断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法，该系统包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统。断层错动台架系统用于容纳错动模型体并作为加载反力装置；断层错动顶升系统用于实施断层错动，并保证断层错动过程中模型体不发生扭转和倾覆现象；加载与错动控制系统用于对模型体进行初始地应力加载并控制断层错动顶升系统实施模型的断层错动。本发明专利技术可模拟复杂高地应力条件下深部地层的断层错动，真实模拟地下断层错动对深部隧洞运行安全稳定的影响，为深部工程安全建设提供强有力技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法
本专利技术涉及一种在水电、交通、能源和矿山工程领域使用的模拟断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，中国已发展成为世界上隧洞和地下工程建造数量最多、规模最大、结构形式最多样的国家。近年来，中国交通、水电建设蓬勃发展，建设重心逐渐向地质条件更为复杂的西部地区转移，然而西部地区地震频繁、地震烈度高、地质构造复杂，极易导致地下活动断层产生滑移错动，由此对深部交通、水电隧洞运行安全造成极为不利的影响，因此有必要深入研究复杂断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。面对深部工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理模拟试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部工程的重要手段。要开展地下断层错动对隧洞运行安全影响的物理模拟试验，就必须具备相应的物理模拟试验系统。目前有关断层错动物理模拟试验系统的研究现状如下：在专利号为CN201510200464.1，专利名称为：一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法的专利中公开了一种模拟装置，该模拟装置能够模拟自重应力作用下的断层错动，没有考虑初始构造地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。在专利号为CN201620006494.9，专利名称为：模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置的专利中公开了一种试验装置，该装置通过平面加载模拟隧道受力破坏，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，且无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。在专利号为CN201720049666.5，专利名称为：一种测试隧道正断层黏滑错动的试验箱装置的专利中公开了一种试验箱装置，该装置包括模拟试验箱和千斤顶，能够模拟高地震区域针对断层带的抗震减震效应，但在断层错动过程中模型试验装置容易产生侧转，且无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。。在专利号为CN201810860128.3，专利名称为：隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统的专利中公开了一种模型试验系统，由外箱、内箱、加载装置和测量装置组成，通过对内箱施加推力模拟断层错动，并获得断层错动状态下隧道的受力变形规律，但无法考虑倾斜构造断层的影响，也无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。在专利号为CN201910049175.4，专利名称为：一种模拟断层错动的三维相似物理试验装置的专利中公开了一种试验装置，该装置采用透明亚克力板矩形箱体作为加载反力装置模拟浅埋断层错动，但该装置刚度不够，无法模拟深部断层的影响，也无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。。在专利号为CN201911125822.1，专利名称为：模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法的专利中公开了一种试验装置，能模拟自重作用下断层错动对隧道损伤的影响，但没有考虑初始构造地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。(7)在《岩石力学与工程学报》2008年第9期文章《地铁隧道穿越地裂缝带的物理模型试验研究》介绍了一种模型试验装置，能够模拟地裂缝错动对隧洞运行的影响，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。(8)在《同济大学学报》2012年第7期文章《逆断层粘滑错动对公路隧道的影响》介绍了一种模型试验装置，装置由固定盘、活动盘、加载系统组成，能够模拟不同倾角断层对隧洞稳定的影响，但没有考虑真三维初始地应力的影响，与实际工程地质条件不符，无法模拟真实的真三维初始地应力环境条件下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统及试验方法。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的实施例提供了一种模拟断层错动对隧洞运行影响的真三维物理模拟系统，包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统；所述的断层错动台架系统，由断层上盘系统、断层下盘系统、加载作动器和台架旋转装置组成，其中断层上盘系统和断层下盘系统中的任一系统与断层错动顶升系统相连，断层错动顶升系统用于实现断层上盘系统和断层下盘系统的相对滑动，进而实施试验模型体的断层错动；所述的台架旋转装置用于驱动断层上盘系统、断层下盘系统旋转；加载作动器安装在断层上盘系统和断层下盘系统上，其与加载与错动控制系统相连，用于对试验模型体施加真三维初始地应力；加载与错动控制系统控制作动器加载、断层上盘与下盘系统旋转和断层滑移错动。第二方面，基于上述模拟断层错动对隧洞运行影响的真三维物理模拟系统，本专利技术还提出了一种试验方法，如下：上述的真三维物理模拟系统安装调试完毕，首先通过加载与错动控制系统控制加载作动器对试验模型体进行真三维初始地应力加载，待模型真三维初始地应力场形成以后，再进行模型隧洞开挖并保持初始地应力恒定，最后通过加载与错动控制系统控制断层错动顶升系统实施模型断层的滑移错动，籍此有效模拟地下断层错动对隧洞运行安全稳定的影响。上述本专利技术的实施例的有益效果如下：(1)本专利技术整体上可以实现在真三维初始地应力环境条件下地下断层的滑移错动，真实模拟复杂地质环境对深部隧洞施工和运行安全稳定的影响，科学揭示不同规模、产状的地下断层错动对隧洞长期运行安全的影响。(2)本专利技术为了节省断层错动台架系统的空间尺寸，将加载作动器外嵌在断层错动台架系统上，同时为了方便制作内含倾斜断层的试验模型体，在断层错动台架系统上配备了台架旋转装置，通过旋转断层上盘系统、断层下盘系统实现内含倾斜断层的试验模型体的加工制作。(3)本专利技术的断层错动防扭装置用于保证断层错动过程中断层上盘系统和断层下盘系统紧密贴合不产生分离，并确保水平地应力持续稳定加载。断层错动防扭装置安装在断层上盘系统和外框平衡装置之间，当断层错动顶升系统推动断层上盘系统产生滑移错动时，防扭油缸和安装在弹簧套筒内的防扭弹簧也沿着固定在外框平衡装置上的竖向导轨同步垂直向上移动，同时防扭油缸驱动防扭弹簧持续对断层上盘系统施加水平弹性抗力，以确保断层上盘系统和断层下盘系统紧密贴合不出现张开分离现象，防止断层滑移错动过程中模型体出现任何偏移和扭转现象。(4)本专利技术的外框平衡装置作为断层滑移错动过程中模型加载的反力装置，并防止断层错动台架系统发生倾倒。(5)本专利技术在交通、水电、矿山和能源等地下工程，尤其在川藏铁路、西部长大深埋引水隧洞工程的物理模拟试验中具有广泛的应用前景。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于：包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统；所述的断层错动台架系统，由断层上盘系统、断层下盘系统、加载作动器和台架旋转装置组成，其中断层上盘系统和断层下盘系统中的任一系统与断层错动顶升系统相连，断层错动顶升系统用于实现断层上盘系统和断层下盘系统的相对滑动，进而实施试验模型体的断层错动；所述的台架旋转装置用于驱动断层上盘系统、断层下盘系统旋转；加载作动器安装在断层上盘系统、断层下盘系统上，其与加载与错动控制系统相连，用于对试验模型体施加真三维初始地应力；加载与错动控制系统控制作动器加载、断层上盘与下盘系统旋转和断层滑移错动。/n

【技术特征摘要】
1.断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于：包括断层错动台架系统、断层错动顶升系统、加载与错动控制系统；所述的断层错动台架系统，由断层上盘系统、断层下盘系统、加载作动器和台架旋转装置组成，其中断层上盘系统和断层下盘系统中的任一系统与断层错动顶升系统相连，断层错动顶升系统用于实现断层上盘系统和断层下盘系统的相对滑动，进而实施试验模型体的断层错动；所述的台架旋转装置用于驱动断层上盘系统、断层下盘系统旋转；加载作动器安装在断层上盘系统、断层下盘系统上，其与加载与错动控制系统相连，用于对试验模型体施加真三维初始地应力；加载与错动控制系统控制作动器加载、断层上盘与下盘系统旋转和断层滑移错动。


2.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的断层上盘系统和断层下盘系统在断层接触面处通过榫卯镶嵌结构连接。


3.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的台架旋转装置包括两个，第一台架旋转装置驱动断层下盘系统旋转，第二台架旋转装置驱动断层上盘系统旋转。


4.如权利要求3所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的第一台架旋转装置包括第一安装座、第一液压驱动装置，所述的第一安装座固定在地梁上，第一液压驱动装置的缸体与第一安装座铰接，液压驱动杆与断层下盘系统相连，且断层下盘系统底部与地梁铰接。


5.如权利要求3所述的断层错动对隧洞运行影响真三维物理模拟系统，其特征在于，所述的第二台架旋转装置包括第二安装座、第二液压驱动装置，所述的第二安装座固定在地槽内，第二液压驱动装置的缸体与第二安装座铰接，液压驱动杆与断层上盘系统相连，且断层上盘系统底部与地梁铰接，地梁安装在地槽顶部。


6.如权利要求1所述的断层错动对隧洞运行影响真三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，张瑞新，陈卫忠，程磊，张振杰，王鹏飞，向文，林韩祥，范清涵，刘磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37