CN108225929A - 块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及方法，包括裂隙岩体采用模具预制，并用刀具切割生成所需裂隙，所述液压加载系统将模型试验台架作为反力结构，向裂隙岩体施加压力，模拟真实地应力，所述水压模拟系统向裂隙岩体施加水，实现地下水对裂隙岩体失稳过程的影响，所述掘进开挖系统通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进，所述监测系统对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测，并在掘进机护盾表面布设监测元件，监测掘进过程中护盾的受力作用。

Description

块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及方法。

背景技术

伴随着我国经济的飞速发展，大批水利水电工程、铁路公路交通工程等重大基础工程加快了建设步伐，这大大促进了隧洞工程的建设。在我国西南地区在建工程中，隧道工程的应用日益广泛。块裂岩体失稳是地下工程中常见的灾害形式。在隧道施工过程和运营期，容易出现块裂岩体失稳的现象，对人的生命财产安全造成巨大的损失，造成工期延误、机械设备损坏、投资费用增加等诸多问题。

地下工程模型试验法是按照相似比和相似理论，将实际工程按照一定的比例缩小成一个模型，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据得到相关结论的一种方法。目前，地下工程模型试验法已成为地下工程领域最为主要的研究手段之一。研究隧道与地下工程掘进机开挖过程中块裂岩体开挖扰动过程及机理对工程防灾减灾具有重要的指导意义，以往的模型试验针对掘进机开挖过程中块裂岩体开挖扰动过程及机理的研究较少，仅针对某个单独影响因素对开挖过程中块裂岩体开挖扰动过程展开模型试验研究。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及方法，本发明将系统性对隧道与地下工程中掘进机开挖过程中块裂岩体开挖扰动过程及机理、掘进机护盾受力情况进行研究，以指导实际工程，为隧道与地下工程提出一些指导性建议。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，包括模型试验台架、裂隙岩体、液压加载系统、监测系统、水压模拟系统和掘进开挖系统，其中：裂隙岩体、液压加载系统设置于模型试验台架，所述裂隙岩体采用模具预制，并用刀具切割生成所需裂隙，所述液压加载系统将模型试验台架作为反力结构，向裂隙岩体施加压力，模拟真实地应力，所述水压模拟系统向裂隙岩体施加水，实现地下水对裂隙岩体失稳过程的影响，所述掘进开挖系统通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进，所述监测系统对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测，并在掘进机护盾表面布设监测元件，监测掘进过程中护盾的受力作用。

进一步的，所述模型试验台架通过整块钢板作为台架底板，底板上安装滑轨，为上部试验台架提供底座，外部台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成，作为反力结构。

进一步的，所述整块钢板作为试验装置底座，外围钢框架由带有螺栓槽的型钢钢板拼接组成，框架下部通过螺栓与台架底板栓接固定，底板表面布设一条滑轨；钢台架内部安装液压千斤顶，左右侧和上方各安装三个，通过矩形板作用在成型的岩体表面，利用计算机控制调节千斤顶压力大小，模拟不同环境地应力的需求。

进一步的，所述裂隙岩体采用固态的石蜡制备而成，将石蜡融化后倒入模具，放置一段时间待其凝固。

进一步的，所述液压加载系统包括多个液压千斤顶和加压板，液压千斤顶通过加压板传递压力，千斤顶与反力架相连成一个整体，液压千斤顶和数控系统通过计算机控制压力大小，对裂隙岩体提供加载，模拟真实地应力。

进一步的，所述水压模拟系统包括水泵、水箱以及导水管，水箱连接导水管，通过水泵控制导水管中水压大小，模拟实际地下工程中存在的地下水对裂隙岩体的影响。

进一步的，所述掘进开挖系统包括模拟TBM的掘进机包括掘进机护盾、破岩刀盘和推进千斤顶，千斤顶对掘进机前部提供推力，刀盘上分布刀具，电机带动刀盘旋转破岩开挖，破碎的岩块通过出渣口被排出洞内通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进。

进一步的，所述的裂隙岩体受开挖扰动应力场变化，采用光纤光栅应力传感器进行监测，包含拱顶和两侧边墙多条测线，每条按1倍洞径至5倍洞径共布设多个监测点，根据钢框架榀数设置监测断面个数；掘进机护盾表面共布设多个监测断面，每个监测断面在拱顶、两侧拱肩以及两侧拱腰共布设多个监测点监测护盾在掘进开挖过程中的受力变化。

进一步的，采用光纤光栅监测元件对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)将型钢钢板并列，组装成台架底板；

(2)按照试验所需榀数，采用型钢钢板拼接成钢框架，在外部钢架内侧安装液压千斤顶，与计算机相连实现控制作用，并固定好；

(3)将液态石蜡倒入模具中，待石蜡凝固后，按照试验工况对预制岩体进行切割，使之成为分离块体；

(4)通过计算机控制加压千斤顶压力大小，模拟特定环境下地应力，对预制岩体进行加压；

(5)调节水压流量，按照试验工况模拟地下水环境；

(6)将掘进机整体沿着滑轨移动到适当位置并固定，启动电机带动刀盘旋转，通过推进千斤顶使刀盘贯入拟开挖断面并进行机械破岩，将破碎的岩块通过出渣口运出洞外；

(7)采集裂隙岩体应力场变化数据和护盾表面受力变化数据，上传到计算机软件分析其变化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用凝固的液态石蜡作为流态相似材料模拟岩体，凝固后的材料融化后可以循环使用，且预制的石蜡岩体硬度较低，方便进行切割。

2、钢框架、钢台架、台架底板由高强度钢构件通过预留螺栓槽拼接组成，具有可拆装性，并能满足强度的要求。

3、钢台架内部安装液压千斤顶通过板片作用在成型后的模拟岩体表面，通过数控系统调节千斤顶的施加力，模拟不同环境下围岩地应力的需求。

4、水泵控制导水管中水压大小，模拟实际工程中存在的渗压的需求；

5、光纤光栅应力传感器对裂隙岩体受开挖扰动应力场情况以及掘进机护盾受力情况进行多测点多测线的监测，综合性强，实验操作简便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2为模型试验整体装置示意图；

图3为掘进开挖系统示意图；

图4为刀盘内部结构示意图；

图5为裂隙岩体内部监测点布设示意图；

图6为掘进机护盾开挖过程受力监测点布设示意图；

其中：1、反力架，2、加压千斤顶，3、裂隙岩体，4、加压板，5、数据采集柜，6、软件处理系统，7、滑轨，8、台架底板，9、水泵，10、水箱，11、掘进机，12、掘进机护盾，13、破岩刀盘，14、推进千斤顶，15、出渣口，16、电机，17、受力监测元件；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，一种用于研究隧道掘进机开挖过程中块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，包括：(1)模型试验台架：整块钢板作为台架底板，底板上安装滑轨，为上部试验台架提供底座，外部台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成，作为反力结构；(2)裂隙岩体：采用固态石蜡材料模拟岩体，采用模具预制，并用刀具切割生成所需裂隙；(3)液压加载系统：液压千斤顶通过加压板传递压力，千斤顶与反力架相连成一个整体，液压千斤顶和数控系统通过计算机控制压力大小，对裂隙岩体提供加载，模拟真实地应力；(4)水压模拟系统：由水泵、水箱以及导水管组成，实现地下水对裂隙岩体失稳过程的影响；(5)掘进开挖系统：模拟TBM的掘进机包括掘进机护盾、破岩刀盘、推进千斤顶，掘进过程中通过出渣口完成出渣，通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进；(6)监测系统：包括监测元件和数据采集装置，采用光纤光栅监测元件对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测，并在掘进机护盾表面布设监测元件，监测掘进过程中护盾的受力作用。

一整块钢板作为试验装置底座，外围钢框架由带有螺栓槽的型钢钢板拼接组成，框架下部通过螺栓与台架底板栓接固定，底板表面布设一条滑轨。

钢台架内部安装液压千斤顶，左右侧和上方各安装三个，通过矩形板作用在成型的岩体表面，利用计算机控制调节千斤顶压力大小，模拟不同环境地应力的需求。

石蜡材料易于融化且硬度较低，采用固态的石蜡模拟岩体，将石蜡融化后倒入模具，放置一段时间待其凝固。

模具内的液态石蜡完全凝固后，采用刀具按照试验工况对岩体进行切割，使之成为分离块体。

钢台架内部安装液压千斤顶，通过矩形板作用在成型的岩体表面，利用计算机控制调节千斤顶压力大小，模拟不同环境下的地应力。

水压模拟系统通过水泵控制导水管中水压大小，模拟实际地下工程中存在的地下水对裂隙岩体的影响。

如图4所示，掘进机由护盾、刀盘、电机以及推动装置组成，安装在滑轨上并可以沿着滑轨移动和固定。千斤顶对掘进机前部提供推力，刀盘上分布刀具，电机带动刀盘旋转破岩开挖，破碎的岩块通过出渣口被排出洞内。

如图5和图6所示，裂隙岩体受开挖扰动应力场变化，采用光纤光栅应力传感器进行监测，包含拱顶和两侧边墙3条测线，每条按1倍洞径至5倍洞径共布设5个监测点，根据钢框架榀数设置监测断面个数；掘进机护盾表面共布设4个监测断面，每个监测断面在拱顶、两侧拱肩以及两侧拱腰共布设5个监测点监测护盾在掘进开挖过程中的受力变化。

隧道掘进机开挖过程中块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统的操作方法包括以下几步：

(1)将带有螺栓槽的型钢钢板并列，配合高强度螺栓拼接组装成台架底板；

(2)按照试验所需榀数，采用型钢钢板拼接成钢框架，在外部钢架内侧安装液压千斤顶，与计算机相连实现控制作用，配合高强度螺栓将框架下部与台架底板栓接固定好；

(3)将液态石蜡倒入模具中，待石蜡凝固后，按照试验工况对预制岩体进行切割，使之成为分离块体；

(4)通过计算机控制加压千斤顶压力大小，模拟特定环境下地应力，对预制岩体进行加压；

(5)调节水压流量，按照试验工况模拟地下水环境；

(6)将掘进机整体沿着滑轨移动到适当位置并固定，启动电机带动刀盘旋转，通过推进千斤顶使刀盘贯入拟开挖断面并进行机械破岩，将破碎的岩块通过出渣口运出洞外。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：包括模型试验台架、裂隙岩体、液压加载系统、监测系统、水压模拟系统和掘进开挖系统，其中：裂隙岩体、液压加载系统设置于模型试验台架，所述裂隙岩体采用模具预制，并用刀具切割生成所需裂隙，所述液压加载系统将模型试验台架作为反力结构，向裂隙岩体施加压力，模拟真实地应力，所述水压模拟系统向裂隙岩体施加水，实现地下水对裂隙岩体失稳过程的影响，所述掘进开挖系统通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进，所述监测系统对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测，并在掘进机护盾表面布设监测元件，监测掘进过程中护盾的受力作用。

2.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述模型试验台架通过整块钢板作为台架底板，底板上安装滑轨，为上部试验台架提供底座，外部台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成，作为反力结构。

3.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述整块钢板作为试验装置底座，外围钢框架由带有螺栓槽的型钢钢板拼接组成，框架下部通过螺栓与台架底板栓接固定，底板表面布设一条滑轨；钢台架内部安装液压千斤顶，左右侧和上方各安装三个，通过矩形板作用在成型的岩体表面，利用计算机控制调节千斤顶压力大小，模拟不同环境地应力的需求。

4.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述裂隙岩体采用固态的石蜡制备而成，将石蜡融化后倒入模具，放置一段时间待其凝固。

5.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述液压加载系统包括多个液压千斤顶和加压板，液压千斤顶通过加压板传递压力，千斤顶与反力架相连成一个整体，液压千斤顶和数控系统通过计算机控制压力大小，对裂隙岩体提供加载，模拟真实地应力。

6.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述水压模拟系统包括水泵、水箱以及导水管，水箱连接导水管，通过水泵控制导水管中水压大小，模拟实际地下工程中存在的地下水对裂隙岩体的影响。

7.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述掘进开挖系统包括模拟TBM的掘进机包括掘进机护盾、破岩刀盘和推进千斤顶，千斤顶对掘进机前部提供推力，刀盘上分布刀具，电机带动刀盘旋转破岩开挖，破碎的岩块通过出渣口被排出洞内通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进。

8.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述的裂隙岩体受开挖扰动应力场变化，采用光纤光栅应力传感器进行监测，包含拱顶和两侧边墙多条测线，每条按1倍洞径至5倍洞径共布设多个监测点，根据钢框架榀数设置监测断面个数；掘进机护盾表面共布设多个监测断面，每个监测断面在拱顶、两侧拱肩以及两侧拱腰共布设多个监测点监测护盾在掘进开挖过程中的受力变化。

9.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：采用光纤光栅监测元件对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测。

10.基于如权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将型钢钢板并列，组装成台架底板；

(2)按照试验所需榀数，采用型钢钢板拼接成钢框架，在外部钢架内侧安装液压千斤顶，与计算机相连实现控制作用，并固定好；

(3)将液态石蜡倒入模具中，待石蜡凝固后，按照试验工况对预制岩体进行切割，使之成为分离块体；

(4)通过计算机控制加压千斤顶压力大小，模拟特定环境下地应力，对预制岩体进行加压；

(5)调节水压流量，按照试验工况模拟地下水环境；

(6)将掘进机整体沿着滑轨移动到适当位置并固定，启动电机带动刀盘旋转，通过推进千斤顶使刀盘贯入拟开挖断面并进行机械破岩，将破碎的岩块通过出渣口运出洞外；

(7)采集裂隙岩体应力场变化数据和护盾表面受力变化数据，上传到计算机软件分析其变化规律。