CN113281490A - 一种组合式隧道分段开挖模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明的涉及一种组合式隧道分段开挖模拟系统，其包括：试块装置，包括围岩试块，沿所述围岩试块的侧壁至中部设置一孔洞或多个孔洞；模拟器装置，包括筒状本体，所述筒状本体的两端设置密封盖，所述筒状本体贴合设置在所述围岩试块的所述孔洞内，模拟所述隧道分段开挖时的承压内壁；供压装置，连通所述筒状本体；其中，所述压力装置用于向所述模拟器装置内输入压力，所述模拟器装置将压力贴合传导至所述试块装置的孔洞侧壁内，用于模拟形成隧道开挖时的开挖应力，可广泛应用于工程地质实验测试技术领域。

Description

一种组合式隧道分段开挖模拟系统

技术领域

本发明涉及工程地质实验测试技术领域。更具体地说，本发明涉及一种组合式隧道分段开挖模拟系统。

背景技术

目前，隧道室内开挖模拟系统，大多以填充物的泄压来模拟开挖过程，这样做主要有两大弊端，一方面结构刚度不足，变形量大，内外异步加载，易对围岩试块产生较大初始损伤，难以模拟高地应力状态，无法适应未来隧道埋深向深部发展的趋势，另一方面，将开挖作为一个整体过程，没有考虑不同开挖方式对于隧道安全的影响差别，同时设备往往只适用于某种特定工法，适用范围有待扩展。

对于岩石力学三维物理模拟实验系统而言，模拟隧道洞泾在100mm-200mm内，空间相对狭小，要具有模拟不同开挖方式的能力，需要创新模拟隧道内的加载方式，优化油路布置。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合式隧道分段开挖模拟系统。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种组合式隧道分段开挖模拟系统，其包括：

试块装置，包括围岩试块，沿所述围岩试块的侧壁至中部设置一个孔洞或多个孔洞；

模拟器装置，包括筒状本体，所述筒状本体的两端设置密封盖，所述筒状本体贴合设置在所述围岩试块的一个或多个所述孔洞内，模拟所述隧道分段开挖时的承压内壁；

供压装置，连通所述筒状本体；

其中，所述压力装置用于向所述模拟器装置内输入压力，所述模拟器装置将压力贴合传导至所述试块装置的孔洞侧壁内，用于模拟形成隧道开挖时的开挖应力。

优选地，所述模拟器装置包括：夹持件，所述夹持件为环状，环状的所述夹持件套设在所述筒状本体的外侧。

优选地，所述供压装置包括液压模块，所述液压模块连通所述筒状本体，用以通过液压油供压。

优选地，所述筒状本体的所述密封盖包括第一密封盖和第二密封盖，所述第一密封盖和所述第二密封盖上均设置有第一进孔，所述第一密封盖上的所述第一进孔的两端连通于所述中心油路和所述第一油管之间。

优选地，所述液压模块包括：

油缸，用于储存液压油；

第一油管，所述油管的两端连通所述油缸与所述筒状本体；

中心油路，设置在所述筒状本体的轴心位置，并与所述第一油管连通；

至少四个活塞油压仓，所有所述活塞油压仓分别与所述中心油路连通；

至少四个压头，每一所述压头对应与一所述活塞油压仓连接，所述压头与所述活塞油压仓过载配合，所述压头通过所述活塞油压仓的油压驱动，所述压头异于所述活塞油压仓的一端相抵于所述筒状本体的内侧壁，用于朝所述筒状本体提供压力；

抽油装置，设置在所述第一油管上。

优选地，所述第一密封盖和所述第二密封盖上均设置有一第二进孔。

优选地，所述活塞油压仓为四个，且围绕所述中心油路的轴心外侧周向等距设置。

优选地，所述抽油装置包括油泵。

优选地，还包括阀体装置，所述阀体装置设置在所述第一油管上。

优选地，所述阀体装置包括第一溢流阀，所述第一溢流阀设置在所述第一油管上，所述第一溢流阀位于所述油泵与所述筒状本体之间。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供一种组合式隧道分段开挖模拟系统，用于模拟隧道分段开挖时，隧道侧壁围岩产生的应力变化过程，具体通过液压增压的方式模拟隧道分段开挖时需要的应力，以及通过泄压的方式模拟开挖过程以及开挖形成后的应力衰减，其包括：试块装置，通过混凝土浇筑制备符合强度的实验块，然后沿围为围岩试块的侧壁至中部设置一用于模拟隧道的孔洞；模拟器装置，为与孔洞相匹配的筒状本体，筒状本体贴合设置在所述围岩试块的孔洞内，模拟隧道分段开挖时的承压内壁；然后通过供压装置朝模拟器装置内输入压力，进而逐步对孔洞的侧壁造成周向均衡的压力，以模拟隧道分段开挖时所需的应力需求，当达到开挖时的应力需求后进行逐步泄压，用以形成隧道开挖过程以及开挖完成后的应力。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明为组合式隧道分段开挖模拟系统的结构图；

图2为本发明为组合式隧道分段开挖模拟系统的模拟器装置的结构图；

图3为本发明为组合式隧道分段开挖模拟系统模拟器装置的截面图；

图4为本发明为组合式隧道分段开挖模拟系统的剖面结构图；

图5为本发明为组合式隧道分段开挖模拟系统的压力装置的结构图

附图标记说明：1、试块装置，2、模拟器装置，3、供压装置，4、控制系统，5、筒状本体，6、密封盖，7、第二油孔、8、第二油孔，9、夹持件，10、承压围板，11、中心油路，12、活塞油压仓，13、压头，14、油缸，15、抽油装置，16、油路法兰，17、伺服阀，18、溢流阀

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置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。

如图1-5所示，本发明的一种组合式隧道分段开挖模拟系统，其包括：试块装置1、模拟器装置2以及供压装置3，所述试块装置1包括围岩试块，沿所述围岩试块的侧壁至中部设置一孔洞或多个孔洞；模拟器装置2包括筒状本体5，筒状本体5贴合设置在一个或多个孔洞内，模拟器装置2的两端还设置有密封盖6，筒状本体5用于模拟隧道分段开挖时的承压内壁；其中，所述压力装置用于向所述模拟器装置2内输入压力，所述模拟器装置2将压力贴合传导至所述试块装置1的孔洞侧壁内，用于模拟形成隧道开挖时的开挖应力。

在上述技术方案中，模拟器装置2包括多节段筒状本体5，筒状本体有若干块承压围板10围城圆筒状，根据实验需求，选择钻孔深度，然后将多节段的筒状本体5进行对接，筒状本体5的所述密封盖6包括第一密封盖6和第二密封盖6，其中，多个模拟器装置2之间通过可拆卸的连接方式进行连接，方便组合以及拆卸；所述第一密封盖6和所述第二密封盖6上均设置有第一进孔8，所述第一密封盖6上的所述第一进孔8的两端连通于所述中心油路11和所述第一油管之间，位于第一密封盖6体上的第一进孔8与第一油管连接，位于第二密封盖6体上的第一进孔8与下一节段的筒状本体5连通；

可拆卸连接方式，包含但不限于通过两结构之间通过螺接的方式进行连接，即包括，应用到本发明中多个模拟器装置2的相互连接方式中，可采用相邻两模拟器装置2的连接面上设置有连接孔，且连接孔为具有内螺纹的螺孔，且两个模拟器装置2的连接面上的螺孔相对设置，然后通过具有与螺孔匹配的螺栓、螺杆进行螺接，该连接方式作为本发明实施方式的一种，还包括，设置其他连接构件进行间接连接、或相互之间设置子购件以及母构件进行相互配合连接的连接形式。

压力装置包括，液压模块，其包括：油缸14、第一油管、中心油路11，油缸14用于储存液压油；油管的两端连通所述油缸14与所述筒状本体5；中心油路11设置在所述筒状本体5的轴心位置，并与所述第一油管连通；中心油路11的外侧设置四个活塞油压仓12，所有所述活塞油压仓12分别与所述中心油路11连通；每个活塞油压仓12均连接一压头13，每一所述压头13对应与一所述活塞油压仓12连接，所述压头13与所述活塞油压仓12过载配合，所述压头13通过所述活塞油压仓12的油压驱动，所述压头13异于所述活塞油压仓12的一端相抵于所述筒状本体5的内侧壁，用于朝所述筒状本体5提供压力；以及设置在第一油管上的抽油装置15，第一油管上还设置有阀体装置，用于形成第一油管的开关；

还包括控制系统4，用于控制抽油装置15以及阀体装置的启闭。

本发明的实验过程包括：根据实验模拟的洞型、工法以及实验侧重位置的不同，选择不同组数的模拟器装置2进行串并联，不同类型的加载围板进行组装。

当模拟单硐室掌子面开挖时，根据加载装置选择合适的试块参数，根据实验要求配置混凝土，达到要求强度，试块装置1的中心钻孔模拟隧道洞型的等比例缩小模板，最终得到的试样中心有一符合实验要求的孔洞，仅设置一组模拟器装置2。

当模拟多硐室近接施工时，试块装置1根据实际工况多组打孔，不同孔室间可相互平行或上下交叉等，实验中，多组模拟器装置2并联。

当实验侧重进深方向的变形情况时，多组模拟器装置2串联设置，前后隧道模拟器中心分配油路彼此隔离。

工作时，将开挖模拟器进行组装，利用夹持件9固定，端面连接油路3，测试油路3及开挖模拟器内部油路是否畅通，若出现问题则更换相应组块。根据实验要求选择形状，大小合适的承压围板并进行排布，若试验模拟要求受力更均衡可选择加大承压围板，连接几组油压腔，若试验模拟对局部应力或开挖位置要求比较准确，则选择较小承压围板，连接一组或数量较小组数油压仓。

将开挖模拟器送至隧道模型中，撤出夹持件9，进行预加载，打开油泵和伺服阀17，向隧道开挖模拟器充油，使承压围板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时开挖模拟器内初始油压。

编写计算公式，通过控制系统4调节岩石力学三维物理模拟实验系统及油路同时加载，若实验要求为较大围压，可采用分阶段加载，降低加载过程中围岩试块的损伤；达到目标压力后，岩石力学三维物理模拟实验系统保持稳压，油泵停止供油，各分支油路伺服阀17锁死。

模拟开挖：待稳压一段时间后，根据实验开挖要求，对不同串并联开挖模拟器对应分支油路，启闭相关伺服阀17，模拟真实开挖过程，通过泄压速率模拟开挖时间步。

模拟单硐室掌子面开挖时，仅单一分支油路进行泄压即可。

模拟多硐室近接开挖时，根据实验背景，将对应分支油路伺服阀17分别打开泄压即可，不同分支油路泄压过程中，应当做好变形监测。

侧重进深方向开挖模拟时，将对应分支油路伺服阀17依次打开泄压。

模拟过程中，根据实验要求添加所需观测设备进行观测。

在另一种技术方案中，所述模拟器装置2包括：夹持件9，环状，环状的所述夹持件9套设在所述筒状本体5的外侧。

在另一种技术方案中，所述供压装置3包括液压模块，所述液压模块连通所述筒状本体5，用以通过液压油供压。

在另一种技术方案中，所述筒状本体5的所述密封盖6包括第一密封盖6和第二密封盖6，所述第一密封盖6和所述第二密封盖6上均设置有第一进孔8，所述第一密封盖6上的所述第一进孔8的两端连通于所述中心油路11和所述第一油管之间。

在另一种技术方案中，所述液压模块包括：油缸14，第一油管、中心油路11、至少四个活塞油压仓12、至少四个压头13以及抽油装置15，油缸14用于储存液压油；第一油管的两端连通所述油缸14与所述筒状本体5；用于筒状本体5内压力的供应需求；中心油路11，设置在所述筒状本体5的轴心位置，并与所述第一油管连通；用于抽取液压油，为筒状本体5的侧壁持续供，所有所述活塞油压仓12分别与所述中心油路11连通；每一所述压头13对应与一所述活塞油压仓12连接，所述压头13与所述活塞油压仓12过载配合，所述压头13通过所述活塞油压仓12的油压驱动，所述压头13异于所述活塞油压仓12的一端相抵于所述筒状本体5的内侧壁，用于朝所述筒状本体5提供压力；液压模块包括固定部和伸缩部，固定为活塞油压仓12，活动部为与活塞油压仓12通过油压驱动连接的压头13，油压驱动压头13与筒状本体5的内壁形成压力，进而模拟实际的隧道开挖所需的应力。以及抽油装置15，设置在所述第一油管上，通过控制系统4控制抽油量。

在另一种技术方案中，所述第一密封盖6和所述第二密封盖6上均设置有一第二进孔7，第二进孔7可设置开关门，当实际的隧道长度需要用到多节段串联或者多孔并联时，利用第二进孔7穿过油管，为下一模拟器装置2供油。

在另一种技术方案中，所述活塞油压仓12为四个，且围绕所述中心油路11的轴心外侧周向等距设置，四个活塞油压仓12的设置方向互相垂直，以提供均衡的压力朝向筒状本体5的侧壁。

在另一种技术方案中，所述抽油装置15包括油泵。

在另一种技术方案中，还包括阀体装置，所述阀体装置设置在所述第一油管上。

在另一种技术方案中，所述阀体装置包括第一溢流阀18，所述第一溢流阀18设置在所述第一油管上，所述第一溢流阀18位于所述油泵与所述筒状本体5之间。

阀体装置还包括伺服阀17，设置在第一油管上；

在另一种技术方案中，还包括第二油管，用于多组模拟器装置2的供油。在第一油管与第二油管交汇的位置处设置一油路法兰16。油管的数量不限于本发明记载的数量，油管的数量根据本发明实际试验过程中，需要用到的与多组模拟器装置2匹配的油管数量相一致。

综上所述，本发明提供一种组合式隧道分段开挖模拟系统，用于模拟隧道分段开挖时，隧道侧壁围岩产生的应力变化过程，具体通过液压增压的方式模拟隧道分段开挖时需要的应力，以及通过泄压的方式模拟开挖过程以及开挖形成后的应力衰减，其包括：试块装置1，通过混凝土浇筑制备符合强度的实验块，然后沿围为围岩试块的侧壁至中部设置一用于模拟隧道的孔洞；模拟器装置2，为与孔洞相匹配的筒状本体5，筒状本体5贴合设置在所述围岩试块的孔洞内，模拟隧道分段开挖时的承压内壁；然后通过供压装置3朝模拟器装置2内输入压力，进而逐步对孔洞的侧壁造成周向均衡的压力，以模拟隧道分段开挖时所需的应力需求，当达到开挖时的应力需求后进行逐步泄压，用以形成隧道开挖过程以及开挖完成后的应力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，包括：

试块装置，包括围岩试块，沿所述围岩试块的侧壁至中部设置一个或多个孔洞；

模拟器装置，包括筒状本体，所述筒状本体的两端设置密封盖，所述筒状本体贴合设置在所述围岩试块的一个或多个所述孔洞内，模拟所述隧道分段开挖时的承压内壁；

供压装置，连通所述筒状本体；

其中，所述压力装置用于向所述模拟器装置内输入压力，所述模拟器装置将压力贴合传导至所述试块装置的孔洞侧壁内，用于模拟形成隧道开挖时的开挖应力。

2.根据权利要求1所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述模拟器装置包括：夹持件，所述夹持件为环状，环状的所述夹持件套设在所述筒状本体的外侧。

3.根据权利要求1所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述供压装置包括液压模块，所述液压模块连通所述筒状本体，用以通过液压油供压。

4.根据权利要求1所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述筒状本体的所述密封盖包括第一密封盖和第二密封盖，所述第一密封盖和所述第二密封盖上均设置有第一进孔，所述第一密封盖上的所述第一进孔的两端连通于所述中心油路和所述第一油管之间。

5.根据权利要求3所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述液压模块包括：

油缸，用于储存液压油；

第一油管，所述油管的两端连通所述油缸与所述筒状本体；

中心油路，设置在所述筒状本体的轴心位置，并与所述第一油管连通；

至少四个活塞油压仓，所有所述活塞油压仓分别与所述中心油路连通；

至少四个压头，每一所述压头对应与一所述活塞油压仓连接，所述压头与所述活塞油压仓过载配合，所述压头通过所述活塞油压仓的油压驱动，所述压头异于所述活塞油压仓的一端相抵于所述筒状本体的内侧壁，用于朝所述筒状本体提供压力；

抽油装置，设置在所述第一油管上。

6.根据权利要求4所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述第一密封盖和所述第二密封盖上均设置有一第二进孔。

7.根据权利要求5所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述活塞油压仓为四个，且围绕所述中心油路的轴心外侧周向等距设置。

8.根据权利要求5所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述抽油装置包括油泵。

9.根据权利要求5所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，还包括阀体装置，所述阀体装置设置在所述第一油管上。

10.根据权利要求9所述的组合式隧道分段开挖模拟系统，其特征在于，所述阀体装置包括第一溢流阀，所述第一溢流阀设置在所述第一油管上，所述第一溢流阀位于所述油泵与所述筒状本体之间。

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