[发明专利]一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置

说明书

本发明公开了一种模拟隧道开挖卸荷的试验装置，包括中轴、支撑结构和钢管片，钢管片为弧形片且有两片以上，钢管片的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的钢管片依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，且两片以上的钢管片之间构成了圆柱形内腔；中轴设置在圆柱形内腔的中心轴线处，支撑结构包括连杆和分别连接在连杆两端的支撑杆，其中连杆通过支撑杆固定安装在中轴上，连杆上还安装有轴承，轴承与钢管片的内管壁滑动支撑连接；本发明的有益效果是：能很好的代替传统方案中的水囊和蜡，来实现“先加载，后开挖”。

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，涉及深埋高地应力隧道物理模型试验，具体涉及一种模拟隧道开挖卸载的试验装置，为隧道相关物理模型试验提供优良的开挖解决方案，进而为研究分析隧道开挖过程中围岩应力变化及岩爆等脆性破坏特征提供科学的认识。

背景技术

随着我国西部大开发的进行，西部地下及隧道工程逐渐向西藏高原发展，大埋深、高地应力等复杂地质条件已经成为了建设者以及科研人员面临的重大问题，其中，对硬脆性岩体而言，高地应力岩爆是隧道施工的主要工程地质问题。在复杂地应力环境下建设的深埋长大隧道，以及在建设过程中开展的高地应力岩爆分析研究，对保证隧道顺利施工发挥了重要作用。因此，对隧道开挖后引起的岩爆等脆性破坏特征进行研究是十分必要的。

目前，地下工程岩石隧道岩爆等脆性破坏的研究方法主要有理论分析、数值模拟、物理模拟、现场观测监控等多种研究方法。

理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程上的应用等课题进行探讨，在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散介质理论进行研究。但由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论如非连续介质理论，但都不够成熟。数值分析方法虽然可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力－应变的非线性和流变性，粘、弹、塑性等，但是，由于当前岩石力学试验方法较落后，以至于还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，这就使计算技术的应用受到影响。因此，目前岩土工程数值分析大多只能用于辅助其它研究手段进行验证或者定性分析。

物理模型试验是将现场实际的缩放模型置于实验体如模型架、风洞、水槽、实验装置等内，以相似理论为基础，在满足基本相似条件下，通过在模型上的试验所获得的某些量间的规律再回推到原型上，从而获得对原型的规律性认识，以此模拟真实过程主要特征的实验方法。由于物理模型试验方法可以在实验室内模拟再现现场无法观测的具体工程现象，在各个方面和领域有很强的适用性，具有直接、形象、真实等特性，而且物理模拟结果可以和理论计算结果、数值计算结果相互验证。所以，对于一些复杂地下工程的非线性变形与强度破坏问题而言，采用物理模型试验是最佳的研究手段。

目前，物理模型试验模拟隧道开挖方法有两种，一种是“先开挖，后加载”；另一种是“先加载，后开挖”。对于“先开挖，后加载”技术方案，一般是在制作相似材料模型时，通过预留孔洞来代替隧道开挖部分，待模型达到预期强度后对其进行加载，其缺点主要在于不能实现对实际工程在初始应力状态下隧道开挖卸荷过程的真实模拟。对于“先加载，后开挖”技术方案，一般有两种方法。一种是用机械钻掘设备对加载后的模型直接开挖，其缺点是：1、耗时费力且洞壁极其不规则；2、开挖过程中对周围岩体扰动很大，影响围岩二次应力分布；3、开挖引起的震动会影响监测仪器对数据的收集，进而影响试验结果。另一种开挖方法是填充卸载型，主要代表有“水囊法”和“加热融化法”，其原理大致为：在预留好的孔洞内填入水囊或蜡、松香等物质来代替隧道开挖部分，然后在模型加载期卸掉水压或加热使蜡融化，以此来实现对隧道的开挖。其缺点是：1、开挖时突然卸载，仅能模拟全断面瞬时开挖，忽略了开挖导致围岩变形的时空效应；2、水囊或蜡、松香等物质质地较软，模型加载时不能承受较大应力，模拟高地应力状态下，如果隧道开挖体替代部分刚度不够，则隧道会发生较大变形，进而引起隧道未开挖就已经发生变形破坏；3、对于“加热融化法”，由于蜡、松香等物质受热后融化程度不均匀，导致围岩应力表现差异性分布。总结以上技术方案，其缺陷主要为：操作繁琐、效率低，刚度小，不能承受较大应力，仅能模拟全断面开挖，不足以模拟高地应力状态下隧道的开挖。