不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模
拟测试装置及测试方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着我国经济的发展，
铁路和城市轨道交通迅速发展，特别是
铁路轨道交通作为国民经济的大动脉、国家重要
基础设施和大众化交通工具，在国民经济社会发展中具有重要的地位。构建现代轨道交通装备产业创新体系，打造
覆盖干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通的全产业链布局也是国家战略性新兴产业发展规划的要点之一。由于我国西部多山地的地理条件，铁路建设时隧巷道的修筑占据着很大一部分工程量，且西部山区地质条件复杂，往往需要在深部高地应力(大埋深、高构造应力)条件下开挖，越来越多的高难度复杂隧巷道工程出现，因此复杂地质条件下隧巷道工程的研究和发展对铁路轨道交通发展具有至关重要的地位。此外，据不完全统计，在
煤矿开采方面，全国煤矿超千米的深井已有约47座；在地下洞室方面，以我国锦屏地下洞室为例，垂直埋深也达到了2400米以上，可见我国地下资源开发利用也已经迈入深地领域。在深部高地应力条件下开挖，由于高覆存压力及高构造应力的存在，隧巷道周边岩体
变形一般较大，尤其是强度较低，变形模量大的岩体，易出现隧道塌方，巷道冒顶、底鼓和侧胀等现象，在硬脆性岩体地区亦可诱发岩爆等灾害。然而，目前人们对深部高地应力条件下隧巷道的变形破坏机理认识还不够明确，这极大限制了轨道交通事业的发展和深地资源的利用。
[0003] 不仅如此，隧巷道修建时还会遇到穿越断层或
破碎带等不良地质体的情况。断层与破碎带附近往往围岩强度低，裂隙发育显著，透
水性强，施工时极易出现拱顶塌方、不均匀沉降、突水突泥等工程事故，给施工带来重大损失。同时，构造
断裂带往往是
地震活动带，地震等地质构造运动会引起这类断层活动，对在建或已建成隧道带来重大破坏，造成严重的生命财产损失。因此，深入研究隧道在大埋深、高构造应力、断层破碎带复合环境中的变形破坏特征，对指导隧道工程实践有着重要的意义。
[0004] 对隧巷道力学行为特征的研究方法主要有现场原位测试、数值模拟、物理模型试验，其中最有效的方法是现场原位监测，即通过预先埋在隧道衬砌或内壁的应力应变及位移监测元件，获得最真实最原始的监测数据。这种方法虽然能准确反映现场实际情况，但由于场地空间限制，监测周期较长，监测
费用较高，往往只选择局部断面进行监测，所得结果是不连续的。数值模拟即根据实际现场测量的地质条件参数，运用计算机进行建模，从而分析结构体的力学行为特征，但为了方便计算机建模与计算，在操作时常对实际问题进行简化，使得所建立模型并不能真实反映现场情况。物理模型试验即按照一定的物理、几何相似关系建立与隧道
原型结构整体或局部相对应的模型结构，通过物理模型可对原结构力学特征全过程进行观察探索，物理模型一般几何尺寸较小，在室内便可完成相关测试，加之物理模型的费用适中，试验不再受现场场地限制，操作方便，结果直观，故其在各类工程科学研究中占有重要的地位。
[0005] 关于隧道力学行为特征的物理模型试验，现有的模型箱往往只能对不同围压或跨断层中的一种扰动因素进行模拟，而且对于断层的模拟大多仅能实现单一方向滑动。CN109839315A公开了模拟跨断层隧道的双向滑移式物理模型箱及跨断层隧道力学行为测试方法，该物理模型箱包括
支撑框架、装载料斗、
导轨、滑
块和双向动力系统，通过导轨、滑块和双向动力系统的配合，虽能够实现对复合型错动的模拟，但其并未考虑实际情况中隧巷道周围
地层构造应力的影响，特别是在深部髙地应力条件下开挖，高覆存压力及高构造应力的存在对隧巷道的影响，无法很好地模拟大埋深、高构造应力、跨断层破碎带的实际复合工程环境，在更真实地还原工程实际情况方面还有待改进。因此亟需能够实现对各种错动条件、大埋深、高构造应力下跨断层隧道力学行为特征的模拟装置及方法。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置，解决现有隧道力学行为特征物理模型箱不能模拟深部开挖高地应力实际工程条件的问题，以实现不同埋深、不同构造应力下断层复合错动的复杂工程环境的模拟，更真实地还原工程实际情况，本发明的目的之二是以本发明提供的测试装置为基础，提供不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征测试方法。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
[0008] 本发明提供的不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置，包括支撑框架、装载料斗、导轨、滑块、双向动力系统，所述支撑框架包括主框架、第一副框架、第二副框架，主框架由上框架和用于支撑上框架的下框架组成，上框架为内腔中空的长方体框架，还包括第三副框架和围压加载系统；
[0009] 所述主框架的上框架上设有贯穿前、后两个侧面以及顶面和底面的斜切面框，斜切面框由分别与上框架的顶面框条和底面框条垂直且相交的两根横梁，以及分别与上框架的前侧面框条和后侧面框条以一定夹
角相交的两根
斜梁构成，斜切面框将上框架分为活动料斗容纳部和包含斜切面框的固定料斗安装部；活动料斗容纳部对应的上框架的前侧面顶部为无框条设置，形成供活动料斗水平移动时通过的缺口；第一副框架固定在活动料斗容纳部的后侧面，第二副框架固定在固定料斗安装部的前侧面，为与该前侧面形状匹配的直角梯形体框架；第二副框架的倾斜面框与主框架的斜切面框平齐，共同构成延长的斜切面框；第三副框架固定于固定料斗安装部的顶面，为与该顶面形状匹配的长方体框架；第二副框架的前侧面、第三副框架的顶面均设有围压千斤顶安装横梁，第一副框架的后侧面设有与斜切面框的斜梁相互平行的位移千斤顶安装斜梁；
[0010] 所述装载料斗包括固定料斗和活动料斗；固定料斗由一个矩形
底板、一个矩形侧板和一个直角梯形侧板安装在上框架的固定料斗安装部的对应面构成，固定料斗安装部的斜切面框对应面、顶面和前侧面保持开放；活动料斗由活动料斗框架、一个矩形底板、一个矩形侧板和一个直角梯形侧板构成，活动料斗框架由内腔中空的与主框架中上框架的活动料斗容纳部形状匹配的活动料斗框架主体，以及侧框架和顶框架构成；活动料斗框架主体为倒直角梯形体，活动料斗框架主体的倾斜面框与固定料斗安装部的斜切面框相互平行，侧框架固定在活动料斗框架主体的前侧面，为与该前侧面形状匹配的倒直角梯形体框架，侧框架的倾斜面框与活动料斗框架主体的倾斜面框平齐，形成延长的倾斜面框，该延长的倾斜面框与支撑框架中固定料斗安装部与第二副框架形成的延长的斜切面框大小相同且相互平行，顶框架固定在活动料斗框架主体的顶面，为与该顶面形状匹配的长方体框架；活动料斗的底板和侧板形状对应地安装在活动料斗框架主体的底面和侧面，活动料斗框架主体的前侧面、倾斜面和顶面开放；活动料斗框架主体的后侧面上设有位移千斤顶安装横梁，顶框架的顶面和侧框架的前侧面设有围压千斤顶安装横梁；固定料斗和活动料斗的矩形侧板上设有衬砌模型放入口；
[0011] 所述双向动力系统包括为活动料斗的水平移动和纵向移动提供动力的位移千斤顶；
[0012] 所述导轨包括活动料斗导轨、斜向位移千斤顶导轨和水平向位移千斤顶导轨；活动料斗导轨包括两根相互平行的斜向活动料斗导轨和两根相互平行的水平向活动料斗导轨；斜向活动料斗导轨分别安装在主框架与第二副框架形成的延长的斜切面框的两根斜梁上，斜向活动料斗导轨上安装有滑块，水平向活动料斗导轨安装在斜向活动料斗导轨的滑块上且与斜向活动料斗导轨相互垂直，水平向活动料斗导轨上安装有滑块，水平向活动料斗导轨的滑块固定在活动料斗框架的延长的倾斜面框上；斜向位移千斤顶导轨安装在第一副框架的位移千斤顶安装斜梁上，斜向位移千斤顶导轨上安装有滑块，斜向位移千斤顶导轨与斜向活动料斗导轨相互平行；水平向位移千斤顶导轨安装在活动料斗容纳部下方的下框架上，水平向位移千斤顶导轨与水平向活动料斗导轨相互平行，水平向千斤顶导轨上安装有滑块；
[0013] 所述位移千斤顶包括水平设置的位移千斤顶和垂直于水平面设置的位移千斤顶；水平设置的位移千斤顶的底部通过滑块安装在斜向位移千斤顶导轨上、顶部固定在活动料斗框架主体的位移千斤顶安装横梁上；垂直于水平面设置的位移千斤顶的底部通过滑块安装在水平向位移千斤顶导轨上、顶部通过支撑垫板与活动料斗的底板
接触；
[0014] 所述围压加载系统包括为固定料斗和活动料斗内的围岩材料提供模拟上覆地
层压力和水平构造应力的围压千斤顶；围压千斤顶的底部分别安装在第二副框架、第三副框架、活动料斗框架的侧框架、活动料斗框架的顶框架的围压千斤顶安装横梁上，围压千斤顶的顶部分别安装有用于对装载料斗中的围岩材料施加围压的加
压板；
[0015] 位移千斤顶和围压千斤顶均与油
泵、输油管以及配电控制箱配套使用。
[0016] 上述模拟测试装置的技术方案中，所述上框架上斜切面框与固定料斗的底板之间的夹角α为30°～80°。
[0017] 上述模拟测试装置的技术方案中，围压千斤顶至少为4个，加压板与围压千斤顶的顶部之间设有垫板，加压板通过垫板和螺钉与围压千斤顶的顶部固定连接。所述加压板的尺寸不超过加压板安装
位置上活动料斗和固定料斗的对应面的尺寸，优选地，所述加压板的形状与所加压板安装位置上活动料斗和固定料斗的对应面形状相同。当围压千斤顶的底部安装在第二副框架和活动料斗框架的侧框架的围压千斤顶安装横梁上时，围压千斤顶水平安装，与围压千斤顶连接的加压板垂直于水平面设置且与上框架的前侧面相互平行；当围压千斤顶的底部安装在第三副框架和活动料斗框架的顶框架的围压千斤顶安装横梁上时，围压千斤顶垂直于水平面安装，与围压千斤顶连接的加压板水平设置且与上框架的底板相互平行。
[0018] 上述模拟测试装置的技术方案中，两根斜向活动料斗导轨之间的距离为上框架的前、后两个侧面之间距离的1.5～2倍，斜向活动料斗导轨的长度大于等于上框架上的斜切面框的斜梁的长度；两根水平向活动料斗导轨之间的距离为上框架上的斜切面框的斜梁长度的0.6～0.8倍，其中一根水平向活动料斗导轨的滑块固定在活动料斗框架主体的倾斜面框底部框条上。
[0019] 上述模拟测试装置的技术方案中，上框架的斜切面框的斜梁与活动料斗之间的缝隙由
橡胶条封堵，以避免在向装载料斗中铺设围岩材料时围岩材料漏出。
[0020] 上述模拟测试装置的技术方案中，斜向位移千斤顶导轨和水平向位移千斤顶导轨数量，以及各位移千斤顶的数量根据上述装载料斗的尺寸，特别是活动料斗的尺寸决定，以能够为活动料斗的纵向移动提供足够的动力为基本原则。斜向位移千斤顶导轨为1～3根，各斜向位移千斤顶导轨相互平行，各斜向位移千斤顶导轨上均设有1个位移千斤顶；水平向位移千斤顶导轨为1～3根，各水平向位移千斤顶导轨相互平行，各水平向位移千斤顶导轨上设有1～2个位移千斤顶。
[0021] 上述模拟测试装置的技术方案中，围压千斤顶和位移千斤顶均为
液压千斤顶。
[0022] 上述模拟测试装置的技术方案中，为了便于固定料斗的各个底板和侧板在上框架的固定料斗安装部上的安装和固定，以及活动料斗的各个底板和侧板在活动料斗框架上的安装和固定，支撑框架和活动料斗框架优选由角
钢焊接而成；为了便于观察装载料斗中的围岩材料的情况同时保证装载料斗的强度，固定料斗和活动料斗的侧板优选由钢化玻璃制作，固定料斗和活动料斗的底板、以及围压千斤顶的加压板由钢板制作。
[0023] 上述模拟测试装置的技术方案中，固定料斗和活动料斗的矩形侧板上设置的衬砌模型放入口的形态根据衬砌模型的形态进行确定，衬砌模型放入口的设置位置根据衬砌模型的安装位置进行确定。例如，衬砌模型的可以为圆形开口，模拟圆形隧道。固定料斗和活动料斗的矩形侧板上的衬砌模型放入口设置在矩形侧板的同一位置，使得衬砌模型放入口可以被同一个轴线平行于上框架横梁的衬砌模型穿过。
[0024] 上述模拟测试装置的技术方案中，为了使用该装置时更方便地获取围岩材料的装填厚度信息，优选的技术方案为：在固定料斗和活动料斗的侧板上设置刻度线。
[0025] 上述模拟测试装置的技术方案中，为了方便装置移动，下框架的底部设有万向轮。
[0026] 上述模拟测试装置的技术方案中，为了让活动料斗的移动更为方便和灵活，优选为固定料斗的体积大于活动料斗的体积。
[0027] 上述模拟测试装置的技术方案中，为了实现活动料斗在主框架上的水平和纵向移动，活动料斗的整体尺寸应略小于上框架的活动料斗容纳部的尺寸。
[0028] 上述模拟测试装置的技术方案中，所述的斜向位移千斤顶导轨、水平向位移千斤顶导轨、斜向活动料斗导轨和水平向活动料斗导轨优选采用直线光轴导轨，与各个导轨配合的滑块优选采用开口型直线
轴承。
[0029] 由于本发明提供的上述模拟测试装置主要是为了在室内模拟不同埋深、不同构造应力下跨断层隧道的破坏过程，因此模拟测试装置整体的具体尺寸、固定料斗和活动料斗的体积的比例关系、上框架上的斜切面框与固定料斗的底板之间的夹角α的大小、衬砌模型放入口的设置位置和尺寸等参数，可根据原结构以及模拟测试装置与原结构之间的比例关系进行确定。
[0030] 本发明还提供使用本发明所述模拟测试装置进行不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征测试方法，包括以下步骤：
[0031] ①在模拟测试装置的装载料斗的内壁上刷一层机油，根据试验需求调整模拟测试装置的活动料斗的位置，在模拟测试装置上安装位移计，向模拟测试装置中的装载料斗铺设围岩材料，在铺设围岩材料期间在围岩材料中安装衬砌模型、应变片以及土压力盒；
[0032] 在铺设围岩材料之前，调整各加压板，特别是垂直于水平面设置的加压板的位置，使垂直于水平面设置的加压板与活动料斗和固定料斗的底板接触，避免还未
凝固的围岩材料渗漏；
[0033] ②当围岩材料铺设至试验需要的高度后，静置至围岩材料达到试验所需强度，根据试验需要开启油泵控制围压千斤顶向围岩材料施加垂向和水平向的压力，分别模拟上覆地层压力和构造应力；通过调节围压千斤顶向围岩材料施加垂向和水平向的压力的大小，模拟不同埋深、不同构造应力情况；
[0034] ③根据试验需要开启油泵控制位移千斤顶为活动料斗的水平或/和纵向移动提供动力，采用与应变片和土压力盒连接的监测仪器实时监测在不同埋深、不同构造应力情况下，活动料斗水平或/和纵向移动时的应力、应变数据，同时采用位移计实时测量活动料斗的水平和纵向移动距离；
[0035] ④通过分析步骤③中采集的应力、应变和位移数据，获取在不同上覆地层压力、不同构造应力条件下走滑断层、正逆断层或者复合型错动情况下的隧巷道力学行为特征。
[0036] 上述跨断层隧道力学行为测试方法的技术方案中，步骤①在向模拟测试装置的装载料斗中铺设围岩材料时，最好采用分层铺设的方式，铺设完一层
压实后再铺设下一层，以保证铺设后围岩材料的密实度，为了保证活动料斗的移动不受装载料斗内铺设的围岩材料的影响，装载料斗内围岩材料的铺设厚度不应超过位于最上方的水平向活性料斗导轨的安装位置高度。
[0037] 上述测试方法中，步骤①在铺设围岩材料之前在模拟测试装置的装载料斗的内壁上刷一层机油的作用在于：一方面是为了减小物理模型箱的边界效应对模拟结果的影响，更真实还原工程实践现场条件，另一方面是为了方便试验完成后拆除装载料斗中的试验材料。
[0038] 上述测试方法中，为了实现对活动料斗的水平移动距离和纵向移动距离的监测和定量控制，步骤①中需要在模拟测试装置上安装两个位移计，分别用于测量活动料斗在水平方向的移动距离和纵向移动距离，优选采用的位移计为数显位移百分表，并且与万向
磁性表座配合使用，数显位移百分表固定在万向磁性表座上，万向磁性表座则固定在固定料斗和活动料斗的开放式侧面附近的上框架上。
[0039] 上述测试方法中，步骤①还可根据试验需求在隧道衬砌模型、围岩材料内埋设应变砖等监测元件。
[0040] 上述测试方法中，步骤①在铺设围岩材料前通常是调整活动料斗的位置使开放的固定料斗的斜切面框与活动料斗倾斜面框相互配合相通形成长方体槽状结构的装载料斗，若试验需要模拟正断层运动对跨断层隧道的影响，应先将活动料斗上升至预定研究高度后再铺设围岩材料。
[0041] 上述测试方法中，在结束试验后，应将装载料斗中的围岩材料、衬砌模型等试验材料从清除，按照建筑废材妥善处置并将装载料斗打扫干净以便下次试验使用。
[0042] 上述测试方法中，跨断层隧道力学行为数据包括物理模型的应力应变数据、围岩材料的应力应变数据等。
[0043] 与现有技术相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：
[0044] 1.本发明提供的不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置，包括支撑框架、装载料斗、导轨、滑块、双向动力系统和围压加载系统，由于设计了为固定料斗和活动料斗内的围岩材料提供模拟上覆地层压力和水平构造应力的围压加载系统，同时配合双向动力系统、导轨和滑块，使活动料斗能够在水平方向和纵向双向移动，实现了不同埋深、不同构造应力、断层复合错动的复杂工程环境模拟，以及该环境下隧巷道力学行为特征的模拟，特别是实现了高覆存压力及高构造应力条件下隧巷道力学行为特征的模拟，更真实地还原工程实际情况，提高深部髙地应力条件下跨断层隧巷道力学行为特征的研究的准确性，解决了现有物理模型箱不能模拟上覆地层压力和构造应力对隧巷道的影响的问题。
[0045] 2.由于本发明所述模拟测试装置能够实现多种复杂条件下跨断层隧巷道力学行为特征的模拟，装置的使用效率高，适应性强，从而从整体上降低了跨断层隧巷道力学行为特征研究的成本。
[0046] 3.本发明在上述模拟测试装置的基础之上还提供了一种不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征测试方法，该方法能够实现对不同埋深、不同构造应力下的走滑断层、正逆断层及复合型错动条件的跨断层隧道力学行为的测试。由于复合错动条件和构造应力条件更加接近工程实际情况，因此测得的跨断层隧巷道力学行为数据更加准确，特别是可以获得深部髙地应力条件下开挖的隧巷道力学行为特征数据，提高对跨断层隧道力学行为特征的研究的准确性，有利于指导实际工程。
附图说明
[0047] 图1是本发明提供的模拟测试装置的正视图；
[0048] 图2是本发明提供的模拟测试装置的后视图；
[0049] 图3是本发明提供的模拟测试装置的右视图；
[0050] 图4是本发明提供的模拟测试装置的活动料斗导轨在主框架斜切面框上的安装示意图；
[0051] 图5是本发明提供的模拟测试装置的支撑框架结构示意图；
[0052] 图6是本发明提供的模拟测试装置的活动料斗框架结构示意图；
[0053] 图中，1—支撑框架、1-1—主框架、1-1-1—固定料斗安装部、1-1-2—活动料斗容纳部、1-2—第一副框架、1-3—第二副框架、1-4—第三副框架、1-5—围压千斤顶安装横梁、1-6—位移千斤顶安装斜梁、2—斜切面框、3—固定料斗、4—活动料斗、4-1—活动料斗框架主体、4-2—侧框架、4-3—顶框架、4-4—位移千斤顶安装横梁、5—衬砌模型放入口、6—位移千斤顶、7—围压千斤顶、7-1—加压板、7-2—垫板、7-3—螺钉、8—油泵、9—输油管、10—配电控制箱、11—斜向位移斤顶导轨、12—水平向位移千斤顶导轨、13—斜向活动料斗导轨、14—水平向活动料斗导轨、15—滑块、16—橡胶条、17—万向轮、α—上框架上的斜梁与固定料斗的底板之间的夹角。
具体实施方式
[0054] 下面针对本发明提供的不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置以及不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征测试方法做进一步说明。有必要指出的是，以下实施方法只用于对本发明操作使用做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整是非常容易做到的，因此，这样的改进与调整应仍属于本发明的保护范围。
[0055] 以下
实施例中，所述“前”、“后”等方位词是为更加清楚说明结构而采用的相对方位指代，对所述模拟测试装置的具体结构不具有限定作用。
[0056] 以下实施例中，斜向位移千斤顶导轨、水平向位移千斤顶导轨、斜向活动料斗导轨和水平向活动料斗导轨采用型号为SBR3UU的直线光轴导轨，与各个导轨配合的滑块采用
信号为LM30UU-OP的开口型直
线轴承。
[0057] 实施例1
[0058] 本实施例所述不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置，结构如图1-图6所示，包括支撑框架1、装载料斗、导轨、滑块、双向动力系统和围压加载系统。
[0059] 所述支撑框架1由主框架1-1、第一副框架1-2、第二副框架1-3和第三副框架1-4组成。主框架1-1由上框架和用于支撑上框架的下框架组成，上框架为内腔中空的长方体框架，上框架上设有贯穿前、后两个侧面以及顶面和底面的斜切面框2，斜切面框2由分别与上框架的顶面框条和底面框条垂直且相交的两根横梁，以及分别与上框架的前侧面框条和后侧面框条相交的两根斜梁构成。斜切面框2将上框架1-1分为活动料斗容纳部1-1-2和包含斜切面框的固定料斗安装部1-1-1，斜切面框与上框架的底面的夹角α为60°。活动料斗容纳部1-1-2对应的上框架1-1的前侧面顶部为无框条设置，形成供活动料斗4水平移动时通过的缺口。第一副框架1-2固定在活动料斗容纳部1-1-2的后侧面，为完全覆盖该后侧面的长方体框架；第二副框架1-3固定在固定料斗安装部1-1-1的前侧面，为与该前侧面形状匹配的直角梯形体框架；第二副框架1-3的倾斜面框与主框架的斜切面框2平齐，共同构成延长的斜切面框；第三副框架1-4固定于固定料斗安装部1-1-1的顶面，为与该顶面形状匹配的长方体框架。第二副框架1-3的前侧面、第三副框架1-4的顶面均设有围压千斤顶安装横梁1-5；第一副框架1-2的后侧面设有与斜切面框2的斜梁相互平行的位移千斤顶安装斜梁1-
6。所述支撑框架由角钢焊接而成。支撑架的主框架的下框架的底部设有方便移动的万向轮
17。
[0060] 所述装载料斗包括固定料斗3和活动料斗4，为了让活动料斗的移动更为方便和灵活，固定料斗3的体积大于活动料斗4的体积。固定料斗3由一个矩形底板、一个矩形侧板和一个直角梯形侧板安装在上框架的固定料斗安装部的对应面构成，固定料斗安装部1-1-1的斜切面框对应面、顶面和前侧面保持开放。活动料斗4由活动料斗框架、一个矩形底板、一个矩形侧板和一个直角梯形侧板构成，活动料斗框架由内腔中空的与主框架中上框架的活动料斗容纳部1-1-2形状匹配的活动料斗框架主体4-1，以及侧框架4-2和顶框架4-3构成。为了实现活动料斗在主框架上的水平和纵向移动，活动料斗的整体尺寸应略小于上框架的活动料斗容纳部的尺寸。活动料斗框架主体4-1为倒直角梯形体，活动料斗框架主体的倾斜面框与固定料斗安装部1-1-1的斜切面框相互平行且相对放置，侧框架4-2固定在活动料斗框架主体4-1的前侧面，为与该前侧面形状匹配的倒直角梯形体框架，侧框架的倾斜面框与活动料斗框架主体的倾斜面框平齐，形成延长的倾斜面框，该延长的倾斜面框与支撑框架中固定料斗安装部1-1-1与第二副框架1-3形成的延长的斜切面框大小相同且相互平行，顶框架4-3固定在活动料斗框架主体4-1的顶面，为与该顶面形状匹配的长方体框架；活动料斗的底板和侧板形状对应地安装在活动料斗框架主体的底面和侧面；活动料斗框架主体的前侧面、倾斜面和顶面开放；活动料斗框架主体4-1的后侧面(安装直角梯形侧板的侧面)上设有位移千斤顶安装横梁4-4，顶框架4-3的顶面和侧框架4-2的前侧面设有围压千斤顶安装横梁1-5。固定料斗和活动料斗的矩形侧板上同一位置设有圆形衬砌模型放入口5，使得衬砌模型放入口可以被同一个轴线平行于上框架横梁的圆形管道穿过，以模拟隧道。上框架的斜切面框的斜梁与活动料斗4之间的缝隙由橡胶条16封堵，以避免围岩材料渗漏。活动料斗框架以及其上设置的千斤顶安装横梁由角钢焊接成一体结构形成，固定料斗3和活动料斗4的侧板由钢化玻璃制作，固定料斗3和活动料斗4的底板由钢板制作，以在便于观察装载料斗中的围岩材料的情况同时保证装载料斗的强度。固定料斗和活动料斗的侧板上设有刻度线，方便在试验中快速获取围岩材料的装填厚度。
[0061] 所述双向动力系统包括为活动料斗的水平移动和纵向移动提供动力的位移千斤顶6，所述位移千斤顶为液压千斤顶。
[0062] 所述导轨包括活动料斗导轨、一根斜向位移千斤顶导轨11和两根水平向位移千斤顶导轨12；活动料斗导轨包括两根相互平行的斜向活动料斗导轨13和两根相互平行的水平向活动料斗导轨14。两根斜向活动料斗导轨13分别安装在主框架与第二副框架形成的延长的斜切面框的两根斜梁上，且两根斜向活动料斗导轨13之间的距离为上框架的前、后两个侧面之间距离的1.5倍，斜向活动料斗导轨的长度等于上框架上的斜切面框的斜梁的长度；每根斜向活动料斗导轨13上安装有两个滑块15，每根水平向活动料斗导轨14的两端分别与两根斜向活动料斗导轨13上的一个滑块对应固定在滑块上，且与斜向活动料斗导轨13相互垂直，两根水平向活动料斗导轨14之间的距离为上框架上的斜切面框的斜梁长度的0.8倍；
每根水平向活性料斗导轨上安装有两个滑块15，其中一根水平向活动料斗导轨的滑块15固定在活动料斗框架主体的倾斜面框的底部框条上，另一根水平向活动料斗导轨的两个滑块
15分别固定在活动料斗框架主体的倾斜面框的斜梁上。斜向位移千斤顶导轨11安装在第一副框架1-2的位移千斤顶安装斜梁1-6上，斜向位移千斤顶导轨11上安装有一个滑块15，斜向位移千斤顶导轨与斜向活动料斗导轨13相互平行；水平向位移千斤顶导轨12为两根，安装在活动料斗容纳部1-1-2下方的下框架上，水平向位移千斤顶导轨12与水平向活动料斗导轨14相互平行，每根水平向位移千斤顶导轨12上安装有一个滑块15。所述滑块15为开口型直线轴承。
[0063] 所述位移千斤顶6包括一个水平设置的位移千斤顶和两个垂直于水平面设置的位移千斤顶。水平设置的位移千斤顶的底部通过滑块15安装在斜向位移千斤顶导轨11上、顶部固定在活动料斗框架主体4-1的位移千斤顶安装横梁4-4上。垂直于水平面设置的位移千斤顶的底部通过滑块15分别安装在两根水平向位移千斤顶导轨12上、顶部通过支撑垫板与活动料斗的底板接触。
[0064] 所述围压加载系统由四个为固定料斗3和活动料斗4内的围岩材料提供模拟上覆地层压力和水平构造应力的围压千斤顶7组成，所述围压千斤顶为液压千斤顶。四个围压千斤顶7的底部分别安装在第二副框架1-3、第三副框架1-4、活动料斗框架的侧框架4-2、活动料斗框架的顶框架4-3上对应的围压千斤顶安装横梁1-5上；围压千斤顶7的顶部分别安装有用于对装载料斗中的围岩材料施加围压的加压板7-1，加压板由钢板制作。加压板与围压千斤顶7的顶部之间设有垫板7-2，通过螺钉7-3穿过加压板和垫板将加压板固定在围压千斤顶顶部。加压板的尺寸不超过加压板安装位置上活动料斗和固定料斗的对应面尺寸加压板的形状与加压板安装位置上活动料斗和固定料斗的对应面形状相同。四个围压千斤顶7其中的两个水平安装用于模拟构造应力，另外两个垂直于水平面安装用于模拟垂向的上覆地层压力，当围压千斤顶7的底部安装在第二副框架和活动料斗框架的侧框架的围压千斤顶安装横梁1-5上时，围压千斤顶7水平安装，与围压千斤顶7连接的加压板垂直于水平面设置且与上框架的前侧面相互平行；当围压千斤顶7的底部安装在第三副框架和活动料斗框架的顶框架的围压千斤顶安装横梁1-5上时，围压千斤顶7垂直于水平面安装，与围压千斤顶7连接的加压板水平设置且与上框架的底板相互平行。
[0065] 位移千斤顶6和围压千斤顶7均与油泵8、输油管9以及配电控制箱10配套使用。
[0066] 实施例2
[0067] 采用实施例1所述模拟测试装置进行大埋深、高构造应力、复合错动下隧道的力学行为特征测试，步骤如下：
[0068] ①在模拟测试装置的装载料斗的内壁上刷一层机油，以减小物理模型边界效应对模拟结果的影响。调整活动料斗的位置使开放式的固定料斗的延长的斜切面框与活动料斗的倾斜面框相互配合相通形成长方体槽状结构的装载料斗。在活动料斗上安装两个位移计，分别用于测量活动料斗在水平方向的移动距离和纵向移动距离，具体采用的位移计为数显位移百分表，与万向磁性表座配合使用，数显位移百分表固定在万向磁性表座上，万向磁性表座则固定在固定料斗和活动料斗连接断面(开放式侧面)附近的上框架上。在铺设围岩材料之前，调整各加压板，特别是垂直于水平面设置的加压板的位置，使垂直于水平面设置的加压板与活动料斗和固定料斗的底板接触，避免还未凝固的围岩材料渗漏。
[0069] 用分层铺设的方式向装载料斗中铺设围岩材料，每铺设完一层压实后再铺设下一层，以保证铺设后围岩材料的密实度，为了保证活动料斗的移动不受装载料斗内铺设的围岩材料的影响，装载料斗内围岩材料的铺设厚度不应超过位于最上方的水平向活动料斗导轨的安装位置高度。在铺设围岩材料过程中，通过活动料斗和固定料斗上设置的衬砌模型放入口安装贯通固定料斗和活动料斗的衬砌模型圆筒管道，用以模拟隧道巷，同时在围岩材料中安装衬砌模型、应变片以及土压力盒，安装后继续加入围岩材料并压实直至试验需要的高度。连接好监测元件对应的相关监测仪器，校验位移计、应变片、土压力盒等监测元件读数是否正常，若正常则进行下一步，否则及时检修并排除故障。
[0070] ②当围岩材料铺设至试验需要的高度后，静置至围岩材料达到试验所需强度，根据试验需要开启油泵控制围压千斤顶向围岩材料施加垂向和水平向的压力，分别模拟上覆地层压力和构造应力；通过调节围压千斤顶向围岩材料施加垂向和水平向的压力的大小，模拟不同埋深、不同构造应力情况；在施加水平向的压力前宜先预施加一定的垂向的压力。
[0071] ③根据试验需要开启油泵控制位移千斤顶为活动料斗的水平和纵向移动提供动力，使得活动料斗在向上移动的同时向上框架的前侧面方向水平移动，采用与应变片和土压力盒连接的监测仪器实时监测活动料斗水平和纵向移动时的应力、应变数据，同时采用位移计实时测量活动料斗的水平和纵向移动距离。
[0072] ④调节围压千斤顶向围岩材料施加垂向和水平向的压力的大小，模拟不同埋深、不同构造应力情况，重复以上步骤，采集相应的应力、应变和位移数据。通过分析步骤③中采集的应力、应变和位移数据，获取复合型错动条件下的隧道力学行为特征。
[0073] ⑤结束试验后，将装载料斗中的围岩材料、衬砌模型等试验材料从清除，按照建筑废材妥善处置并将装载料斗打扫干净以便下次试验使用。
