[发明专利]不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置及测试方法

说明书

本发明公开了不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置及测试方法。所述模拟测试装置包括支撑框架、装载料斗、导轨、滑块、双向动力系统和围压加载系统，通过为固定料斗和活动料斗内的围岩材料提供模拟上覆地层压力和水平构造应力的围压加载系统的设计，同时配合双向动力系统、导轨和滑块，使活动料斗能够在水平方向和纵向双向移动，实现了不同埋深、不同构造应力、断层复合错动的复杂工程环境模拟，以及该环境下隧巷道力学行为特征的模拟。本发明能更真实地还原工程实际情况，提高深部髙地应力条件下跨断层隧巷道力学行为特征的研究的准确性，解决现有物理模型箱不能模拟上覆地层压力和构造应力对隧巷道的影响的问题。

技术领域

本发明属于岩土工程与隧道工程领域，涉及一种不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置及测试方法。

背景技术

随着我国经济的发展，铁路和城市轨道交通迅速发展，特别是铁路轨道交通作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在国民经济社会发展中具有重要的地位。构建现代轨道交通装备产业创新体系，打造覆盖干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通的全产业链布局也是国家战略性新兴产业发展规划的要点之一。由于我国西部多山地的地理条件，铁路建设时隧巷道的修筑占据着很大一部分工程量，且西部山区地质条件复杂，往往需要在深部高地应力(大埋深、高构造应力)条件下开挖，越来越多的高难度复杂隧巷道工程出现，因此复杂地质条件下隧巷道工程的研究和发展对铁路轨道交通发展具有至关重要的地位。此外，据不完全统计，在煤矿开采方面，全国煤矿超千米的深井已有约47座；在地下洞室方面，以我国锦屏地下洞室为例，垂直埋深也达到了2400米以上，可见我国地下资源开发利用也已经迈入深地领域。在深部高地应力条件下开挖，由于高覆存压力及高构造应力的存在，隧巷道周边岩体变形一般较大，尤其是强度较低，变形模量大的岩体，易出现隧道塌方，巷道冒顶、底鼓和侧胀等现象，在硬脆性岩体地区亦可诱发岩爆等灾害。然而，目前人们对深部高地应力条件下隧巷道的变形破坏机理认识还不够明确，这极大限制了轨道交通事业的发展和深地资源的利用。

不仅如此，隧巷道修建时还会遇到穿越断层或破碎带等不良地质体的情况。断层与破碎带附近往往围岩强度低，裂隙发育显著，透水性强，施工时极易出现拱顶塌方、不均匀沉降、突水突泥等工程事故，给施工带来重大损失。同时，构造断裂带往往是地震活动带，地震等地质构造运动会引起这类断层活动，对在建或已建成隧道带来重大破坏，造成严重的生命财产损失。因此，深入研究隧道在大埋深、高构造应力、断层破碎带复合环境中的变形破坏特征，对指导隧道工程实践有着重要的意义。

对隧巷道力学行为特征的研究方法主要有现场原位测试、数值模拟、物理模型试验，其中最有效的方法是现场原位监测，即通过预先埋在隧道衬砌或内壁的应力应变及位移监测元件，获得最真实最原始的监测数据。这种方法虽然能准确反映现场实际情况，但由于场地空间限制，监测周期较长，监测费用较高，往往只选择局部断面进行监测，所得结果是不连续的。数值模拟即根据实际现场测量的地质条件参数，运用计算机进行建模，从而分析结构体的力学行为特征，但为了方便计算机建模与计算，在操作时常对实际问题进行简化，使得所建立模型并不能真实反映现场情况。物理模型试验即按照一定的物理、几何相似关系建立与隧道原型结构整体或局部相对应的模型结构，通过物理模型可对原结构力学特征全过程进行观察探索，物理模型一般几何尺寸较小，在室内便可完成相关测试，加之物理模型的费用适中，试验不再受现场场地限制，操作方便，结果直观，故其在各类工程科学研究中占有重要的地位。