CN207487991U - 模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，该装置包括真三轴试验台，左承压板，右承压板，左底板，右底板，左圆孔，右圆孔，钻杆入口，直线导轨，滑块，推进液压缸，电机，电机输出轴，钻杆，螺旋叶片，实心钻头，岩石试样，加载室。本实用新型能对深部三维应力环境中的隧洞机械开挖卸荷过程进行动态模拟，在真三轴加载条件下实现了“先加载后开孔”的卸压过程。

Description

模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置

技术领域

本实用新型属于地下工程开挖技术领域，涉及一种模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置。

背景技术

隧洞是地下岩石工程一种最常见的结构形式。随着国民经济的高速发展，矿山、交通、水电、地下厂房及实验室等地下岩石工程不断向地下深部发展，出现了大量的深部隧洞工程。进入深部以后，由于地应力不断增大，工程开挖对隧洞围岩产生的卸荷效应变得越来越显著。在较高的地应力作用下，隧洞开挖会对围岩产生大量张拉裂隙，降低岩体强度，在隧洞两侧集中应力作用下围岩会发生破坏，如板裂化破坏、岩爆、分区破坏化及围岩大变形等，严重影响隧洞结构的长期稳定性，给深部岩石工程的安全建设造成了重大威胁。因此，为保障隧洞工程的安全建设和长期稳定，深部隧洞围岩破坏的力学机制及破坏特征研究越来越受到岩土工程界的高度关注和重视。目前研究隧洞围岩的破坏机制及破坏特征主要有理论分析、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、非均质和非连续材料，且岩体赋存的地应力环境复杂多变，使得理论分析和数值计算方法所需的岩体参数和边界条件很难精确确定，而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。此外，目前隧洞开挖主要有机械开挖(如TBM)和爆破开挖两种。由于爆破开挖易产生较强的应力波，对隧洞围岩破坏影响较大，因此在围岩地质环境较好的条件更多的选用机械开挖方式。

在实际工程中，隧洞在开挖前岩体处于三维原岩应力环境中，因此隧洞开挖卸荷是在具有三维初始地应力的岩体中进行的。目前，在隧洞模拟试验中实现开挖卸荷主要有以下两种方法：先开孔再加载和先加载再开孔。先开孔再加载法在试验进行加载前人工开凿出孔洞，再进行加载，该方法与真实隧洞开挖过程围岩应力路径差异较大；而先加载再开孔法则是在试验试样加载至初始地应力水平后，在具有初始应力的试验试样中开凿孔洞，模拟隧洞开挖过程，该方法与实际工程中隧洞开挖过程围岩应力变化情况比较接近。由于各单位试验设备条件不同，以上两种方法在进行隧洞物理模型模拟试验时均有应用，但由于后者与隧洞开挖过程的实际情况更相符，在试验中得到了更广泛的应用。

申请号为201610551010.3，实用新型名称为“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201610614433.5，实用新型名称为“模拟巷道卸荷可控式实验装置及其使用方法”，公开日：2016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“先加载后开孔”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。

申请号为201310425635.1，实用新型名称为“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，但边界条件与真实相比存在较大差异。

申请号为201510228942.X，实用新型名称为“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，实用新型名称为“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，但其为先开孔再进行孔内加压，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201610505188.4，实用新型名称为“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“先开孔后加载”情况，与实际隧道开挖卸荷应力路径差异较大。

实用新型内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，解决了现有技术中先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中存在较大差异的问题以及三维加载条件下隧洞模拟试验难以实现“先加载后开孔”的难题，能对深部三维应力环境中的隧洞机械开挖卸荷过程进行动态模拟，在真三轴加载条件下实现“先加载后开孔”的卸压过程。

本实用新型所采用的技术方案是，试验装置置于真三轴试验台上，左承压板、右承压板、前承压板、后承压板、上承压板和下承压板组成加载室，岩石试样置于加载室中，右承压板与左底板相连，左圆孔开设于左承压板上中心位置，右圆孔开设于右承压板上中心位置，钻杆入口开设于左底板上中心位置，左圆孔、右圆孔和钻杆入口位于同一中轴线上，右底板置于试验装置的末端，左底板的四个角分别与直线导轨相连，四根直线导轨与右底板的四个角相连，右底板与推进液压缸的一端相连，推进液压缸的另一端与电机的外壳相连，电机外壳与四个滑块相连，滑块分别位于直线导轨上，输出轴设于电机内部，输出轴与钻杆一端连接，钻杆另一端与实心钻头连接，钻杆上设有螺旋叶片。

进一步的，所述岩石试样为长方体。

进一步的，所述左圆孔、右圆孔和钻杆入口的直径相同，且孔径比钻杆的直径稍大。

进一步的，所述钻杆与输出轴通过螺纹连接。

进一步的，电机型号为ACSM180-G19015数控伺服电机。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：(1)该装置设计简单，操作方便，可在三维加载条件下进行隧洞开挖卸荷过程的模拟，解决了三维加载条件下“先加载后开孔”的难题，提高了模拟试验的科学性和准确性；(2)采用液压缸作为推进动力，钻杆推进速率平稳，可精确控制钻杆的推进速率和钻杆推进位置，实现不同开挖卸荷速率和开挖卸荷量的模拟；(3)更换钻头方便，能对不同尺寸断面的隧洞开挖卸荷过程进行模拟，且钻杆上装有螺旋叶片，能实现自动排渣功能；(4)采用实心钻头切割岩石试样，能模拟隧洞机械开挖(如TBM)过程，能同时适用于岩石材料和相似模拟材料试样，解决了三维加载条件下隧洞模拟试验难以实现“先加载后开孔”的难题，使隧洞物理模型模拟试验更接近工程实际，提高试验的科学性。

本实用新型的有益效果是：解决室内开展隧洞模拟试验过程中难以在三维应力条件下实现“先加载后开孔”这一关键技术难题，从而在室内真三轴加载条件下采用大尺寸岩石试样模拟地下隧洞开挖得以实现，可对实际工程中隧洞TBM开挖过程进行较真实的模拟，使实验室模拟更接近于工程实际，保证了试验模拟结果的科学性和准确性，为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科学研究提供了可靠的技术保障，进而为地下隧洞工程的方案设计、施工工艺、围岩稳定性分析及灾害的防治提供可靠的技术支持和理论指导，对地下隧洞工程的安全高效建设具有重要的实践意义。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是钻杆示意图。

图中，1.真三轴试验台，2.左承压板，3.右承压板，4.左底板，5.右底板，6.左圆孔，7.右圆孔，8.钻杆入口，9.直线导轨，10.滑块，11.推进液压缸，12.电机，13.电机输出轴，14.钻杆，15.螺旋叶片，16.实心钻头，17.岩石试样，18.前承压板，19.后承压板，20.上承压板，21.下承压板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型试验装置的结构如图1-4所示，本试验装置置于真三轴试验台1上，左承压板2、右承压板3、前承压板18、后承压板19、上承压板20和下承压板21组成加载室，岩石试样17置于加载室中，右承压板3与左底板4相连，左圆孔6开设于左承压板2上中心位置，右圆孔7开设于右承压板3上中心位置，钻杆入口8开设于左底板4 上中心位置，左圆孔6、右圆孔7和钻杆入口8位于同一中轴线上，右底板5置于试验装置的末端，左底板4的四个角分别与直线导轨9相连，四根直线导轨9与右底板5的四个角相连，右底板5与推进液压缸11的一端相连，推进液压缸11的另一端与电机12的外壳相连，电机12外壳与四个滑块10相连，滑块10分别位于直线导轨9上，输出轴13 设于电机12内部，输出轴13与钻杆14一端连接，钻杆14另一端与实心钻头16连接，钻杆14上设有螺旋叶片15。

岩石试样17为长方体(包括正方体)，由于本实用新型目的是在三维加载条件下实现隧洞机械开挖卸荷试验模拟，因此模拟机械开挖时需使岩石试样17处于真三轴加载条件下，而其他形状无法满足真三轴试验机进行真三轴加载的需要，因此选用长方体岩石试样17易于进行真三轴加载，实现地下隧洞三维应力环境。

左圆孔6、右圆孔7和钻杆入口8的直径相同，且孔径比钻杆14的直径稍大，放置钻杆14向左切割岩石试样17时与左承压板2、右承压板3和左底板4发生接触。右圆孔 7和钻杆入口8作为钻杆14与岩石试样接触的通道。

钻杆14与输出轴13通过螺纹连接，能够根据试验方案的需要，选取不同直径的钻杆14，实现不同断面尺寸隧道开挖卸荷试验的模拟。钻杆14上设置有螺旋叶片15，螺旋叶片15固定安装在钻杆14上，可随钻杆14一起高速旋转，旋转的螺旋叶片15能够将岩石碎屑自动排出。实心钻头16与钻杆14固定连接，能随钻杆14旋转切割岩石试样 17，模拟隧洞机械开挖卸荷(如TBM)过程。

直线导轨9不仅作为钻杆14移动的定向导轨，同时也是真三轴试验机对岩石试样17 进行加载的传力媒介。

推进液压缸11的伸缩可实现电机12沿直线导轨9的水平左右移动，推进液压缸11的活塞伸长，推动钻杆14向左移动切割岩石试样17，推进液压缸11活塞缩短，带动钻杆14向右移动，停止切割岩石试样17。推进液压缸11推动高速旋转的钻杆14向左移动时，钻杆14上的实心钻头16能够由左底板4上的钻杆入口8和右承压板3上的右圆孔7 进入，并与岩石试样17发生接触从而进行切割岩石试样17，模拟隧洞的开挖卸荷过程。推进液压缸11通过调节油泵液压阀开关控制向左推进的速度和向左移动的距离，实现隧洞开挖卸荷过程的不同卸荷速率和卸荷量的模拟。钻杆14在推进液压缸11的推动下，向左运动的最大行程大于岩石试样17的厚度，以保证试验进行时能将岩石试样17切割出贯穿孔洞。

真三轴试验台1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试验台，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17试验模拟的要求。

推进液压缸11，具有缸径小、稳定性好、速率调节范围广、行程大的优点，能够以不同速率平稳向左推动钻杆14切割岩石试样17，并能稳定固定某一位置，从而实现隧洞不同开挖卸荷速率和卸荷量的模拟。采用推进液压缸11推进，液压容易吸收冲击和振动，可减少电机12驱动实心钻头16切割岩石试样17时产生的振动，推进平稳，能够精准控制实心钻头16向左移的距离，通过调节液体的流量实现无级调速，且调速范围很大，很容易获得极低的推进速度，易于实现过载保护。

电机12优选型号为ACSM180-G19015数控伺服电机，具有体积小、功率大、转速平稳且可任意调的特点，可满足真三轴试验机试验台空间有限的要求，能保证钻杆14有足够的行程量，以适应增大岩石试样17尺寸范围。

实施例

一种模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验方法应用一种模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，按照以下试验步骤：

步骤一、在真三轴试验台1上安装固定岩石试样17：选取合适直径的钻杆14，与电机12的输出轴13进行螺纹连接，再将本发明模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置安装固定，使左底板4上的钻杆入口8、右承压板3上的右圆孔7、岩石试样17及左承压板2上的左圆孔6四者的中心轴线重合，最后将推进液压缸11与液压油泵连接；

步骤二、对岩石试样17进行三维初始应力加载：安装完成后，打开真三轴试验机的控制系统、液压系统、监测系统及数据采集系统，并根据试验方案对岩石试样17进行三维加载，真三轴试验机X方向左侧通过左承压板2对岩石试样17左面进行加载，而X 方向右侧首先对右底板5加载，再通过直线导轨9将右底板5上的力传递给左底板4，然后左底板4再将力传递给右承压板3对岩石试样17右面进行加载，Y方向通过前承压板18和后承压板19对岩石试样17前后两个面进行加载，Z方向通过上承压板20和下承压板21对岩石试样17上下两个面进行加载，通过以上操作完成三维初始应力加载；

步骤三、模拟巷道机械开挖过程：加载至设定的初始应力水平后，打开电机12的电源开关，电机12驱动钻杆14高速旋转，调节油泵液压阀开关，控制推进液压缸11向左推进的速度，实心钻头16在推进液压缸11的推动下水平向左移动，由左底板4上的钻杆入口8和右承压板3上的右圆孔7进入，并与岩石试样17接触，进而切割岩石试样17，高速旋转的螺旋叶片15将切割留下的岩石碎屑自动排出；

步骤四、开展后续试验分析：当实心钻头16在岩石试样17内部开凿出贯穿的圆形孔洞后，调节油泵液压阀开关，推进液压缸11向右回缩，使实心钻头16向右平移退出开凿的孔洞，完成圆形隧洞机械开挖卸荷的模拟过程，随后可继续开展隧洞开挖卸荷后的围岩力学响应和破坏特征的相关试验研究，如围岩板裂化破坏、岩爆、分区破坏化、大变形及稳定性分析等。

本实施例中的圆形隧洞机械开挖卸荷模拟试验方法，解决了隧洞模拟试验中三维加载条件下难以实现“先加载后开孔”卸压过程的难题，较真实的再现了深部隧洞的机械开挖卸荷过程，保证了开展隧洞开挖卸荷相关模拟试验的准确性和科学性。

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。

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

Claims (5)

1.模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，试验装置置于真三轴试验台(1)上，左承压板(2)、右承压板(3)、前承压板(18)、后承压板(19)、上承压板(20)和下承压板(21)组成加载室，岩石试样(17)置于加载室中，右承压板(3)与左底板(4)相连，左圆孔(6)开设于左承压板(2)上中心位置，右圆孔(7)开设于右承压板(3)上中心位置，钻杆入口(8)开设于左底板(4)上中心位置，左圆孔(6)、右圆孔(7)和钻杆入口(8)位于同一中轴线上，右底板(5)置于试验装置的末端，左底板(4)的四个角分别与直线导轨(9)相连，四根直线导轨(9)与右底板(5)的四个角相连，右底板(5)与推进液压缸(11)的一端相连，推进液压缸(11)的另一端与电机(12)的外壳相连，电机(12)外壳与四个滑块(10)相连，滑块(10)分别位于直线导轨(9)上，输出轴(13)设于电机(12)内部，输出轴(13)与钻杆(14)一端连接，钻杆(14)另一端与实心钻头(16)连接，钻杆(14)上设有螺旋叶片(15)。

2.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述岩石试样(17)为长方体。

3.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述左圆孔(6)、右圆孔(7)和钻杆入口(8)的直径相同，且孔径比钻杆(14)的直径稍大。

4.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述钻杆(14)与输出轴(13)通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述电机(12)型号为ACSM180-G19015数控伺服电机。