随着地下工程领域研究对象埋深不断加大，工程地质环境复杂性随之提高，工程灾害类型呈现多样性，主要表现为围岩大变形、岩爆与突水等多种现象并发，影响了工程施工进度与施工人员安全[1];为实现地下工程“安全、高效”的施工目的，有效预防和避免各种灾害的发生，模型试验、数值模拟及工程类比等研究手段不断引入;相较于后两者，模型试验因具有可靠性高，直观性强与可重复性好等优点，得到广泛运用。

对模型实验的认知始于20世纪[2]，并迅速应用于众多研究领域[3-7]。在早期，模型实验局限于平面应力(2D)加载，研究重点也通常为模型相似材料配置及数据采集方法[8]。近年来，地下工程逐渐向更深、更复杂地层延伸，构造应力对大埋深施工作业的影响不容忽视，而三向不均匀应力加载(σ1≠σ2≠σ3)是二维平面应力模型系统不能实现的，2D实验系统的缺点逐渐显现。三维实验系统，即模型体处于真三轴受力状态，同时受到最大水平主应力与最小水平主应力作用，贴近实际构造应力场，能够更好地模拟开挖扰动后围岩变形情况及损伤分布区域。因此，三维(3D)地质力学模型实验系统的研发与应用成为研究热点[9-11]:陈安敏等研制一套了3D钢制实验机，可提供均布载荷与梯形加载[12];张强勇等建立了一套组合式3D模型实验台，由若干盒式铸钢构件组成，组装方便，模型尺寸可根据工程需要进行调整[13]。姜耀东等设计了真三轴加载模型实验台，适用于模拟采矿工程中软岩巷道矿压显现以及围岩稳定性问题[14]。朱维申团队研发了三维模型台架装置，并开展高地应力条件下大型洞群的模型试验[15]。陈旭光等研制了一套大型数控真三维梯度加载装置，使用千斤顶，分9个区域模型体进行加载[16]。

已有研究取得了较丰硕的成果，初步实现了实际工程原型的模型试验研究，但仍存不足之处，主要涵盖3方面:① 控制系统精度有限，难以有效实现模型边界均布载荷的稳定施加;② 模型边界有效加载区域较小，实验结果受尺寸效应与边界条件影响程度大;③ 已有模型系统模拟地下工程爆破掘进难度大，尚不具备相关条件。为有效弥补上述不足，中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发了一套新型地质力学模型实验系统(图1)。模型边界载荷极度可达5 MPa，采用280个独立液压作动器实现对模型体进行4个方向、3个维度主动加载，实现了高仿真模拟地下工程围岩应力场的目的，并以某矿煤巷掘进期间围岩变形演化特征研究为依托，通过试验结果与现场实测结果对比，验证了试验系统的可行性与可靠性，为地下工程围岩稳定性研究提供了良好途径。

1　地质力学模型实验系统研制

新系统主要包含4部分:加载架、液压加载装置、伺服控制系统和数据采集系统。组合式加载框架高强稳固，加载空间灵活调整;液压作动器组紧密排布，可协同或独立工作;伺服控制系统内置自反馈模式，稳定控制液压加载值;数据采集系统实时记录数据且屏幕直接显示，方便观察。

1.1　加载架

分体式加载架主要包括反力墙、门式主框架及后加载架，各部分使用丝杠连接，由特质螺母固定(图1(c))。加载架架体由Q450高强钢材制成，可承受5 MPa均布静载荷与一定范围内的爆炸动载荷。有效加载区域大，降低了尺寸效应及边界条件对实验精度的影响程度。

反力墙由4部分钢梁通过高强螺栓组成(图1(a))。当模型体(模型材料)处于三维加载状态时，为模型体后部实现主动加载提供反力支撑，反力墙前部设置加劲肋，以预防因长期受力而产生挠曲变形。本系统独创性地设计了方形观察窗(400 mm×400 mm)，位于反力墙中部，一方面为系统内、外部连接提供了有效通道，另一方面便于实时观察试验过程中模型体重点研究区域的动态变形破坏产状，如:模型巷道(隧道)开挖后，围岩宏观变形破坏区域演化特征;此外，开展爆破模型试验时，起爆后碎岩抛掷不受影响。系统处于二维平面应力模型试验状态时，模型体后方不施加均布载荷，反力墙通过下部配备的轮式结构及实心钢轨，移出实验区;进行三维模型试验时，通过加载架闭合，使系统处于封闭状态，还原真三轴应力环境。

门式主框架位于加载架中部，空置部分是有效加载区(2 300 mm×2 300 mm×1 200 mm)，用于砌筑模型体(图1(b))。主框架还是安装作动器的主体结构:180个液压作动器分3组、每组60个，均匀分布于框架内部:垂直上作动器组位于框架顶梁，由60个紧密排布的液压作动器组成，提供上覆岩土体自重应力σv;左、右两侧立柱各配有60个作动器，构成水平左与水平右作动器组，负责提供水平方向主应力σh加载。上述为2D平面应力加载模式(图2(a))。

随埋深增大，水平构造应力对地下结构破坏作用机理逐渐复杂，将水平应力σh简化为自重应力σv与侧向压力系数k乘积的形式不再可行。为真实重现原岩应力场，最大水平主应力σh1与最小水平主应力σh2均须反映在模型体受力中。为此，后加载架布设100个液压作动器组成水平后作动器组，支持模型体第三维度加载(图3(c))。另有反力墙及加载架底座提供的反力支撑，模型体六面受荷，高度还原原岩应力场，实验结果较为真实可靠。

1.2　液压作动器

区别于传统模型试验系统加载方式(利用加载枕及千斤顶实现加载)，本系统通过引入280个液压作动器，即在液压油缸外部加设高强钢壳，将内部空间分隔成A，B两个腔室，每个作动器均配备独立开关与油管，按分布位置共划分四组(垂直上、水平左、水平右及水平后)执行加载操作，且具有独立性与协同性的双重加载特性;系统作动器加载头由圆形优化为方形，以提高加载头紧密排布性，避免不均匀应力区的产生(图3(a)，3(b))。

系统执行加载操作时，2号油管进油，B腔体积增大，加载头推向模型体，油缸向上移动，挤压A腔体，多余液压油经1号管回流油箱;卸载时，液压油经1号油管进入A腔室，增大A腔体积，推动油缸向下移动，B腔室体积压缩，B腔液压油经2号油管回流油箱，加载头向上移动，远离模型体，实施卸载操作(图3(c))。

本系统通过增设水冷机单元，以预防因试验持续时间过长，液压油油温过高，降低作动器密封效果(密封构件多为橡胶制品);油温超过预设值时，水冷机自动开启循环水降温，直至油温降至正常范围，水冷机停止工作。

1.3　伺服控制系统

伺服控制系统包括自主研发的计算机控制程序、EDC数字控制器[17]、伺服液压油阀及液压传感器，实现对作动器组精确稳定控制。

计算机控制软件内设两种程式，一种是现存系统常用的手动程式，需人为主观判断加卸载起止时机，加载精度低；另一种是伺服自反馈程式，4台EDC数控器分别控制对应方向的作动器组，并结合液压传感器实时反馈的油压值，自动分析判断是否加载完毕。

将4个方向目标加载值及加载速率输进软件界面对应区域(图4(a))。经EDC数控器计算处理后，将电信号传输至伺服液压阀，调整阀开口方向与大小。正向开口为加载，反向开口为卸载，开口越大，加卸载速率越快。液压传感器安装在伺服阀上，实时监测流经阀口处的油压值，并将压力信号反馈回EDC进行判断。若油压值与目标值近似一致，则停止加卸载操作，稳定油压;若不一致，油阀根据EDC指令对阀开口进行再调整，信息反馈循环进行，直至达到设计要求(图4(b))。

1.4　数据采集系统

新系统独创性地引入光电编码器监测模型体表面位移量，测量精度可达2/100 mm(图5(a))。类似拉线式位移计，编码器安装在作动器内部，油缸上下移动牵引拉线，引发位移值变化，测得位移值可直接显示于屏幕(图5(b))。因作动器数量多且排布紧密，为节省成本及数据存储空间，相邻每4个作动器中随机安装1枚光电编码器，测得位移值近似视为小范围监测区域内的位移，缩短数据采集时间。例如，垂直上方向共有60个作动器，则按上述随机分布规定，配备15枚编码器作为位移值样本。对应4方向作动器组分布形式，位移值也分区域显示。系统每1秒更新1次位移监测数据，屏幕实时显示且自动保存。

新系统支持使用外接传感器，例如应变片、土压力盒及位移计等，补充模型内部关键位置应力与变形信息。9台科动KD7024型号静态应变采集仪，共计216个通道，即支持216个不同测点的数据采集。单次扫描用时150 s，有定时采样与循环采样两种模式可选，实现大量有效数据的收集。经后期整理，揭示地下结构变形及破坏机理。新系统还支持模拟岩石井巷爆破掘进工程，为收集爆炸瞬间测点应变值的突变，系统配备1台16通道超动态应变采集仪，采样频率高，成功捕捉突变数据。

2　验证性实验

为验证新系统性能，以某煤矿回采巷道掘进为工程背景展开相似模拟实验研究。相似材料严格依照相似准则配置，加载方案根据现场地应力测试结果确定，通过试验结果与现场实测结果对比，验证了试验系统的可行性与可靠性。

2.1　工程概况

某煤矿回采巷道位于3号煤层，埋深360 m，煤质较软，矩形断面尺寸:4.8 m×3.0 m(高×宽)，采用锚网索联合支护形式。根据14个地应力测站结果，矿区最大水平主应力方向位于N8E-N56W，垂直主应力9.0 MPa，水平最大、最小主应力分别为10.8 MPa与6.82 MPa。综合考虑原型巷道规模与系统有效加载区范围，将几何缩尺Cl设定为15。依据煤岩样成分分析结果、力学参数测定结果及地勘资料，围岩主要成分为中细砂岩及砂质泥岩，强度相对较低、容重较小。实验使用石膏纤维板(GFB)模拟层状围岩，将石膏粉量、水泥掺和量、纤维添加量及拌合水量作为因素设计正交试验。根据相似准则，在近60组试验数据中选取符合原型煤岩体物理力学参数配比值(成果已另文发表[18])。

2.2　模型体建立

将石膏纤维板按照设计配比预先浇注(图6(a))。依据实际层位分布特征自下而上进行铺设，喷涂同颜色便于识别(图6(c))。应变片、压力盒及位移计经几何缩尺计算后，结合实际测点布置情况，预埋于模型体相应位置(图7)。于模型体边界铺设聚四氟乙烯薄膜PTFE，作为隔层，分离模型体表面与加载架内壁，最大程度降低两者间的静摩擦力，降低加载损耗。

2.3　加载方案

试验加载方案共划分4个阶段:

第1阶段，模型体低围压预加载操作。预加载目的包括3方面:第1，实现模型体内部间隙闭合，增强整体性;第2，液压油得到充分预热，少量液压油进入作动器，达到润滑内外腔室的效果;第3，传感器及数据采集仪完成自检，确认通讯信号正常，等待EDC数控器发出加载指令。

第2阶段，模型体原岩应力场加载操作。即从3个维度、4个不同方向采用对模型体进行分阶段逐级施加均布载荷至目标值，加载速率50 kPa/s，顶部施加垂直应力以模拟模型体上覆360 m范围内岩土自重载荷，同时施加水平载荷模拟构造应力。这种柔性加载模式存在2方面优点:第1，最大限度降低模型体损伤程度;第2，有效避免因载荷突变，引发预埋传感器量程超限，丧失监测功能。

第3阶段，模型体稳压阶段。主要进行模型巷道开挖与支护。垂直与水平施加应力达到目标值后，EDC伺服控制系统自动切换至稳压模式，模型体处于稳定原岩应力场后，依据实际支护方案进行模型巷道边开挖、边支护(图6(b))。

第4阶段，模型体超载阶段。为进一步验证系统稳定性，设计超载阶段，即逐级增大垂直方向载荷，等效模拟上覆400，500及600 m岩土层自重载荷，侧压力系数设定为1.2。随着围压增大，模型巷道顶板局部微裂纹开始扩展，并向深部延伸，伴随有石膏板碎裂声。数据显示，系统在高油压下性能稳定，作动器受控良好，严格执行加载指令。

3　实验结果及分析

对比分析实验结果与现场实测结果，主要内容包括:巷道顶底板移近量、两帮收敛量、巷道围岩内部变形与压力。结果表明，模型巷道围岩变形演化趋势与现场实测结果基本一致(图8)。巷道顶板底板移近量及两帮收敛量现场实测最大值依次为206与268 mm，实验监测最大值分别为180与231 mm;实际巷道所处煤层质软、裂隙发育较为显著，模型巷道采用石膏板铺设，实现了强度相似，但仍较难实现煤体内部节理、裂隙等结构面的模拟，加之实际巷道掘进采用综掘机，受扰动与开挖卸荷效应影响程度高于实验巷道;为此，实验监测结果相对较低。

传感器监测到巷道围岩内部变形，结果表明:模型巷道围岩内部位移随测点距巷道边缘距离增大而逐渐减小，顶、底板及左、右两帮均呈现近似规律。模型体处于原岩应力加载阶段，即对应加载时段为0～1 h，模型体整体性进一步增强，石膏纤维板间缝隙闭合完全;进入稳压阶段后，即对应加载时段为1.0～5.5 h，进行模型巷道开挖，人为扰动使得围岩产生一定程度变形，但随着模拟现场锚杆锚网等支护结构的添加，变形量基本维持不变，模型巷道周边出现局部细小裂纹;进入超载阶段，即对应加载时段为5.5～8.0 h，当模型体承受的垂直应力超过上覆岩土层厚度为400 m时的等效自重载荷时，局部裂纹开始扩展，并逐渐向深部延伸，现场实测数据与实验结果基本吻合(图9)。实验巷道围岩压力与现场实测结果演化规律较为一致，但相对较低(图10)，主要原因为随着不断加载，模型体石膏板间隙逐渐压密，相互错动，板间产生一定摩擦阻力，引起模型体有效载荷存在略微消耗;为此，后续模型试验研究宜合理选取散体材料，降低边界载荷向巷道中心区域传递的载荷损耗。

4　结　　论

(1)新型地质力学模型实验系统能够较有效提供真三轴加载，高度还原原岩应力场，EDC伺服控制系统的引入提高了加载精度与稳定性，自反馈工作模式规避主观因素对加载过程的影响。

(2)新系统边界载荷集度可达5 MPa，280个液压作动器协同工作实现均布应力加载。有效受荷区面积扩大，实验精度受尺寸效应及边界条件影响程度小。

(3)新系统加载架强度高、整体性好，观察窗的留设为后期模拟岩巷爆破掘进施工提供有利条件。

(4)实验结果验证了新型模型试验系统性能的稳定性与可靠性，能够为地下工程围岩稳定性研究提供较好的研究途径与指导依据。

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