CN113985010A - 一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，涉及岩土工程及灾害防治领域，包括隧道或深部巷道模拟组件，隧道或深部巷道模拟组件包括储存盒、导流槽、泄水孔、滑槽、挡板、刚性模型箱、导向框、钻进孔、滤网及滤孔，刚性模型箱的表面设有连接头，刚性模型箱外侧设有与连接头连通的稳压供水组件，刚性模型箱周侧设有加载组件、钻进组件、监测系统和处理装置。实现了在结合多种地质条件下或深部巷道突泥突水灾害的真三维模拟，实现了不同地质条件对隧道或深部巷道施工的影响效果模拟。

Description

一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置

技术领域

本发明涉及岩土工程及灾害防治领域，尤其涉及一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置。

背景技术

随着我国科学技术的迅速发展，一系列战略性的工程建设不断地向地下空间进行探索。因此，在隧道及深部巷道工程的建设中，地质条件也愈加复杂多变，其突水突泥、软岩变形、冲击地压等地质灾害不断增多，造成了工期延误、人员伤亡、财产安全等重大损失。

隧道和深部巷道地质灾害频发，主要原因是对隧道及深部巷道致灾因子和过程不够清晰，因此，对隧道及深部巷道产生的地质灾害进行提前评价预估是尤为重要的；然而目前现有的隧道或深部巷道模拟装置都不能够有效模拟围岩体所处的真实地质条件，如岩体所受地应力作用，岩体富水性状况、裂隙对围岩稳定性影响等。如果能研发一种真三维地应力模拟、地下水动力模拟、围岩地质条件模拟、突水突泥灾变过程模拟、巷道开挖后围岩体裂隙变化过程模拟，综合模拟系统装置，则能够较好的揭示隧道或深部巷道地质灾害的孕育演化与触发机理，有助于提出隧道或深部巷道灾变超前预警方法，对于减少或避免隧道或深部巷道地质灾害具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，包括隧道或深部巷道模拟组件，所述隧道或深部巷道模拟组件包括储存盒、导流槽、泄水孔、滑槽、挡板、刚性模型箱、导向框、钻进孔、滤网及滤孔，所述刚性模型箱侧端设有若干泄水孔，所述刚性模型箱侧端设有滑槽和钻进孔，所述挡板与滑槽滑动连接，所述导流槽与刚性模型箱连接且设置在钻进孔处，所述滤孔设置在导向框底侧内壁，且导向框的侧壁上设置有过滤网，所述刚性模型箱的表面设有连接头，所述刚性模型箱外侧设有与连接头连通的稳压供水组件，所述刚性模型箱周侧设有加载组件、钻进组件、监测系统和处理装置。

作为本发明再进一步的方案，所述刚性模型箱侧端固定连接有若干第二支架，所述第二支架侧端固定连接有脚垫。

作为本发明再进一步的方案，所述稳压供水组件包括承压水管、匀水板、压力表、稳压供水器和透水石板，所述连接头一端连接承压水管，所述透水石板设置于刚性模型箱中，所述连接头另一端连接匀水板，所述承压水管与稳压供水器连通，所述压力表设置在稳压供水器上，所述匀水板底面设置若干透水孔，所述透水石板设置在匀水板下部。

作为本发明再进一步的方案，所述加载组件包括千斤顶和刚性板,若干所述千斤顶设置于刚性模型箱外侧，所述刚性板设置于刚性模型箱内，所述千斤顶的输出端与刚性板固定连接。

作为本发明再进一步的方案，其特征在于，所述钻进组件包括钻进电机、套管、第四支架、第二万向轮和钻头，所述第四支架下端设有若干第二万向轮，所述第四支架上端设有钻进电机，所述钻进电机输出端与钻头连接，所述钻头外侧套设有套管。

作为本发明再进一步的方案，所述监测系统包括伸缩杆驱动电机、三维激光扫描仪、伸缩杆、第一支架、第一万向轮、数据采集器、摄像机和第三支架，所述第一支架侧端固定连接有若干第一万向轮，所述第一支架上固定连接有伸缩杆驱动电机，所述伸缩杆驱动电机输出端设有伸缩杆，所述伸缩杆输出端设有三维激光扫描仪，所述数据采集器设置于钻进孔内，若干所述第三支架相互靠近的一端设有摄像机。

作为本发明再进一步的方案，所述处理装置为计算机。

本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，有益效果是：

通过隧道或深部巷道模拟组件对隧道或深部巷道地质条件进行模拟，通过稳压供水组件对隧道或深部巷道模拟组件产生静水压，以模拟静水压力对隧道或深部巷道的作用，通过加载组件对隧道或深部巷道模拟组件产生三维围压，以模拟地应力对隧道或深部巷道的作用，通过钻进组件对隧道或深部巷道模拟组件的预留的洞口进行钻进，以模拟隧道或深部巷道施工工况对隧道或深部巷道岩土体的影响，通过监测系统组件预埋在隧道或深部巷道模拟组件中的岩土体中，进而监测岩土体物理力学参数，且三维激光扫描仪可以将钻孔内部情况进行扫描，在计算机中进行三维建模，对内部泥腔情况进行了解，另外通过处理装置对上述五个组件进行全自动精准控制，并对试验数据进行采集；本发明实现了在结合多种地质条件下或深部巷道突泥突水灾害的真三维模拟，实现了不同地质条件对隧道或深部巷道施工的影响效果模拟。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的立体结构图。

图2为本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的隧道或深部巷道模拟组件正视剖面图。

图3为本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的隧道或深部巷道模拟组件俯视剖面图。

图4为本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的加载组件千斤顶位置布置图。

图5为本发明实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的隧道或深部巷道模拟组件导向框示意图。

图中：1、刚性模型箱；2、第二支架；3、脚垫；4、挡板；5、滑槽；6、钻进孔；7、导流槽；8、储存盒；9、千斤顶；10、泄水孔；11、连接头；12、承压水管；13、稳压供水器；14、压力表；15、匀水板；16、滤孔；17、滤网；18、伸缩杆；19、三维激光扫描仪；20、第一支架；21、第一万向轮；22、透水石板；23、刚性板；24、导向框；25、模拟钻孔；26、岩土体Ⅰ；27、数据采集器；28、岩土体Ⅱ；29、计算机；30、摄像机；31、第三支架；32、钻进电机；33、套管；34、伸缩杆驱动电机；35、第四支架；36、第二万向轮；37、钻头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1-5所示，为本申请一个实施例提供的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置的结构图，包括隧道或深部巷道模拟组件，隧道或深部巷道模拟组件包括储存盒8、导流槽7、泄水孔10、滑槽5、挡板4、刚性模型箱1、导向框24、钻进孔6、滤网17及滤孔16，如图3所示，在本实施例中刚性模型箱1内设有岩土体Ⅰ26和岩土体Ⅱ28，岩土体Ⅰ26和岩土体Ⅱ28如图3分布于刚性模型箱1内，(具体试验需要根据实际需要对模型箱内的岩土体类型、倾向、倾角，或是岩溶类型，褶皱类型等等，进行调整)，在图2中，刚性模型箱1内拟设有与便于观察的与钻进孔6平齐的模拟钻孔25，刚性模型箱1侧端设有两个泄水孔10，刚性模型箱1侧端设有滑槽5和钻进孔6，挡板4与滑槽5滑动连接，导流槽7与刚性模型箱1连接且设置在钻进孔6下方，滤孔16设置在导向框24底侧内壁，且导向框24的侧壁上设置有过滤网17，可保证水可以从刚性模型箱1中流出且不会带出大颗粒岩土体导致堵塞泄水孔，导向框24设置于刚性模型箱1内部，刚性模型箱1的外侧设有连接头11，刚性模型箱1外侧设有与连接头11连通的稳压供水组件，刚性模型箱1周侧设有加载组件、钻进组件、监测系统和处理装置。

导向框24和滤孔16构成一个完整的框架结构并设置于刚性模型箱1中。

进一步的，刚性模型箱1侧端固定连接有四个第二支架2，第二支架2侧端固定连接有脚垫3,用于对整个装置进行支撑。

在本实施例的一种情况中，稳压供水组件包括承压水管12、匀水板15、压力表14、稳压供水器13和透水石板22，连接头11一端连接承压水管12，透水石板22设置于刚性模型箱1中，连接头11另一端连接匀水板15，承压水管12与稳压供水器13连通，压力表14设置在稳压供水器13上，匀水板15底面设置多个透水孔，且具体数量可以按照试验调节，透水石板22设置在匀水板15下部，使水可以均匀注入刚性模型箱1中，匀水板15需要采用刚性材料，透水石板22需要选在抗压强度高的材料，避免在加压过程中破碎，且在本实施例中稳压供水系统选用公开号为CN111561023B公开的一种稳压型无负压供水系统。

如图1所示，作为本申请的一种优选实施例，加载组件包括千斤顶9和刚性板23,刚性模型箱1的一个侧面设有千斤顶9，刚性板23设置于刚性模型箱1内，千斤顶9的输出端与刚性板23固定连接，千斤顶9共设置24个，刚性模型箱1的六个面中，每个面均匀设置四个千斤顶9，将刚性模型箱1每个面均匀分为四块区域，将千斤顶设置在每个区域对角线交点处，每个面上的四个千斤顶9可以使用处理装置设定不同的推力，可以模拟出真实的三维地质条件。千斤顶9一端固定在刚性模型箱1上，另一端固定在刚性板23上，千斤顶9两端张开，反力作用在刚性模型箱1上，使刚性板23产生均匀向内推力，从而对刚性模型箱1中的岩土体产生压力。刚性板23设置在导向框24内，避免刚性板23由于互相阻挡而动不了的情况。

在本实施例的一种情况中，钻进组件包括钻进电机32、套管33、第四支架35、第二万向轮36和钻头37，第四支架35下端设有四个第二万向轮36，第四支架35上端设有钻进电机32，钻进电机32输出端与钻头37连接，钻头37外侧套设有套管33，在钻进过程中可按实际工程情况，使用处理装置控制第二万向轮36前进速度，使钻头37在设定速度下进行钻孔，使模拟更符合真实情况，在钻进过程之中可选择安装套管33，可以模拟真实工程情况下对隧道或深部巷道的衬砌、支护。套管33材料强度可按真实情况下，按试验比例缩小，选取合适强度的套管33材料。钻头37也需要按试验所使用的岩土体硬度进行选择合适的钻头37硬度。

更进一步的，监测系统包括伸缩杆驱动电机34、三维激光扫描仪19、伸缩杆18、第一支架20、第一万向轮21、数据采集器27、摄像机30和第三支架31，第一支架20侧端固定连接有四个第一万向轮21，第一支架20上固定连接有伸缩杆驱动电机34，伸缩杆驱动电机34输出端设有伸缩杆18，伸缩杆18输出端设有三维激光扫描仪19，数据采集器27设置于岩土体内，三个第三支架31相互靠近的一端设有摄像机30。数据采集器27包括土压传应器、渗压传感器、应变传感器、位移传感器等(传感器具体类型可根据实际实验的需要进行挑选)。其中土压传应器、渗压传感器、应变传感器、位移传感器等传感器可根据具体试验的要求进行分布，例如可设置在钻进孔6圆心直径0.5倍、1倍、2倍、3倍、5倍、7倍处。三维激光扫描仪19设置在伸缩杆18端部，伸缩杆18另一端设置在伸缩杆驱动电机34上，伸缩杆驱动电机34可驱动伸缩杆18伸长或变短，伸缩杆驱动电机34由处理装置控制，可控制三维激光扫描仪19按试验设计要求匀速进入钻进孔6中。数据结果由处理装置分析、处理、建模。

且处理装置为计算机29。其中计算机29可对稳压供水组件、加载组件、钻进组件以及监测系统进行全面控制，使其在预设的参数条件下进行实验模拟，也可对各个组件进行工作状态及其数据结果进行监测，以及对数据结果进行分析处理。

本实施例在实际运用时，在刚性模型箱1中根据现场勘察结果，按比例制作实验原状材料或相似材料，将挡板4推入滑槽5中，直至将钻进孔6完全挡住使其不会泄处材料，按照相似原理将材料按现场实际情况按比例放入刚性模型箱1中，比如制造和现场相似的断层破碎带形态、地下岩溶腔形态、褶皱形态。在向刚性模型箱1内添加岩土体的过程中将预制好的土压传应器、渗压传感器、应变传感器、位移传感器等若干按照具体实验设计埋入材料中，在本实施例中具体位置分布于0.5D、1D、2D、3D、5D、7D(D为洞径)等处，上述数据仅为本实施例的一种情况，具体放置的位置根据实际情况进行设置。然后将透水石板22、匀水板15依次盖在刚性模型箱1中并做好有效固定，然后将刚性模型箱1的盖板固定在刚性模型箱1上，并安装千斤顶9。接下来将稳压供水组件接在匀水板15上，使用处理装置设定好试验需要的水压、水质。然后使用处理装置设定好加载装置所提前设计好的试验参数(例如压力数值大小、最大主应力方向等)，然后将摄像机30架设在可以有效记录钻进孔6处变化情况的位置。待实验准备阶段结束后，启动装置，使用处理装置开启监测系统记录数据，处理装置在刚性模型体中的试验材料加入预设的静水压力，使用加载装置按照试验预设好的参数推动刚性板23向刚性模型箱1中心靠拢，给岩土体或相似材料施加均匀压力。等待上述工作结束后，根据试验要求静置一段时间，在这期间需要时刻保证处理装置正常运转，时刻保持对内部传感器的动态监测，直至渗压传感器数值稳定在所需的参数。在上述步骤完成后，将钻进组件移动至对准钻进孔6处，在处理装置中输入试验设计所需要的钻进速度深度等参数，拉开挡板4，使用钻进组件开始钻进，按照试验设计要求，在钻进过程中根据需要分阶段加入套管33起到一定护壁作用，直至钻进深度达到钻孔突泥突水灾害发生后，移出钻进组件，使用处理装置做好记录传感器数据变化情况，此时涌出物沿导流槽7流入储存盒8中，使用摄像机30录涌出物特征，然后测其体积、重量等参数，也避免涌出物污染场地，在突水突泥灾害结束后，将三维激光扫描仪19移动至对准钻进孔6中，使用处理装置控制伸缩杆驱动电机34进而控制伸缩杆18将三维激光扫描仪19匀速送入钻孔中，可以将钻孔内部情况进行扫描，在计算机29中进行三维建模，可以更好的对内部泥腔情况进行了解。

如果是深部巷道情况，可以按照实际情况调整稳压供水组件与加载组件的参数，然后进行上述步骤进行试验，最后在钻进结束后，按时段将三维激光扫描仪19推入钻孔中，分时段扫描内部岩土体裂隙、形态扫描，进而可以对深部巷道开挖对巷道变形或岩爆做出模拟，提前预测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，包括隧道或深部巷道模拟组件，所述隧道或深部巷道模拟组件包括储存盒(8)、导流槽(7)、泄水孔(10)、滑槽(5)、挡板(4)、刚性模型箱(1)、导向框(24)、钻进孔(6)、滤网(17)及滤孔(16)，所述刚性模型箱(1)侧端设有若干泄水孔(10)，所述刚性模型箱(1)侧端设有滑槽(5)和钻进孔(6)，所述挡板(4)与滑槽(5)滑动连接，所述导流槽(7)与刚性模型箱(1)连接且设置在钻进孔(6)处，所述滤孔(16)设置在导向框(24)底侧内壁，且导向框(24)的侧壁上设置有过滤网(17)，所述刚性模型箱(1)的表面设有连接头(11)，所述刚性模型箱(1)外侧设有与连接头(11)连通的稳压供水组件，所述刚性模型箱(1)周侧设有加载组件、钻进组件、监测系统和处理装置。

2.根据权利要求1所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述刚性模型箱(1)侧端固定连接有若干第二支架(2)，所述第二支架(2)侧端固定连接有脚垫(3)。

3.根据权利要求1所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述稳压供水组件包括承压水管(12)、匀水板(15)、压力表(14)、稳压供水器(13)和透水石板(22)，所述连接头(11)一端连接承压水管(12)，所述透水石板(22)设置于刚性模型箱(1)中，所述连接头(11)另一端连接匀水板(15)，所述承压水管(12)与稳压供水器(13)连通，所述压力表(14)设置在稳压供水器(13)上，所述匀水板(15)底面设置若干透水孔，所述透水石板(22)设置在匀水板(15)下部。

4.根据权利要求1所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述加载组件包括千斤顶(9)和刚性板(23),若干所述千斤顶(9)设置于刚性模型箱(1)外侧，所述刚性板(23)设置于刚性模型箱(1)内，所述千斤顶(9)的输出端与刚性板(23)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述钻进组件包括钻进电机(32)、套管(33)、第四支架(35)、第二万向轮(36)和钻头(37)，所述第四支架(35)下端设有若干第二万向轮(36)，所述第四支架(35)上端设有钻进电机(32)，所述钻进电机(32)输出端与钻头(37)连接，所述钻头(37)外侧套设有套管(33)。

6.根据权利要求1所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述监测系统包括伸缩杆驱动电机(34)、三维激光扫描仪(19)、伸缩杆(18)、第一支架(20)、第一万向轮(21)、数据采集器(27)、摄像机(30)和第三支架(31)，所述第一支架(20)侧端固定连接有若干第一万向轮(21)，所述第一支架(20)上固定连接有伸缩杆驱动电机(34)，所述伸缩杆驱动电机(34)输出端设有伸缩杆(18)，所述伸缩杆(18)输出端设有三维激光扫描仪(19)，所述数据采集器(27)设置于刚性模型箱(1)内，若干所述第三支架(31)相互靠近的一端设有摄像机(30)。

7.根据权利要求6所述的一种隧道或深部巷道突泥突水变形真三维模拟装置，其特征在于，所述处理装置为计算机(29)。

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