[发明专利]复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统

说明书

本发明公开了一种复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，该系统由高压水密封模型试验舱、内嵌式高液压伺服加载系统、高地温调控系统、高渗透水压加载系统、微型TBM智能掘进系统、多臂衬砌系统以及自密封高精度测试系统组成。高压水密封模型试验舱用于容纳试验模型体和高压水体，内嵌式高液压伺服加载系统为试验模型体提供高地应力，高地温调控系统为试验模型体施加高地温，高渗透水压加载系统用于对试验模型体进行全方位的高渗透水压加载，TBM智能掘进系统可智能开挖不同形状和尺寸的模型洞室，多臂衬砌系统用于模型洞室开挖后的衬砌支护和注浆加固，自密封高精度测试系统用于测试模型试验体内部任意部位的位移、应力和渗压。

技术领域

本发明涉及一种在水电、交通、能源和矿山工程领域使用的用于模拟复杂多场耦合条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护控制的真三维模型试验系统。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，中国已发展成为世界上隧洞和地下工程建造数量最多、规模最大、地质条件最复杂、结构形式最多样的国家。近年来，中国水电引水隧洞、交通隧道、矿山巷道等深部洞室建设蓬勃发展，建设重心向地质条件复杂的西部山区及岩溶地区转移，高地应力、高渗透压、强岩溶、复杂地质构造等导致深部洞室(交通隧道、引水隧洞、矿山巷道等)施工过程中灾害频发，形成突水、涌泥、塌方等具有隐蔽性和突发性的大型地质灾害，灾害发生部位、规模和动力特征难以准确预测，往往给地下工程建设带来严重危害，轻则造成淹没洞室、冲毁机具等重大经济损失，重则造成重大人员伤亡事故。因此，针对高地应力与高渗透水压耦合作用下深部洞室突水突泥地质灾害的致灾机理开展深入研究，对于有效预防灾害性事故发生，提高深部洞室的施工安全和运营稳定具有十分重大的理论意义和工程应用价值。面对深部洞室工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部工程的重要手段。与MTS研究岩芯力学特性不同，地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺模型研究洞室施工开挖过程与变形破坏的物理模拟方法，对于发现新现象，探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析、数值模拟和现场试验不可替代的重要作用。因此，地质力学模型试验也成为研究深部洞室突水突泥地质灾害发生机理与产生条件的重要手段，要开展高地应力与高渗透压耦合作用下深部洞室围岩稳定与支护地质力学模型试验，就必须具备相应的地质力学模型试验系统。目前有关模型试验系统的研究现状如下：

《岩石力学与工程学报》2009年第4期介绍了一种深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验系统，设计制作渗压自动控制供水系统和离散式花管渗流生成系统，实现渗流场的静载模拟，但该系统无法模拟深部洞室高地应力真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。

《岩石力学与工程学报》2013年第5期介绍了一种海底隧洞流固耦合模型试验系统，由钢结构架、钢化玻璃试验箱和渗压加载装置组成，可进行平面应力和准三维平面应变模型试验，但该系统无法进行高压真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。

《岩石力学与工程学报》2015年第5期介绍了一种底板突水模拟试验系统，可模拟流固耦合条件下矿井底板突水演变过程，但该系统无法实现深部洞室高地应力真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。

《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种深部隧洞突水模拟三维模型试验系统，该系统以室内三轴试验机为模板开发，实现流固耦合加载，但该装置所能容纳的试件尺寸较小，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。

《岩土力学》2017年第3期介绍了一种断层破碎带隧洞突水突泥模型试验系统，该系统通过设置高空水箱进行渗压加载，但该系统无法进行渗压自动加载，无法进行高地应力真三维加载和模拟模型洞室智能开挖与自动衬砌支护过程，也无法模拟温度效应。