一种模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置及测试方法

1.本发明涉及隧道工程施工技术领域，特别涉及一种模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置及测试方法。


背景技术：

2.水底隧道是修建在江河湖海洋下的供汽车或者火车运输行驶的通道，它为铁路、城市道路、公路、地下铁道以及各种市政公用或者专用管线提供穿越水域的通道，特别是在喀斯特地貌发育地区，地底下存在错综复杂的裂隙，容易形成地下暗河或者地下湖泊。当有隧道修建在它们地下穿过时，机械作业等都会使得未开挖的岩体遭受一定的冲击应力，导致围岩部分区域发生应力重分布，隧道和暗河之间的裂隙加速发育，从而隧道和暗河间的裂隙贯通，大量的水喷涌进隧道，危害人民的生命和财产，为解决这类难题，需要找到天然岩石应力状态下由于扰动给裂隙所带来的影响和规律。
3.由于渗流裂隙的发育情况复杂多变，现有的技术主要是依靠单向或者是双向的应力，不能很好地模拟真三轴应力状态，未能很好地解决这类问题，主要是未找到在隧道开挖过程中，由于冲击扰动造成的裂隙贯通以及裂隙骤然发育与渗透水压的规律。因此需要设计一种可以模拟隧道开挖过程中裂隙贯通装置及其试验方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置。
5.本发明还提供一种采用第一方面实施例模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置的测试方法。
6.据本发明的第一方面实施例，提供一种模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，包括：压力试验箱、成对设置的竖向千斤顶、成对设置的横向千斤顶、密封夹具组件、渗流水压加载模块、冲击施力模块、裂隙发育监测模块以及控制系统，所述压力试验箱顶部设置有注油口，所述压力试验箱底部设置有出油口，竖向千斤顶相对设置在所述压力试验箱的底面和顶面，横向千斤顶相对设置在所述压力试验箱相对的侧面，所述竖向千斤顶和所述横向千斤顶通过密封套筒设置在所述压力试验箱内，密封夹具组件通过所述竖向千斤顶和所述横向千斤顶夹持，所述密封夹具组件包括用于放置岩样的密封腔，岩样设置有岩样裂隙，渗流水压加载模块用于对所述岩样的岩样裂隙提供水压，冲击施力模块用于对所述岩样施加冲击扰动，裂隙发育监测模块包括裂纹探测器和探头，所述探头用于探测岩样，所述探头与所述裂纹探测器连接，控制系统与所述裂纹探测器、所述渗流水压加载模块以及冲击施力模块连接。
7.有益效果：此模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，在压力试验箱内设置了两个横向千斤顶和两个竖向千斤顶，并且在压力试验箱上设置注油口和出油口，从而模拟岩样真三轴应力状态，配合冲击施力模块可以模拟天然的岩石应力状态，实现模拟隧道由于
爆破开挖产生的冲击波给未开挖部分岩体的影响，找到渗流裂隙与渗流水压、岩石应力状态、冲击扰动关系，为隧道开挖提供数据支撑，将其运用于实践可以提高隧道建设的稳定性和安全性。
8.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，其特征在于：所述渗流水压加载模块包括水箱、隔水活塞、高压水管以及第一气体储存器，所述高压水管将所述岩样裂隙与所述水箱连接，所述隔水活塞设置在所述水箱内，所述隔水活塞能够沿所述水箱移动，所述第一气体储存器一端与所述水箱连接，所述第一气体储存器出口设置有第一发射阀门，通过控制所述第一发射阀门打开或关闭，使得所述隔水活塞运动。
9.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述渗流水压加载模块还包括水压传感器，所述水压传感器设置在所述高压水管、所述水箱与第一气体储存器之间的管道上。
10.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述水箱为长方体，所述高压水管与所述水箱连接端设置有止水阀，所述高压水管出口端设置有橡胶活塞。
11.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述密封夹具组件包括上盖板、下盖板、左承压板、右承压板以及两侧板，所述左承压板和所述右承压板与所述岩样之间放置密封板，所述密封板与所述岩样通过硅橡胶密封粘贴，所述高压水管通过左承压板或右承压板将所述岩样裂隙与所述水箱连接。
12.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述上盖板、下盖板、左承压板、右承压板之间设置有密封条。
13.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述冲击施力模块包括第二气体储存器、撞击部以及套筒，所述第二气体储存器的出口设置有第二发射阀门，所述套筒一端与所述第二气体储存器出口连接，所述套筒另一端与密封夹具组件连接，所述撞击部设置在所述套筒内，所述控制系统与所述第二发射阀门连接，通过控制所述第二发射阀门打开或关闭，从而使得所述撞击部给所述岩样施加冲击扰动。
14.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述撞击部包括撞体和入射杆，所述撞体位于所述第二气体储存器出口和所述入射杆前端之间。
15.根据本发明第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，所述冲击施力模块包括弹簧和撞击部，通过控制所述弹簧复位，使得所述撞击部给所述岩样施加冲击扰动。
16.根据本发明的第二方面实施例，提供一种测试方法，采用如第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，包括：
17.制备岩样，按岩样尺寸制造所述密封夹具组件，岩样进行机械处理，形成人为岩样裂隙，并通过酒精清洗，将岩样最小应力面涂满硅橡胶；
18.调整所述竖向千斤顶和所述横向千斤顶，使得岩样居中放置并组装岩样接头；
19.通过所述控制系统控制渗流水压加载模块对所述岩样内的岩样裂隙提供水压，
20.通过所述控制系统控制所述竖向千斤顶给岩样施加竖向应力，所述控制系统控制
所述横向千斤顶给岩样施加横向应力，
21.通过所述控制系统控制所述注油口施加油压，从而模拟天然应力状态，
22.通过所述控制系统控制所述冲击施力模块给岩样施加冲击扰动，裂隙发育监测模块检测岩样裂隙延展情况并发送信息至所述控制系统。
23.有益效果：此测试方法，通过采用第一方面实施例的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，模拟天然的岩石应力状态，能够找到渗流裂隙与渗流水压、岩石应力状态、冲击扰动的关系，为隧道开挖提供数据支撑。
附图说明
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
25.图1为本发明实施例模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置第一视角示意图；
26.图2为本发明实施例模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置第二视角示意图；
27.图3为本发明实施例密封夹具组件结构示意图；
28.图4为本发明实施例渗流水压加载模块结构示意图。
具体实施方式
29.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
32.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
33.参照图1和图2，一种模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，包括：压力试验箱100、成对设置的竖向千斤顶200、成对设置的横向千斤顶300、密封夹具组件400、渗流水压加载模块500、冲击施力模块800、裂隙发育监测模块600以及控制系统。
34.如图1和图2，其中，压力试验箱100顶部设置有注油口110，压力试验箱100底部设置有出油口120。具体地，压力试验箱100包括底板、顶板、前后侧板以及左右侧板，底板、顶板、前后侧板以及左右侧板围合形成密封的腔体，竖向千斤顶200分别设置在底板和顶板上，并且竖向千斤顶200相对对夹设置。横向千斤顶300设置在左右侧板上，并且横向千斤顶300相对对夹设置。竖向千斤顶200和横向千斤顶300之间整体形成一夹持区。
35.竖向千斤顶200和横向千斤顶300通过密封套筒设置在压力试验箱100内。具体地，
在压力试验箱100的底板、顶板以及侧板预留设置有通孔，密封套筒通过通孔插入至压力试验箱100内，横向千斤顶和竖向千斤顶设置在密封套筒内。并且，压力试验箱100的压力腔与密封套筒之间有密封条，在拧紧螺丝的过程中，使得密封条被压缩，保证密闭性。在密封夹具组件上下，左右承压板，各设置四个螺孔，也需要均质的密封条实现密封。
36.密封夹具组件400设置在夹持区内，密封夹具组件400通过竖向千斤顶200和横向千斤顶300夹持，密封夹具组件400包括用于放置岩样的密封腔，岩样设置有岩样裂隙。
37.竖向千斤顶200和横向千斤顶300分别提供最大主应力和剪切应力，其独立成系统，可以通过电脑进行操作，进行压力的施加，注油口110用于注入液压油至压力试验箱100的压力腔内，通过压力腔内的油压实现围压。压力试验箱100采用刚度比较大的材料制作。
38.竖向千斤顶20和横向千斤顶300以及油压用于实现真三轴应力，在实现过程中，需要首先将岩样稳定在压力试验箱100的压力腔内，并将其对准千斤顶的中心受力点，固定好之后，通过电脑端的操作界面进行试验，高压水管处在最小应力面，岩样推进压力腔之前需要将水箱的接头与岩样预留的接口通过高压水管连接，压力腔内设置的千斤顶和液压油，可以更好地模拟岩石真三轴应力状态。
39.压力试验箱100的压力室是通过两对活塞千斤顶配合液压油实现的，油压全覆盖，可以通过改变千斤顶的大小模拟围岩的扰动，可以很好地模拟天然状态下的岩石应力状态。
40.参照图1、图2以及图3，具体地，密封夹具组件400包括上盖板410、下盖板420、左承压板430、右承压板440以及两侧板，左承压板430和右承压板440与岩样之间放置密封板450，密封板450与岩样通过硅橡胶密封粘贴。
41.如图3所示，上盖板410、下盖板420、左承压板430、右承压板440以及两侧板均需要按照岩样的尺寸制造，上盖板410、下盖板420、左承压板430、右承压板440之间设置有密封条，密封条可以为硅橡胶条，密封条是保证上盖板410、下盖板420、左承压板430、右承压板440之间柔性，而且硅橡胶条具有很好的密封性和承压性，且其不会与液压油发生反应，在试验之后，其仍然可以保证完整性，确保岩样在试验的过程中可以一直处于密封的环境中。
42.上盖板410、下盖板420、左承压板430、右承压板440之间设置有密封条，高压水管530通过左承压板430或右承压板440将岩样裂隙与水箱510连接。具体地，岩样裂隙设置在右承压板440一侧，右承压板440设置有一竖孔，高压水管530通过竖孔安装，并且底端能够与岩样裂隙之间连接，这样可以保证密封腔的密封性。
43.岩样通过密封夹具组件400的密封腔密封保存放置在压力试验箱100内，岩样的密封性良好，其所使用的硅橡胶不会与注油口110输入的油反应，而且具有较强的抗压能力，可以最大程度地类似天然状态下的岩石周边情况，使得试验更加准确。
44.参照图1、图2和图4，渗流水压加载模块500用于对岩样的岩样裂隙提供水压。渗流水压加载模块500包括水箱510、隔水活塞520、高压水管530以及第一气体储存器540，高压水管530将岩样裂隙与水箱510连接，隔水活塞520设置在水箱510内，隔水活塞520能够沿水箱510移动，第一气体储存器540一端与水箱510连接，第一气体储存器540出口设置有第一发射阀门541，通过控制第一发射阀门541打开或关闭，使得隔水活塞520运动。
45.水箱510为长方体。将水箱510设置成长方体，隔水活塞520沿着水箱510水平移动，隔水活塞520产生的推力会转化为裂隙内的水压，从而实现水压的模拟，水箱510倍隔水活
塞520分隔成两部分，一部分通过高压水管530与岩样裂隙连接，此部分有水，另一部分与第一气体储存器540连通，将水箱510设置成长方体使隔水活塞520水平移动，这样可以保证实验的精确性，水箱510的具体的长度尺寸可以根据实际的需要进行设置。
46.参照图1，渗流水压加载模块500还包括水压传感器550，水压传感器550设置在高压水管530、水箱510与第一气体储存器540之间的管道上。高压水管530与水箱510连接端设置有止水阀531，高压水管530出口端设置有橡胶活塞532。根据水压传感器550来判断止水阀531的工作情况，如果达到实验所需要的水压之后就可以将止水阀531关闭，从而保证岩样裂隙内的水压稳定。
47.水压传感器550的数量为两个，分别设置在高压水管530上以及水箱510和第一气体储存器540之间的管路上。止水阀531设置在高压水管530与水箱510之间的接口处。
48.渗流水压加载模块500工作过程如下，将第一发射阀门541打开，第一气体储存器540与水箱510的右端面连通，使得隔水活塞520右端的压力大于左端，从而推动隔水活塞520向左移动，从而给岩样施加渗流水压，进而达到实验所需要的渗流水压，实验的过程中可以根据水压传感器550的数值大小，选择是否关闭止水阀，使得水压可以维持在特定的大小不改变。
49.渗流水压加载模块500可以提供所需要的水压，止水阀根据水压的大小关闭，止水阀具备有特定的开关，高压水管530可以实现在实验过程中，抵抗足够的水压而不影响实验，橡胶活塞532可以很好地保证密封性，并且具有延展性，当高压水管插入时，可以牢牢地将口外封住。
50.渗流水压加载模块500通过采用气体发射阀和含有水腔的水箱提供动力给岩样施加渗流水压，可以实现自由调节渗流水压的大小，配合试验的进行，独立成系统，方便后期数据的分析。
51.此装置可以设定稳定的围压，即没有扰动的情况下，可以通过改变渗流水压的大小来找到裂隙贯穿于水压的关系，或者是设定稳定渗流水压，通过千斤顶和注油口以及冲击扰动，施加不同的应力，创造不同的应力状态，从而可以找到裂隙贯穿是否与围岩扰动有关。
52.参照图2，冲击施力模块800用于对岩样施加冲击扰动。冲击施力模块800包括第二气体储存器810、撞击部820以及套筒830，第二气体储存器810的出口设置有第二发射阀门811，套筒830一端与第二气体储存器810出口连接，套筒830另一端与密封夹具组件400连接，撞击部820设置在套筒830内，控制系统700与第二发射阀门811连接，通过控制第二发射阀门811打开或关闭，从而使得撞击部820给岩样施加冲击扰动。具体地，撞击部820包括撞体821和入射杆822，撞体821位于第二气体储存器810出口和入射杆822前端之间。
53.冲击施力模块800是类似霍普金森杆的施力系统，通过给一个瞬时的撞击力给撞体821，撞体821穿过套筒作用在入射杆822上，入射杆822通过套筒撞击岩样的最小主应力面，实现模拟冲击荷载，从而达到隧道由于爆破开挖给周边岩体造成冲击扰动，导致岩体的裂隙贯通。
54.具体地，冲击施力模块800接收到相关指令后，第二发射阀门811打开，第二气体储存器810与套筒830内部连通，第二气体储存器810的气体喷射出来使得撞体821携带能量冲向入射杆822，入射杆822通过光滑的套筒830撞击岩样，实现模拟隧道开挖时由于扰动给围
岩造成的冲击应力。岩样在冲击应力的作用下使得裂隙进一步地发育，导致裂隙的贯通。
55.当然，容易理解地，冲击施力模块800包括弹簧和撞击部，通过控制弹簧复位，使得撞击部给岩样施加冲击扰动。弹簧可以采用高强度的弹簧，从而可以使得撞块能够以高速撞向入射杆。
56.冲击施力模块800可以很好地模拟由于爆破开挖，造成对周边岩体的扰动的影响，观察到裂隙的发育情况。
57.裂隙发育监测模块600包括裂纹探测器610和探头620，探头620用于探测岩样，可以根据实际探测需求设置位置，探头620与裂纹探测器610连接。裂纹探测器610可以通过探头620捕捉岩样内部裂隙的布局情况。
58.此模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，通过岩样的密闭完整性以及压力腔的设置，即处于真三轴应力状态下，再配合冲击扰动，可以模拟天然的岩石应力状态，找到岩石渗流裂隙贯通的影响因素，找到渗流裂隙与渗流水压、岩石应力状态、冲击扰动的关系，为隧道开挖提供数据支撑。
59.控制系统700与裂纹探测器610、渗流水压加载模块500以及冲击施力模块800连接。控制系统为电脑端，电脑端可以对渗流水压加载模块500以及冲击施力模块800进行操控，并且可以导出岩样所处的应力状态，入射杆822在多大的冲击应力下冲向岩样，裂纹的发育情况即裂纹的布局及是否裂隙贯通。
60.此装置是对于岩石的裂隙是否贯通的研究，通过此可以找到形成的原因，具有较强研究价值，保障工人施工时的安全，运用于实现可以提高隧道建设的稳定性和安全性，可以找到渗透水压、围岩扰动与裂隙发育的关系，独立实现渗流水压不便通过改变应力状态特别是冲击应力，利用裂隙发育监测模块600寻找规律。
61.一种测试方法，采用第一方面实施例所述的模拟隧道开挖过程中岩石裂隙贯通装置，包括：制备岩样，按岩样尺寸制造密封夹具组件，岩样进行机械处理，形成人为岩样裂隙，并通过酒精清洗，将岩样最小应力面涂满硅橡胶；调整竖向千斤顶和横向千斤顶，使得岩样居中放置并组装岩样接头；通过控制系统控制渗流水压加载模块对岩样内的岩样裂隙提供水压，通过控制系统控制竖向千斤顶给岩样施加竖向应力，控制系统控制横向千斤顶给岩样施加横向应力，通过控制系统控制注油口施加油压，从而模拟天然应力状态，通过控制系统控制冲击施力模块给岩样施加冲击扰动，裂隙发育监测模块检测岩样裂隙延展情况并发送信息至控制系统。
62.在一个具体实施例中，首先，准备岩石，并且根据前面所述制备岩样裂隙，将材料使用酒精清洗，上盖板410、下盖板420先用胶水粘住，后使用硅橡胶将空隙处密封、左承压板430、右承压板440和岩样之间放置密封板450，密封板450与岩样之间使用硅橡胶密封粘贴，上盖板410、下盖板420和左承压板430和右承压板440之间放置四个密封条，以确保变形的发生，最后将最小应力面涂满硅橡胶，保证不能出现裂缝，确保岩样的密封性，由控制系统即电脑端操控，第一气体储存器540内的气体经过第一发射阀门541后推动隔水活塞520向前推进，隔水活塞520产生的推力会转化为裂隙内的水压，以实现渗透水压的模拟，根据水压传感器550来判断止水阀531的工作情况，如果达到实验所需要的水压之后就可以将止水阀531关闭，保证岩样裂隙内的水压稳定。将一竖向千斤顶调到可以使得岩样水平对准岩样接头的位置，再将岩样放在上面保证稳定，慢慢调整其余千斤顶使得岩样居于各作用力
的中心位置，在渗流水压补给之后，从注油口可以施加油压，注油口110通过电脑端控制，在千斤顶的作用下给岩样垂直和水平方向的力，此时岩样处于模拟的真三轴应力状态，油压和千斤顶均通过电脑操控，实现独立施加应力。通过第二发射阀门811将第二气体储存器810的气体喷射出来使得撞体821携带能量冲向入射杆822，入射杆822通过光滑的套筒830撞击岩样，实现模拟隧道开挖时由于扰动给围岩造成的冲击应力。岩样在冲击应力的作用下使得裂隙进一步的发育，导致裂隙的贯通。裂纹探测器610可以通过探头620捕捉岩样内部裂隙的布局情况，电脑端可以导出岩样所处的应力状态，入射杆822在多大冲力应力下冲向岩样，裂纹的发育情况即裂纹的布局是否裂隙贯通，以实现实验目的。
63.此测试方法，可以模拟真三轴应力状态下的岩样，从而实现在隧道开挖过程中，由于冲击扰动造成的裂隙贯通，以及裂隙发育与渗透水压的规律，找到岩样裂隙贯通时冲击扰动的影响规律，可以保障隧道开挖人员的安全。
64.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。