[发明专利]一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

为了适应我国国民经济快速发展的需要，“西电东输”、“南水北调”等战略相继实施，随之出现大量复杂地质条件下的深埋长大隧洞（隧道、巷道）工程，其工程规模与技术难度均为世界所罕见。这些高埋深的长大隧洞遍布水利水电工程领域、交通工程领域、铁路、公路领域、采矿工程领域和核废料处置、国防建设等领域，如锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2525米，红透山、冬瓜山铜矿、安庆铜矿等的开采深度都接近或超过了1000m。可以预见，随着我国基础工程建设和资源开发的逐步深部化，将会出现越来越多的深埋长大隧洞（隧道、巷道）工程。随着埋深的增加，地应力明显增大，深埋隧洞开挖卸荷诱发的高强度岩爆频发，造成大量人员伤亡、机械损坏、工期延误和重大经济损失，且这种灾害的危害性随着埋深和应力水平的增大而显著增大。因此，岩爆灾害已经成为制约深埋隧洞（隧道、巷道）工程安全建设的瓶颈问题，岩爆风险的合理评估和准确预测已经成为深埋隧洞工程安全建设和工程防灾减灾急待解决的关键难题。

物理模拟试验是以相似理论为基础，通过对缩尺的模型试件加载、开挖、支护操作，模拟工程现场隧洞所处的原岩应力状态、开挖和支护等，由于可以在试件中预埋各种监测原件、可以方便的改变加载条件和开挖条件，通过监测装置获得试件内的应力分布和变形特征，为工程现场隧洞的开挖施工提供指导和借鉴，因此被广泛应用于地下岩石工程（隧道、巷道等）的研究和施工中。国内外学者为了不同研究目的研制了各种真三轴地质力学模型实验系统，应用于隧洞的静力破坏研究中，如：

（1）岩石力学与工程学报（2004年，第21期）设计了一种新型真三轴巷道模型试验台，用于研究煤矿巷道围岩的稳定性问题，采用液压枕对试件的六个面加载。

（2）岩石力学与工程学报（2010年，第1期）设计了一种真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统，每个方向的加载千斤顶通过各自的小承压板将力施加到试件表面施加梯度荷载。

（3）岩土工程学报（2010年，第10期）设计了一种高地应力真三维加载模型试验系统用于研究巷道围岩的分区破裂化机制，试验系统每个方向加载能力最大为200吨，试件尺寸为0.6米的正方体。

岩爆是深埋、高应力岩体中经常发生的一种特殊的动力破坏，当前一些研究者通过简单的二维加载方式或平面应变条件下进行岩爆的物理模拟试验研究，这与深部岩体的实际受力状态不符，深部岩体多处于三维受力状态；而常规的三轴物理模拟试验装置进行岩爆的物理模拟试验时往往具有以下问题：

（1）部分实验装置的加载能力较低（如柔性囊或液压枕加载），不能提供足够大的荷载模拟深埋岩体所处的高地应力状态。

（2）由于加载装置的缺陷（如每个加载方向上的每个小千斤顶通过各自的小承压板将荷载传递到试件上），会使试件受力不均匀，试件表面产生不必要的剪应力，影响了实验结果的准确性和可靠性。

（3）当前公开的三维物理模拟试验系统都没有能够反映爆破扰动对已开挖成形隧洞稳定性影响的装置或方法，而实际深埋隧洞开挖中，相邻隧洞钻爆法开挖对已成形隧洞岩爆的发生具有较大影响甚至起控制作用。

中国专利申请公布号为CN102636386A，公布日2012.8.15，发明名称为“大吨位均布-集中式加载系统”，该申请案公开了一种对模型试件进行大吨位加载的方式，可使模型试件受力均匀，但该加载系统仅为一种简单的单向的加载系统，模型试件受力为一维受力。

随着地下岩石工程的埋深越来越大，岩爆灾害越来越突出，由于实验系统的复杂性和对设备加载能力的极高要求，当前缺乏专门的用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，可以对试件进行大吨位的真三轴独立加载，保证试件受力均匀，研究爆破震动对岩爆的诱发机制，为准确揭示不同类型岩爆的复杂形成机制和孕育演化规律提供可靠的实验手段。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：