CN210720389U - 一种隧道开挖过程模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道开挖过程模拟试验装置，其包括试验箱体，试验箱体上、下端的两个面上均安装有若干竖向液压油缸，试验箱体四周的侧面上设置有若干横向液压油缸，且相对的两个侧面上开设有隧道孔；试验箱体的外围设置有框架结构的荷载梁，横向液压油缸和竖向液压油缸分别固定在载荷梁上，试验箱体内填充有岩石相似材料，岩石相似材料内埋有若干声发射传感器和若干应变砖。本实用新型通过设置千斤顶、竖向液压油缸和侧向液压油缸，不仅可以模拟自重应力场，而且还可以模拟各种复杂构造应力场，保证岩石相似材料处于三向受压状态，与深埋隧道岩体受力更符合。

Description

一种隧道开挖过程模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道开挖过程模拟试验装置。

背景技术

随着我国基础设施建设的迅猛发展，特别是在西部山区铁路、公路、水利工程中，深埋长大隧道的典型地质病害问题日益显现，如青藏铁路上的关角隧道、南昆铁路的家竹箐隧道等都遇到不同程度的围岩大变形，严重影响工程的顺利施工；锦屏II级水电站隧洞群平均长度约16700m，最大埋深达到2525m，岩爆灾害尤其突出。综合比较分析可以看出，多为山高坡陡、地形起伏大的山岭地区，加之区域地质构造作用强烈以及深切峡谷地形地貌的影响，使得隧道建设中面临的地应力环境问题异常复杂，岩爆和大变形也成为隧道工程勘察设计和施工建设中最典型的地质灾害之一，因其突发性、不确定性和破坏力强，至今仍是困扰地下工程勘察设计和安全施工的一个世界性难题。

物理模型试验是以相似理论(几何相似、运动相似和动力相似)为基础，具有直观性、周期短、投资小和试验数据准确等优点。建立物理模型试验分析研究隧道开挖过程中的三维应力场、岩爆或大变形的机理，是通过对缩尺的模型试件加载、开挖以及支护，从而模拟隧道的三维应力场以及破坏现象，此外在物理模型试验内的岩石相似材料中可以填充应变片、位移计、温度传感器和声发射传感器等监测传感器，可以获得隧道开挖过程中的应力-应变、位移、温度和声发射信号等实测数据，为隧道掘进施工过程的变形破坏模型等机理研究提供可靠的试验数据。

研究深埋隧道开挖过程中的三维应力场、岩爆和大变形对于隧道勘察设计、后期隧道开挖及支护结构设计具有十分重要的意义。根据长大深埋隧道施工以及理论科学研究发现，隧道轴线与最大主应力方向的不同夹角以及地温等都对隧道施工具有十分重要的影响，但是国内现有为数不多的三维应力模拟系统只能模拟最大主应力与隧道轴线平行或垂直两种情况，无法模拟隧道轴线与最大主应力方向的不同夹角对隧道施工的影响；此外，这些三维应力模拟系统也很少考虑地温的影响，所建立的模型试验不符合实际隧道施工情况。

随着隧道等地下工程的埋深越来越大以及地质构造条件复杂性，岩爆和大变形灾害越来越突出，由于相关试验装置的严重缺乏，阻碍深埋隧道开挖过程中的三维应力场、岩爆和大变形的机理研究。因此现在急需一种深埋隧道开挖过程中的三维应力场、岩爆或大变形模拟试验装置，来模拟并分析研究不同复杂地质条件下隧道施工的三维应力场、岩爆和大变形机理，为深埋长大隧道的勘察设计阶段或施工早期阶段及支护结构设计提供数据支持。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型提供了一种能够模拟隧道开挖过程中隧道轴线与最大主应力方向的不同夹角对隧道开挖的影响的岩体三维应力场、岩爆或大变形的模拟试验装置。

为达到上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案为：

提供一种隧道开挖过程模拟试验装置，其包括试验箱体，试验箱体上、下端的两个面上均安装有若干竖向液压油缸，试验箱体四周的侧面上设置有若干横向液压油缸，且相对的两个侧面上开设有隧道孔；试验箱体的外围设置有框架结构的荷载梁，横向液压油缸和竖向液压油缸分别固定在载荷梁上，试验箱体内设置有若干声发射传感器和若干应变砖，若干声发射传感器与声发射系统电连接，若干应变砖与应变仪电连接，声发射系统和应变仪均与计算机终端电连接。

进一步地，荷载梁通过固定底板固定在混凝土底座上，试验箱体的下端通过若干千斤顶与混凝土底座连接，且千斤顶通过垫块与试验箱体连接。

进一步地，载荷梁的一个底角铰接在固定底板上，另一个底角通过第一支撑伸缩杆与固定底板连接，载荷梁的一个侧臂上设置有第二支撑伸缩杆，第二支撑伸缩杆安装在地面上。

进一步地，试验箱体底部的四个角上均设置有滑轮，滑轮滑动设置在混凝土底座上设置的两根支撑钢轨上。

进一步地，若干声发射传感器和应变砖均通过速凝环氧树脂与岩石相似材料耦合，且若干声发射传感器和应变砖均匀分布在岩石相似材料内。

进一步地，岩石相似材料内还埋有若干位移传导杆，若干位移传导杆均与差动式数显位移计电连接，差动式数显位移计与计算机终端电连接。

进一步地，试验箱体内还设置有超声波探头和铜片电极砖，超声波探头与非金属超声波检测仪电连接，铜片电极砖与电阻率仪电连接，非金属超声波检测仪和电阻率仪均与计算机终端电连接。

进一步地，荷载梁的上端设置有吊环，吊环通过伸缩杆与起重机的吊杆连接。

进一步地，岩石相似材料内还均匀埋设有若干加热柱，加热柱与温度控制仪电连接，温度控制仪与计算机终端电连接。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过设置千斤顶、竖向液压油缸和侧向液压油缸，每个千斤顶、竖向液压油缸和侧向液压油缸均可施加不同的压力，不仅可以模拟自重应力场，而且还可以模拟各种复杂构造应力场，保证岩石相似材料处于三向受压状态，与深埋隧道岩体受力更符合；通过设置若干加热柱和温度控制仪，可以模拟在20～80℃地温条件下的隧道开挖过程；可以产生不同埋深和地温的复杂地质条件的岩体三维应力场、岩爆或大变形，并通过实时采集应力变化、声发射信号和岩石相似材料的位移量，输入计算机终端，实现对隧道开挖过程中三维应力场、大变形机理和岩爆机理的研究。

通过不同的三向压力的加载方式和开挖模拟，可以分析研究特定条件下隧道开挖、支护等施工过程对围岩稳定性的影响以及隧道结构的受力状态、破坏现象等。超声波探头检测岩石相似材料的弹性波变化，可用于分析岩爆和大变形的孕育机制和破坏机理；铜片电极砖可测量岩石相似材料电阻率的变化，用于研究分析岩体的破坏机理、裂隙的产生。

起重机通过伸缩杆和横向荷载梁顶部的吊环使试验箱体可吊起，绕着载荷梁底部可顺时针旋转，并在荷载梁底部安置若干千斤顶，使试验箱处于不同角度、位置；试验箱体上的两个隧道孔，使开挖过程中隧道孔前壁的开挖断面始终保持与混凝土底座平行，可以模拟隧道轴线与最大主应力的不同夹角对隧道开挖的影响。

附图说明

图1为隧道开挖过程模拟试验装置的主视结构示意图。

图2为隧道开挖过程模拟试验装置的俯视结构示意图。

图3为隧道开挖过程模拟试验装置的试验状态示意图。

图4为岩石相似材料内部的示意图。

其中，1、试验箱体，2、横向液压油缸，3、垫块，4、竖向液压油缸，5、载荷梁，6、加热柱，7、隧道孔，8、支撑钢轨，9、千斤顶，10、滑轮，11、混凝土底座，12、固定底板，13、吊环，14、伸缩杆，15、起重机，16、应变砖，17、位移传导杆，18、差动式数显位移计，19、应变仪，20、计算机终端，21、第一支撑伸缩杆，22、第二支撑伸缩杆，23、超声波探头，24、铜片电极砖。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

如图1和图2所示，隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，包括试验箱体1，试验箱体1上、下端的两个面上均安装有若干竖向液压油缸4，试验箱体1四周的侧面上设置有横向液压油缸2，且相对的两个侧面上开设有隧道孔7；试验箱体1的外围设置有框架结构的荷载梁，横向液压油缸2和竖向液压油缸4分别固定在载荷梁5上。

如图4所示，试验箱体1内填充有岩石相似材料，岩石相似材料内埋有若干声发射传感器和若干应变砖16，若干声发射传感器和若干应变砖16成方形均匀分布在岩石相似材料内；若干声发射传感器与声发射系统电连接，若干应变砖16与应变仪19电连接，声发射系统和应变仪19均与计算机终端20电连接。

荷载梁通过固定底板12固定在混凝土底座11上，试验箱体1的下端通过若干千斤顶9与混凝土底座11连接，且千斤顶9通过垫块3与试验箱体1连接。

本实用新型通过设置千斤顶9、竖向液压油缸4和侧向液压油缸，每个千斤顶9、竖向液压油缸4和侧向液压油缸均可施加不同的压力，不仅可以模拟自重应力场，而且还可以模拟各种复杂构造应力场，保证岩石相似材料处于三向受压状态，与深埋隧道岩体受力更符合。

如图3所示，本方案的另一优选方案，载荷梁5的一个底角铰接在固定底板12上，另一个底角通过第一支撑伸缩杆21与固定底板12连接，载荷梁5的一个侧臂上设置第二支撑伸缩杆22，第二支撑伸缩杆22安装在地面上。试验箱体1底部的四个角上均设置有滑轮10，滑轮10滑动设置在混凝土底座11上设置的两根支撑钢轨8上。

试验箱体1内还埋设有超声波探头23和铜片电极砖24，超声波探头23与非金属超声波检测仪电连接，铜片电极砖24与电阻率仪电连接，非金属超声波检测仪和电阻率仪均与计算机终端20电连接。

超声波探头23检测岩石相似材料的弹性波变化，可用于分析岩爆和大变形的孕育机制和破坏机理；铜片电极砖24可测量岩石相似材料电阻率的变化，用于研究分析岩体的破坏机理、裂隙的产生。

起重机15通过第一支撑伸缩杆21、第二支撑伸缩杆22和横向荷载梁顶部的吊环13使试验箱体1可吊起，绕着载荷梁5底部可顺时针旋转，并在荷载梁底部安置若干千斤顶9，使试验箱处于不同角度、位置。

若干声发射传感器和应变砖16均通过速凝环氧树脂与岩石相似材料耦合，且若干声发射传感器和应变砖16成方形均匀分布在岩石相似材料内。岩石相似材料内还埋有若干位移传导杆17，若干位移传导杆17均与差动式数显位移计18电连接，差动式数显位移计18与计算机终端20电连接。

应变砖16是由岩石相似材料制作而成，并在应变砖16表面粘贴三向应变片，应变仪19采用LB—IV型多通道数学应变仪19，声发射传感器采用圆柱体状的PXR03/15RMH高灵敏度带磁环吸附声发射传感器，声发射系统采用DS5—16B型全信息声发射信息分析仪。

横向液压油缸2和竖向液压油缸4均通过垫块3与试验箱体1连接，荷载梁的上端设置有吊环13，吊环13通过伸缩杆14与起重机15的吊杆连接。岩石相似材料内还均匀埋设有若干加热柱6，加热柱6与温度控制仪电连接，温度控制仪与计算机终端20电连接。

通过设置若干加热柱6和温度控制仪，可以模拟在20～80℃地温条件下的隧道开挖过程；可以产生不同埋深和地温的复杂地质条件的岩体三维应力场、岩爆或大变形。并通过实时采集应力变化、声发射信号和岩石相似材料的位移量，输入计算机终端，实现对隧道开挖过程中三维应力场、大变形机理和岩爆机理的研究。

Claims (9)

1.一种隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，包括试验箱体(1)，所述试验箱体(1)上、下端的两个面上均安装有若干竖向液压油缸(4)，所述试验箱体(1)四周的侧面上设置有若干横向液压油缸(2)，且相对的两个侧面上开设有隧道孔(7)；所述试验箱体(1)的外围设置有框架结构的荷载梁，所述横向液压油缸(2)和竖向液压油缸(4)分别固定在载荷梁(5)上，所述试验箱体(1)内设置有若干声发射传感器和若干应变砖(16)，若干所述声发射传感器与声发射系统电连接，若干所述应变砖(16)与应变仪(19)电连接，所述声发射系统和应变仪(19)均与计算机终端(20)电连接。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述荷载梁通过固定底板(12)固定在混凝土底座(11)上，所述试验箱体(1)的下端通过若干千斤顶(9)与混凝土底座(11)连接，且千斤顶(9)通过垫块(3)与试验箱体(1)连接。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述载荷梁(5)的一个底角铰接在固定底板(12)上，另一个底角通过第一支撑伸缩杆(21)与固定底板(12)连接，所述载荷梁(5)的一个侧臂上设置有第二支撑伸缩杆(22)，所述第二支撑伸缩杆(22)安装在地面上。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体(1)底部的四个角上均设置有滑轮(10)，所述滑轮(10)滑动设置在混凝土底座(11)上设置的两根支撑钢轨(8)上。

5.根据权利要求1所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，若干所述声发射传感器和应变砖(16)均通过速凝环氧树脂与岩石相似材料耦合，且若干所述声发射传感器和应变砖(16)均匀分布在岩石相似材料内。

6.根据权利要求5所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述岩石相似材料内还埋有若干位移传导杆(17)，若干所述位移传导杆(17)均与差动式数显位移计(18)电连接，所述差动式数显位移计(18)与计算机终端(20)电连接。

7.根据权利要求5所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述岩石相似材料内还均匀埋设有若干加热柱(6)，所述加热柱(6)与温度控制仪电连接，所述温度控制仪与计算机终端(20)电连接。

8.根据权利要求1所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体(1)内还设置有超声波探头(23)和铜片电极砖(24)，所述超声波探头(23)与非金属超声波检测仪电连接，所述铜片电极砖(24)与电阻率仪电连接，所述非金属超声波检测仪和电阻率仪均与计算机终端(20)电连接。

9.根据权利要求1所述的隧道开挖过程模拟试验装置，其特征在于，所述荷载梁的上端设置有吊环(13)，所述吊环(13)通过伸缩杆(14)与起重机(15)的吊杆连接。

Images