硐室位置时，将多腔气囊2置于设计位置；

3）将将各个气腔3的导气管分别与气压控制装置连接，松开调节阀门4，打开空压机7，依次向各个气腔3内部充气，直至施加气压值至与模型体拟施加的地应力值相一致，以形成预留硐室；

4）将整个模型砌筑完毕；

5）将第一气腔的导气管5接入气压控制装置，关闭空压机7，按设计卸荷速率调节设置气流表6；

6）打开调节阀门4，按照设计速率释放一号气腔的气体，开挖模型硐室的第一开挖步；

7）进行该段模型开挖的测试；

8）重复步骤5，直至整个模型开挖完毕，将气囊取出硐室。

Claims

1.一种地质力学模型硐室开挖装置，包括模型体，其特征在于：还包括多腔气囊及气压控制设备，所述的多腔气囊预置于模型体内部，多腔气囊的形状与拟开挖硐室形状大小相一致，所述多腔气囊被分割成数个气腔，气腔个数与硐室拟开挖步数相同，各个气腔互相封闭，内部充满高压气体，气体压强与模型的应力保持一致，在每个腔室内均设置有导气管，所述的气压控制设备连接在导气管上。

2.根据权利要求1所述的地质力学模型硐室开挖装置，其特征在于：所述多腔气囊为乳胶气囊。

3.根据权利要求1或2所述的地质力学模型硐室开挖装置，其特征在于：所述后端气腔的导气管置于前面气腔的内部，所述导气管端部设有与所述气压控制装置连接的微型阀门与接头。

4.根据权利要求3所述的地质力学模型硐室开挖装置，其特征在于：所述的气压控制设备包括气流表、阀门和空压机。