本发明专利技术公开了一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置及其方法，涉及岩土力学实验技术。本试验装置的结构是：在深埋隧道岩体模型仪内的试样上加盖压力板，在压力板之上设置垂向压力系统，进行加荷以模拟施加自重应力；微型盾构机自钻进面钻入试样中，微型盾构机、无级变速箱和电机依次连接，实现钻进；在试样中布设8条光纤和6枚应变片，光纤与分布式光纤监测系统相连，分布式光纤监测系统和应变片分别与数据采集系统连接，实现检测和记录。本发明专利技术能准确地再现隧道建设中深埋隧道岩体在被开挖时应力应变的发展变化规律，为隧道建设过程中洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一条新的解决途径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种。
技术介绍
在深埋隧道工程规划建设过程中，洞室围岩稳定性是岩土工程和地质工程工作者必须予以高度重视的问题。洞室围岩一般是指地下洞室周围，由于地下局部开挖而引起变形及应力重新分布的一定范围内的岩土体，由于地质条件的差异，容易发生岩爆和软岩大变形等重大工程地质问题，直接关系到地下洞室施工的安全、进度和质量。岩爆是围岩在高 地应力场条件下所产生的岩片(块)飞射抛散，以及洞壁片状剥落等动力破坏现象。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定性带来很多的问题，甚至会造成重大工程事故。而了解隧道建设过程中深埋隧道岩体的应力、位移的变化规律对于分析洞室围岩稳定性和预防岩爆的发生无疑具有重要意义。目前，针对深埋隧道建设中隧道岩体应力应变监测的研究多集中于理论上的分析，对于深埋隧道岩体围岩应力应变监测的实验室模拟是该研究领域的空白，而针对深埋隧道建设中隧道围岩岩体应力应变监测的模拟实验装置是研究隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆形成机理的重要手段之一，具有重要的理论和实际意义。经检索，目前尚无一套成熟准确模拟。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种。其一是本试验装置能准确模拟在深埋隧道建设中，随着隧道开挖，隧道围岩岩体内的位移、应力和应变也将随着变化，为隧道施工时洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一种新的试验手段。其二是本试验方法可以实现在隧道施工中采取不同施工组合方式进行施工时，深埋隧道围岩岩体随开挖速率的不同，检测其位移、应力、应变的变化规律，这有利于启发我们找到最安全、高效的隧道施工速度。本专利技术的目的是这样实现的根据实际隧道建设中隧道围岩岩体的岩性、结构特征和工程地质力学性质建立地质模型，并概化为实验室数学模型，并用可比拟的相似性材料建立物理模型；在试样顶部施加一定均匀荷载模拟其深埋隧道所在位置的自重应力场，如此可以使试样准确模拟实际隧道围岩分布特征和力学特性；采用试验用微型盾构机模拟隧道建设时的开挖过程，使用无级变速箱控制钻进速率，并布设监测系统准确测得隧道围岩内部位移、应力和应变的变化规律，以供后期数据分析。其原理符合野外地质体和施工现场的相似模拟模式，试验装置相对简单，造价低廉，可以为大多数教学科研单位所装备。I、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置(简称试验装置)本试验装置包括试样、深埋隧道岩体模型仪、钻进面、垂向压力系统、压力板、分布式光纤监测系统、光纤、应变片、微型盾构机、无级变速箱和数据采集系统；其连接关系是在深埋隧道岩体模型仪内的试样上加盖压力板，在压力板之上设置垂向压力系统，进行加荷以模拟施加自重应力；微型盾构机自钻进面钻入试样中，微型盾构机、无级变速箱 和电机依次连接，实现钻进;在试样中布设8条光纤和6枚应变片,光纤与分布式光纤监测系统相连,分布式光纤监测系统和应变片分别与数据采集系统连接，实现检测和记录。2、深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验方法(简称试验方法)本试验方法是基于上述深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的，具体包括下列步骤①试样的制备a、试样采用相似材料模拟现实隧道建设中的深埋隧道岩体，密度为2. 0 3. Og/cm3,含水率为10 20%,并按实际岩体结构性质和破裂情况米用土、砂、重晶石以一定重量比例(土 砂重晶石=1 2 7)调配而成；b、在试样指定位置布设光纤和应变片；C、加入压力板，并根据深埋隧道实际埋深，计算出其自重应力场，由垂向压力系统在试样顶部施加相应压力值，压实固结48h ；②检查试样的初始值启动分布式光纤监测系统和数据采集系统，观察光纤所导出的试样应力初始值和应变片测试出的应变初始值；必须保证初始值在预先设计的有效范围之内，若某个初始值偏离平均值过大，应当考虑重新制备试样或更换相应元件；③检查试样的固结程度若试样在12h内其应力、应变基本保持不变，则表明试样已固结好，可以进行下一步操作；④启动微型盾构机，自深埋隧道岩体模型仪钻进面开始沿水平直线以一定速率钻入试样中，使用无级变速箱控制其钻进速率，钻入试样至一定深度后，停止钻进；观测掌子面及其附近在停止钻进后一段时间内的应力变化情况，同时分析是否有岩爆及软岩大变形等情况的发生；如无相关工程地质问题发生，再行启动微型盾构机，保持恒定速率钻进；⑤使用光纤监测系统观测整个试验过程中试样内部应力、位移的变化情况，同时观测应变片所反映出的应变变化规律，并采集应力、位移、应变变化数据，并输入数据库中，再对试验获得的各种监测数据进行分析，从而获得模拟隧道开挖时深埋隧道岩体应力应变变化的相关规律和岩爆的形成机理。工作原理采用垂向压力系统对试样施加荷载，模拟深埋隧道所在位置的自重应力场；利用微型盾构机对试样进行开挖，并使用无级变速箱控制开挖速率，利用分布式光纤监测系统和应变片监测试样内部位移、应力、应变的变化规律，根据数据采集系统记录的相关数据，对试验获得的各种监测数据进行分析，从而获得模拟隧道开挖时深埋隧道岩体应力应变变化的相关规律和岩爆的形成机理。本专利技术具有下列优点和积极效果①能准确地再现隧道建设中深埋隧道岩体在被开挖时应力应变的发展变化规律，为隧道建设过程中洞室围岩稳定性及岩爆的形成机理研究提供了一条新的解决途径，填补了目前该项研究中的空白；②采用垂向压力系统，可以模拟分析不同隧道埋深条 件下，深埋隧道的岩爆和软岩大变形的形成机理；③采用了无级变速箱和微型盾构机，可以精确控制开挖速率，从而在对比试验中，可以实现模拟隧道在以不同施工组合方式进行施工时，深埋隧道岩体应力应变变化规律的不同，从而为隧道建设开挖的安全性和高效性分析提供了依据。附图说明图I为本试验装置的结构方框图；图2为本试验装置的结构示意图。其中00—试样；10—深埋隧道岩体模型仪；20—钻进面；30—垂向压力系统；40—压力板；50一分布式光纤监测系统；60—光纤；70一应变片；80—微型盾构机；90—无级变速箱；100—数据采集系统。具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明一、实验装置I、总体如图1、2，本试验装置包括试样00、深埋隧道岩体模型仪10、钻进面20、垂向压力系统30、压力板40、分布式光纤监测系统50、光纤60、应变片70、微型盾构机80、无级变速箱90和数据采集系统100 ；其连接关系是在深埋隧道岩体模型仪10内的试样00上加盖压力板40，在压力板40之上设置垂向压力系统30，进行加荷以模拟施加自重应力；微型盾构机80自钻进面20钻入试样00中，微型盾构机80、无级变速箱90和电机依次连接，实现钻进；在试样00中布设8条光纤60和6枚应变片70,光纤60与分布式光纤监测系统50相连，分布式光纤监测系统50和应变片70分别与数据采集系统100连接，实现检测和记录。其工作过程是在深埋隧道岩体模型仪10内的试样00上加盖压力板40，在压力板40之上设置垂向压力系统30进行加荷以模拟施加自重应力；试验过程中，微型盾构机80自钻进面20开始沿水平直线以一定速率钻入试样00中，使用无级变速箱90控制其钻进速率，微型盾构机80采用电能驱动；·到达一定深度后，停止钻进；观测掌子面及其附近在停止钻进后一段时间内的应力变化情本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置，其特征在于 本试验装置包括试样(00)、深埋隧道岩体模型仪(10)、钻进面(20)、垂向压力系统(30 )、压力板(40 )、分布式光纤监测系统(50 )、光纤(60 )、应变片(70 )、微型盾构机(80 )、无级变速箱(90)和数据采集系统(100)； 其连接关系是 在深埋隧道岩体模型仪(10)内的试样(00)上加盖压力板(40)，在压力板(40)之上设置垂向压力系统(30)，进行加荷以模拟施加自重应力； 微型盾构机(80)自钻进面(20)钻入试样(00)中，微型盾构机(80)、无级变速箱(90) 和电机依次连接，实现钻进； 在试样(00)中布设8条光纤(60)和6枚应变片(70),光纤(60)与分布式光纤监测系统(50)相连，分布式光纤监测系统(50)和应变片(70)分别与数据采集系统(100)连接，实现检测和记录。2.按权利要求I所述的一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置，其特征在于 所述光纤(60)由8条并联而成，平行和垂直于试样开挖方向各4条，距离开挖轴面一个直径长度处，以保证数据具有较高的有效性。3.按权利要求I所述的一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置，其特征在于 所述的6个应变片(70)位于距离开挖轴面一个半径长度处，根据开挖长度等间距排列，相邻应变片间隔角度为黄金分割角度137°，以保证数据具有较高的有效性。4.基于权利要求I所述的一种深埋隧道围岩稳定性物理仿真模拟试验装置的试验方法，其特征在于包括下列...
【专利技术属性】
技术研发人员：张永双，郭长宝，张瑞端，蒋良文，周能娟，杜宇本，
申请(专利权)人：中国地质科学院地质力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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