CN111188622B - 一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台、模拟系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台、模拟系统及方法，包括四个竖直布置的反力墙，多个反力墙围合形成方形的反力空间，所述反力墙的下端开口处安装有底座；每个反力墙靠近反力空间的一侧设置有一列水平布置的应力加载板，所述反力空间的上方设置有反力梁；反力梁、应力加载板与底座围合形成加载空间，所述加载空间用于放置待测试的围岩模拟块；所述应力加载板能够沿反力墙的法线方向水平运动，所述反力梁能够沿竖直方向运动，以此完成围岩模拟块的加载；所述应力加载板与反力梁分别通过直线运动单元驱动以实现运动。

Description

一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台、模拟系统及方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台、模拟系统及方法。
背景技术
随着我国交通、能源、水利等基础设施建设蓬勃发展，以隧道、地下厂房、地下综合体等为代表的地下工程建设进入了高速发展时期。地下工程围岩危石垮塌是地下工程安全建设的重要威胁，自2005年至今见报的危石垮塌案例多达300余起，轻者造成机械损毁、工期延误，严重者造成人员伤亡和重大经济损失。围岩危石垮塌灾害演化机理不明，缺乏可靠的灾害源定位和预测预警装备，是灾害防控研究面临的理论与技术难题。
发明人了解到，目前国内外尚无面向地下工程围岩危石垮塌灾害的模拟试验仪器，无法为新理论、新技术研究提供可靠的实验平台，是桎梏灾害演化机理揭示和定位预警技术发展的主要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台、模拟系统及方法，能够实现地下工程围岩危石垮塌机理与规律模拟试验。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台，包括四个竖直布置的反力墙，多个反力墙围合形成方形的反力空间，所述反力墙的下端开口处安装有底座。
每个反力墙靠近反力空间的一侧设置有一列水平布置的应力加载板，所述反力空间的上方设置有反力梁；反力梁、应力加载板与底座围合形成加载空间，所述加载空间用于放置待测试的围岩模拟块。
所述应力加载板能够沿反力墙的法线方向水平运动，所述反力梁能够沿竖直方向运动，以此完成围岩模拟块的加载。所述应力加载板与反力梁分别通过直线运动单元驱动以实现运动。
作为本发明第一方面的进一步限定，所述底座上设置有开口，所述底座的下部设有地下室，所述地下室中设置有拱架，所述拱架能够沿竖直方向升降，以实现拱架在地下室与加载空间中的转移。
作为本发明第一方面的进一步限定，所述拱架的数量为多个，多个拱架能够分别沿竖直方向升降，所述拱架与地下室下底面之间设置有竖直布置的升降机构，所述升降机构用于驱动拱架的升降。
本发明的第二方面提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟系统，包括所述的地下工程围岩危石垮塌模拟用平台，还包括模拟系统，所述模拟系统包括全系投影装置、控制装置和围岩模拟块，所述围岩模拟块中安装有传感器，所述传感器用于将围岩模拟块在加载时的信息传递给控制装置，所述控制装置中预存有围岩模拟块的三维模型，所述控制装置能够根据传感器的信息来更改三维模型的变化；
所述全系投影装置能够根据控制装置传递的信息，完成三维模型的在空间中的投影。
本发明的第三方面提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟试验方法，包括以下步骤：
启动控制装置，调控应力加载板同步推进、拱架同步上升，与底座共同拼接形成半封闭空间。
在半封闭空间内预制围岩模拟块，将传感器埋入岩体内部，连接传感器和控制装置，开始获取岩体内部位移与应力状态信息，预制完成后进行常规养护，等待材料强度达到设计要求。
在设定位置处安设并启动红外相机、声发射监测等多物理场信息监测设备，启动全息投影装置，投影围岩模拟块的岩体结构初始状态。
控制应力加载板对围岩模拟块分层施加应力荷载，保持施加压力稳定，等待围岩模拟块多物理场信息再次稳定后，开始下一步操作。
在围岩模拟块拱形轮廓线上方钻孔，将爆破模拟装置埋入并连接至控制装置，模拟单次爆破振动，同时沿模拟开挖方向逐次下沉拱架至地下室。
每次拱架下沉前后，监测岩体结构多物理场状态变化过程，待多物理场状态平稳后，将下沉的拱架，上升至岩面下方一厘米处，以防岩块垮落造成人员伤亡和仪器损毁。
开启下一循环开挖模拟和监测，直至全部开挖完成。
以上一个或多个技术方案的有益效果为：
1、采用应力加载板和反力梁配合使用，在三维层面实现真实尺度岩体结构开挖的物理试验模拟。
2、真实模拟地下工程开挖过程中位移约束解除的力学效应和爆破的振动效应，精确控制地下工程逐步开挖动态进程，实现对开挖过程中围岩内部动态响应的准确模拟。
3、应力加载板分层设置可以为地应力梯度分布的准确模拟提供硬件基础，同时通过控制应力加载板伸缩。
4、采用全息投影设备对地下工程开挖过程，及危石结构发育-失稳动态过程进行全面展示，相较于传统计算机二维图表的数据后处理分析更直观易懂，为透彻理解和深入挖掘试验规律，实现危石灾害预测预警提供技术支撑。
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限定。
图1为本发明实施例1中部分结构的示意图；
图2为本发明实施例1中拱架与升降机构等部分结构的示意图；
图3为本发明实施例2中整体结构轴测图；
图4为本发明实施例2中整体结构的剖视图；
图5为本发明实施例2中全息投影装置等部分结构的示意图。
图中：1.反力墙；2.反力梁；3.底座；4.地下室；5.应力加载板；6.液压油缸；7.拱架；8.爆破模拟装置；9.数据分析与控制中枢；10.外墙；11.空气隔断；12.全息投影装置。
具体实施方式
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。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟用平台，如图1-2所示，包括四个竖直布置的反力墙1，多个反力墙1围合形成方形的反力空间，所述反力墙1的下端开口处安装有底座3。
每个反力墙1靠近反力空间的一侧设置有一列水平布置的应力加载板5，所述反力空间的上方设置有反力梁；反力梁、应力加载板5与底座3围合形成加载空间，所述加载空间用于放置待测试的围岩模拟块。
所述应力加载板5能够沿反力墙1的法线方向水平运动，所述反力梁能够沿竖直方向运动，以此完成围岩模拟块的加载。
所述应力加载板5与反力梁分别通过直线运动单元驱动以实现运动。
每组应力加载板5均包括多层水平布置的加载板件，每个加载板件分别通过一个直线运动单元驱动，以实现围岩模拟块在水平方向的分层加载。
所述底座3上设置有开口，所述底座3的下部设有地下室4，所述地下室4中设置有拱架7，所述拱架7能够沿竖直方向升降，以实现拱架7在地下室4与加载空间中的转移。
所述拱架7的数量为多个，多个拱架7能够分别沿竖直方向升降，所述拱架7与地下室4下底面之间设置有竖直布置的升降机构，所述升降机构用于驱动拱架7的升降。
所述拱架7的形状被设置为：所述拱架7的上轮廓形状与围岩模拟块的下轮廓形状相同，所述拱架7用于实现围岩模拟块的支撑。
所述反力梁的数量为多个，相邻反力梁之间的距离能够调节。
实施例2
本实施例提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟系统，如图1-5所示，包括反力墙1、反力梁2、底座3、地下室4、应力加载板5、液压油缸6、拱架7、爆破模拟装置8、数据分析与控制中枢9、外墙10、空气隔断11，以及全息投影装置12。所述的反力墙1、底座3和地下室4共同组成一个顶部敞口的半封闭空间，其内部嵌套由应力加载板5、拱架7共同组成的顶部敞口的半封闭空间，以其内部容纳预制围岩结构体；所述外墙10依靠反力墙1前侧面，沿轴向延伸方向构建；所述全息投影装置12包含于外墙10内部。
所述的反力墙1按前后左右四面设置，彼此之间搭接；所述的反力梁2安设于反力墙1顶部，两端分别搭接于前侧和后侧反力墙1顶部，其可沿反力墙1顶边进行左右平移；所述的底座3位于反力墙1包围中，底座3沿纵向对称轴挖空部分区域，挖空区域宽度稍大于拱架7左右宽度；所述地下室4位于底座3下方，与底座3挖空区域连通，其长宽与挖空区域一致，深度为拱架7的高度与液压油缸6收缩后的高度之和。
所述的应力加载板5分为应力加载板和垂向应力加载板；所述的四面反力墙1内表面沿水平行列方向安装多行液压油缸6，液压油缸6的活塞杆沿反力墙1法向指向包围区域内部，活塞杆顶部连接于应力加载板背面，驱动其沿反力墙1法向移动，其中应力加载板沿水平方向分层布设；反力梁2下表面安设活塞杆指向下方的液压油缸6，活塞杆连接垂向加载板背面，驱动其沿垂向上下移动。
所述的地下室4底面安设多行沿左右向分布的液压油缸6，液压油缸6埋设于地下室4底面并向上连接拱架7，支撑其通过地下室4和底座3进行垂向运动，爆破模拟装置8为埋设于预制围岩内的独立搭载结构。
所述的数据分析与控制中枢9采用高性能电脑为载体，安装仪器各部件控制软件和所获取多元数据处理分析软件，实现试验全过程的动态控制和试验体状态实时分析。
所述的外墙10依靠反力墙1前端侧面向前延伸构建；所述的空气隔断11设置于外墙10内部，将试验产生灰尘封锁于反力墙1和外墙10后半段范围内；所述的全息投影装置12布设于外墙10内部前半段区域内，全息投影装置12沿前后轴向布设，在中轴线附近区域投影生成岩体结构模型，全息岩体模型变化与试验操作同步，动态展示围岩开挖揭露和危石发育-失稳过程。
实施例3
本实施例提供一种地下工程围岩危石垮塌模拟试验方法，包括以下步骤：
A.启动数据分析与控制中枢9，调控应力加载板5同步推进、拱架7同步上升，与底座3共同拼接形成半封闭空间；
B.在半封闭空间内预制立方块岩体结构，同时按照试验方案设计要求将压力盒、陀螺仪等感知元件埋入岩体内部。连接感知元件和数据分析与控制中枢9，开始获取岩体内部位移与应力状态信息。预制完成后进行常规养护，等待材料强度达到设计要求；
C.在设定位置处安设并启动红外相机、声发射监测等多物理场信息监测设备，启动空气隔断11和全息投影装置12，投影岩体结构初始状态；
D.按照设计地应力环境，控制液压油缸6推动应力加载板5，对岩体分层施加应力荷载，保持施加压力稳定，等待岩体多物理场信息再次稳定后，开始下一步操作；
E.在岩体拱形轮廓线上方钻孔，将爆破模拟装置8埋入并连接至数据分析与控制中枢9。模拟单次爆破振动，同时沿模拟开挖方向逐次下沉拱架7至地下室4(单次下沉拱架数量由开挖模拟方案决定)；
F.每次拱架7下沉前后，监测岩体结构多物理场状态变化过程。待多物理场状态平稳后，将下沉的拱架7上升至岩面下方一厘米处，以防岩块垮落造成人员伤亡和仪器损毁；
G.开启下一循环开挖模拟和监测，直至全部开挖完成；
H.在试验全过程，对感知元件和监测装备实时获取的数据结果进行分析挖掘，分析岩体结构状态变化；在全息投影模型中与试验开挖同步显示开挖和围岩揭露，根据分析结果对危石结构进行特殊标识，并显示其状态参数变化趋势，为揭示围岩危石灾害演化规律，实现危石结构定位定量识别和临灾预警奠定数据基础。
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 (9)

1.一种地下工程围岩危石垮塌模拟试验方法，利用一种地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，包括以下步骤：
启动控制装置，调控应力加载板同步推进、拱架同步上升，与底座共同拼接形成半封闭空间；
在半封闭空间内预制围岩模拟块，将传感器埋入岩体内部，连接传感器和控制装置，开始获取岩体内部位移与应力状态信息，预制完成后进行常规养护，等待材料强度达到设计要求；
在设定位置处安设监测设备，启动全息投影装置，投影围岩模拟块的岩体结构初始状态；
控制应力加载板对围岩模拟块分层施加应力荷载，保持施加压力稳定，等待围岩模拟块多物理场信息再次稳定后，开始下一步操作；
在围岩模拟块拱形轮廓线上方钻孔，将爆破模拟装置埋入并连接至控制装置，模拟单次爆破振动，同时沿模拟开挖方向逐次下沉拱架至地下室；
每次拱架下沉前后，监测岩体结构多物理场状态变化过程，待多物理场状态平稳后，将下沉的拱架，上升至岩面下方设定距离处，以防岩块垮落造成人员伤亡和仪器损毁；
开启下一循环开挖模拟和监测，直至全部开挖完成。
2.一种地下工程围岩危石垮塌模拟系统，用于权利要求1所述的地下工程围岩危石垮塌模拟试验方法，包括地下工程围岩危石垮塌模拟用平台，所述地下工程围岩危石垮塌模拟用平台，包括四个竖直布置的反力墙，多个反力墙围合形成方形的反力空间，所述反力墙的下端开口处安装有底座；
每个反力墙靠近反力空间的一侧设置有一列水平布置的应力加载板，所述反力空间的上方设置有反力梁；反力梁、应力加载板与底座围合形成加载空间，所述加载空间用于放置待测试的围岩模拟块；
所述应力加载板能够沿反力墙的法线方向水平运动，所述反力梁能够沿竖直方向运动，以此完成围岩模拟块的加载；
所述应力加载板与反力梁分别通过直线运动单元驱动以实现运动；其特征在于，还包括模拟系统，
所述模拟系统包括全系投影装置、控制装置和围岩模拟块，所述围岩模拟块中安装有传感器，所述传感器用于将围岩模拟块在加载时的信息传递给控制装置，所述控制装置中预存有围岩模拟块的三维模型，所述控制装置能够根据传感器的信息来更改三维模型的变化；
所述全系投影装置能够根据控制装置传递的信息，完成三维模型的在空间中的投影。
3.根据权利要求2所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述反力墙的一侧设置有外墙，所述全系投影装置设置于外墙围合形成的空间中。
4.根据权利要求2所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述围岩模拟块中设置有爆破模拟装置，所述爆破模拟装置能够通过爆炸完成围岩模拟块处炸药爆破的模拟。
5.根据权利要求2所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，每组应力加载板均包括多层水平布置的加载板件，每个加载板件分别通过一个直线运动单元驱动，以实现围岩模拟块在水平方向的分层加载。
6.根据权利要求2所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述底座上设置有开口，所述底座的下部设有地下室，所述地下室中设置有拱架，所述拱架能够沿竖直方向升降，以实现拱架在地下室与加载空间中的转移。
7.根据权利要求6所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述拱架的数量为多个，多个拱架能够分别沿竖直方向升降，所述拱架与地下室下底面之间设置有竖直布置的升降机构，所述升降机构用于驱动拱架的升降。
8.根据权利要求7所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述拱架的形状被设置为：所述拱架的上轮廓形状与围岩模拟块的下轮廓形状相同，所述拱架用于实现围岩模拟块的支撑。
9.根据权利要求2所述的地下工程围岩危石垮塌模拟系统，其特征在于，所述反力梁的数量为多个，相邻反力梁之间的距离能够调节。
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