[发明专利]深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。

背景技术

在深埋隧道工程规划建设过程中，洞室围岩稳定性是岩土工程和地质工程工作者必须予以高度重视的问题。洞室围岩一般是指地下洞室周围，由于地下局部开挖而引起变形及应力重新分布的一定范围内的岩土体，由于地质条件的差异，容易发生岩爆和软岩大变形等重大工程地质问题，直接关系到地下洞室施工的安全、进度和质量。岩爆是围岩在高地应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛散，以及洞壁片状剥落等动力破坏现象。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定性带来很多的问题，甚至会造成重大工程事故。而了解隧道建设过程中深埋隧道岩体的应力、位移的变化规律对于分析洞室围岩稳定性和预防岩爆的发生无疑具有重要意义。

目前，针对深埋隧道建设中隧道岩体应力应变监测的研究多集中于理论上的分析，对于深埋隧道岩体围岩应力应变监测的实验室模拟是该研究领域的空白，而针对深埋隧道建设中隧道围岩岩体应力应变监测的模拟实验装置是研究隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆形成机理的重要手段之一，具有重要的理论和实际意义。

经检索，目前尚无一套成熟准确模拟深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法。

其一是本试验装置能准确模拟在深埋隧道建设中，随着隧道开挖，隧道围岩岩体内的位移、应力和应变也将随着变化，为隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一种新的试验手段。

其二是本试验方法可以实现在隧道施工中采取不同施工组合方式进行施工时，深埋隧道围岩岩体随开挖速率的不同，检测其位移、应力、应变的变化规律，这有利于启发我们找到最安全、高效的隧道施工速度。

本发明的目的是这样实现的：

根据实际隧道建设中隧道围岩岩体的岩性、结构特征和工程地质力学性质建立地质模型，并概化为实验室数学模型，并用可比拟的相似性材料建立物理模型；在试样顶部施加一定均匀荷载模拟其深埋隧道所在位置的自重应力场，如此可以使试样准确模拟实际隧道围岩分布特征和力学特性；采用试验用微型盾构机模拟隧道建设时的开挖过程，使用无级变速箱控制钻进速率，并布设监测系统准确测得隧道围岩内部位移、应力和应变的变化规律，以供后期数据分析。其原理符合野外地质体和施工现场的相似模拟模式，试验装置相对简单，造价低廉，可以为大多数教学科研单位所装备。

1、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置（简称试验装置）

本试验装置包括试样、深埋隧道岩体模型仪、钻进面、垂向压力系统、压力板、分布式光纤监测系统、光纤、应变片、微型盾构机、无级变速箱和数据采集系统；

其连接关系是：

在深埋隧道岩体模型仪内的试样上加盖压力板，在压力板之上设置垂向压力系统，进行加荷以模拟施加自重应力；

微型盾构机自钻进面钻入试样中，微型盾构机、无级变速箱和电机依次连接，实现钻进；

在试样中布设8条光纤和6枚应变片，光纤与分布式光纤监测系统相连，分布式光纤监测系统和应变片分别与数据采集系统连接，实现检测和记录。

2、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验方法（简称试验方法）

本试验方法是基于上述深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的，具体包括下列步骤：

①试样的制备

a、试样采用相似材料模拟现实隧道建设中的深埋隧道岩体，密度为2.0～3.0g/cm³，含水率为10～20%，并按实际岩体结构性质和破裂情况采用土、砂、重晶石以一定重量比例（土：砂：重晶石=1：2：7）调配而成；

b、在试样指定位置布设光纤和应变片；

c、加入压力板，并根据深埋隧道实际埋深，计算出其自重应力场，由垂向压力系统在试样顶部施加相应压力值，压实固结48h；

②检查试样的初始值

启动分布式光纤监测系统和数据采集系统，观察光纤所导出的试样应力初始值和应变片测试出的应变初始值；

必须保证初始值在预先设计的有效范围之内，若某个初始值偏离平均值过大，应当考虑重新制备试样或更换相应元件；

③检查试样的固结程度

若试样在12h内其应力、应变基本保持不变，则表明试样已固结好，可以进行下一步操作；