CN112557632A - 一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法，所述系统包括：围岩试块，用于模拟开挖岩石环境；开挖模拟器，用于模拟开挖岩石压力；所述开挖模拟器设置于所述围岩试块中；油路组件，用于向所述开挖模拟器输送油；所述油路组件与所述开挖模拟器连接；控制组件，用于控制所述开挖模拟器和所述油路组件；所述控制组件分别与所述开挖模拟器和所述油路组件连接。本申请提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法能够良好地控制加载过程中隧道模型的变形，满足不同洞型以及不同开挖方式室内模拟的需求，同时能够提供高地应力的模拟环境，可有效模拟深地空间隧道开挖情况。

Description

一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法

技术领域

本发明属于地下工程施工技术领域，具体涉及一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法。

背景技术

根据2020年5月12日发布的《2019年交通运输行业发展统计公报》，截止2019年末，全国铁路营业里程13.9万公里，其中投入运营的地铁隧道16084座，总长18041km，同时还有在建铁路隧道1950座，总长6419km，规划铁路隧道6395座，总长16326km。由此可见，我国已逐渐成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。

而随着地铁隧道的快速发展，隧道选线所处的埋深越来越深，地质环境越来越复杂，所选择的隧洞洞型、开挖方式也越来越多，而不同的开挖方式对周边岩土体的扰动形式也是各有不同。

岩石力学三维物理模拟实验系统自问世以来，因其对于隧道较为完善的加载模拟性能，可模拟不同洞型以及不同加载受力工况，广受相关行业的关注。隧道开挖需要获得围岩变形和围岩压力之间的关系，为大变形让压设计提供依据，同时面对的岩石力学效应相对复杂。随着隧道设计埋深日渐加大，隧道开挖所面对的高地应力环境也对室内隧道开挖模拟提出更高的要求。

目前，隧道室内开挖模拟系统大多采用液压油或泥浆等作为开挖模拟物，以柔性橡胶囊进行模拟，这样做可以一定程度上模拟开挖，但是在加载过程中，结构刚度不足，变形量较大，同时难以达到高地应力状态，不能满足未来深地空间隧道开挖的需要。

同时不同的开挖方式，例如新意法、新奥法以及盾构法等等，由于开挖顺序的不同，所需要的隧道开挖模拟条件也就不同，现有开挖模拟系统主要针对某一开挖方式进行设计，在适用范围上不够灵活。

而岩石力学三维物理模拟实验系统目前主要是提供了一个较为完善的围压加载平台，但是主要是用于围岩压力的模拟，缺乏隧道开挖模拟等动态模拟手段。同时现有隧道开挖模拟仪器及方法大多带有附属的加载系统，而对于超出附带加载装置加载范围的实验则需要重新订制装置，花费较大且在一定程度上阻碍了隧道开挖模拟实验的顺利进行。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，包括：

围岩试块，用于模拟开挖岩石环境；

开挖模拟器，用于模拟开挖岩石压力；所述开挖模拟器设置于所述围岩试块中；

油路组件，用于向所述开挖模拟器输送油；所述油路组件与所述开挖模拟器连接；

控制组件，用于控制所述开挖模拟器和所述油路组件；所述控制组件分别与所述开挖模拟器和所述油路组件连接。

优选地，所述围岩试块上贯通设置有孔洞，所述开挖模拟器设置于所述孔洞中。

优选地，所述开挖模拟器包括：载具、安装块、油管、油量伺服控制器和承压组件，其中，所述载具设置于所述围岩试块的孔洞中，所述安装块设置于所述载具上，所述油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件均设置于所述安装块上，所述油管分别与所述油路组件、所述油量伺服控制器和所述承压组件连接，所述油量伺服控制器与所述控制组件连接，所述控制组件通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件经由所述油管输送至所述承压组件处的油量数量而改变所述承压组件的压力。

优选地，所述载具表面开设楔形深槽，所述安装块与所述楔形深槽大小相对应，且适配安装于所述楔形深槽中。

优选地，所述油管包括：进油管、出油管和液压管，其中，所述进油管和所述出油管均与所述油路组件连接，所述液压管分别连接所述进油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件以及分别连接所述出油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件。

优选地，所述油量伺服控制器包括：伺服控制管、电磁铁和调流螺栓，其中，所述伺服控制管连接所述油管中的液压管，所述电磁铁设置于所述伺服控制管中，且与所述控制组件连接，所述调流螺栓设置于所述伺服控制管中，且与所述液压管相对应，并与所述电磁铁连接，所述控制组件通过所述电磁铁调整所述调流螺栓在所述伺服控制管中的位置而改变所述液压管的开合状态。

优选地，所述承压组件包括：液压腔、承压密封件和承压片，其中，所述液压腔连接所述油管中的液压管，所述承压密封件设置于所述液压腔中，且与所述承压片连接，所述控制组件通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件经由所述油管输送至所述液压腔处的油量数量而改变所述承压片的压力。

优选地，所述承压片上设置有固定件，所述承压片通过所述固定件与所述液压腔固定。

优选地，所述油路组件包括：油路接头、单向阀、油源、油泵、溢流阀和伺服阀，其中，所述油路接头与所述油源之间通过输油管路连接，并与所述开挖模拟器中油管连接，所述单向阀设置于所述输油管路上，且靠近所述油路接头，所述油泵设置于所述输油管路上，且靠近所述油源，所述溢流阀设置于所述输油管路中的进油管路上，且位于所述进油管路上的所述单向阀和所述油泵之间，所述伺服阀设置于所述输油管路中的出油管路上，且位于所述出油管路上的所述单向阀和所述油源之间。

本发明还提供了一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的使用方法，所述室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统包括如上述中任一所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，所述方法包括步骤：

根据实验要求向控制组件输入设置参数；

所述控制组件控制油路组件向开挖模拟器输送的油量；

所述开挖模拟器根据油量调整模拟在围岩试块中的开挖岩石压力。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法能够良好地控制加载过程中隧道模型的变形，满足不同洞型以及不同开挖方式室内模拟的需求，同时能够提供高地应力的模拟环境，可有效模拟深地空间隧道开挖情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的整体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的部分示意图；

图3是本发明实施例提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的部分示意图；

图4是本发明实施例提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的部分示意图；

图5是本发明实施例提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的部分示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1-5，在本申请实施例中，本发明提供了一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，包括：

围岩试块1，用于模拟开挖岩石环境；

开挖模拟器2，用于模拟开挖岩石压力；所述开挖模拟器2设置于所述围岩试块1中；

油路组件3，用于向所述开挖模拟器2输送油；所述油路组件3与所述开挖模拟器2连接；

控制组件4，用于控制所述开挖模拟器2和所述油路组件3；所述控制组件4分别与所述开挖模拟器2和所述油路组件3连接。

在本申请实施例中，当进行室内模型试验开挖伺服控制物理模拟时，首先根据实验要求向控制组件4(如电控系统)输入设置参数，所述控制组件4控制油路组件3向开挖模拟器2输送的油量，所述开挖模拟器2根据油量调整模拟在围岩试块1中的开挖岩石压力。

如图1-5，在本申请实施例中，所述围岩试块1上贯通设置有孔洞，所述开挖模拟器2设置于所述孔洞中。

在本申请实施例中，围岩试块1根据开挖模拟器2的实验要求进行制备，中间保留前后贯穿的孔洞。在加载过程中，开挖模拟器2直接作用于围岩试块1上的孔洞中，模拟隧道开挖所处地应力环境。

如图1-5，在本申请实施例中，所述开挖模拟器2包括：载具5、安装块6、油管、油量伺服控制器和承压组件，其中，所述载具5设置于所述围岩试块1的孔洞中，所述安装块6设置于所述载具5上，所述油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件均设置于所述安装块6上，所述油管分别与所述油路组件3、所述油量伺服控制器和所述承压组件连接，所述油量伺服控制器与所述控制组件4连接，所述控制组件4通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件3经由所述油管输送至所述承压组件处的油量数量而改变所述承压组件的压力。

在本申请实施例中，所述载具5为圆柱体，表面开设楔形深槽，楔形深槽中设立固定装置；所述安装块6与载具5上的楔形深槽大小相对应，使用时通过载具5上的固定装置固定于楔形深槽内。

如图1-5，在本申请实施例中，所述油管包括：进油管7、出油管8和液压管10，其中，所述进油管7和所述出油管8均与所述油路组件3连接，所述液压管10分别连接所述进油管7、所述油量伺服控制器和所述承压组件以及分别连接所述出油管8、所述油量伺服控制器和所述承压组件。

在本申请实施例中，油路组件3输送的油通过进油管7输送至液压管10中，油量伺服控制器可以调整液压管10输送至承压组件的油量，进而改变承压组件的压力大小，液压管10中的油再通过出油管8返回至油路组件3中。液压管10垂直于安装块6表面。

如图1-5，在本申请实施例中，所述油量伺服控制器包括：伺服控制管9、电磁铁11和调流螺栓12，其中，所述伺服控制管9连接所述油管中的液压管10，所述电磁铁11设置于所述伺服控制管9中，且与所述控制组件4连接，所述调流螺栓12设置于所述伺服控制管9中，且与所述液压管10相对应，并与所述电磁铁11连接，所述控制组件4通过所述电磁铁11调整所述调流螺栓12在所述伺服控制管9中的位置而改变所述液压管10的开合状态。

在本申请实施例中，电磁铁11连通控制组件4，通过调节调流螺栓12在伺服控制管9中的姿态而改变液压管10的开合状态，进而控制承压组件的升压、降压。具体地，所述调流螺栓12上开有过油孔，大小与液压管10内径相适应，并附带所需限位措施，电磁铁11控制调流螺栓12在伺服控制管9中运动。当调流螺栓12上的过油孔与液压管10对齐时，液压管10开启；当调流螺栓12上的过油孔与液压管10错开时，液压管10关闭。通过过油孔进入液压管10中的油量也相应改变。进一步地，电磁铁11和调流螺栓12在伺服控制管9中径向布置多组，且可以实现各组独立控制。

如图1-5，在本申请实施例中，所述承压组件包括：液压腔13、承压密封件14和承压片15，其中，所述液压腔13连接所述油管中的液压管10，所述承压密封件14设置于所述液压腔13中，且与所述承压片15连接，所述控制组件4通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件3经由所述油管输送至所述液压腔13处的油量数量而改变所述承压片15的压力。

在本申请实施例中，所述液压腔13在安装块6上径向设置多组，相互独立动作；所述承压片15内壁设有固定装置(如螺钉)，根据实验要求跟一组或多组液压腔13通过固定装置固定在一起。承压片15可根据所模拟洞型的不同进行更换，预加载后与模拟隧道内壁紧密贴合。

如图1-5，在本申请实施例中，所述油路组件3包括：油路接头16、油路接头17、油源18、油泵19、溢流阀20和伺服阀21，其中，所述油路接头16与所述油源18之间通过输油管路连接，并与所述开挖模拟器2中油管连接，所述油路接头17设置于所述输油管路上，且靠近所述油路接头16，所述油泵19设置于所述输油管路上，且靠近所述油源18，所述溢流阀20设置于所述输油管路中的进油管路上，且位于所述进油管路上的所述油路接头17和所述油泵19之间，所述伺服阀21设置于所述输油管路中的出油管路上，且位于所述出油管路上的所述油路接头17和所述油源18之间。

在本申请实施例中，控制组件4通过控制油泵19而控制油源18向开挖模拟器2提供的油量数量，进而改变承压组件的压力大小。控制组件4通过溢流阀20控制进油管路的开合状态，进而改变进油管路的进油量；控制组件4通过伺服阀21控制出油管路的开合状态，进而改变出油管路的出油量。

在使用本申请提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统进行实验开始前，根据开挖模拟器2选择合适的围岩试块1，根据实验要求配置混凝土，通过模板进行浇筑，围岩试块1中心预制模拟隧道洞型的等比例缩小模板，最终得到的围岩试块1中心有一前后贯通的孔洞。

工作时，将开挖模拟器2进行组装，将安装块6固定在载具5上。测试进油管7、出油管8是否畅通，伺服控制管9是否灵敏，若出现问题则更换相应组块。根据实验要求选择形状、大小合适的承压片15并进行排布，若试验模拟要求受力更均衡可选择加大承压片15，连接几组液压腔13，若试验模拟对局部应力或开挖位置要求比较准确，则选择较小承压片15，连接一组或数量较小组数液压腔13。

将开挖模拟器2置于围岩试块1孔洞内，置于岩石力学三维物理模拟试验系统加载室内，通过观测孔将油路接头16连接至开挖模拟器2上，将油路接头16上的接口与隧道开挖模拟器2上的进油管7、出油管8一一对应，各支路油压计在试验过程中用于测定不同进油管7、出油管8油压，向控制组件4传递油压信号。将岩石力学三维物理模拟系统与本申请的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统连接至同一控制组件4，进行同步控制。

当预加载时，打开油泵19和溢流阀20，向隧道开挖模拟器2充油，使承压片15与隧道模型内壁紧密接触，根据拉梅公式等设置边界条件为0时开挖模拟器2内初始油压。开动岩石力学三维物理模拟试验系统进行加载，编写计算公式，根据对应支路油压计电信号，通过控制组件4控制开挖模拟器2的进油管7对应的伺服控制管9、溢流阀20、以及油泵19，同步调节进油管7路内的油压，待加载至试验岩层所需应力状态，岩石力学三维物理模拟试验系统进行稳压，关闭开挖模拟器2上进油管7对应的伺服控制管9、溢流阀20、以及油泵19，此时液压腔13内压力恒定，可保持稳压状态。当模拟开挖时，待稳压一段时间后，根据实验开挖要求，根据对应支路油压计电信号，通过控制组件4控制出油管8所对应的伺服控制管9、伺服阀21，调节对应组块的承压片15压力，模拟真实开挖过程。模拟过程中，根据实验要求添加所需观测设备进行观测。

本申请提供的一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统及其使用方法能够良好地控制加载过程中隧道模型的变形，满足不同洞型以及不同开挖方式室内模拟的需求，同时能够提供高地应力的模拟环境，可有效模拟深地空间隧道开挖情况。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，包括：

围岩试块，用于模拟开挖岩石环境；

开挖模拟器，用于模拟开挖岩石压力；所述开挖模拟器设置于所述围岩试块中；

油路组件，用于向所述开挖模拟器输送油；所述油路组件与所述开挖模拟器连接；

控制组件，用于控制所述开挖模拟器和所述油路组件；所述控制组件分别与所述开挖模拟器和所述油路组件连接。

2.根据权利要求1所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述围岩试块上贯通设置有孔洞，所述开挖模拟器设置于所述孔洞中。

3.根据权利要求1所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述开挖模拟器包括：载具、安装块、油管、油量伺服控制器和承压组件，其中，所述载具设置于所述围岩试块的孔洞中，所述安装块设置于所述载具上，所述油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件均设置于所述安装块上，所述油管分别与所述油路组件、所述油量伺服控制器和所述承压组件连接，所述油量伺服控制器与所述控制组件连接，所述控制组件通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件经由所述油管输送至所述承压组件处的油量数量而改变所述承压组件的压力。

4.根据权利要求3所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述载具表面开设楔形深槽，所述安装块与所述楔形深槽大小相对应，且适配安装于所述楔形深槽中。

5.根据权利要求3所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述油管包括：进油管、出油管和液压管，其中，所述进油管和所述出油管均与所述油路组件连接，所述液压管分别连接所述进油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件以及分别连接所述出油管、所述油量伺服控制器和所述承压组件。

6.根据权利要求3所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述油量伺服控制器包括：伺服控制管、电磁铁和调流螺栓，其中，所述伺服控制管连接所述油管中的液压管，所述电磁铁设置于所述伺服控制管中，且与所述控制组件连接，所述调流螺栓设置于所述伺服控制管中，且与所述液压管相对应，并与所述电磁铁连接，所述控制组件通过所述电磁铁调整所述调流螺栓在所述伺服控制管中的位置而改变所述液压管的开合状态。

7.根据权利要求3所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述承压组件包括：液压腔、承压密封件和承压片，其中，所述液压腔连接所述油管中的液压管，所述承压密封件设置于所述液压腔中，且与所述承压片连接，所述控制组件通过所述油量伺服控制器调整所述油路组件经由所述油管输送至所述液压腔处的油量数量而改变所述承压片的压力。

8.根据权利要求7所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述承压片上设置有固定件，所述承压片通过所述固定件与所述液压腔固定。

9.根据权利要求1所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，其特征在于，所述油路组件包括：油路接头、单向阀、油源、油泵、溢流阀和伺服阀，其中，所述油路接头与所述油源之间通过输油管路连接，并与所述开挖模拟器中油管连接，所述单向阀设置于所述输油管路上，且靠近所述油路接头，所述油泵设置于所述输油管路上，且靠近所述油源，所述溢流阀设置于所述输油管路中的进油管路上，且位于所述进油管路上的所述单向阀和所述油泵之间，所述伺服阀设置于所述输油管路中的出油管路上，且位于所述出油管路上的所述单向阀和所述油源之间。

10.一种室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统的使用方法，其特征在于，所述室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统包括如权利要求1-9中任一所述的室内模型试验开挖伺服控制物理模拟系统，所述方法包括步骤：

根据实验要求向控制组件输入设置参数；

所述控制组件控制油路组件向开挖模拟器输送的油量；

所述开挖模拟器根据油量调整模拟在围岩试块中的开挖岩石压力。

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