[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

说明书

本发明公开了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，主要包括第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板，上顶板可上下活动设置，第二侧板可左右活动设置；第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，试验箱的中部设置有模拟隧道；上顶板的上端设置有第一驱动机构，第二侧板的侧面设置有第二驱动机构；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，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。试验方法包括步骤S1‑S8。本发明采用地质雷达技术实现非接触式围岩塑性区的测定，避免了传统钻孔方式对围岩的初始扰动影响，提升结果可视化程度提升，便于识别确定塑性区及其范围。

技术领域

本发明涉及隧道开挖模拟技术领域，具体涉及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。

背景技术

目前，隧道的施工开挖引起的大变形问题研究主要集中在中深埋段，对于极高深埋隧道的开挖安全研究较少；因此，研究高地应力环境下隧道的围岩变形特性成为了工程人员较为关心的科学问题。

通过现场试验能够较为直接反映施工过程中的围岩-衬砌相互作用特性及灾变机理，但是受工程施工环境及现场技术等多种因素的制约，现场的试验无法顺利开展；而数值模拟方法中土体本构、边界条件及其他参数的选取对计算结果影响较大，且体现围岩-衬砌相互作用的破坏状态直观性较差。相比于现场试验或者数值模拟研究，模型试验因其直观性强、便于操作等优点应用性较广，同时通过模型试验的手段能更好地揭示针对隧道施工引起的围岩灾害演变规律。

现有技术中在围岩塑性区测定、地应力加载方面进行了探索，包括可考虑隧道施工、高地应力环境等特征。但尚且存在以下两方面的不足需要进一步考虑：

1. 围岩塑性区的测定

现有的考虑隧道施工引起围岩塑性区测定的模型试验装置中，大多通过在洞周土体中预埋位移计进行测量，对于隧道施工的扰动影响的干扰较大；因此，亟需设计一种非接触式的围岩塑性区测定新方法。

2. 高地应力的施加

现有的考虑高地应力的隧道模型试验装置中，大多通过大量的液压千斤顶对箱体内部的土体进行施加地应力，导致模型箱整体自重较大，结构形式也较为复杂。因此研究一种较为便捷有效的地应力施加方式是目前推动高地应力环境下模型箱设计的主要着力点。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种克服以往隧道在既定地应力水平下开挖引起围岩塑性区测定的缺点与不足的测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置及方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种测试隧道开挖引起围岩塑性区范围的试验装置，其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，第一侧板和下底板垂直固定连接，上顶板可上下活动设置，第二侧板可左右活动设置，第一侧板、第二侧板、上顶板和下底板围合形成试验箱，试验箱的中部设置有模拟隧道；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，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；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，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，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；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。

进一步地，第一驱动机构包括设置在上顶板上方的顶部反力盖板，第二驱动机构包括设置在第二侧板侧面的侧边反力盖板，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。