[发明专利]模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明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及试验方法。

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，发明名称为“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，发明名称为“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，发明名称为“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，发明名称为“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。