[发明专利]一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法

权利要求书

1.一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，包括左右平行设置的第一侧板和第二侧板、上下平行设置的上顶板和下底板，所述第一侧板和下底板垂直固定连接，所述上顶板可上下活动设置，所述第二侧板可左右活动设置，所述第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，所述试验箱的中部设置有模拟隧道；所述上顶板的上端设置有驱动上顶板向试验箱内侧移动的第一驱动机构，所述第二侧板的侧面设置有驱动第二侧板向试验箱内侧移动的第二驱动机构；所述第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板的内侧表面中部均设置有土压力盒，所述上顶板的两侧分别设置有雷达发射探头和反射波接收探头，所述雷达发射探头发射的雷达波通过下底板的反射被反射波接收探头接收；所述土压力盒、雷达发射探头和反射波接收探头均与控制系统电连接；

所述第一驱动机构包括设置在上顶板上方的顶部反力盖板，所述第二驱动机构包括设置在第二侧板侧面的侧边反力盖板，所述侧边反力盖板与第二侧板之间、顶部反力盖板与上顶板之间均设置有驱动件；

所述顶部反力盖板的一端与第一侧板固定连接，所述顶部反力盖板的另一端固定在横梁的上端，所述侧边反力盖板的一端与下底板固定连接，所述侧边反力盖板的另一端与横梁的侧面连接，所述上顶板的侧面和第二侧板的侧面接触横梁；

所述横梁的下方放置有L形的移动辅助块，所述上顶板和第二侧板的端部分别放置在移动辅助块上。

2.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述驱动件包括两块梯形的加载块，两块所述加载块之间设置有梯形的加载空间，所述加载空间为上小下大结构，所述加载空间内活动设置有梯形的驱动块，所述驱动块的两侧与加载空间的侧面滑动接触，所述驱动块的下端与上顶板和第二侧板接触；两块所述加载块串联在螺纹杆上，所述螺纹杆的一端转动设置在其中一块加载块上，且螺纹杆另一端贯穿另一块加载块与伺服电机传动连接，所述螺纹杆另一端与另一块加载块螺纹连接，另一块所述加载块滑动设置在顶部反力盖板和侧边反力盖板上。

3.根据权利要求2所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述顶部反力盖板和侧边反力盖板上均设置有滑轨，另一块所述加载块上设置有滑块，所述滑块滑动设置在滑轨内。

4.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述顶部反力盖板上设置有盖板锁固装置。

5.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，所述第一侧板的内表面和下底板的内表面均设置有滑槽板，所述滑槽板上开设有滑槽，所述上顶板的侧面和第二侧板的侧面均设置有滑头，所述滑头滑动设置在滑槽内。

6.根据权利要求1所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其特征在于，还包括用于开挖隧道的柔性塑料囊，所述柔性塑料囊包括柔性塑料囊体，所述柔性塑料囊体的尾部设置有填充口，所述填充口的端部设置有密封盖，将装满砂土的柔性塑料囊装入模拟隧道预定位置后打开密封盖，接入吸砂装置，将柔性塑料囊体中的砂土通过填充口吸出，开挖出隧道。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将顶部反力盖板的盖板锁固装置解开，取下顶部反力盖板、第一驱动机构及上顶板；

S2：按照试验需求配置模型砂土，并将配置好的模型砂土装入模型箱中，模型砂装至预定模拟隧道位置后将充满模型砂土的柔性塑料囊放置于模拟隧道，并将模型箱其余位置填充完整；

S3：填土完成后，将步骤S1拆掉的顶部反力盖板、上顶板及第一驱动机构安装好；

S4：打开伺服电机，实时监测土压力盒的压力值，并利用公式、计算模拟隧道位置处的水平地应力值S_v和竖向地应力值S_h，其中，S₁和S₃分别为上顶板和下底板上的压力盒监测的压力值，S₂和S₄分别为第一侧板和第二侧板上的压力盒监测的压力值；

S5：判断水平地应力值S_v和竖向地应力值S_h是否满足应力施加要求，若是，则关闭伺服电机，进入步骤S6，否则，伺服电机继续工作，直到满足应力施加要求，进入步骤S6；

S6：将柔性塑料囊的密封盖打开，接入吸砂装置，并按照预先设好的模拟施工开挖步控制吸出量，吸出柔性塑料囊内的模型砂土；

S7：每吸出一次模型砂土，一个模拟施工开挖步完成，打开雷达发射探头和反射波接收探头，每发射接收一次，记录一次雷达图像；

S8：重复步骤S6-S7，当全部施工开挖步完成后，利用雷达图像绘制出裂缝的反射界面，再将每个施工开挖步测试得到的松动圈外边界点绘制在对应的雷达图像，把松动圈外边界点连接起来，得到围岩塑性区的分布范围。