CN103792104B - 隧道模拟加载实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道模拟加载实验平台，包括机械系统、液压加载系统、水压调节系统和计算机控制系统，机械系统包括上顶板，前壁、后壁、左侧板和右侧板以及底座构成的密闭装置；液压加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，垂向加载系统为阵列布置在上顶板上的液压缸组实现向下垂直加载，水平加载系统为在左侧板和右侧板阵列布置的液压缸组实现相对水平加载，上述的液压缸均通过推杆连接有推板实现液压加载，并且所有液压缸组通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载；水压调节系统包括水箱、通过水压调节管路连接设置在顶部承压板的水压加载孔以及设置在底座底部的出水孔，出水孔的水回流到水箱。

Description

隧道模拟加载实验平台

技术领域

本发明属于地下工程模拟试验技术，特别涉及无水至高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的一套隧道加载试验平台。

背景技术

隧道结构与围岩相互作用的室内模拟试验装置，无论是动态仿真还是模型试验，在国内外均比较成熟，如日本、德国、美国等国家的相关试验室，以及铁道部科学研究院西南研究所、西安交通大学、中国矿业大学、同济大学等单位都有相关的试验装备。但这些试验装备都只能模拟在无水或者低压水条件下，隧道开挖过程中围岩内部的应力变化和围岩支护结构之间的相互作用规律，难以满足水压连续加载的试验条件，亦不能模拟高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用的试验。随着近几年我国铁路事业的飞速发展，越来越多的隧道工程不可避免地会穿越富水地层，渗水、脱浆、坍塌都是隧道开挖过程中可能发生的危险，地下分岔隧道断面复杂更是对设计方和施工方提出了更大的考验。为了给实际工程提供可参考的依据，有必要研制出一套模拟不同隧道环境下围岩及隧道结构相互作用的试验平台。相比无水及低压水的模拟试验条件，高压水环境的模拟对平台的尺寸和承载要求有相应的提高，设备的尺寸的加大对其密封性、开盖方式、加载及过载保护、设备的运输等提出了新的难题，而且目前隧道的施工面临的四大难题，仅停留在预测---按经验施工---设立应急预案阶段，缺少模拟试验后有参照性的数据参考，不能科学地、环保地采用施工步序、选择注浆与否以及获悉不同水压条件下的影响、衬砌结构受力和围岩稳定性。随着隧道修建技术的发展和防水材料工艺的革新，有水甚至有高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究将有急剧增长的趋势。

申请人北京交通大学之前已经申请的专利号为200610113485.0、名称为隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟实验台，公开了利用水压加载的模拟实验台结构，其水压加载通过在管道上加装控制阀及流量计控制排水量，额定工作水压力为0.2Mpa，存在水压不可调节、不能实现无水至高压（0.5Mpa）的实验条件的模拟等不足，另外，其实验台的密封结构的密封性存在不足，不能满足复杂的环境模拟。

另外，该在先专利在液压加载方面采用的是通过8通道伺服控制器实现8个液压油缸进行液压加载，模拟的隧道结构的相互作用以及结构受力、变形等比较有限。

最后，该在专利里在机械结构的设计较为简单，对于模拟实验台这样的大型设备，在物料填充、开盖方式、排水以及密封方面，均存在较多不变之处。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无水至高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的一套隧道模拟加载试验平台。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种隧道模拟加载实验平台，包括机械系统、液压加载系统、水压调节系统和计算机控制系统，其中，

所述的机械系统包括上顶板，前壁、后壁、左侧板和右侧板以及底座构成的密闭装置，其中上顶板通过设置在后壁的旋转轴可翻转的安装，上顶板后部铰接有电动推杆实现翻转；

所述的液压加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，垂向加载系统为阵列布置在上顶板上的液压缸组实现向下垂直加载，水平加载系统为在左侧板和右侧板阵列布置的液压缸组实现相对水平加载，上述的液压缸均通过推杆连接有推板实现液压加载，并且所有液压缸组通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载；

所述的水压调节系统包括水箱、通过水压调节管路连接设置在顶部承压板的水压加载孔以及设置在底座底部的出水孔，出水孔的水回流到水箱；

所述的计算机控制系统包括工控机、预埋在试件中的传感器、计算机以及控制软件。

进一步的，所述的机械系统中，左侧板和右侧板通过高强度螺栓固定在前壁和后壁的左、右端面后，再通过焊接密封；左侧板、右侧板、前壁和后壁通过高强度螺栓固定在底座上后，通过焊接密封，密封后加装固定销固定；底座为两块板通过高强度螺栓连接后焊接密封成形，两块板的对接端面分别设有凹槽，凹槽内设有密封条，密封条的直径大于凹槽的宽度；左侧板、右侧板、前壁和后壁的上端面和下端面分别设有可对接连通的凹槽，凹槽内设有密封条，密封条的直径大于凹槽的宽度。

所述的机械系统中，上顶板与左侧板、右侧板、前壁和后壁的上端面盖压后通过高强度螺栓连接后，四周通过固定销固定。

所述的机械系统中，电动推杆的一端通过调整转轴固定在地面上，电动推杆上设有开盖开关，开盖开关与计算机控制系统连接。

另外，所述的液压加载系统中，上顶板上的液压缸组为42个，左侧板和右侧板的液压缸组各为42个，所有126个液压缸通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载。

所述的液压缸组分别通过液压油管串联后，通过冷却器与液压站连接。

所述的冷却器通过管道循环连接水压调节系统的水箱，水箱的水作为冷却器的冷却剂。

更进一步的，所述的水压调节管路包括自水箱依次串联的水泵、单向阀、流量计、减压阀，减压阀出口通过连接有电磁开关的截止阀连接水压加载孔，减压阀调节范围为0.05-0.5Mpa。

所述的流量计与单向阀之间还连接有0.5Mpa的限压阀，限压阀由0.5Mpa溢流阀与截止阀并联后连接水箱组成；所述的减压阀出口处旁接有水压维持组合，水压维持组合为0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa的溢流阀通过和对应截止阀的串联后组成的并联系统。

所述的流量计与单向阀之间还连接有压力显示器；所述的水箱一侧设有控制水位的浮球液位计和截止阀。

本发明的有益效果是：

为了更好应用于模拟隧道施工环境、开挖方法及步序等，本发明设计隧道加载平台，模拟无水及高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究，具体而言：

1.模拟无水情况下，隧道采用不同开挖步序时围岩的弹塑性变形情况和衬砌结构力学分析等；模拟高压水情况下，隧道有无注浆时衬砌背后水压、注浆圈外渗透压的大小及分布规律以及渗透参数影响效果等；

2.采用组合控制技术实现对试件的三维加载和平面加载，垂直最大加载能力为0.8MPa，水平方向的最大加载能力为1.6MPa。更好地模拟不同（尤其较为恶劣的）地质条件隧道环境或地段，模拟支撑受力情况，对衬砌的布局或建成后养护提供可靠方案；

3.开盖形式采用电动推杆实现上顶面绕轴开启，节约设备占地空间；通过升降机自锁功能和电机掉电抱闸为开盖提供可靠试验安全保护；

4.密封效果良好，采用密封条密封和焊接密封两种密封方法，保证了隧道加载平台的整体密封。进而实现水压调节试验，从顶部加载水压调节，使水压在0.05～0.5Mpa无间断连续可调，并保证力加载与水压加载之间互无干涉。在水压为0.5MPa左右时密封时间能够达到12小时左右；

5.内部设计的水路通道亦可实现对液压系统的冷却，系统具有过载保护功能。装填技术可适用于多种不同试件填入，而且从多个角度保证了隧道加载平台投入使用时的完善性；

因此，本发明主要解决了室内模型试验装置无法模拟高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的问题，克服了大型设备在密封性、开盖形式、加载及过载保护、设备的运输的难题，设计研发出了试验平台模拟无水情况下，隧道采用不同开挖步序时围岩的弹塑性变形情况和衬砌结构力学分析等；模拟高压水情况下，隧道有无注浆时衬砌背后水压、注浆圈外渗透压的大小及分布规律以及渗透参数影响效果等；可实现部分空间水压加载，从而实现不同水压加载试验条件的模拟。本发明实现了无水及高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究，对于更好地开展不同开挖步序时围岩的弹塑性变形情况和衬砌结构力学分析，隧道有无注浆时衬砌背后水压、注浆圈外渗透压的大小及分布规律以及渗透参数影响效果等研究具有重要意义。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明的总体结构的后视角的立体图；

图2为本发明的总体结构的前视角的立体图；

图3为本发明的截面剖视示意图；

图4为本发明的前视角局部剖视立体图；

图5为本发明的上顶板闭合状态的正面视图；

图6为本发明密封凹槽与密封条的密封结构剖面图；

图7为本发明液压缸的加载结构示意图；

图8为本发明水压调节系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步阐述。

图1为本发明的总体结构的后视角的立体图；图2为本发明的总体结构的前视角的立体图；图3为本发明的截面剖视示意图；图4为本发明的前视角局部剖视立体图；结合图1、图2、图3、图4，本发明属于地下工程模拟试验技术，特别涉及无水及高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的一套隧道模拟加载试验平台（简称隧道加载平台），包括四大部分组成：机械系统；液压加载系统；水压调节系统；计算机控制系统。

机械系统包括上顶板2，前壁17、后壁12、左侧板和右侧板均采用14表示，以及底座11构成的密闭装置，前壁17设有前出料口16，后壁12设有后出料口7；

其中上顶板2通过设置在后壁12的旋转轴6可翻转的安装，上顶板2后部铰接有电动推杆8实现翻转，电动推杆8的一端通过调整转轴10固定在地面上，电动推杆8上设有开盖开关9，开盖开关9与计算机控制系统连接，通过计算机控制系统控制开盖开关9的启闭。

左侧板和右侧板14通过高强度螺栓（图中未示出高强度螺栓，仅示意螺栓孔位置表示）固定在前壁17和后壁12的左、右端面后，再通过焊接密封；

左侧板和右侧板14、前壁17和后壁12通过高强度螺栓固定在底座11上后，通过焊接密封，密封后加装固定销21固定（图2中示出）；

结合图3和图4，底座11为两块板，通过高强度螺栓连接后焊接密封成形，两块板的对接端面分别设有凹槽18（图6中示出），凹槽18内设有密封条15，密封条15的直径大于凹槽18的宽度；左侧板和右侧板14、前壁17和后壁12的上端面和下端面分别设有可对接连通的凹槽18，凹槽18内设有密封条15，密封条15的直径大于凹槽18的宽度。上顶板2盖下后，密封结构如图6中示出。

上顶板2与左侧板和右侧板14、前壁17和后壁12的上端面盖压后通过在固定螺栓孔5内插入高强度螺栓连接后，四周通过固定销21固定。

在上顶板2上设置有水压加载孔4，整体架构的材料采用高强度工字钢和钢板，台架结构的应力的受力分析前后壁安全系数达到2.4，受力最大变形量为0.5mm；底座安全系数达到2.5，受力最大变形量为0.1mm；侧壁安全系数达到2.56，受力最大变形量为0.17mm；顶盖安全系数达到2.17，受力最大变形量为0.5mm。相似材料填入在整体架构内，水压力通过上顶板2处布置的水压加载孔4渗透到填入的试件内部。

液压加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，垂向加载系统为阵列布置在上顶板2上的液压缸组实现向下垂直加载，水平加载系统为在左侧板和右侧板14阵列布置的液压缸组实现相对水平加载，上述的液压缸1均通过推杆19连接有推板20（图7中示出）或顶部承压板24（图4中示出）实现液压加载，并且所有液压缸组通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载；

液压缸组的液压缸1分别通过液压油管3串联后，通过冷却器与液压站连接，冷却器通过管道循环连接水压调节系统的水箱，水箱的水作为冷却器的冷却剂（图中未示出）。

其中，上顶板2上的液压缸组为42个液压缸，左侧板和右侧板14的液压缸组各为42个液压缸，所有126个液压缸通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载，具体为：

左侧板和右侧板14上所选液压缸1缸径为180mm，杆径为125mm，每个缸最大加载力为400kN；上顶板2上的所选液压缸1缸径为125mm，杆径为90mm，每个缸最大加载力为200kN。每个液压缸的行程选定为100mm。计算机系统采用了组合控制技术对液压缸1运动进行按层、按列加载控制：即将两个侧壁对应列的12个液压缸同步加载，并可以根据试件装填的高度进行分层加载；上顶板2每一列6个液压缸可以同步加载，从而实现模拟试验平台的平面加载和三维加载功能，可实现不同加载的组合。

水压调节系统包括上顶板2处的水箱、通过水压调节管路连接设置在上顶板2的水压加载孔4以及设置在底座11底部的出水孔23，出水孔23的水回流到水箱；

如图8所示，水压调节管路包括自水箱依次串联的水泵、单向阀、流量计、减压阀，减压阀出口通过连接有电磁开关的截止阀连接水压加载孔，减压阀调节范围为0.05-0.5Mpa。

流量计与单向阀之间还连接有0.5Mpa的限压阀，限压阀由0.5Mpa溢流阀与截止阀并联后连接水箱组成；减压阀出口处旁接有水压维持组合，水压维持组合为0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa的溢流阀通过和对应截止阀的串联后组成的并联系统。

流量计与单向阀之间还连接有压力显示器；所述的水箱一侧设有控制水位的浮球液位计和截止阀。

通过扳动电磁水阀可以通断去往试验台架的水路。当水路导通时，旋动减压阀可以调节通往试验台架的水压，供水水压表指示的就是此时的水压大小；当水路阻断时，将不会向试验台架加水，通过控制手动阀门和外接水泵以及相应过滤装置可实现加载水的排出，加载水通过出水孔23（图5中示出）排出，水泵出来的水将直接回流到水箱，整体架构里只有通过打开背压阀才会流到水箱。通常情况下，当台架里水压达到需求值时，关闭背压阀，同时关闭水泵，可以使台架里的水压保持半个小时以上；当水压低于需求值时，可以重新开泵加压。由于架构密闭性良好，水压可在0.05-0.5Mpa之间无间断连续可调。

图8中的图示含义如下表列出：

计算机控制系统由工控机、预埋在填入试件空间中的传感器（导线经由出料口圆形导孔引出）、计算机及控制软件构成，用来控制加载动作并实现人机交互界面显示，可实现数据自动实时监测，设有备用采集通道，便于平台试验过程中良好的拓展性和兼容性，采用PLC系统对油温、油压、水压的采集显示；并对油泵、水泵的启停，比例压力阀、电动球阀、电磁水阀、电动推杆（用于开启上顶板）进行控制，根据试验目的对内部位移、应力、表面位移等进行测量。采用了组合控制技术对液压缸运动可进行按层、按列加载控制：即将两个侧壁对应列的12个液压缸同步加载，并可以根据试件装填的高度进行分层加载；顶盖每一列6个液压缸可以同步加载，从而实现模拟试验平台的平面加载和三维加载功能。

1.试验前准备工作：试验指导书制定，包括试验目的、相似比例确定，相似材料配比与用量、相似材料模型铺设方法、测试物理量及传感器布设方法、试验程序等，准备相似材料、隧道衬砌模型、相应传感器等辅助材料。

2.拆下连接顶盖的油管和水管，卸下连接顶盖与整体架构的螺栓，用计算机系统控制电动推杆，开启上顶盖，根据试验指导书，在试验台中铺设相似材料，并埋设预制隧道衬砌及排水管、所需传感器。将控制电动推杆闭合上顶板，压紧圆端面密封圈，并用高强度螺栓将其与整体架构固定密封，将水管、油管连接到上顶盖上。就绪后，系统启动程序后首先进行自检，确定隧道加载平台是否可以正常工作。

3.当系统完成自检后确定隧道加载平台可以正常工作后，在参数设置窗口输入试验要求的各项参数，其中S1等表示顶盖各行液压缸的压力，L1等表示侧壁各列液压缸的压力。

4.完成参数输入后，并且将加载层开关打开后，首先按下“加载”按钮推动液压缸实现加载，然后点击“注水”按钮进行水加载，此时状态矩阵相应中的指示灯亮起，不同颜色的指示灯代表不同的压力等级。界面右端显示的即是加载条件及填入试件中布设的传感器数据。

5.试验过程中若需数据保存，选择保存路径并输入文件名点击“保存设置”按钮可以将当前的系统参数记录保存，在选择原来参数设置文件后，点击“导入设置”按钮可以将之前的参数设置导入程序。

6.试验结束后，点击“结束”，使活塞杆全部回到油缸里，按顺序关闭油泵，冷却泵，再关闭控制器并退出程序，关闭工控机。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种隧道模拟加载实验平台，包括机械系统、液压加载系统、水压调节系统和计算机控制系统，其特征在于：其中，

所述的机械系统包括上顶板，前壁、后壁、左侧板和右侧板以及底座构成的密闭装置，其中上顶板通过设置在后壁的旋转轴可翻转的安装，上顶板后部铰接有电动推杆实现翻转；

所述的液压加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，垂向加载系统为阵列布置在上顶板上的液压缸组实现向下垂直加载，水平加载系统为在左侧板和右侧板阵列布置的液压缸组实现相对水平加载，上述的液压缸均通过推杆连接有推板实现液压加载，并且所有液压缸组通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载；计算机系统采用了组合控制技术对液压缸运动进行按层、按列加载控制，实现模拟试验平台的平面加载和三维加载功能，实现不同加载的组合；

所述的水压调节系统包括水箱、通过水压调节管路连接设置在顶部承压板的水压加载孔以及设置在底座底部的出水孔，出水孔的水回流到水箱；

所述的计算机控制系统包括工控机、预埋在试件中的传感器、计算机以及控制软件；

左侧板和右侧板通过高强度螺栓固定在前壁和后壁的左、右端面后，再通过焊接密封；左侧板、右侧板、前壁和后壁通过高强度螺栓固定在底座上后，通过焊接密封，密封后加装固定销固定；底座为两块板通过高强度螺栓连接后焊接密封成形，两块板的对接端面分别设有凹槽，凹槽内设有密封条，密封条的直径大于凹槽的宽度；左侧板、右侧板、前壁和后壁的上端面和下端面分别设有可对接连通的凹槽，凹槽内设有密封条，密封条的直径大于凹槽的宽度；所述的机械系统中，上顶板与左侧板、右侧板、前壁和后壁的上端面盖压后通过高强度螺栓连接后，四周通过固定销固定；所述的机械系统中，电动推杆的一端通过调整转轴固定在地面上，电动推杆上设有开盖开关，开盖开关与计算机控制系统连接；所述的液压加载系统中，上顶板上的液压缸组为42个液压缸，左侧板和右侧板的液压缸组各为42个液压缸，所有126个液压缸通过计算机系统的组合控制对试件进行三维加载或平面加载；

所述的液压缸组的液压缸分别通过液压油管串联后，通过冷却器与液压站连接；所述的冷却器通过管道循环连接水压调节系统的水箱，水箱的水作为冷却器的冷却剂；所述的水压调节管路包括自水箱依次串联的水泵、单向阀、流量计、减压阀，减压阀出口通过连接有电磁开关的截止阀连接水压加载孔，减压阀调节范围为0.05-0.5Mpa；所述的流量计与单向阀之间还连接有0.5Mpa的限压阀，限压阀由0.5Mpa溢流阀与截止阀并联后连接水箱组成；所述的减压阀出口处旁接有水压维持组合，水压维持组合为0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa的溢流阀通过和对应截止阀的串联后组成的并联系统；所述的流量计与单向阀之间还连接有压力显示器；所述的水箱一侧设有控制水位的浮球液位计和截止阀。