CN103398861A - 一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，属于岩土工程技术领域。所述的真三轴岩爆物理模拟试验系统由反力架，垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统组成的真三轴加载系统组成，反力架由钢梁框架、前门、后门经拉杆连接组合而成，垂直加载系统固定在反力架内部顶端，水平前后加载系统固定在后门内壁上，水平左右加载系统固定安装在反力架内右侧壁上。本发明可提供三向独立的、大吨位的荷载满足深埋高应力条件下的模型试验的加载要求，又能使试件表面受力均匀，钢梁框架上的开挖孔可在加载完成后打开对试件开挖，三个方向上的震动千斤顶可以模拟爆破扰动，本发明可应用于深埋隧洞的岩爆物理模拟实验研究中。

Description

一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

为了适应我国国民经济快速发展的需要，“西电东输”、“南水北调”等战略相继实施，随之出现大量复杂地质条件下的深埋长大隧洞（隧道、巷道）工程，其工程规模与技术难度均为世界所罕见。这些高埋深的长大隧洞遍布水利水电工程领域、交通工程领域、铁路、公路领域、采矿工程领域和核废料处置、国防建设等领域，如锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2525米，红透山、冬瓜山铜矿、安庆铜矿等的开采深度都接近或超过了1000m。可以预见，随着我国基础工程建设和资源开发的逐步深部化，将会出现越来越多的深埋长大隧洞（隧道、巷道）工程。随着埋深的增加，地应力明显增大，深埋隧洞开挖卸荷诱发的高强度岩爆频发，造成大量人员伤亡、机械损坏、工期延误和重大经济损失，且这种灾害的危害性随着埋深和应力水平的增大而显著增大。因此，岩爆灾害已经成为制约深埋隧洞（隧道、巷道）工程安全建设的瓶颈问题，岩爆风险的合理评估和准确预测已经成为深埋隧洞工程安全建设和工程防灾减灾急待解决的关键难题。

物理模拟试验是以相似理论为基础，通过对缩尺的模型试件加载、开挖、支护操作，模拟工程现场隧洞所处的原岩应力状态、开挖和支护等，由于可以在试件中预埋各种监测原件、可以方便的改变加载条件和开挖条件，通过监测装置获得试件内的应力分布和变形特征，为工程现场隧洞的开挖施工提供指导和借鉴，因此被广泛应用于地下岩石工程（隧道、巷道等）的研究和施工中。国内外学者为了不同研究目的研制了各种真三轴地质力学模型实验系统，应用于隧洞的静力破坏研究中，如：

（1）岩石力学与工程学报（2004年，第21期）设计了一种新型真三轴巷道模型试验台，用于研究煤矿巷道围岩的稳定性问题，采用液压枕对试件的六个面加载。

（2）岩石力学与工程学报（2010年，第1期）设计了一种真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统，每个方向的加载千斤顶通过各自的小承压板将力施加到试件表面施加梯度荷载。

（3）岩土工程学报（2010年，第10期）设计了一种高地应力真三维加载模型试验系统用于研究巷道围岩的分区破裂化机制，试验系统每个方向加载能力最大为200吨，试件尺寸为0.6米的正方体。

岩爆是深埋、高应力岩体中经常发生的一种特殊的动力破坏，当前一些研究者通过简单的二维加载方式或平面应变条件下进行岩爆的物理模拟试验研究，这与深部岩体的实际受力状态不符，深部岩体多处于三维受力状态；而常规的三轴物理模拟试验装置进行岩爆的物理模拟试验时往往具有以下问题：

（1）部分实验装置的加载能力较低（如柔性囊或液压枕加载），不能提供足够大的荷载模拟深埋岩体所处的高地应力状态。

（2）由于加载装置的缺陷（如每个加载方向上的每个小千斤顶通过各自的小承压板将荷载传递到试件上），会使试件受力不均匀，试件表面产生不必要的剪应力，影响了实验结果的准确性和可靠性。

（3）当前公开的三维物理模拟试验系统都没有能够反映爆破扰动对已开挖成形隧洞稳定性影响的装置或方法，而实际深埋隧洞开挖中，相邻隧洞钻爆法开挖对已成形隧洞岩爆的发生具有较大影响甚至起控制作用。

中国专利申请公布号为CN102636386A，公布日2012.8.15，发明名称为“大吨位均布-集中式加载系统”，该申请案公开了一种对模型试件进行大吨位加载的方式，可使模型试件受力均匀，但该加载系统仅为一种简单的单向的加载系统，模型试件受力为一维受力。

随着地下岩石工程的埋深越来越大，岩爆灾害越来越突出，由于实验系统的复杂性和对设备加载能力的极高要求，当前缺乏专门的用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，可以对试件进行大吨位的真三轴独立加载，保证试件受力均匀，研究爆破震动对岩爆的诱发机制，为准确揭示不同类型岩爆的复杂形成机制和孕育演化规律提供可靠的实验手段。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，包括反力架，垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统组成的真三轴加载系统。所述的反力架由两块以上钢梁框架、前门、后门经拉杆连接组合而成，前门和后门的下端面设置有滚轮，前门和后门的下方分别铺设有前门底板和后门底板，前门底板和后门底板上各设有两条平行导轨，垂直加载系统固定安装在反力架内部顶端，水平前后加载系统固定安装在后门内壁上，水平左右加载系统固定安装在反力架内部右侧壁上，上侧震动千斤顶、后侧震动千斤顶和右侧震动千斤顶分别固定安装在垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统的千斤顶安装板上。

所述的反力架内部固定安装有内支撑导向台架，内支撑导向台架由垂直导向台架、后导向台架、右导向台架和左支撑台架构成，右导向台架的平面和左支撑台架的平面均平行于钢梁框架的内侧壁面，后导向台架的平面与右导向台架的平面垂直，垂直导向台架平铺在后导向台架、右导向台架和左支撑台架上端，垂直导向台架、后导向台架、右导向台架上分别开有导向孔，导向孔内设有减摩护套，后导向台架上的导向孔轴线与右导向台架上的导向孔轴线在同一水平面上，垂直导向台架上的导向孔轴线与后导向台架上的导向孔轴线和右导向台架上的导向孔轴线垂直相交于一点，在后导向台架的正前方和右导向台架左侧分别设有后承压板底座和右承压板底座，后承压板底座和右承压板底座表面积和高度相同且上表面均安装有滚珠，垂直导向台架的正下方设置有材料基座，材料基座的上表面开有均匀分布的小孔，小孔内安装有弹簧，弹簧上设置有滚珠，下承载板活动的置于材料基座的滚珠上，后承压板底座和右承压板底座高度为材料基座和下承载板的高度之和，水平前后加载系统中的后承压板和水平左右加载系统中的右承压板分别活动的置于后承压板底座和右承压板底座上。垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统中的上传力柱、后传力柱和右传力柱分别活动的置于垂直导向台架、后导向台架和右导向台架的导向孔中，上传力柱、后传力柱和右传力柱分别与上集力板、后集力板、右集力板的球形触头通过套筒连接，水平前后加载系统和水平左右加载系统中的后集力板和右集力板分别活动的置于后集力板底座和右集力板底座上，上集力板、后集力板、右集力板的后端面分别与垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统中的液压千斤顶的活塞固定连接。

所述的反力架左侧内壁上固定安装有左承载板，左承载板的中心线与右传力柱轴线重合，左承载板上沿中心线方向设有圆形通孔，所述的前门内壁上固定安装有前承载板，前承载板的中心线与后传力柱轴线重合。

所述的钢梁框架、前门和后门的端面上分别开有左右对称的四个连接孔，钢梁框架侧壁面上开有均匀分布的观测孔，钢梁框架侧壁面上与左承载板上的圆形通孔相邻位置处开有等直径的开挖孔。

所述的下承载板为方形，材料基座为长方体，下承载板的边长等于材料基座的宽度。

所述的垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统中的液压千斤顶为双向液压千斤顶。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下特点：

（1）可对模型试件实现真三轴独立加载，三个方向上的加载系统与各自的液压控制装置相连，相互独立、互不干扰，试件处于三向受压状态，与深部隧洞岩体受力更相符。

（2）对模型试件采用均布集中式加载，既可提供大吨位的荷载满足深埋高应力条件下的模型试验的加载要求，又能使试件表面受力均匀，准确施加预定荷载。 

（3）材料基座上设置的弹簧和滚珠组合结构，实验前后可方便的进行大尺寸试件的安装和拆卸：安装试件时将试件吊装放置于材料基座上的下承载板上，在滚珠作用下将下承载板同试件一起推入预定位置，实验时在一定竖直压力下弹簧压缩滚珠完全陷入小孔内而不会影响下承载板的受力，实验完成竖直压力卸除后，弹簧恢复，在滚珠作用下将下承载板同试件一起推出拆卸。

（4）钢梁框架侧壁面上与左承载板上分别开有等直径、共轴的开挖孔和圆形通孔，试件加载时开挖孔和通孔被相同大小的圆柱填塞并固定，加载完成后圆柱可取出将开挖设备顺入对试件进行开挖。

（5）三个加载方向上均设置有震动千斤顶，可分别在电控装置控制下以一定频率和振幅震动，撞击集力板，使试件受一定动力扰动荷载，可模拟爆破震动，研究爆破震动对已成形隧洞岩爆的诱发作用。

附图说明：

图1为本发明的外观结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的侧视结构示意图。

图4为本发明顶部外观示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

见附图

一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，所述的真三轴岩爆物理模拟试验系统由反力架1，垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31组成的真三轴加载系统组成，垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31均采用中国专利申请公布号为CN102636386A、公布日为2012.8.15、发明名称为“大吨位均布-集中式加载系统”的加载系统。所述的反力架1由两块以上钢梁框架2、前门3、后门11经拉杆7连接组合而成，钢梁框架2上设置有吊环4，便于反力架1的组合安装。前门3和后门11的下端面设置有滚轮，前门3和后门11的下方分别铺设有前门底板5和后门底板10，前门底板5和后门底板10上各设有两条平行导轨，前门3和后门11可分别沿着前门底板5和后门底板10上的平行导轨前后移动。所述的钢梁框架2、前门3和后门11的端面上分别开有左右对称的四个连接孔，四根拉杆7可以分别穿过连接孔，将钢梁框架2、前门3和后门11经螺栓6组合在一起成为反力架1。钢梁框架2侧壁面上开有均匀分布的观测孔9，实验时测量的导线及加载系统的油管可从观测孔9顺出。钢梁框架2侧壁面上与左承载板19上的圆形通孔20相邻位置处开有等直径的开挖孔8。

所述的垂直加载系统12固定安装在反力架1内部顶端，水平前后加载系统32固定安装在后门11内壁上，水平左右加载系统31固定安装在反力架1内部右侧壁上，上侧震动千斤顶13、后侧震动千斤顶33和右侧震动千斤顶30分别固定安装在垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31的千斤顶安装板上。

所述的反力架1内部固定安装有内支撑导向台架，内支撑导向台架由垂直导向台架16、后导向台架37、右导向台架26和左支撑台架17构成，右导向台架26的平面和左支撑台架17的平面均平行于钢梁框架2的内侧壁面，后导向台架37的平面与右导向台架26的平面垂直，垂直导向台架16平铺在后导向台架37、右导向台架26和左支撑台架17上端，垂直导向台架16、后导向台架37、右导向台架26上分别开有导向孔，导向孔内设有减摩护套，后导向台架37上的导向孔轴线与右导向台架26上的导向孔轴线在同一水平面上，垂直导向台架16上的导向孔轴线与后导向台架37上的导向孔轴线和右导向台架26上的导向孔轴线垂直相交于一点，在后导向台架37的正前方和右导向台架26左侧分别设有后承压板底座38和右承压板底座24，后承压板底座38和右承压板底座24表面积和高度相同且上表面均安装有滚珠，垂直导向台架16的正下方设置有材料基座23，材料基座23的上表面开有均匀分布的小孔，小孔内安装有弹簧，弹簧上设置有滚珠，下承载板22活动的置于材料基座23的滚珠上，下承载板22在滚珠作用下可沿着材料基座23的长度方向前后滑动，后承压板底座38和右承压板底座24高度为材料基座23和下承载板22的高度之和。

所述的水平前后加载系统32中的后承压板39和水平左右加载系统31中的右承压板25分别活动的置于后承压板底座38和右承压板底座24上，垂直加载系统12、水平前后加载系统32、水平左右加载系统31中的上传力柱15、后传力柱36和右传力柱27分别活动的置于垂直导向台架16、后导向台架37和右导向台架26的导向孔中，上传力柱15、后传力柱36和右传力柱27的一端分别与上承压板18、后承压板39和右承压板25固定连接，上传力柱15、后传力柱36和右传力柱27的另一端分别与上集力板14、后集力板35、右集力板29的球形触头通过套筒连接，套筒可以使集力板拉动传力柱回缩。水平前后加载系统32和水平左右加载系统31中的后集力板35和右集力板29分别活动的置于后集力板底座34和右集力板底座28上，上集力板14、后集力板35、右集力板29的后端面分别与垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31中的液压千斤顶的活塞固定连接。

所述的反力架1左侧内壁上固定安装有左承载板19，左承载板19的中心线与右传力柱27轴线重合，左承载板19上沿中心线方向设有圆形通孔20，试件21加载时开挖孔8和通孔20被相同大小的圆柱填塞并固定，加载完成后圆柱可取出将开挖设备顺入开挖孔8和通孔20对试件21进行开挖。所述的前门3内壁上固定安装有前承载板40，前承载板40的中心线与后传力柱36轴线重合。

所述的下承载板22为上下表面为方形的矩形板，材料基座23为长方体，下承载板22的边长等于材料基座23的宽度，下承载板22在材料基座23上的滚珠作用下可沿着材料基座23的长度方向前后滑动。

所述的垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31中的液压千斤顶为双向液压千斤顶，加载时液压千斤顶可推动集力板沿着集力板底座向前滑动，当实验完成需要拆卸试件21，液压千斤顶可拉着集力板、传力柱和承压板沿着集力板底座缩回。

所述的垂直加载系统12中的上侧震动千斤顶13的轴线、上集力板14的中心、上传力柱15的轴线、上承压板18的中心、试件21的中心和下承载板22的中心在同一条竖直线上；水平前后加载系统32中的后侧震动千斤顶33的轴线、后集力板35的中心、后传力柱36的轴线、后承压板39的中心、试件21的中心和前承载板40的中心在同一条水平线上；水平左右加载系统31中的右侧震动千斤顶30的轴线、右集力板29的中心、右传力柱27的轴线、右承压板25的中心、试件21的中心和左承载板19的中心在同一条水平线上。

本发明的一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统在试验中的具体操作过程为：首先用四根拉杆7将钢梁框架2和后门11用螺栓将反力架1部分组装，在反力架1内部预定位置固定安装内支撑导向台架、材料基座23、下承载板22、后承压板底座38、右承压板底座24、后集力板底座34、右集力板底座28、垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31，使满足：垂直加载系统12中的上侧震动千斤顶13的轴线、上集力板14的中心、上传力柱15的轴线、上承压板18的中心、试件21的中心和下承载板22的中心在同一条竖直线上；水平前后加载系统32中的后侧震动千斤顶33的轴线、后集力板35的中心、后传力柱36的轴线、后承压板39的中心、试件21的中心和前承载板40的中心在同一条水平线上；水平左右加载系统31中的右侧震动千斤顶30的轴线、右集力板29的中心、右传力柱27的轴线、右承压板25的中心、试件21的中心和左承载板19的中心在同一条水平线上。组装完成后将试件21吊装放置在材料基座23上的下承载板22上，沿着材料基座23的长度方向将下承载板22和试件21推入预定位置。液压控制装置控制垂直加载系统12对试件21预压，之后沿着前门底板5上的导轨推动前门3前进，使四根拉杆7的前端贯穿前门3端面上的四个连接孔，并用螺栓6将前门3与钢梁框架2固定紧，使钢梁框架2、后门11和前门3组合成一密闭的反力架1。试件21安装完毕后，利用液压控制装置控制垂直加载系统12、水平前后加载系统32和水平左右加载系统31对试件21加载，直至预定应力状态，加载完成后，取出钢梁框架2侧壁面上开挖孔8和左承载板19上圆形通孔20内的原先固定的填塞圆柱，将开挖设备顺入开挖孔8和通孔20内对试件进行开挖。当需要模拟爆破扰动时通过震动千斤顶的液压控制装置控制后侧震动千斤顶33、上侧震动千斤顶13或右侧震动千斤顶30，对试件21的一个方向或两个方向或三个方向按一定频率施加扰动荷载。实验过程中的监测导线可以通过钢梁框架2上的观测孔9顺出。 

Claims (4)

1.一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，包括反力架（1），垂直加载系统（12）、水平前后加载系统（32）和水平左右加载系统（31）组成的真三轴加载系统，其特征在于：所述的反力架（1）由两块以上钢梁框架（2）、前门（3）、后门（11）经拉杆（7）连接组合而成，前门（3）和后门（11）的下端面设置有滚轮，前门（3）和后门（11）的下方分别铺设有前门底板（5）和后门底板（10），前门底板（5）和后门底板（10）上各设有两条平行导轨，垂直加载系统（12）固定安装在反力架（1）内部顶端，水平前后加载系统（32）固定安装在后门（11）内壁上，水平左右加载系统（31）固定安装在反力架（1）内部右侧壁上，上侧震动千斤顶（13）、后侧震动千斤顶（33）和右侧震动千斤顶（30）分别固定安装在垂直加载系统（12）、水平前后加载系统（32）和水平左右加载系统（31）的千斤顶安装板上；

所述的反力架（1）内部固定安装有内支撑导向台架，内支撑导向台架由垂直导向台架（16）、后导向台架（37）、右导向台架（26）和左支撑台架（17）构成，右导向台架（26）的平面和左支撑台架（17）的平面均平行于钢梁框架（2）的内侧壁面，后导向台架（37）的平面与右导向台架（26）的平面垂直，垂直导向台架（16）平铺在后导向台架（37）、右导向台架（26）和左支撑台架（17）上端，垂直导向台架（16）、后导向台架（37）、右导向台架（26）上分别开有导向孔，导向孔内设有减摩护套，后导向台架（37）上的导向孔轴线与右导向台架（26）上的导向孔轴线在同一水平面上，垂直导向台架（16）上的导向孔轴线与后导向台架（37）上的导向孔轴线和右导向台架（26）上的导向孔轴线垂直相交于一点，在后导向台架（37）的正前方和右导向台架（26）左侧分别设有后承压板底座（38）和右承压板底座（24），后承压板底座（38）和右承压板底座（24）表面积和高度相同且上表面均安装有滚珠，垂直导向台架（16）的正下方设置有材料基座（23），材料基座（23）的上表面开有均匀分布的小孔，小孔内安装有弹簧，弹簧上设置有滚珠，下承载板（22）活动的置于材料基座（23）的滚珠上，后承压板底座（38）和右承压板底座（24）高度为材料基座（23）和下承载板（22）的高度之和；

水平前后加载系统（32）中的后承压板（39）和水平左右加载系统（31）中的右承压板（25）分别活动的置于后承压板底座（38）和右承压板底座（24）上，垂直加载系统（12）、水平前后加载系统（32）、水平左右加载系统（31）中的上传力柱（15）、后传力柱（36）和右传力柱（27）分别活动的置于垂直导向台架（16）、后导向台架（37）和右导向台架（26）的导向孔中，上传力柱（15）、后传力柱（36）和右传力柱（27）分别与上集力板（14）、后集力板（35）、右集力板（29）的球形触头通过套筒连接，水平前后加载系统（32）和水平左右加载系统（31）中的后集力板（35）和右集力板（29）分别活动的置于后集力板底座（34）和右集力板底座（28）上，上集力板（14）、后集力板（35）、右集力板（29）的后端面分别与垂直加载系统（12）、水平前后加载系统（32）和水平左右加载系统（31）中的液压千斤顶的活塞固定连接；

所述的反力架（1）左侧内壁上固定安装有左承载板（19），左承载板（19）的中心线与右传力柱（27）轴线重合，左承载板（19）上沿中心线方向设有圆形通孔（20），所述的前门（3）内壁上固定安装有前承载板（40），前承载板（40）的中心线与后传力柱（36）轴线重合。

2.如权利要求1所述的一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，其特征在于：所述的钢梁框架（2）、前门（3）和后门（11）的端面上分别开有左右对称的四个连接孔，钢梁框架（2）侧壁面上开有均匀分布的观测孔（9），钢梁框架（2）侧壁面上与左承载板（19）上的圆形通孔（20）相邻位置处开有等直径的开挖孔（8）。

3.如权利要求1所述的一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，其特征在于：所述的下承载板（22）为方形，材料基座（23）为长方体，下承载板（22）的边长等于材料基座（23）的宽度。

4.如权利要求1所述的一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，其特征在于：所述的垂直加载系统（12）、水平前后加载系统（32）和水平左右加载系统（31）中的液压千斤顶为双向液压千斤顶。

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