[发明专利]一种地质力学模型硐室开挖装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型三维地质力学模型硐室开挖装置，具体是分段舍弃式开挖装置。

背景技术

随着交通基础建设的快速发展和地下资源开发的大力发展，地下洞室作为一种主要的地下结构型式在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，需要更多地依靠模型实验进行地下洞室开挖围岩稳定性的分析与评价。由于硐室开挖使围岩卸荷导致围岩应力重分布、应力释放，该现象是造成围岩非线性力学行为的主要因素。硐室开挖过程模拟不准，模型试验就无法反映实际工程的非线性行为。

目前国内外模型硐室开挖多采用预制硐室性质块体然后取出或采用人工凿、掘的方式。上述方式无法有效反映硐室开挖卸荷的动态过程，更无法实现开挖步数及围岩卸荷过程与工程原型的一致性，导致模型试验产生较大误差。

目前国内相关大型三维模型制作方法的研究现状如下：

（1）武汉水利电力大学学报1994年第2期介绍了一种预制块按硐室形状和尺寸雕成芯块砌入预定部位，试验时取出以形成硐室方法。该方法一次性取出硐室材料，不能反映围岩动力卸荷过程，造成围岩应力场失真。

（2）岩土工程学报2007年第9期介绍了一种采用人工钻凿进行隧洞开挖的方法。该方法采用人工挖铲方式，无法有效反映围岩动力卸荷过程，无法实现开挖步的准确定位。

（3）申请号为02129366.x的中国专利介绍了一种实体模型试验中隐蔽硐室开挖的方法及设备。该方法实现了对隐蔽硐室的开挖。但该设备较繁琐，无法实现开挖步的准确定位。

综上所述，目前对模型硐室开挖过程的模拟还不精确，多数定性化范畴。硐室开挖过程模拟不准，就无法反映因硐室开挖导致的围岩地应力状态重分布。造成诸多模型试验模拟不准的情况。因此，亟需发明一种能有效模拟围岩因硐室开挖地应力真实卸荷过程及围岩地应力状态的模型硐室开挖装置及相应开挖方法。

 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可模拟实际隧洞开挖围岩卸荷过程、反映硐室开挖围岩真实应力场的一种地质力学模型开挖装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地质力学模型硐室开挖装置，包括模型体，其特征在于：还包括多腔气囊及气压控制设备，所述的多腔气囊预置于模型体内部，多腔气囊的形状与拟开挖硐室形状大小相一致，所述多腔气囊被分割成数个气腔，气腔个数与硐室拟开挖步数相同，各个气腔互相封闭，内部充满高压气体，气体压强与模型的应力保持一致，在每个腔室内均设置有导气管，所述的气压控制设备连接在导气管上

所述多腔气囊为乳胶气囊，其形状与拟开挖硐室的形状、大小相一致。

所述后端气腔的导气管置于前面气腔的内部，所述导气管端部设有与所述气压控制装置连接的微型阀门与接头。

所述的气压控制设备包括气流表、阀门和空压机。

地质力学模型通过预制标准模块粘结堆积成型的方式制作，硐室形状由模块雕出。模型砌筑过程中，将气囊充气置入硐室位置，以与模型完全吻合。

所述多腔气囊中间分隔多个气腔，气腔数与硐室拟开挖步数相同。气腔内气体压力与模型地应力相一致，有效模拟了硐室开挖前围岩应力变形状态。模型开挖时，通过气压控制设备依次将各个气腔内气压降为零，实现对硐室开挖过程的模拟。

所述多腔气囊各个气腔端部均连接有导气管，导气管置于前一个气腔内。导气管与气压控制装置相连接，由气压控制设备施加预压力，并且提供了气囊内气体的排出通道。

所述气压控制设备包括气流表、调节阀门和空压机。气压控制设备与气腔内导气管连接，用于向气腔内注入气体形成预留硐室，并将气腔内气体排出以模拟硐室开挖过程。阀门用于调节气体流速，以模拟不同开挖方式下的围岩卸荷速度。

所述气流表用于量测气体排出速度，与硐室开挖卸荷过程相一致。

本发明具有如下技术优势：

(1)气腔内气体可在瞬间释放，实现了模型硐室的动力开挖卸荷，有效反映了隧洞的动力开挖卸荷效应；

(2)分段舍弃的设计方式，模拟了隧洞实际开挖步数，与工程原型的实际工况保持一致；

(3)通过气压控制装置，使得卸荷过程精确可控，可模拟不同速度的开挖工法，如钻爆法与盾构法等；

(4)功能多，除可用于开放式硐室开挖外，还可用于模拟内置封闭腔体的开挖，如盐岩地下储气库、水电站的隐蔽地下厂房等；