一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统的制作方法

本发明具体涉及一种基于岩石动力学的地下硐室开挖瞬态卸荷模拟试验系统，属于岩土工程模型试验装置领域。

背景技术：

受地形地貌限制，我国大量工程建筑深埋于地下围岩中，其围岩具有较高地应力及复杂的地质构造，开挖过程中的突然卸荷往往会诱发围岩挤压大变形、流变、分区破裂等高度非线性行为，继而导致围岩失稳坍塌、开裂、岩爆等工程地质灾害，给工程的安全带来了严峻挑战。我国的深部工程建设主要采用钻爆法进行施工，开挖面在爆破振动的作用下，突然卸荷。这种瞬态开挖过程一方面易导致围岩产生应力动态卸荷，导致围压结构内部裂纹萌生、扩展及贯通，从而形成围岩损伤区；另一方面，由于岩体埋深大、地应力高、地质构造复杂并且工程扰动频繁等原因，损伤区内岩体在后续高应力和爆破作业、矿震或断层活化等动静载荷作用下，其内部微破裂会继续扩展及贯通甚至造成失稳破坏，继而导致整体结构灾变性失稳，诱发岩爆等强烈岩石工程动力灾害。

目前国内有不少学者通过数值模拟和理论计算的方式对地下硐室的开挖稳定性进行研究，但不能直观地了解开挖面突然卸荷条件下硐室围岩的瞬态位移及变形情况，因此需要开展室内物理模型试验，以进行硐室围岩在开挖瞬态卸荷作用下的力学行为研究。现有地下硐室的模型试验主要考虑了形成硐室后的稳定性，但不能反映卸荷过程及卸荷条件对硐室围岩的影响。武汉理工大学发明的地下硐室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，仅考虑岩体结构面的卸荷，无法全局直观地反应整个硐室的稳定。而且卸荷控制通过电磁实现，但电磁在达到目标磁力之前需要一段时间充电，故此无法很好地反应的瞬态卸荷过程。

技术实现要素：

针对硐室开挖瞬态卸荷的复杂性和重要性，本发明提出了可实现模拟不同应力条件下地下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统。该系统能够模拟硐室掌子面开挖瞬态卸荷过程，并可完成不同地应力条件和不同卸荷速率下不同开挖面形状的围岩瞬态卸荷，并能同时记录硐室围岩全场位移变化全过程。该试验可间接解决实际工程中钻爆法开挖卸荷瞬间围岩位移无法测量的问题。

本发明提供一种可实现不同地应力条件下的地下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，该试验系统的目的是实现不同地应力、不同形状开挖面的地下硐室掌子面在开挖瞬态卸荷工况下的全断面位移测试的试验系统。

本发明的技术方案如下：

一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，包括原位应力模拟装置，瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置；其中，原位应力模拟装置由地应力加载装置和硐室围岩模型组成，硐室围岩模型利用地应力加载装置对围岩模型四个加载面进行夹持并施加荷载，硐室围岩模型上受到平面应力的作用；地应力加载装置和硐室围岩模型配合使用并放置于同一个与水平面垂直的平面上；在该平面的前后两个方向上分别放置瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置。

所述的硐室围岩模型为多边形的板状岩石类材料，其中心处设置有与塞体一致的孔洞；地应力加载装置用于对硐室围岩模型的四个加载面施加荷载，在试验室条件下模拟硐室围岩所处的真实的地应力环境；瞬态卸载装置中的塞体与硐室围岩模型的孔洞保持滑动配合，地应力加载装置施加地应力时塞体能够填充孔洞并与硐室围岩模型协同工作，塞体承担硐室围岩模型孔洞处传递而来的地应力，模拟地下硐室开挖前原位围岩所处的真实地应力环境；随后，通过阀门控制气罐中的高压气体进入发射套筒，高压气体驱动发射套筒内的撞击块向远离塞体的方向运动并撞击法兰，法兰与塞体通过卸载杆相连，随即实现塞体从硐室围岩模型的孔洞中的快速拉出以模拟原位围岩的突然卸载过程；通过改变气罐中高压气体压力的大小控制撞击块的撞击速度，进而实现塞体以不同的速度被拉出孔洞，模拟实际工程中不同的卸载速率；围岩全场位移监测系统用来对硐室围岩模型的一个自由面在瞬态卸荷后的平面的位移场变化信息进行监测，以准确获得试验室条件下硐室围岩对于突然卸荷作用的变形响应关系。

所述的试验系统，应力加载装置为四个液压头，四个液压头对硐室围岩模型的四个加载面施加荷载以模拟地应力，通过对加载应力路径实现精确控制，与数据分析装置相连配合，用于测量并记录模型四个加载面的应力；在硐室围岩模型的另外两个自由面上分别布置有瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置。

所述的试验系统，硐室围岩模型的四个加载面的面积比地应力加载装置的接触面面积要略小，以保证模型材料在加载时能够完全受荷。

本发明的模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷装置，包括试验平台，挡板与支撑装置，其中挡板与支撑装置通过螺栓相连，挡板与支撑装置相连后安装于试验平台靠近硐室围岩模型的一端；挡板和支撑装置设置有与卸载杆直径相同的圆孔供其穿过；试验平台上设置有支座；支座的功能在于支持发射套筒和卸载杆；发射套筒的封闭端设置有一个直径与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过，圆孔处做密封处理，防止漏气；在发射套筒上设置有与气罐连接的阀门，气罐与空压机相连，套筒内安装有撞击块，撞击块中间设置有直径与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过；卸载杆靠近硐室围岩模型一端处与塞体相连，在另一端通过螺纹与法兰固定；在卸载杆上粘贴压缩应变片，压缩应变片连接动态应变仪，动态应变仪连接示波器。

所述试验台设有滑道，用于调节支座的位置。

所述卸载杆穿过撞击块以及套筒，卸载杆一端内圆部分加工有带螺纹的圆孔，与塞体固定；卸载杆另一端与法兰通过螺纹固定。

所述挡板通过连接夹具固定在试验平台上，并与硐室围岩模型接触；挡板中心留有与卸载杆直径相同的圆孔可供卸载杆与塞体穿过。

所述支撑装置设计为草帽形，一端通过螺栓固定在挡板上，一端留有与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过，用于保持卸载杆水平。

所述塞体，一端加工为硐室模型掌子面形状，端头设计为坡度为1°的锥体，另一端外部刻有螺纹与卸载杆端相连。

具体说明如下：

一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，其特征在于，包括原位应力模拟装置ⅱ，瞬态卸载装置ⅲ和围岩全场位移监测装置ⅰ(见图1)。其中，原位应力模拟装置ⅱ由地应力加载装置1和硐室围岩模型2组成，地应力加载装置1为四个由控制系统控制的液压头。该装置的功能在于对硐室围岩模型2施加平面应力，以模拟地下硐室所处的真实地应力环境；硐室围岩模型2为多边形岩石类材料板材制成，其中心处设置有孔洞，用以模拟硐室围岩。围岩全场位移监测装置ⅰ包括高速摄像采集系统，其功能在于对硐室围岩模型的自由面(垂直于地应力施加平面)在瞬态卸荷后的平面的位移场变化信息进行监测。瞬态卸载装置ⅲ中的塞体3与硐室围岩模型2中的孔洞尺寸一致，相互配合，测试时塞体3可被瞬时从孔洞中拉出。其功能在于模拟地下硐室开挖施工过程中的突然卸荷。

所述的瞬态卸载装置ⅲ，其特征在于在试验平台17上依次设置有挡板5、支撑装置6、卸载杆4、塞体3、支座18、发射套筒8、撞击块7和法兰9。其中，支撑装置6和挡板5通过螺栓16固定为一体，而后安装在试验平台17上。塞体3和法兰9分别与卸载杆4的两端相连，其中塞体3的内部与卸载杆4的外侧加工有相互匹配的螺纹，二者通过螺纹相连固定，塞体3靠近硐室围岩模型2一端；法兰9与卸载杆4通过螺栓16固定相连，法兰9位于卸载杆4另一端。塞体3与法兰9之间设置有发射套筒8和撞击块7，卸载杆4穿过二者并可沿轴向自由运动。固定于试验平台17上的支座18为发射套筒8、卸载杆4提供支撑。

所述的发射套筒8中设置有撞击块7，发射套筒8一端封闭一端开放，撞击块7为哑铃状且其外径略小于发射套筒8的内径，使其可在发射套筒8中自由滑动。撞击块7与发射套筒8的封闭端的中心位置均设置有直径与卸载杆4直径相同的圆孔供卸载杆4穿过，发射套筒8封闭端的圆孔与卸载杆4之间设置有密封装置，该装置的作用为封闭发射套筒8的封闭端圆孔与卸载杆4之间的缝隙使之不漏气，同时又不限制卸载杆4沿其轴线方向的运动；在发射套筒8上连接有与气罐14相连的阀门13，气罐14与空压机15相连且可为发射套筒8提供稳定的压力气源。上述各部分均通过支座18提供支撑，支座18的作用在于支撑上述各部分使它们同轴工作。支座18放置在试验平台17上以保证各部件放置稳定。

试验平台17的一端安装有支撑装置6，支撑装置6中心处亦设置有与塞体3形状与尺寸相同的孔洞以保证塞体3和卸载杆4可以自由穿过支撑装置6运动。支撑装置6与挡板5通过螺栓16固定相连，且在挡板5的中心处也设置有与支撑装置6中心处相同的孔洞供塞体3和卸载杆4自由运动。在卸载杆4上粘贴有压缩应变片10，压缩应变片10连接动态应变仪11，动态应变仪11连接示波器12，上述三者共同配合使用可以采集卸载杆4上由于撞击产生的应力波。瞬态卸载装置的三视图如图3—图5所示。

所述支撑装置6设计为草帽形，一端通过螺栓固定在挡板5上，一端留有与卸载杆4直径相同的圆孔供卸载杆4穿过，用于保持卸载杆4水平。所述挡板5通过连接夹具固定在试验平台17上，挡板5与硐室围岩模型2接触；挡板5中心留有与卸载杆4直径相同的圆孔保证卸载杆4与塞体3自由通过。支撑装置6与挡板5可保证塞体3被卸载杆4拉出硐室围岩模型2的中心孔洞时，模型本身保持稳定不被拉坏从而影响实验结果。

所述试验平台17设有滑道，用于调节支座18的位置。

所述塞体3，一端加工为硐室模型掌子面形状，可为圆形或马蹄形等，端头设计为坡度为1°的锥体，另一端外部刻有螺纹与卸载杆4端相连。图6为硐室围岩模型2与瞬态卸载装置ⅲ连接的剖面图。

所述围岩全场位移监测装置ⅰ，包括高速摄像，二者与计算机相连，用于测量、记录和存储围岩全场全过程位移变化。所述的高速摄像采集系统可与动态应变仪11相连，通过触发信号，触发高速摄像机测量并记录卸载瞬间围岩应力重分布情况。

所述的地应力加载装置1的四个液压头可对硐室围岩模型2的非自由边界(a、b、c、d)(如图7所示)施加荷载以模拟原位地应力，控制系统可对加载应力路径实现精确控制。该装置与数据分析装置相连，用于测量并记录模型四个加载面的应力。

所述的硐室围岩模型2利用地应力加载装置1的四个液压头对模型的四个加载面(即非自由边界a、b、c、d，图7所示)进行夹持并施加荷载，硐室围岩模型2上受到平面应力的作用；在硐室围岩模型2的另外两个自由面(a、b，图7所示)方向上分别布置有瞬态卸载装置ⅲ和围岩全场位移监测装置ⅰ。

所述的硐室围岩模型2的非自由边界(a、b、c、d)的面积比地应力加载装置1的接触面面积要略小，以保证模型材料在加载时能够完全受荷。

优选地，所述卸载杆4为镍铬钢材料，长度为600mm，直径为20mm。

优选地，所述挡板5厚度为10mm，长度和宽度分别为150mm。

优选地，所述的硐室围岩模型2，边界为方形边界，长度可变化为300mm～500mm，四角分别切掉边长为20～30mm的等腰三角形，中心圆孔靠近监测系统方向直径为10mm，靠近卸载装置端为坡度增加为1°，与卸载杆表面贴合，其中硐室形状可根据实际工程情况而变化。

优选地，所述气罐14的工作压力为0.5～20mpa。

优选地，所述应变片10采用精密标准1000ω电阻，粘贴位置位于卸载杆靠近塞体端的1/3处，应变片测试采用惠斯通电桥测试原理。

本发明中所有装置按照上述方法进行安装配置，硐室围岩模型2中的四个非自由边界与地应力加载装置1的四个液压头直接接触，二者配合使用并放置于同一个与地面垂直的平面上。在该平面的前后两个方向(a、b)上分别放置瞬态卸载装置ⅲ和围岩全场位移监测装置ⅰ；

硐室围岩模型为中心处设置有孔洞的多边形岩石类材料板材；地应力加载装置用于对硐室围岩模型的非自由边界施加荷载，在试验室条件下模拟硐室围岩所处的真实的地应力环境；瞬态卸载装置中的塞体与硐室围岩模型的孔洞保持滑动配合，地应力加载装置施加地应力时塞体能够填充孔洞并与硐室围岩模型协同工作，塞体承担硐室围岩模型孔洞处传递而来的地应力，籍此以模拟地下硐室开挖前原位围岩所处的真实地应力环境；随后，通过阀门控制气罐中的高压气体进入发射套筒，高压气体驱动发射套筒内的撞击块向远离塞体的方向运动并撞击法兰产生冲击加载波εi(e)，加载波εi沿着卸载杆向塞体方向传播，法兰与塞体通过卸载杆相连，随即实现塞体从硐室围岩模型的孔洞中的快速拉出以模拟原位围岩的突然卸载过程，沿卸载杆传播的加载波εi于塞体处反射产生反射波εr(f)，如图2所示。通过改变气罐高压气体压力的大小控制撞击块的撞击速度，进而实现塞体以不同的速度被拉出孔洞，进而模拟实际工程中不同的卸载速率；围岩全场位移监测系统用来对硐室围岩模型的一个自由面(垂直于地应力施加平面)在瞬态卸荷后的平面的位移场变化信息进行监测，以准确获得试验室条件下硐室围岩对于突然卸荷作用的变形响应关系。

本发明提供一种可模拟隧道围岩不同应力条件下开挖瞬态卸荷的试验装置，该装置主要包括，原位应力模拟装置、瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置；其中原位应力模拟装置中的地应力加载装置用来对硐室围岩模型施加荷载；瞬态卸载装置用以对硐室围岩模型进行突然卸荷，其包括卸载杆，塞体、发射套筒，撞击块，法兰，挡板，支座，试验平台，示波器及动态应变仪。整个瞬态卸载装置垂直于硐室围岩模型，与硐室开挖方向一致；用塞体代替掌子面即将卸载的岩体，塞体通过螺纹与卸载杆相连。通过动态应变仪和示波器分别记录卸载杆中加载波和反射波随时间变化信号，从而计算掌子面瞬态卸荷速率。本发明中，硐室围岩模型可通过地应力加载装置对硐室围岩模型施加外部荷载以模拟实际工程中地下硐室的初始地应力环境；通过改变撞击块的发射速度以模拟不同卸载速率的硐室掌子面瞬态卸载；并且可以改变塞体的性状模拟不同形状硐室围岩瞬态卸荷力学及变形行为。

附图说明

图1为本发明试验系统的示意图。

图2为当撞击块与法兰碰撞时卸载杆产生的波系图。

图3为本发明中瞬态卸载装置的正视图。

图4为本发明中瞬态卸载装置的俯视图。

图5为本发明中瞬态卸载装置的侧视图。

图6为硐室围岩模型与瞬态卸载装置连接的剖面图。

图7为硐室围岩模型正视图和侧视图。

图8为试验装置瞬态卸载时卸荷力历时曲线。

其中：1为地应力加载装置，2为硐室围岩模型，3为塞体(掌子面岩体)，4为卸载杆，5为挡板，6为支撑装置，7为撞击块，8为发射套筒，9为法兰，10为压缩应变片，11为动态应变仪，12为示波器，13为阀门，14为气罐，15为空压机，16为螺栓，17为试验平台，e为冲击加载波εi，f为反射波εr。ⅰ为围岩全场位移监测装置，ⅱ为原位应力模拟装置，ⅲ为瞬态卸载装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明中的模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统主要包括三个部分：原位应力模拟装置ⅱ，瞬态卸载装置ⅲ和围岩全场位移监测装置ⅰ；该试验系统中，硐室围岩模型2利用原位应力模拟装置ⅱ中的地应力加载装置1对其四个加载面(a、b、c、d)进行夹持并施加荷载，因此硐室围岩模型2上受到平面应力的作用。其中，硐室围岩模型2中的孔洞被瞬态卸载装置ⅲ中的塞体3填充，地应力通过孔洞传递到塞体3上；加载后，塞体3与硐室围岩模型2协同工作以共同承担地应力；在硐室围岩模型的另外两个自由面(a、b)上分别布置有瞬态卸载装置ⅲ和围岩全场位移监测装置ⅰ；所述硐室围岩模型为多边形岩石类材料板材，其中心处设置有与塞体3大小一致的孔洞，并能够滑动配合。

瞬态卸载装置ⅲ中的包括塞体3、挡板5、支撑装置6、卸载杆4、支座18、发射套筒8、撞击块7和法兰9。其中，支撑装置6和挡板5通过螺栓16固定为一体，而后安装在试验平台17上。塞体3和法兰9分别与卸载杆4的两端相连，其中塞体3的内部与卸载杆4的外侧加工有相互匹配的螺纹，二者通过螺纹相连固定，塞体3靠近硐室围岩模型2一端；法兰9与卸载杆4通过螺栓16固定相连，法兰9位于卸载杆4另一端。塞体3与法兰9之间设置有发射套筒8和撞击块7，卸载杆4穿过二者并可沿轴向自由运动。固定于试验平台17上的支座18为发射套筒8、卸载杆4提供支撑。发射套筒8一端封闭一端开放，撞击块7可在发射套筒8中自由滑动。撞击块7与发射套筒8的封闭端的中心位置均设置有直径与卸载杆4直径相同的圆孔供卸载杆4穿过，发射套筒8的封闭端的圆孔与卸载杆4之间设置有密封装置，其可封闭套筒封闭端圆孔与卸载杆4之间的缝隙使之不漏气；在发射套筒8上连接有与气罐14连接的阀门13，气罐14与空压机15相连且可为发射套筒8提供稳定的压力气源。上述各部分均通过支座18提供支撑，支座18的作用在于支撑上述各部分使它们同轴工作。支座18放置在试验平台17上以保证各部件放置稳定。

试验平台17的一端安装有支撑装置6，支撑装置6中心处亦设置有与塞体3形状与尺寸相同的孔洞以保证塞体3和卸载杆4可以自由穿过支撑装置6运动。支撑装置6与挡板5通过螺栓16固定相连，且在挡板5的中心处也设置有与支撑装置6中心处相同的孔洞供塞体3和卸载杆4自由运动。在卸载杆4上粘贴压缩应变片10，压缩应变片10连接动态应变仪11，动态应变仪11连接示波器12。

支撑装置6一端通过螺栓固定在挡板5上，一端留有与卸载杆4直径相同的圆孔供卸载杆4穿过。挡板5通过连接夹具固定在试验平台17上，挡板5与硐室围岩模型2接触；挡板5中心留有与卸载杆4直径相同的圆孔保证卸载杆4与塞体3自由通过。

试验系统各部件装配完毕后，控制地应力加载装置1的四个液压头对硐室围岩系统2施加地应力，塞体3与之协同承担地应力；待加载到指定应力并维持稳定后使其保持不变。利用空压机15将气罐14中灌充一定压力大小的压缩气体，打开阀门13使压缩气体充入至发射套筒8内，推动撞击块7使其撞击法兰9；法兰9带动卸载杆4运动，卸载杆4将卸荷拉力传播至塞体3并使其脱离硐室围岩模型2。此过程中利用压缩应变片10、动态应变仪11以及示波器12采集并记录波形，当气罐14中的高压气体被瞬间释放时，其会推动撞击块7在发射套筒8中运动，当撞击块7边缘与法兰9接触并撞击时，撞击块7与法兰9并带动卸载杆4和塞体3以相同的速度继续运动，从而塞体3可以被瞬间从硐室围岩模型2的孔洞中拉出。撞击瞬间会于卸载杆4与法兰9连接端处产生一列拉伸加载应力波εi，该列应力波沿卸载杆4向塞体3的方向传播并于杆端形成反射波εr；以上所有应力波均通过粘贴在卸载杆4上的压缩应变片进行采集。试验中的典型波形如图8所示。该波形同时用于触发围岩全场位移监测装置ⅰ，从而实现对硐室围岩模型自由边界在突然卸荷作用下的图像采集。

本发明公开和提出的一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。