[实用新型]一种隧道开挖过程模拟试验装置

说明书

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。

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。