CN108254205A - 隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法，利用单块体危石失稳模拟系统、裂隙岩体多块体失稳模拟系统、复杂隧道环境定量模拟系统和数据采集处理系统，分别模拟单独块体随隧道掌子面开挖的渐进失稳过程、模拟裂隙岩体围岩受隧道开挖影响的失稳过程和模拟隧道昏暗、多尘和潮湿的真实环境；采集不同隧道模拟环境下获取岩体表面结构面信息，对裂隙岩体开挖后的稳定性进行监测。

Description

隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法。

背景技术

隧道等地下洞室修建与运营过程中存在较多的灾害问题。隧道施工过程中由于隧道围岩的结构面交切组合形成大量危险块体，施工扰动等作用下这些危险块体往往会发生失稳坠落，造成施工人员伤亡以及机械设备损坏。因此，岩体结构信息获取分析是避免危石垮塌灾害的重要手段。

由于隧道施工期环境具有昏暗、多粉尘以及高湿度的特点，现有地面岩体信息数字采集装备如数码照相机、三维激光扫描仪等尚无法较好应用于地下工程，因此改进开发适用于地下工程的专有数字化采集设备迫在眉睫。

受限于施工期隧道的施工工序，无法开展采集设备对隧道环境特征敏感度研究的现场试验，且现场无法对环境参数进行定量化表征。危石垮塌主要包括单块体失稳以及裂隙岩体多块体失稳两种模式，针对垮塌机理研究及块体失稳过程多元信息实时监测，目前尚无对应的室内模拟试验装置。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法，本发明能够解决隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并实现隧道环境特征参数定量化表征。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，包括外壳，所述外壳内设置有单块体危石失稳模拟系统、裂隙岩体多块体失稳模拟系统、复杂隧道环境定量模拟系统和数据采集处理系统，其中：

所述单块体危石失稳模拟系统，包括对称设置的支撑墙，所述支撑墙上设置有滑轨，滑轨之间通过弧形杆连接，所述支撑墙之间设置有拱形支撑，所述拱形支撑上一侧设置有单独块体，所述单独块体上端设置有加压机构，模拟单独块体随隧道掌子面开挖的渐进失稳过程；

所述裂隙岩体多块体失稳模拟系统，包括试验台架，所述试验台架内部容纳有浇模预制岩体，所述浇模预制岩体与试验台架之间设置有多个加压机构，对浇模预制岩体施加不同方向的压力，模拟裂隙岩体围岩受隧道开挖影响的失稳过程；

所述复杂隧道环境定量模拟系统，包括补光灯、粉尘浓度模拟装置和湿度模拟装置，模拟隧道昏暗、多尘和潮湿的真实环境；

所述数据采集处理系统，采集不同隧道模拟环境下获取岩体表面结构面信息，对裂隙岩体开挖后的稳定性进行监测。

进一步的，所述单块体危石失稳模拟系统的拱形支撑两侧设置有滑轨，所述拱形支撑受加压机构的推动沿下方布置的滑轨实现位置移动，从而实现支撑上方的岩块逐渐揭露，实现隧道开挖模拟。

进一步的，所述拱形支撑上设置有水平推动装置，实现模拟开挖装置水平移动。

进一步的，所述单独块体吊装在弧形杆上并可沿杆滑动，从而实现潜在失稳块体在隧道断面位置上的变换。

进一步的，所述浇模预制岩体根据试验需要，利用切割刀具针对岩体进行裂隙切割与各类型岩体生成，如块裂岩体、层状岩体等。

进一步的，所述加压机构包括液压千斤顶和传力板，千斤顶安装在台架与传力板之间，由液压控制系统控制加载力的大小。

进一步的，所述粉尘浓度模拟装置包括粉尘储存单元、喷射单元与强度可调电动机，粉尘储存单元内储有人工粉尘，开启电动机带动风机可实现粉尘喷射，调节电动机强度用以实现不同粉尘浓度的模拟。

进一步的，所述湿度模拟装置包括水箱与水雾喷射单元，开启开关实现水雾喷射，通过调节档位可实现不同湿度环境的模拟。

进一步的，所述数据采集处理系统包括数码照相机和三维激光扫描仪，所述数码照相机采用定焦镜头，有普通和红外两种镜头形式可选；在不同的隧道模拟环境下，通过对岩体表面裂隙的拍照对比试验，研究不同拍摄镜头对隧道环境的敏感程度及拍摄效果；所述三维激光扫描仪同样在不同的隧道模拟环境下对岩体表面进行扫描，获取相应的点云数据，分析三维激光扫描结果对不同环境特征参数的敏感程度。

进一步的，所述数据采集处理系统，还包括激光测振仪、红外热成像仪和激光扫描仪，所述激光测振仪监测潜在失稳块体固有振动频率等动力学参数的动态变化；所述红外热成像仪监测开挖过程中裂隙岩体整体温度场的时空变化；所述三维激光扫描仪通过不同时段点云数据的比对，监测开挖后岩体的位移变化。

进一步的，所述数据采集处理系统包括处理系统，对试验数据的实时处理与分析，包括对隧道环境特征参数的量化处理、数码拍照和三维激光扫描获取的结构面信息统计分析与建模、裂隙岩体开挖过程中多元监测数据的融合分析。

基于上述平台的工作方法，单块体失稳过程模拟与监测包含以下步骤：

(1)用混凝土预制一个底面为凹面的方体，凹面能够与拱形支撑上表面相贴合，对混凝土块进行切割，分离出一块孤立块体；

(2)将混凝土块安装在五面传力板中间，下方利用拱形支撑顶住，调节液压控制系统控制5面千斤顶对预制混凝土块进行加载，模拟原始地应力场；

(3)调节整体单块体失稳模拟装置，将潜在坠落的孤立块体调整至试验需要的隧道断面相应位置处；

(4)调节安装在拱形支撑上的水平向千斤顶，推动拱形支撑沿下方滑轨移动，模拟隧道开挖使得拱形支撑上方的孤立块体逐渐出露；

(5)利用红外热成像仪、激光测振仪等实现单块体失稳过程的温度场与固有振动频率动力学参数变化的实时监控，数据传输至数据综合处理系统可实现数据的实时处理分析，评估单块体失稳的发生条件。

复杂隧道环境下岩体结构信息数字采集包含以下步骤：

(1)将液态石蜡从储存装置中注入模具中，待石蜡凝固后打开模具一侧挡板，将用石蜡材料预制的岩体连同底座一同拉出，并安装在台架内部；

(2)利用千斤顶对预制岩体进行加载，模拟地应力场，并根据试验需要在岩体表面切割形成裂隙；

(3)根据需要模拟的隧道环境特征，调节补光灯、粉尘浓度模拟装置、湿度模拟装置从而实现不同光照强度、粉尘浓度、水汽湿度的控制；

(4)利用数码照相机和三维激光扫描仪完成岩体裂隙信息的获取，比较岩体结构面数字获取技术对隧道环境特征参数的敏感程度。

裂隙岩体开挖过程危石失稳监测包含以下步骤：

(1)根据试验设计利用刀具将预制岩体切割形成目标岩体，如块裂岩体、层状岩体等；

(2)按照设计隧道截面在预制岩体中进行开挖；

(3)综合采用激光测振仪、红外热成像仪、三维激光扫描仪实现开挖过程中岩体固有振动频率、温度场、位移场的实时监控；

(4)将监测数据传输至数据综合处理系统，实现危石稳定性的实时分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明采用集成试验平台的思想，满足试验开展的多样性；

2)本发明根据危石垮塌单块体失稳和多块体失稳两种失稳类型，设计了针对性的试验装置；

3)本发明解决了隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并实现隧道环境特征参数定量化表征；

4)本发明的试验岩体采用浇模预制的方法，操作简便，并可根据试验要求进行多样化裂隙的切割；

5)本发明综合采用多样化监测技术，借助数据综合处理系统，实现危石失稳过程多元信息实时监测分析。

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、2为试验平台整体外观示意图；

图3、4、5为试验平台内部整体示意图；

图6为单块体失稳模拟单元俯视图；

图7、8为单块体地应力加载示意图；

图9为岩体浇模预制过程示意图；

图10为预制岩体不同裂隙切割示意图；

其中，1、显示屏，2、平台进口，3、平台外壳，4、平台后方进口，5、支撑墙，6、1号滑轨，7、弧形杆，8、反力板，9、孤立块体，10、千斤顶，11、传力板，12、水平推动装置，13、2号滑轨，14、粉尘模拟装置，15、湿度模拟装置，16、水箱，17、电动机，18、试验台架，19、拱形支撑，20、背部挡板，21、补光灯，22、数码照相机，23、数据综合处理系统，24、底座，25、浇模预制岩体，26、裂隙切割岩体，27、开挖隧洞，28、激光测振仪，29、红外热成像仪，30、三维激光扫描仪，31、液态石蜡储存装置，32、模具，33、模具一侧挡板，34、成型固态石蜡，35、层状岩体。

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于隧道施工期环境具有昏暗、多粉尘以及高湿度的特点，现有地面岩体信息数字采集装备如数码照相机、三维激光扫描仪30等尚无法较好应用于地下工程的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台和方法。

一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，如图1-图2所示，总体试验平台包括平台外壳3、平台进口洞门2以及进口上方显示屏1。

如图3-图5所示，在试验平台内部，支撑墙5上方铺设两条1号滑轨6，弧形杆7架设在1号滑轨6上，可沿滑轨做水平向自由移动；反力板8悬吊在弧形杆7下方，内侧安装5面千斤顶10，传力板11位于千斤顶10与孤立块体9之间，孤立块体9下方为拱形支撑19，拱形支撑19前后安装两组水平推动装置12。台架18内侧安装多组千斤顶10，千斤顶10通过传力板11对浇模预制岩体25进行加载，底座24位于台架下方；湿度模拟装置15与水箱16相连安装在台架18两侧，粉尘模拟装置14与电动机17相连安装在湿度模拟装置上方；台架18前方根据试验需求选择安放补光灯21、数码照相机22、激光测振仪28、红外热成像仪29、三维激光扫描仪30以及数据综合处理系统23。

试验平台外壳3采用钢筋混凝土结构，根据设计尺寸完成搭建；平台进口2采用类似隧道明洞结构，兼具美观性；进口处安装一块数字显示屏1，可以实现平台内部试验现象的动态展示。

原始地应力下岩块模拟装置由反力板8、千斤顶10、加载板以及分离岩块组成，千斤顶10安装在反力板8与加载板之间，由液压控制通过加载板实现对分离岩块的加载，分离岩块整体呈底面为凹面的正方体，考虑五面加压，底部由模拟开挖装置支撑，通过调节不同加载面千斤顶10力的大小，实现不同地应力状态的模拟。

模拟开挖装置为拱形支撑19，辅助试验装置包括模拟开挖装置下方布置的滑轨、为实现模拟开挖装置水平移动的水平千斤顶10、为实现岩块模拟装置位置变换的支撑墙5、支撑墙5上方布置的水平滑轨、安装在水平滑轨上的弧形杆7，岩块模拟装置吊装在弧形杆7上并可沿杆滑动，从而实现潜在失稳块体在隧道断面位置上的变换。

拱形支撑受水平向千斤顶10的推动沿下方布置的滑轨实现位置移动，从而实现支撑上方的岩块逐渐揭露，从而实现隧道开挖模拟。

裂隙岩体预置装置包括液态石蜡储存装置与浇模装置，根据试验需要将液态石蜡材料通过连接管输入至模具中，待石蜡凝固打开模具，将固态石蜡连同底座一同拉出。

试验台架由钢构件通过螺栓栓接而成，作为反力结构；加载装置包括液压千斤顶10和传力板11，千斤顶10安装在台架与传力板11之间，由液压控制系统控制加载力的大小。

如图10所示，预制好的岩体连同底座一起装置至试验台架内部，调节千斤顶10和传力板11，完成岩体地应力模拟加载；根据试验需要，利用切割刀具针对岩体进行裂隙切割与各类型岩体生成，如块裂岩体、层状岩体等。

复杂隧道环境定量模拟系统主要实现光照、粉尘浓度与湿度的调节；补光灯亮度可调，用于定量调节试验平台内部光照强度，模拟隧道内不同光亮条件。

粉尘浓度模拟装置14包括粉尘储存单元、喷射单元与强度可调电动机，粉尘储存单元内储有人工粉尘，开启电动机18带动风机可实现粉尘喷射，调节电动机18强度用以实现不同粉尘浓度的模拟。

湿度模拟装置包括水箱16与水雾喷射单元，开启开关实现水雾喷射，通过调节档位可实现不同湿度环境的模拟。

岩体结构数字采集系统主要包括数码照相机22、三维激光扫描仪30，数码照相机22采用定焦镜头，有普通和红外两种镜头形式可选；在不同的隧道模拟环境下，通过对岩体表面裂隙的拍照对比试验，研究不同拍摄镜头对隧道环境的敏感程度及拍摄效果；三维激光扫描仪30同样在不同的隧道模拟环境下对岩体表面进行扫描，获取相应的点云数据，分析三维激光扫描结果对不同环境特征参数的敏感程度。

岩体失稳综合监测系统用于裂隙岩体按设计隧道截面开挖过程中，开挖面周围岩体的稳定性监测。激光测振仪28用于监测潜在失稳块体固有振动频率等动力学参数的动态变化；红外热成像仪29用于监测开挖过程中裂隙岩体整体温度场的时空变化；三维激光扫描仪30通过不同时段点云数据的比对，用于监测开挖后岩体的位移变化。

数据综合处理系统用于试验数据的实时处理与分析，包括对隧道环境特征参数的量化处理、数码拍照和三维激光扫描获取的结构面信息统计分析与建模、裂隙岩体开挖过程中多元监测数据的融合分析等。

其具体操作方法：

单块体失稳过程模拟与监测包含以下步骤：

(1)用混凝土预制一个底面为凹面的方体，凹面能够与拱形支撑19上表面相贴合，对混凝土块进行切割，分离出一块孤立块体9；

(2)将混凝土块安装在五面传力板11中间，下方利用拱形支撑19顶住，调节液压控制系统控制千斤顶10对预制混凝土块进行加载，模拟原始地应力场；

(3)调节整体单块体失稳模拟装置，将潜在坠落的孤立块体9调整至试验需要的隧道断面相应位置处；

(4)调节安装在拱形支撑19上的水平推动装置12，推动拱形支撑19沿下方2号滑轨13移动，模拟隧道开挖使得拱形支撑19上方的孤立块体9逐渐出露；

(5)利用红外热成像仪29、激光测振仪30等实现单块体失稳过程的温度场与固有振动频率等动力学参数变化的实时监控，数据传输至数据综合处理系统23可实现数据的实时处理分析，评估单块体失稳的发生条件。

复杂隧道环境下岩体结构信息数字采集包含以下步骤：

(1)将液态石蜡从储存装置31中注入模具32中，待石蜡凝固后打开模具一侧挡板33，将用石蜡材料预制的岩体34连同底座24一同拉出，并安装在试验台架18内部；

(2)利用千斤顶10对浇模预制岩体25进行加载，模拟地应力场，并根据试验需要在岩体表面切割形成裂隙；

(3)根据需要模拟的隧道环境特征，调节补光灯21、粉尘浓度模拟装置14、湿度模拟装置15从而实现不同光照强度、粉尘浓度、水汽湿度的控制；

(4)利用数码照相机22和三维激光扫描仪30完成岩体裂隙信息的获取，比较岩体结构面数字获取技术对隧道环境特征参数的敏感程度；

裂隙岩体开挖过程危石失稳监测包含以下步骤：

(1)根据试验设计利用刀具将浇模预制岩体25切割形成目标岩体，如块裂岩体26、层状岩体35等；

(2)按照设计开挖隧道27截面在预制岩体25中进行开挖；

(3)综合采用激光测振仪28、红外热成像仪29、三维激光扫描仪30实现开挖过程中岩体固有振动频率、温度场、位移场的实时监控；

(4)将监测数据传输至数据综合处理系统23，实现危石稳定性的实时分析。

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)

1.一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：包括外壳，所述外壳内设置有单块体危石失稳模拟系统、裂隙岩体多块体失稳模拟系统、复杂隧道环境定量模拟系统和数据采集处理系统，其中：

所述单块体危石失稳模拟系统，包括对称设置的支撑墙，所述支撑墙上设置有滑轨，滑轨之间通过弧形杆连接，所述支撑墙之间设置有拱形支撑，所述拱形支撑上一侧设置有单独块体，所述单独块体上端设置有加压机构，模拟单独块体随隧道掌子面开挖的渐进失稳过程；

所述裂隙岩体多块体失稳模拟系统，包括试验台架，所述试验台架内部容纳有浇模预制岩体，所述浇模预制岩体与试验台架之间设置有多个加压机构，对浇模预制岩体施加不同方向的压力，模拟裂隙岩体围岩受隧道开挖影响的失稳过程；

所述复杂隧道环境定量模拟系统，包括补光灯、粉尘浓度模拟装置和湿度模拟装置，模拟隧道昏暗、多尘和潮湿的真实环境；

所述数据采集处理系统，采集不同隧道模拟环境下获取岩体表面结构面信息，对裂隙岩体开挖后的稳定性进行监测。

2.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述单块体危石失稳模拟系统的拱形支撑两侧设置有滑轨，所述拱形支撑受加压机构的推动沿下方布置的滑轨实现位置移动，从而实现支撑上方的岩块逐渐揭露，实现隧道开挖模拟。

3.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述拱形支撑上设置有水平推动装置，实现模拟开挖装置水平移动；

或，所述单独块体吊装在弧形杆上并可沿杆滑动，从而实现潜在失稳块体在隧道断面位置上的变换。

4.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述加压机构包括液压千斤顶和传力板，千斤顶安装在台架与传力板之间，由液压控制系统控制加载力的大小。

5.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述粉尘浓度模拟装置包括粉尘储存单元、喷射单元与强度可调电动机，粉尘储存单元内储有人工粉尘，开启电动机带动风机可实现粉尘喷射，调节电动机强度用以实现不同粉尘浓度的模拟。

6.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述湿度模拟装置包括水箱与水雾喷射单元，开启开关实现水雾喷射，通过调节档位可实现不同湿度环境的模拟。

7.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述数据采集处理系统包括数码照相机和三维激光扫描仪，所述数码照相机采用定焦镜头，有普通和红外两种镜头形式可选；在不同的隧道模拟环境下，通过对岩体表面裂隙的拍照对比试验，研究不同拍摄镜头对隧道环境的敏感程度及拍摄效果；所述三维激光扫描仪同样在不同的隧道模拟环境下对岩体表面进行扫描，获取相应的点云数据，分析三维激光扫描结果对不同环境特征参数的敏感程度。

8.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述数据采集处理系统，还包括激光测振仪、红外热成像仪和激光扫描仪，所述激光测振仪监测潜在失稳块体固有振动频率等动力学参数的动态变化；所述红外热成像仪监测开挖过程中裂隙岩体整体温度场的时空变化；所述三维激光扫描仪通过不同时段点云数据的比对，监测开挖后岩体的位移变化。

9.基于如权利要求1-8中任一项所述的平台的工作方法，其特征是：单块体失稳过程模拟与监测包含以下步骤：

(1)用混凝土预制一个底面为凹面的方体，凹面能够与拱形支撑上表面相贴合，对混凝土块进行切割，分离出一块孤立块体；

(2)将混凝土块安装在五面传力板中间，下方利用拱形支撑顶住，调节液压控制系统控制千斤顶对预制混凝土块进行加载，模拟原始地应力场；

(3)调节整体单块体失稳模拟装置，将潜在坠落的孤立块体调整至试验需要的隧道断面相应位置处；

(4)调节安装在拱形支撑上的水平向千斤顶，推动拱形支撑沿下方滑轨移动，模拟隧道开挖使得拱形支撑上方的孤立块体逐渐出露；

(5)利用红外热成像仪、激光测振仪等实现单块体失稳过程的温度场与固有振动频率动力学参数变化的实时监控，数据传输至数据综合处理系统可实现数据的实时处理分析，评估单块体失稳的发生条件。

10.基于如权利要求1-8中任一项所述的平台的工作方法，其特征是：复杂隧道环境下岩体结构信息数字采集包含以下步骤：

(1)将液态石蜡从储存装置中注入模具中，待石蜡凝固后打开模具一侧挡板，将用石蜡材料预制的岩体连同底座一同拉出，并安装在台架内部；

(2)利用千斤顶对预制岩体进行加载，模拟地应力场，并根据试验需要在岩体表面切割形成裂隙；

(3)根据需要模拟的隧道环境特征，调节补光灯、粉尘浓度模拟装置和湿度模拟装置从而实现不同光照强度、粉尘浓度、水汽湿度的控制；

(4)利用数码照相机和三维激光扫描仪完成岩体裂隙信息的获取，比较岩体结构面数字获取技术对隧道环境特征参数的敏感程度。