近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统技术方案

本发明专利技术涉及地下工程灾害模型实验技术领域，具体为近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统；包括底座、上横梁、立柱、实验舱、导轨、隧道开挖装置、实验控制系统；通过设置隧道开挖装置，替代传统的人工开挖实验系统，实现隧道的分步开挖；通过3D打印出隐伏溶洞模具，将水注入隐伏溶洞模具中，通过低温处理将隐伏溶洞模具中的水凝结成冰后埋置于物理模型中，对其四周的岩体形成有效支撑，再通过升温将隐伏溶洞内冰块的融化，最后形成与实际形状一致的、具有一定压力水的隐伏溶洞；通过隧道模具内部的摄像头，实现对隧道开挖全程的实时影像采集；通过前侧板与实验舱整体分离，实现对物理模型前侧面变形和破坏的直接观测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统


[0001]本专利技术涉及地下工程灾害模型实验
，具体为近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统。

技术介绍

[0002]在中国，几乎各个省区都有不同面积石灰岩的分布，出露地表总面积约130万平方公里，约占全国总面积的13.5％，埋藏于地下的则更为广泛，是隧道施工过程中常见的水文地质环境。岩溶作为溶蚀作用和侵蚀作用的产物，发育多变，大小不定，形态各异，隧道开挖扰动打破了围岩原始的力学平衡状态，隔水岩体在应力和水压的叠加作用下，新裂隙萌生、原始裂隙扩展，赋存在岩溶中承压水沿着裂隙通道快速进入隧道，引发突水灾害。若在揭露岩溶之前，能准确判断出岩溶的位置、规模及形态，分析其在隧道施工过程中的稳定程度，进而选择科学合理的处置措施，就能避免突水灾害的发生。因此，进行近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化特征研究对揭示溶洞突水致灾机理具有重要意义。
[0003]现有比较有效的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水研究手段主要有理论分析、数值模拟、现场实验和物理模型实验等；由于地质条件的复杂性，理论分析和数值模拟方法具有一定局限性，对于指导具体工程开挖还有所欠缺；现场实验环境恶劣，周期长、费用高。
[0004]现有技术中，物理模型的开挖采用人工开挖的方式进行，难以实现隧道分步开挖，且在隧道开挖过程中，可能会有掉落的破碎岩块阻碍隧道顺利开挖；物理模型实时摄像系统设置在隧道之外，捕捉有效信息的能力受到限制；物理模型实验中的溶洞形态与实际差别较大，常对其形状进行简化处理；物理模型实验舱存在铺设和拆卸不方便问题；难以实现在隧道内部对隧道开挖全程进行实时影像采集。
[0005]为此，本专利技术提出近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统用于解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，包括底座、上横梁、立柱、实验舱、导轨、隧道开挖装置、实验控制系统；
[0008]所述底座上对称设置有立柱，并且立柱一端插接设置在底座中，另一端贯穿设置在上横梁中，组成反力框架。
[0009]优选的，所述实验舱由底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和顶板组成；实验舱底板直接放置在底座上，前侧板和后侧板对称设置在底座的其中一对称侧，左侧板和右侧板对称设置在底座的另一对称侧；前侧板和后侧板中间位置对称设有隧道开挖口，其形状
可根据隧道实际形状进行设置；左侧板和右侧板上对称设有等距的安装槽，用于安装侧向加载油缸，加载油缸上安装有侧向加载压头，侧向加载压头直接为实验舱内的物理模型提供侧向载荷；顶板由居中、对称、等距设置，连接有竖向加载油缸的竖向加载压头组成，竖向加载压头直接为实验舱内的物理模型提供竖向载荷；竖向加载油缸安装在上横梁上；在对物理模型同时进行侧向和竖向加载过程中，为了避免侧向加载压头和竖向加载压头相互挤压，竖向加载压头的左右方向尺寸要小于实验舱左右方向尺寸，但为了提升实验舱整体密封性，在左右侧板内侧上方加装封闭挡板，通过螺栓固定在左右侧板上。
[0010]优选的，所述导轨共有内外两组，内导轨用于实验舱的整体移动，外导轨用于实验舱前侧板的单独移动；两组导轨皆对称固定设置在底座的两侧，其中，内导轨上设置有移动升降轮，移动升降轮对称固定在实验舱底板上，需要将实验舱整体移动时，启动移动升降轮上方的升降液压油缸，将实验舱整体抬离底座1三到五毫米，此时，实验舱完全由移动升降轮进行支撑，启动水平推移液压油缸，依靠水平推移液压油缸的伸缩即可实现实验舱的整体水平移动；外导轨上设置有普通移动轮，普通移动轮对称固定在三角门架的底端，三角门架通过螺栓固定在前侧板左右两侧，物理模型实验完成后，在不对物理模型破坏的情况下，可通过移动普通移动轮带动前侧板与实验舱分离，从而实现对物理模型前侧面的直接观测；为了避免由于实验舱来回移动可能会产生的竖向加载过程中压头不对中的问题，优选地，在底座上设置限位器用于实验舱的定位。
[0011]优选的，所述隧道开挖装置包括移动底座、液压伸缩油缸和隧道模具；所述移动底座底部对称设置有万向轮，便于隧道开挖装置位置的自由调整；所述液压伸缩油缸水平固定在移动底座上方，通过连接件与隧道模具相连接，隧道模具与隧道开挖口形状一致，但较隧道开挖口尺寸稍小，隧道模具可在液压伸缩油缸的牵引下自由进出；所述隧道模具内部中空，摄像头可以从实验舱外部伸入隧道开挖空间内部，对隧道开挖全程进行实时影像采集。
[0012]优选的，所述实验控制系统包括伺服系统和控制中心；所述伺服加载系统包括载荷位移双控伺服系统和水压水量双控伺服系统；载荷位移双控伺服系统可以实现载荷和位移的双重控制，竖向加载油缸和侧向加载油缸皆受载荷位移双控伺服系统控制，对实验舱内物理模型竖向和侧向提供载荷，满足不同模拟环境的需要；水压水量双控伺服系统可以实现水压和水量的双重控制，既可以为物理模型中的溶洞提供稳定的水流量补给，也可维持物理模型中的溶洞内恒定的水压力；所述控制中心可全程实现对伺服系统的自动控制，以及位移、载荷、水压力和水流量的实时监测与采集，数据采集频率可根据实际需要自行设置；另外，也可根据实验需要在物理模型内部增设孔隙水压力传感器、土压力传感器和位移传感器等监测元件。
[0013]一种近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统的试验方法，该实验方法包括以下步骤：
[0014]S1：依据地层综合柱状图及各地层的物理力学测试结果，获得各地层岩性、厚度和物理力学参数。根据几何相似比和应力相似比，确定模型中隧道和隐伏溶洞的几何尺寸和空间位置，以及各地层几何尺寸和相似材料配比，所述相似材料为多种憎水性材料的混合物；
[0015]S2：启动移动升降轮上方的升降液压油缸，将实验舱整体抬离底座三到五毫米，启
动水平推移液压油缸，将实验舱整体水平移出至反力框架外部，而后关闭升降液压油缸，让实验舱回落至导轨之上，使得实验舱及物理模型的重量由导轨承担，提升其在模型铺设过程中的安全性；
[0016]S3：在实验舱内，采用相似材料对地层进行模型铺设；基于隧道和隐伏溶洞的几何尺寸和空间位置，设计隧道模具和隐伏溶洞模具的形状、尺寸和位置，并在模型的铺设过程中置于其中；所述隐伏溶洞模具制作过程如下：按照隐伏溶洞的形状和尺寸，用3D打印机对其进行复制，复制完成的隐伏溶洞模具为薄壁空腔形式，向模具的空腔内注满水，将其放置于低温柜中凝结成冰，去掉模具后的冰块呈现出与隐伏溶洞相同的形状和尺寸，按照隐伏溶洞的空间位置，在模型的铺设过程中置于其中，同时外接一根可承压的水管至水压水量双控伺服系统，用于隐伏溶洞内水压和水量的调节；隐伏溶洞形状的冰块对其四周的岩体形成有效支撑，避免了模型铺设过程中的坍塌；为防止冰块的融化，优选地，模型铺设时的温度应低于0℃；
[0017]S4：启动移动升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，其特征在于：包括底座(1)、上横梁(2)、立柱(3)、实验舱、导轨、隧道开挖装置、实验控制系统；所述底座(1)上对称固定设置有立柱(3)，且立柱(3)一端插接设置在底座(1)中，另一端贯穿设置在上横梁(2)中，组成反力框架。2.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，其特征在于：所述实验舱由底板(4)、前侧板(5)、后侧板(6)、左侧板(7)、右侧板(8)和顶板(9)组成；实验舱底板(4)直接放置在底座(1)上，前侧板(5)和后侧板(6)对称设置在底座(1)的其中一对称侧，左侧板(7)和右侧板(8)对称设置在底座(1)的另一对称侧；前侧板(5)和后侧板(6)中间位置对称设有隧道开挖口(10)，其形状可根据隧道实际形状进行设置；左侧板(7)和右侧板(8)上对称设有等距的安装槽，用于安装侧向加载油缸(11)，加载油缸上固定安装有侧向加载压头，侧向加载压头直接为实验舱内的物理模型提供侧向载荷；顶板(9)由居中、对称、等距固定设置，连接有竖向加载油缸(12)的竖向加载压头组成，竖向加载压头直接为实验舱内的物理模型提供竖向载荷；竖向加载油缸(12)固定安装在上横梁(2)上；在对物理模型同时进行侧向和竖向加载过程中，为了避免侧向加载压头和竖向加载压头相互挤压，竖向加载压头的左右方向尺寸要小于实验舱左右方向尺寸，但为了提升实验舱整体密封性，在左侧板(7)和右侧板(8)内侧上方加装封闭挡板，且通过螺栓固定在左侧板(7)和右侧板(8)上。3.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，其特征在于：所述导轨共有内外两组，内导轨(13)用于实验舱的整体移动，外导轨(14)用于实验舱前侧板(5)的单独移动；两组导轨皆对称固定设置在底座(1)的两侧，其中，内导轨(13)上设置有移动升降轮(15)，移动升降轮(15)对称固定在实验舱底板(4)上，需要将实验舱整体移动时，启动移动升降轮(15)上方的升降液压油缸，将实验舱整体抬离底座(1)三到五毫米，此时，实验舱完全由移动升降轮(15)进行支撑，启动水平推移液压油缸(16)，依靠水平推移液压油缸(16)的伸缩即可实现实验舱的整体水平移动；外导轨(14)上设置有普通移动轮(17)，普通移动轮(17)对称固定在三角门架(18)的底端，三角门架(18)通过螺栓固定在前侧板(5)左右两侧，物理模型实验完成后，在不对物理模型破坏的情况下，可通过移动普通移动轮(17)带动前侧板(5)与实验舱分离，从而实现对物理模型前侧面的直接观测；为了避免由于实验舱来回移动可能会产生的竖向加载过程中压头不对中的问题，优选地，在底座(1)上设置限位器(19)用于实验舱的定位。4.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，其特征在于：所述隧道开挖装置包括移动底座(20)、液压伸缩油缸(21)和隧道模具(22)；所述移动底座(201)底部对称设置有万向轮，便于隧道开挖装置位置的自由调整；所述液压伸缩油缸(21)水平固定在移动底座(20)上方，通过连接件与隧道模具(22)相连接，隧道模具(22)与隧道开挖口(10)形状一致，但较隧道开挖口(10)尺寸稍小，隧道模具(22)可在液压伸缩油缸(21)的牵引下自由进出；所述隧道模具(22)内部中空，摄像头可以从实验舱外部伸入隧道开挖空间内部，对隧道开挖全程进行实时影像采集。5.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统，其特征在于：所述实验控制系统包括伺服系统和控制中心；所述伺服加载系统包括载荷位移双控伺服系统和水压水量双控伺服系统；载荷位移双控伺服系统可以实现载荷和位移的双
重控制，竖向加载油缸(12)和侧向加载油缸(11)皆受载荷位移双控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海龙，贾传洋，张贵彬，宋小园，孙熙震，刘珂铭，于献彬，李伟，
申请(专利权)人：临沂大学，
类型：发明
国别省市：