CN107764628A - 模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置及试验方法。该装置包括真三轴试验台，岩石试样，加载室，联结柱，左圆孔，右圆孔，前承压板，后承压板，垫块，螺栓，底座，矩形框，垂直直线导轨，垂直滑块，水平直线导轨，水平滑块，左横梁，右横梁，丝杆螺母，升降丝杆，轴承，直齿条，齿轮，转向器垂直输出轴，电机，转向器，密封壳，进气口，转向器水平输出轴，切割钻头，螺旋叶片，孔道。试验方法按照以下步骤进行：步骤一、固定装置并对岩石试样进行三维加载，步骤二、安装和调节切割钻头位置，步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔，步骤四、开展后续研究。本发明适应性强，实现了三维加载模拟隧洞开挖卸荷过程。

Description

模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验设备领域，涉及一种模拟深部三维加载条件下圆形隧道开挖卸荷的钻孔试验装置及试验方法。

背景技术

隧洞作为地下岩石工程一种最主要的结构形式，受工程开挖的影响，隧洞两侧会形成较高的应力集中区，当集中应力达到或超过岩体强度时，岩体就会发生静力或动力破坏，如隧洞大变形、分区破坏化、板裂化破坏和岩爆等。岩体静态破坏会影响隧洞工程结构的长期稳定性，而动力破坏往往造成大量人员伤亡、设备损坏、工期延误及重大经济损失，严重威胁了岩石工程的安全建设。随着国民经济和国防工业的高速发展，矿山开采、核废料处理、交通隧道和地下厂房及实验室等民用和国防工程不断向地下发展，隧洞工程的安全建设和长期稳定性越来越受到岩土工程界的高度关注和重视。因此，为保障隧洞工程的安全建设和长期稳定，各大高校和科研院所对隧洞进行了大量的科学研究。目前对隧洞进行科学研究主要有理论分析、数值计算和物理模型模拟试验三种方法，由于岩体为各向异性、非均质、非连续性材料，且岩体赋存的地应力环境复杂多变，岩体的力学参数和受力环境具有较大不确定性，使得理论分析和数值计算方法需要的岩体参数和边界条件难以确定。物理模型模拟试验可以采用真实的岩石试样(或物理相似模拟材料)进行科学试验，可以直观反映出隧洞围岩在高应力作用下的破坏和变形过程，在一定程度上能揭示出隧洞围岩破坏变形的力学规律和机制，因此在进行隧洞工程结构的支护设计、安全评价及岩体动力灾害防治方面得到了广泛应用。

实际工程中，地下隧洞开挖前岩体处于初始地应力环境中，因此隧洞开挖是在具有初始地应力的岩体中进行。目前，模拟隧洞开挖卸荷有以下两种方法：先开洞再加载和先加载再开洞。先开洞再加载方法为进行试验加载前人工开凿出孔洞，再进行试验加载，该方法与工程实际情况存在较大差异；先加载再开洞方法为在开洞前先加载到初始应力水平，在加载条件下开凿孔洞，与隧洞开挖过程中围岩受力实际情况比较接近。因此，在进行隧洞物理模型模拟试验时，由于各高校和科研院所试验设备条件不同，上述两种方法在目前研究中均有应用，但由于先加载后开洞方法更符合隧洞开挖卸荷实际情况，在隧洞模拟试验中更多的采用该方法。

申请号为201510228942.X，发明名称为“适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置”，公开日：2015年8月12日，公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，采用电机带动和推进钻头切割试验试样来模拟硐室围岩开挖卸荷过程，能实现控制开挖硐室形状及开挖卸荷速度，但其结构设计不紧凑，尺寸较大，能用于二维加载条件下的隧洞模拟，无法在三维加载条件下使用。

申请号为201210097816.1，发明名称为“一种地质力学模型硐室开挖装置”，公开日：2012年9月12日，公开了一种地质力学模型硐室开挖装置，通过先开凿孔洞，再用气囊对孔内进行加压，再释放孔内气囊压力实现围岩开挖卸荷过程，该开挖装置操作简单、可实现在封闭硐室中开挖的优点，但其为先开洞再进行孔内加压，再释放压力，这一加载应力路径与实际隧洞开挖应力路径存在较大差异。

申请号为201310425635.1，发明名称为“深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法”，公开日：2013年12月25日，公开了一种深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法，在常规压力实验机上即可加载，具有结构简单、实验成本低的特点，能实现隧洞先加载后开挖卸荷过程，但其只能用于二维加载条件，无法实现三维加载条件下隧洞开挖卸荷模拟，且其将隧洞围岩的受力、变形和破坏问题认为是轴对称问题，用部分代替整体进行研究，虽可简化操作，但边界条件与一个完整隧洞结构相比存在较大差异。

申请号为201610551010.3，发明名称为“巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法”，公开日：2016年9月7日，公开了一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法，加载前开设预制巷道，并用卸荷杆充填巷道空间，加载完成后通过拔出卸荷杆实现巷道的开挖卸荷，控制卸荷杆拔出的速率和位置可实现围岩不同卸荷速率和卸荷量的模拟，但其只能应用于二维加载条件，且为物理相似模拟材料，在拉拔卸荷杆时也会对巷道壁产生较大摩擦，与巷道实际情况不符。

申请号为201610505188.4，发明名称为“一种模拟隧道开挖的卸载开挖器”，公开日：2016年9月28日，公开了一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，试验加载前用轴承支撑钢管片，使其紧贴隧道内壁，加载后通过抽出内部支撑结构，让钢片塌落实现开挖卸荷。该装置具有操作方便，造价低廉，可控制开挖卸荷速度等优点，但其需预先开凿出隧道，也属于“先开洞后加载”情况，与实际隧道开挖卸荷应力路径差异较大。

申请号为201610614433.5，发明名称为“模拟巷道卸荷可控式实验装置及其使用方法”，公开日：2017年1月4日，公开了一种模拟巷道卸荷可控式实验装置及其使用方法，该实验装置通过高压气体控制箱发射子弹冲击发射杆，再由发射杆冲击浇筑的巷道填充物，填充物破碎掉落实现巷道开挖卸荷，可实现“先加载后开洞”卸荷过程，但其只适用于物理相似材料模拟试验，且只能在二维加载条件下进行。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置及试验方法，解决了现有技术中开挖卸荷装置尺寸较大，设计不紧凑以及先开洞后加载与实际隧道开挖卸荷应力路径差异较大的问题。适应性强，实现了在三维加载条件下模拟隧洞开挖卸荷过程，保证试验模拟的科学性和准确性。

本发明所采用的技术方案是，试验装置置于底座上，底座通过螺栓与真三轴试验台连接，下承压板、上承压板、左承压板、右一承压板、前承压板和后承压板组成加载室，岩石试样置于加载室中，左承压板上开设有左圆孔，右一承压板上开设有右圆孔，左圆孔与右圆孔位于同一水平轴线上，右一承压板下方设有垫块，右一承压板和右二承压板通过四个联结柱固定连接，电机置于转向器上方，转向器下端的四个角与水平滑块固定连接，水平滑块置于两根水平直线导轨上，水平直线导轨一端与左横梁固定连接，另一端与右横梁固定连接，右横梁两端与两个垂直滑块固定连接，左横梁与两个垂直滑块固定连接，四个垂直滑块分别置于四根垂直直线导轨上，四根垂直直线导轨下端与底座固定连接，四根垂直直线导轨上端分别与矩形框的四个角固定连接，矩形框与轴承外圈固定连接，轴承下方设有丝杆螺母，升降丝杆穿过轴承内圈，与轴承内圈固定连接，升降丝杆下端穿过丝杆螺母，通过螺纹与丝杆螺母活动连接，丝杆螺母与右横梁固定连接，直齿条一端与左横梁固定连接，一端与右横梁固定连接，转向器垂直输出轴与齿轮固定连接，齿轮与直齿条相连接，转向器内部设有转向器水平输出轴，转向器水平输出轴33前端设有切割钻头，转向器水平输出轴外周设有密封壳，转向器水平输出轴内部设有进气口，进气口分别与密封壳、切割钻头相连通，切割钻头上设有螺旋叶片，转向器水平输出轴内部设有孔道，孔道与切割钻头相连通。

进一步的，所述齿轮通过与直齿条相互啮合。

进一步的，所述切割钻头、左圆孔、右圆孔及岩石试样四者中心轴线重合。

进一步的，所述切割钻头与转向器水平输出轴采用螺纹连接。

进一步的，所述左圆孔和右圆孔直径相同，且直径稍大于切割钻头直径。

进一步的，所述孔道直径与进气口直径相同，均为6～8mm。

进一步的，所述电机型号为ACSM180-G19015数控伺服电机，所述转向器的型号为DT75-L/R。

本发明所采用的另一技术方案是，模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置的试验方法，按照以下步骤进行：

步骤一、固定装置并对岩石试样进行三维加载：将模拟深部三维受力条件下圆形隧洞开挖卸荷的钻孔试验装置通过螺栓与真三轴试验台固定，再采用真三轴试验机将岩石试样加载至初始应力水平；

步骤二、安装和调节切割钻头位置：保证左圆孔和右圆孔的中心轴线重合，根据试验方案选取合适直径的切割钻头，并与转向器水平输出轴通过螺纹连接，旋转升降丝杆，四个垂直滑块上下竖直移动，以适应不同岩石试样的尺寸，通过升降丝杆不断的调节切割钻头的高度，最终使切割钻头的中心轴线与左圆孔、右圆孔及岩石试样的中心轴线重合；

步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔：保证氮气管与密封壳上的进气口连通，打开电机电源开关，使电机驱动切割钻头高速旋转，同时打开液氮罐开关，使液态氮气经由转向器水平输出轴上的孔道到达切割钻头的头部进行降温，转向器垂直输出轴顺时针旋转，齿轮与直齿条发生相对运动，四个水平滑块向左移动，使高速旋转的切割钻头向左移动，并由右圆孔进入到右一承压板内部，慢慢向处于三维加载条件的岩石试样靠近，并接触切割岩石试样，模拟隧洞的开挖卸荷过程，通过控制转向器垂直输出轴顺时针旋转速度，控制切割钻头切割岩石试样的速率，实现隧洞不同开挖卸荷速率的模拟；控制切割钻头切割岩石试样的深度，实现隧洞不同开挖卸荷量的模拟；高速旋转的螺旋叶片将切割钻头头部产生的岩石碎屑排出，实现自动排渣，切割完成后，转向器垂直输出轴逆时针旋转，使切割钻头向右移动，退出岩石试样，完成三维条件下“先加载后开洞”的隧洞开挖卸荷模拟，关闭电机电源和液氮开关；

步骤四、继续开展隧洞开挖卸荷后围岩板裂化、岩爆、分区破裂化、大变形及围岩稳定性分析等试验研究。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)适应性强

该装置结构设计紧凑，尺寸小，能适应现有真三轴试验机有限空间，可用于切割岩石材料和相似模拟材料，切割钻头可水平左右和竖直上下自由移动，能适应岩石试样尺寸的变化，满足不同岩石材料和相似模拟材料尺寸试样试验的需要，具有自动排渣功能。

(2)实现三维加载条件下孔洞开挖卸荷过程

该装置在岩石试样或相似模拟材料试样处于真三轴加载条件下，完成试样内部开凿圆形孔洞过程，解决“先加载后开洞”的难题，能真实模拟地下隧洞在三维地应力作用下的开挖卸荷过程。

(3)实现不同开挖卸荷速率和卸荷量

该装置能控制切割钻头向左水平移动的速度和向左前进的距离，可以控制切割试样的速率和切割试样的深度，实现隧洞不同开挖卸荷速率和卸荷量的模拟。

(4)实现不同直径的孔洞开凿

该装置切割钻头与变速箱输出轴采用螺纹活动连接，可根据试验需要更换不同直径的切割钻头，能模拟不同尺寸断面的圆形隧洞开挖卸荷过程。

本发明的有益效果：解决长期以来隧洞开挖卸荷试验模拟中难以实现三维应力加载条件下“先加载后开孔”这一关键技术难题，使得岩石试样在处于真三轴高应力加载条件下完成试样开孔卸压过程成为可能，能对实际工程中隧洞不同开挖速率、开挖量及开挖断面尺寸进行较真实的模拟，给室内开展隧洞围岩大变形、分区破裂化、板裂化破坏和岩爆等相关试验研究提供了可靠的技术保障，使隧洞室内模拟试验更接近于工程实际，保证了试验模拟结果的科学性和准确性，进而为地下隧洞工程的设计、施工、稳定性分析及动力灾害的防治提供可靠的技术支持和理论指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4是本发明水平推进和竖直升降原理图；

图5为本发明切割钻头与转向器输出轴剖视图。

图中，1.真三轴试验台，2.岩石试样，3.下承压板，4.上承压板，5.左承压板，6.右一承压板，7.右二承压板，8.联结柱，9.左圆孔，10.右圆孔，11.前承压板，12.后承压板，13.垫块，14.螺栓，15.底座，16.矩形框，17.垂直直线导轨，18.垂直滑块，19.水平直线导轨，20.水平滑块，21.左横梁，22.右横梁，23.丝杆螺母，24.升降丝杆，25.轴承，26.直齿条，27.齿轮，28.转向器垂直输出轴，29.电机，30.转向器，31.密封壳，32.进气口，33.转向器水平输出轴，34.切割钻头，35.螺旋叶片，36.孔道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明试验装置的结构如图1-5所示，本试验装置置于底座15上，底座15通过螺栓14与真三轴试验台1连接，下承压板3、上承压板4、左承压板5、右一承压板6、前承压板11和后承压板12组成加载室，岩石试样2置于加载室中，左承压板5上开设有左圆孔9，右一承压板6上开设有右圆孔10，左圆孔9与右圆孔10位于同一水平轴线上，右一承压板6下方设有垫块13，右一承压板6和右二承压板7通过四个联结柱8固定连接，电机29置于转向器30上方，转向器30下端的四个角与水平滑块20固定连接，水平滑块20置于两根水平直线导轨19上，水平直线导轨19一端与左横梁21固定连接，另一端与右横梁22固定连接，右横梁22两端与两个垂直滑块18固定连接，左横梁21与两个垂直滑块18固定连接，四个垂直滑块18分别置于四根垂直直线导轨17上，四根垂直直线导轨17下端与底座15固定连接，四根垂直直线导轨17上端分别与矩形框16的四个角固定连接，矩形框16与轴承25外圈固定连接，轴承25下方设有丝杆螺母23，升降丝杆24穿过轴承25内圈，与轴承25内圈固定连接，升降丝杆24下端穿过丝杆螺母23，通过螺纹与丝杆螺母23活动连接，丝杆螺母23与右横梁22固定连接，直齿条26一端与左横梁21固定连接，一端与右横梁22固定连接，转向器垂直输出轴28与齿轮27固定连接，齿轮27与直齿条26相连接，转向器30内部设有转向器水平输出轴33，转向器水平输出轴33前端设有切割钻头34，转向器水平输出轴33外周设有密封壳31，转向器水平输出轴33内部设有进气口32，进气口32分别与密封壳31、切割钻头34相连通，切割钻头34上设有螺旋叶片35，转向器水平输出轴33内部设有孔道36，孔道36与切割钻头34相连通。

四个水平滑块20安装在两根水平直线导轨19上，每根水平直线导轨19上安装两个水平滑块20，可沿两根水平直线导轨19左右水平滑动；四个垂直滑块18分别安装在四根垂直直线导轨17上，可沿四根垂直直线导轨17上下竖直滑动。

转向器垂直输出轴28带动齿轮27旋转，齿轮27通过与直齿条26相互啮合作用，发生相对运动，使四个水平滑块20沿两根水平直线导轨19左右水平滑动，操作切割钻头34水平向左和向右移动。转向器垂直输出轴28顺时针旋转，高速旋转的切割钻头34向左移动切割岩石试样2，模拟隧洞开挖卸荷，转向器垂直输出轴28逆时针旋转，切割钻头34向右移动，停止切割岩石试样2。通过控制转向器垂直输出轴28的旋转速度，可控制切割钻头34向左水平切割岩石试样2的速率，实现不同开挖卸荷速率的模拟，控制切割钻头34向左移动的距离，可实现切割钻头34向左水平切割岩石试样2的深度，实现不同开挖卸荷量的模拟。采用转向器垂直输出轴28推进切割钻头34移动，设计紧凑，节省空间，能适应现有真三轴试验机，实现在三维加载条件下对岩石试样2进行隧洞开挖卸荷的过程模拟。

升降丝杆24与轴承25内圈固定，旋转升降丝杆24，通过螺纹与丝杆螺母23相互作用，右横梁22上下移动带动滑块18沿垂直直线导轨17上下竖直移动，调整切割钻头34竖直位置，使切割钻头34、左圆孔9、右圆孔10及岩石试样2四者中心轴线重合，确保切割钻头34与右一承压板6不接触，并且能够适应不同尺寸岩石试样2模拟试验的需要。顺时针旋转升降丝杆24，使切割钻头34向上竖直移动，逆时针旋转升降丝杆24，使切割钻头34向下竖直移动，不仅能适应采用不同尺寸的岩石试样2的试验需要，还能够在岩石试样2的不同高度处进行钻孔卸压，大大提高了本发明的适应能力。

切割钻头34与转向器水平输出轴33采用螺纹连接，可根据试验需要，更换不同直径的切割钻头34，实现不同尺寸隧洞开挖卸荷的模拟。在转向器水平输出轴33上设置有一孔道36，孔道36与切割钻头34内部连通，液态氮气由进气口32进入密封壳31内，并经转向器水平输出轴33上的孔道36到达切割钻头34的头部，对切割钻头34进行降温冷却。

切割钻头34上设置有螺旋叶片35，螺旋叶片35随切割钻头34旋转，将切割岩石试样2时产生的岩石碎屑排出。

左承压板5设有贯穿的左圆孔9，右一承压板6上设有贯穿的右圆孔10，切割钻头34、左圆孔9、右圆孔10及岩石试样2四者中心轴线重合，左圆孔9和右圆孔10直径相同，且直径稍大于切割钻头34直径，使切割钻头34能自由进出左圆孔9和右圆孔10。高速旋转的切割钻头34由右圆孔10进入，与处于真三轴加载下的岩石试样2接触，并切割岩石试样2，模拟隧洞开挖卸荷过程。切割钻头34水平行程大于岩石试样2的厚度，可切割出贯穿岩石试样2的孔洞。

孔道36直径与进气口32直径相同，均为6～8mm，直径过小会使液氮流量小，影响冷却效果，易造成切割钻头34温度升高而发生损坏，直径过大，液氮流量大，造成液氮浪费；切割钻头34中空孔道的直径取决于选用的切割钻头34的直径，切割钻头34直径越大，其直径就越大；工作时，切割钻头34是高速旋转的，使液氮紧贴中空孔道内壁流向切割钻头34头部进行降温，只要从孔道36直径流入的液氮量足够，切割钻头34中空孔道的直径不会影响冷却效果。

电机29优选型号为ACSM180-G19015数控伺服电机，具有体积小，功率大，转速可调的特点，能满足真三轴试验机试验台空间小的需要；转向器30的优选型号为DT75-L/R，其作用是将电机29从竖直方向旋转变为水平和竖直两个方向旋转，转向器30使电机29既能驱动切割钻头34高速旋转切割岩石试样2，又能为切割钻头34左右水平移动提供动力，使电机29一机多用，装置设置紧凑，节省空间，操作简单方便，使电机29立式安装，从而减少电机29卧式安装所需的水平方向上的空间，以增大切割钻头34左右行程；真三轴试验机优选型号为TRW-3000大尺寸岩石真三轴电液伺服诱变扰动试验系统，三个方向独立控制加载，可满足模拟深部隧道开挖过程中各种加载应力路径的需要，竖直方向最大荷载为3000kN，两个水平方向最大荷载为2000kN，加载速率可在10N/s～10kN/s范围内任意调节和控制，能满足不同隧道埋深和大尺寸岩石试样2试验模拟的要求。

实施例

一种模拟深部三维加载条件下圆形隧道开挖卸荷的钻孔试验方法应用一种模拟深部三维加载条件下圆形隧道开挖卸荷的试验装置，按照以下步骤进行：

步骤一、固定装置并对岩石试样2进行三维加载：将模拟深部三维受力条件下圆形隧洞开挖卸荷的钻孔试验装置通过螺栓14与真三轴试验台1固定，再采用真三轴试验机将岩石试样2加载至初始应力水平；

步骤二、安装和调节切割钻头34位置：保证左圆孔9和右圆孔10的中心轴线重合，根据试验方案选取合适直径的切割钻头34，并与转向器水平输出轴33通过螺纹连接，旋转升降丝杆24，四个垂直滑块18上下竖直移动，以适应不同岩石试样2的尺寸，通过升降丝杆24不断的调节切割钻头34的高度，最终使切割钻头34的中心轴线与左圆孔9、右圆孔10及岩石试样2的中心轴线重合；

步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔：保证氮气管与密封壳31上的进气口32连通，打开电机29电源开关，使电机29驱动切割钻头34高速旋转，同时打开液氮罐开关，使液态氮气经由转向器水平输出轴33上的孔道36到达切割钻头34的头部进行降温。转向器垂直输出轴28顺时针旋转，齿轮27与直齿条26发生相对运动，四个水平滑块20向左移动，使高速旋转的切割钻头34向左移动，并由右圆孔10进入到右一承压板6内部，慢慢向处于三维加载条件的岩石试样2靠近，并接触切割岩石试样2，模拟隧洞的开挖卸荷过程。通过控制转向器垂直输出轴28顺时针旋转速度，控制切割钻头34切割岩石试样2的速率，实现隧洞不同开挖卸荷速率的模拟；控制切割钻头34切割岩石试样2的深度，实现隧洞不同开挖卸荷量的模拟；高速旋转的螺旋叶片35将切割钻头34头部产生的岩石碎屑排出，实现自动排渣。切割完成后，转向器垂直输出轴28逆时针旋转，使切割钻头34向右移动，退出岩石试样2，完成三维条件下“先加载后开洞”的隧洞开挖卸荷模拟，关闭电机29电源和液氮开关；

步骤四、继续开展隧洞开挖卸荷后围岩板裂化、岩爆、分区破裂化、大变形及围岩稳定性分析等试验研究，本文所用的装置及方法实现了三维加载条件下开挖卸荷，更加真实的模拟了地下隧洞在地应力作用下的开挖过程，使后续开展隧洞板裂化、岩爆、分区破裂化、大变形及围岩稳定性分析的模拟试验更符合工程实际，从而提高模拟试验的准确性和科学性。

本发明首先对岩石试样2进行三维加载，然后通过设计紧凑，尺寸小的装置对岩石试样2进行固定，下一步在模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔的过程中本装置的切割钻头34可水平左右和竖直上下自由移动，用以满足不同岩石试样2的大小，操作具有简单、灵活的优点，切割钻头34上螺旋叶片35的设置使得钻孔过程中，岩石碎屑的排出更为便利，在三维加载条件下开挖卸荷的试验装置同时也避免了加载应力途径与实际开挖路径存在较大差异的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，试验装置置于底座(15)上，底座(15)通过螺栓(14)与真三轴试验台(1)连接，下承压板(3)、上承压板(4)、左承压板(5)、右一承压板(6)、前承压板(11)和后承压板(12)组成加载室，岩石试样(2)置于加载室中，左承压板(5)上开设有左圆孔(9)，右一承压板(6)上开设有右圆孔(10)，左圆孔(9)与右圆孔(10)位于同一水平轴线上，右一承压板(6)下方设有垫块(13)，右一承压板(6)和右二承压板(7)通过四个联结柱(8)固定连接，电机(29)置于转向器(30)上方，转向器(30)下端的四个角与水平滑块(20)固定连接，水平滑块(20)置于两根水平直线导轨(19)上，水平直线导轨(19)一端与左横梁(21)固定连接，另一端与右横梁(22)固定连接，右横梁(22)两端与两个垂直滑块(18)固定连接，左横梁(21)与两个垂直滑块(18)固定连接，四个垂直滑块(18)分别置于四根垂直直线导轨(17)上，四根垂直直线导轨(17)下端与底座(15)固定连接，四根垂直直线导轨(17)上端分别与矩形框(16)的四个角固定连接，矩形框(16)与轴承(25)外圈固定连接，轴承(25)下方设有丝杆螺母(23)，升降丝杆(24)穿过轴承(25)内圈，与轴承(25)内圈固定连接，升降丝杆(24)下端穿过丝杆螺母(23)，通过螺纹与丝杆螺母(23)活动连接，丝杆螺母(23)与右横梁(22)固定连接，直齿条(26)一端与左横梁(21)固定连接，一端与右横梁(22)固定连接，转向器垂直输出轴(28)与齿轮(27)固定连接，齿轮(27)与直齿条(26)相连接，转向器(30)内部设有转向器水平输出轴(33)，转向器水平输出轴(33)前端设有切割钻头(34)，转向器水平输出轴(33)外周设有密封壳(31)，转向器水平输出轴(33)内部设有进气口(32)，进气口(32)分别与密封壳(31)、切割钻头(34)相连通，切割钻头(34)上设有螺旋叶片(35)，转向器水平输出轴(33)内部设有孔道(36)，孔道(36)与切割钻头(34)相连通。

2.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述齿轮(27)通过与直齿条(26)相互啮合。

3.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述切割钻头(34)、左圆孔(9)、右圆孔(10)及岩石试样(2)四者中心轴线重合。

4.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述切割钻头(34)与转向器水平输出轴(33)采用螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述左圆孔(9)和右圆孔(10)直径相同，且直径稍大于切割钻头(34)直径。

6.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述孔道(36)直径与进气口(32)直径相同，均为6～8mm。

7.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述电机(29)型号为ACSM180-G19015数控伺服电机，所述转向器30的型号为DT75-L/R。

8.一种如权利要求1-7所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤一、固定装置并对岩石试样(2)进行三维加载：将模拟深部三维受力条件下圆形隧洞开挖卸荷的钻孔试验装置通过螺栓(14)与真三轴试验台(1)固定，再采用真三轴试验机将岩石试样(2)加载至初始应力水平；

步骤二、安装和调节切割钻头(34)位置：保证左圆孔(9)和右圆孔(10)的中心轴线重合，根据试验方案选取合适直径的切割钻头(34)，并与转向器水平输出轴(33)通过螺纹连接，旋转升降丝杆(24)，四个垂直滑块(18)上下竖直移动，以适应不同岩石试样(2)的尺寸，通过升降丝杆(24)不断的调节切割钻头(34)的高度，最终使切割钻头(34)的中心轴线与左圆孔(9)、右圆孔(10)及岩石试样(2)的中心轴线重合；

步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔：保证氮气管与密封壳(31)上的进气口(32)连通，打开电机(29)电源开关，使电机(29)驱动切割钻头(34)高速旋转，同时打开液氮罐开关，使液态氮气经由转向器水平输出轴(33)上的孔道(36)到达切割钻头(34)的头部进行降温，转向器垂直输出轴(28)顺时针旋转，齿轮(27)与直齿条(26)发生相对运动，四个水平滑块(20)向左移动，使高速旋转的切割钻头(34)向左移动，并由右圆孔(10)进入到右一承压板(6)内部，慢慢向处于三维加载条件的岩石试样(2)靠近，并接触切割岩石试样(2)，模拟隧洞的开挖卸荷过程，通过控制转向器垂直输出轴(28)顺时针旋转速度，控制切割钻头(34)切割岩石试样(2)的速率，实现隧洞不同开挖卸荷速率的模拟；控制切割钻头(34)切割岩石试样(2)的深度，实现隧洞不同开挖卸荷量的模拟；高速旋转的螺旋叶片(35)将切割钻头(34)头部产生的岩石碎屑排出，实现自动排渣，切割完成后，转向器垂直输出轴(28)逆时针旋转，使切割钻头(34)向右移动，退出岩石试样(2)，完成三维条件下“先加载后开洞”的隧洞开挖卸荷模拟，关闭电机(29)电源和液氮开关；

步骤四、继续开展隧洞开挖卸荷后围岩板裂化、岩爆、分区破裂化、大变形及围岩稳定性分析等试验研究。