【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土工程，具体是一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置和方法
技术介绍
1、岩土工程作为基础设施建设和资源开发的重要领域，岩土工程领域面临着诸多挑战，其中包括高地应力、高温高压、岩体破裂、隧道涌水等问题也承载着地下采矿、隧道施工及岩土科研等重任。岩土工程的顺利进行与否，直接关系到工程的安全、稳定和可持续性。天然岩体中孕育着大量结构面及断层带，极大地改变了岩体的完整性，影响工程岩体稳定性，这些特性使得岩体在受到高温高水压时容易引发地震、塌方、岩爆等工程灾害。给施工造成破坏、人员伤亡、项目经济损失等，因此，需要对地下岩土复杂多样的研究和探索新型装置具有重要意义。
2、一方面岩土工程往往在地下深处其因为地下水的存在导致地下装置需要在高水压的情况下工作，另一方面，随着地下岩体工程不断向深部拓展，温度对岩石破坏的影响日益凸显。一般来说，深度每增加100米，岩体温度会增加3℃，地下5000米左右的位置，温度可达到180℃。温度是影响深部硬岩变形和破坏的关键因素之一。
3、在地下常常会有各种情况，其中有一种情况为地下水的涨跌，在地下水涨跌的过程中其中的隧洞会在充水和排水的状态中反复，且当水压力过大时会进而发生岩体水力劈裂的情况。
4、目前的常规隧洞盾构开挖模拟实验设备，如敞开式盾构开挖模拟设备，只适用于稳定土层施工当土层稳定性较差时需要其他辅助，封闭式盾构开挖模拟设备人员不能够直接观察。
5、综上目前常规的隧洞大型物理模型实验装置和方法还存在以下不足：不能够有效模拟地下高
6、此外，现有设备开挖方式单一只能提供一种方式，无法实现模拟工程中对岩石截
7、面开挖方式的全覆盖。因此，改进隧洞大型物理模型实验装置和技术，以更真实地模拟含盾
8、构开挖的破坏机理，对于提高岩土工程的安全性和稳定性具有深远的意义。
9、基于此，开发一项能同时实现高温、高水压多条件耦合下能模拟智能开挖和监测
10、收集应力、变形、温度与观察衬砌与围岩的工作情况与性能的实验设备，以开展在高温高水
11、压等多条件耦合下的开挖实验研究。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型
2、实验装置和方法，旨在室内模拟地下高温高压等多条件耦合情况下的开挖及模拟围堰因水压
3、造成的水力劈裂和观测外水压力破坏的情况，并能够记录和观察高水头压力下衬砌失效性能
4、及其工作情况。
5、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高内外水高压隧洞开挖充水
6、劈裂大型模型实验装置和方法，包括智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统、桶形
7、三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制
8、系统、多元监测信息采集系统、衬砌隧洞物理模型组成；水压隧洞模型包括：桶形三向反力
9、系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统、多
10、元监测信息采集系统，钻机装配体包括：智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统，
11、桶形三向反力系统为水压隧洞模型的主体框架，三向应力加载系统安装于桶形三向反力系统内部，温度控制系统与衬砌隧洞物理模型贴合安装在三向应力加载系统中间，智控开挖支承
12、伸缩系统安置于桶形三向反力系统正前方位置，智控开挖荷载作用系统安装在智控开挖支承
13、伸缩系统上方，多元监测信息采集系统与桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控
14、制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统连接并排布在以上系统内部，油路加载系
15、统控制整个装置启动。
16、所述三向应力加载系统包括前后囊、压板、液压枕、楔形压头、前后加载泵、垂
17、直加载泵、水平加载泵，所述前后囊为一中间镂空一个圆形的正方形金属板固定在模型承载
18、盖板上，所述前后加载泵是在在水平加载泵对面并与前后囊相连，其应满足桶两侧前后囊压
19、力平衡加载，注水压力增加时保证加载模型上应力不变，
20、pw×s1＝(p0+δpf)×s2 (1)
21、式中pw为注水压力，s1为前后囊的面积，p0为初始应力，δpf为增加应力，s2为前后囊与衬砌隧洞物理模型接触面积所述压板为与前后囊相同尺寸和形状的金属板安装在前后囊内侧，所述楔形压头为四块长方形金属板贴合在加热板外，所述液压枕为四块长方形金属板贴合在楔型压头外可对衬砌隧洞物理模型进行压力施加，所述垂直加载泵与液压枕的上下两片相连，所述水平加载泵与液压枕的两侧的两边相连。
22、所述桶形三向反力系统包括底座、模型承载圆筒、模型承载盖板、反力垫，所述底座为棱台中间长方体镂空且棱台左右两个面设计与框架弧度相同的半圆孔，安装于整个装置最底部与模型承载圆筒弧形接触连续，所述模型承载圆筒为一个厚壁圆筒安装于底座上与底座紧密贴合，模型承载圆筒壁厚的确定如下：
23、模型承载圆筒模型承载圆筒壁厚根据运行工况不利组合状态分四种工况确定，
24、第一种工况模型隧道内水压力：
25、
26、第二种工况模型隧道内水压力与模型最大主应力共同作用：
27、
28、第三种工况模型隧道内水压力与模型第二主应力共同作用：
29、
30、
31、第四种工况模型隧道内水压力与模型第三主应力共同作用：
32、
33、其中分别为环向平均应力、径向平均应力、轴向平均应力，内压作用下圆筒中第一主应力为环向应力，r1为内径即模型承载圆筒中心位置到内表面的垂直直线距离，r2为外径即模型承载圆筒中心位置到最外层表面的垂直直线距离，r为圆筒中心位置到内表面与外表面中心的垂直直线距离，ps为初始水压力，pp为加载构件的反力，σg为模型承载盖板的拉应力，sg为模型承载盖板的面积，h为模型承载圆筒的长度，σ3为模型承载圆筒的长度，σ1为第一主应力，σ2为第二主应力，σ3为第三主应力，
34、t为模型承载圆筒壁厚，其中环向应力主要由圆柱钢板拉应力与水压力平衡产生，径向应力主要由法向水压与加载时轴向变形压缩提供，两侧拉应力主要由两侧模型承载盖板防止岩体变形、水压力作用于两侧模型承载盖板与轴向应力作用与岩体提供，
35、第四强度准则下圆筒体强度判断准则为；
36、
37、其中k为内外径之比即圆筒本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于，该装置包括智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统、桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统、多元监测信息采集系统、衬砌隧洞物理模型组成；水压隧洞模型包括桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统、多元监测信息采集系统，钻机装配体包括智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统，桶形三向反力系统为水压隧洞模型的主体框架，三向应力加载系统安装于桶形三向反力系统内部，温度控制系统与衬砌隧洞物理模型贴合安装在三向应力加载系统中间，智控开挖支承伸缩系统安置于桶形三向反力系统正前方位置，智控开挖荷载作用系统安装在智控开挖支承伸缩系统上方，多元监测信息采集系统与桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统连接并排布在以上系统内部，油路加载系统控制整个装置启动；
2.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述温控控制系统包括加热板，所述加
3.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述内水压控制及其密封系统包括内水压加载泵、内水引水管、充排水阀、两侧端部堵、两侧端部堵连接拉杆、内孔密封套、密封加载泵，所述拉杆为两侧带有螺纹的金属杆，与两侧两侧端部堵通过螺纹连接，所述内孔密封套为一个大圆筒与一个小圆筒组成，两个圆筒中心对齐连接，是用于密封防止水溢出安装在端部堵上，所述端部堵是由三个中间设有圆孔的圆饼组成，靠近拉杆那一侧的圆饼还绕着中间圆孔设有多个圆孔，用于堵住孔内水流出通过固定螺母与两侧端部堵连接拉杆进一步固定，所述内水压加载泵与外水压加载泵在水压隧洞模型外部相连，在内部孔洞中内水压加载泵两头分别与充排水阀两头相连，所述充排水阀为控制内水压系统充排水的控制装置，所述密封加载泵安装于内外水压加载泵右侧与水洞封口两侧相连。
4.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述外水压控制系统包括外水加载水管、外水进出口阀门、连接管、连接管密封、内衬、外水压加载泵，所述外水加载水管为开了单向孔洞的螺旋形水管并，所述连接管为直角铁管，所述内衬是在钻孔后装载在孔洞内部的岩石构件，所述外水进出口阀门为外水压充排水的控制装置，所述连接管密封为一厚圆筒橡胶套在连接管与外水加载水管连接处，所述外水压加载泵与内水压加载泵在水压隧洞模型外部相连，在水压隧洞模型内部与左右连接管相连。
5.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述智控开挖支承伸缩系统包括钻机底座、导轨、x轴运动块、小推车电机、伺服电机、滑块、托盘、底托，所述钻机底座为长方体钢制线框架由长方体线框架连接正方体线框架再连接正方体线框架与长方体线框架组成为智控开挖支承伸缩系统的最底下部分，所述导轨为槽型长条形轨道通过螺栓固定于底座上，所述滑块为与导轨尺寸相贴合的槽型金属构件安装于导轨上通过螺栓与托板相连，所述托板为一块长方形钢板安置于滑块上，所述x轴运动块为一个圆环金属构件其中圆孔参数为小推车电机的伸出杆的直径，x轴运动块串在小推车电机上且伺服电机安装于小推车电机右端，由x轴运动块、小推车电机和伺服电机组成的整体又置于托板下方两对滑块的中间位置，所述底托为一个长方体钢框架由两个小长方体框架组成承载圆筒小于底座通过螺栓固定在托板之上。
6.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述智控开挖荷载作用系统包括钻头、连接轴、支座、直线轴承、反力棍、圆锥滚子轴承、行星减速机、油压缸、拉杆，所述钻头有着多种不同形状和尺寸所述钻头有着多种不同形状和尺寸其钻头口径应满足工程现况洞径比上原型量和模型量的比尺，所述连接轴为大厚圆筒与小厚圆筒组成两个圆筒中心对准连接是连接钻头和行星减速机的中间装置，所述支座为正方形钢板中间设有圆孔，钢板四角各设有一个反力棍插入孔，支座为钻头开挖提供一个工作平台，所述圆锥滚子轴承是径向推力式滚动轴承是一个圆形钢板中间设有圆孔，安装在行星减速机上，所述油压缸为钻头工作提供动力其左端与行星减速机通过反力棍连接右端安装在右端支座，所述拉杆为棍状金属构件用于连接左右两个支座，所述反力棍为棍状金属构件。
7.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述多元监测信息采集系统包括工程专业相机、声发射仪、多功能数据监测记录...
【技术特征摘要】
1.一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于，该装置包括智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统、桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统、多元监测信息采集系统、衬砌隧洞物理模型组成；水压隧洞模型包括桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统、多元监测信息采集系统，钻机装配体包括智控开挖支承伸缩系统、智控开挖荷载作用系统，桶形三向反力系统为水压隧洞模型的主体框架，三向应力加载系统安装于桶形三向反力系统内部，温度控制系统与衬砌隧洞物理模型贴合安装在三向应力加载系统中间，智控开挖支承伸缩系统安置于桶形三向反力系统正前方位置，智控开挖荷载作用系统安装在智控开挖支承伸缩系统上方，多元监测信息采集系统与桶形三向反力系统、三向应力加载系统、内水压控制及其密封系统、外水压控制系统、温度控制系统连接并排布在以上系统内部，油路加载系统控制整个装置启动；
2.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述温控控制系统包括加热板，所述加热板为四块长方形内有通电加热丝的金属板贴合在衬砌隧洞物理模型上。
3.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述内水压控制及其密封系统包括内水压加载泵、内水引水管、充排水阀、两侧端部堵、两侧端部堵连接拉杆、内孔密封套、密封加载泵，所述拉杆为两侧带有螺纹的金属杆，与两侧两侧端部堵通过螺纹连接，所述内孔密封套为一个大圆筒与一个小圆筒组成，两个圆筒中心对齐连接，是用于密封防止水溢出安装在端部堵上，所述端部堵是由三个中间设有圆孔的圆饼组成，靠近拉杆那一侧的圆饼还绕着中间圆孔设有多个圆孔，用于堵住孔内水流出通过固定螺母与两侧端部堵连接拉杆进一步固定，所述内水压加载泵与外水压加载泵在水压隧洞模型外部相连，在内部孔洞中内水压加载泵两头分别与充排水阀两头相连，所述充排水阀为控制内水压系统充排水的控制装置，所述密封加载泵安装于内外水压加载泵右侧与水洞封口两侧相连。
4.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述外水压控制系统包括外水加载水管、外水进出口阀门、连接管、连接管密封、内衬、外水压加载泵，所述外水加载水管为开了单向孔洞的螺旋形水管并，所述连接管为直角铁管，所述内衬是在钻孔后装载在孔洞内部的岩石构件，所述外水进出口阀门为外水压充排水的控制装置，所述连接管密封为一厚圆筒橡胶套在连接管与外水加载水管连接处，所述外水压加载泵与内水压加载泵在水压隧洞模型外部相连，在水压隧洞模型内部与左右连接管相连。
5.根据权利要求1所述的一种高内外水高压隧洞开挖充水劈裂大型模型实验装置，其特征在于：所述智控开挖支承伸缩系统包括钻机底座、导轨、x轴运动块、小推车电机、伺服电机、滑块、托盘、底托，所述钻机底座为长方体钢制线框架由长方体线框架连接正方体线框架再连接正方体线框架与长方体线框架组成为智控开挖支承伸缩系统的最底下部分，所述导轨为槽型长条形轨道通过螺栓固定于底座上，所述滑块为与导轨尺寸相贴合的槽型金属构件安装于导轨上通过螺栓与托板相连，所述托板为一块长方形钢板安置于滑块上，所述x轴运动块为一个圆环金属构件其中圆孔参数为小推车电机的伸出杆的直径，x轴运动块串在小推车电机上且伺服电机安装于小推车电机右端，由x轴运动块、小推车电机和伺服电机组成的整体又置于托板下方两对滑块的中间位置，所述底托为一个长方体钢框架由两个小长方体框架组成承载圆筒小于底座通过螺栓固定在托板之上。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，谭啸虎，陶洪辉，韩晓凤，唐治，盘春军，刘谢伶，王家明，苏国韶，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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