JP2022013640A - 地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム - Google Patents

Abstract

【課題】地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムを提供する。【解決手段】高エネルギー加速器ＣＴ検出システム３００は、試験片の亀裂の３次元形状を走査検出するために使用され、温度制御システム５００は、凍結融解サイクル環境をシミュレートするために使用され、水系シミュレーションシステム６００は、液体を輸送して水系チャネルをシミュレートするために使用され、ＰＥＴ検出システム３００は、凍結融解サイクルの影響を受けた試験片の亀裂内に浸透した液体の動的な輸送状態を検出するために使用される。坑道変形過程を可視化検出することで、凍結融解サイクル作用下でのトンネル周辺岩盤内の亀裂進展、拡張を正確に検出し、設定された水系位置、温度パラメータに対応するトンネル周辺岩盤の変形状態を取得し、実際の施工作業において信頼性の高いパラメータを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤工学試験の分野に属し、具体的には、地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムに関する。

建設中と建設後の既存のトンネルの多くは、地下水系の進展、高地盤応力、低温環境に起因する力の変形の予測とメンテナンスに直面しており、現場内の特殊な環境などの要因により、異なる凍結融解環境で、異なる位置の水系が岩盤の変形や亀裂の進展状況に及ぼす影響を定量的に評価できない。モデル試験技術は、岩盤や土壌における大規模なトンネル工学の問題を研究するための重要な手段であり、トンネル工事における周囲の岩盤およびトンネル構造物の応力変形特性を定性的または定量的に調べることができ、試験結果は、実際の工学的状況を良好に反映することができ、かつ広い適用可能性を有し、数値計算モデルを確立するための合理的なパラメータを提供することができ、数値シミュレーションの結果に信頼性の高い比較と参照の基礎を提供することができ、建設現場に技術指導を行うための実験室での物理シミュレーション試験は、最も安全で効率的な研究方法である。

深部坑道やトンネルの安定性の問題は、山岳トンネルの建設において最も懸念され、緊急性の高い重要課題の１つであり、プロジェクトに多大な損失をもたらすことがよくある。深部坑道やトンネルの安定性を計算するための既存の成熟した理論式では、実際の施工作業にはまだ限界がある。凍結融解環境における深部坑道やトンネルの変形法則を解析し、岩石の損傷パターンと損傷メカニズムを把握し、その安定性に影響を与える主な要因を明らかにし、深部坑道やトンネルへの水噴出による崩壊の効果的な予測・予報、および災害の予防・軽減に対して、理論的かつ実用的な工学的価値を提供する。現場試験は通常、サイトの地形、地層の岩相、気候条件などの影響を受けるため、深部坑道やトンネルに影響を与える様々な要因の影響をシミュレートすることは不可能であり、既存の技術では、試験シミュレーションにより、現実的なシミュレーションと観測の可視化を達成できず、トンネル周辺岩盤の凍結融解環境における応力変形や亀裂内の水系流体の輸送進化則や制御因子を総合的に検討することができず、得られたシミュレーション試験データは科学性や正確性に欠けている。

上述した従来技術の問題点を解決するために、すなわち、シミュレーション試験では地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形を可視化して検出することができないという問題点を解決するために、本発明は、地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムを提供し、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム、試験チャンバーシステム、温度制御システム、水系シミュレーションシステム、およびＰＥＴ検出システムを含み、前記高エネルギー加速器ＣＴ検出システムは、試験片の亀裂の３次元形状を走査検出するために使用される。

前記試験チャンバーシステムは、チャンバー本体、荷重装置、保温装置、および温度制御圧力パッドプレート装置を含み、前記荷重装置は、前記チャンバー本体の内部に設けられ、試験片に包囲圧力を加えて地盤応力をシミュレートするために使用され、前記保温装置は、前記荷重装置の内部に設けられ、試験片の温度保護を行うために使用され、前記温度制御圧力パッドプレート装置は、前記保温装置の内部に設けられ、対応する温度制御配管を設置するために使用される。

前記温度制御システムは、温度制御マスタ制御装置、温度制御作用配管、浴液入口接続配管、および浴液出口接続配管を含み、前記温度制御作用配管は、前記温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、前記温度制御作用配管の両端は、それぞれ前記浴液入口接続配管、前記浴液出口接続配管を介して前記温度制御マスタ制御装置に連通し、前記温度制御マスタ制御装置は、前記浴液入口接続配管、前記温度制御作用配管、及び前記浴液出口接続配管を介して凍結融解サイクル環境のシミュレーションを制御する。

前記水系シミュレーションシステムは、水系制御装置、および水系アセンブリを含み、前記水系アセンブリは、前記水系制御装置と試験片との間に設けられ、液体を輸送して水系チャネルをシミュレートするために使用される。

前記ＰＥＴ検出システムは、第１の検出器装置、および第２の検出器装置を含み、前記第１の検出器装置と前記第２の検出器装置は、それぞれ前記チャンバー本体の両側に設けられ、凍結融解サイクルの影響を受けた試験片の亀裂内に浸透した液体の動的な輸送状態を検出するために使用される。

いくつかの好ましい実施例では、前記水系アセンブリは、水系輸送配管および継手を含み、前記継手は、試験片注水孔に設けられ、前記水系輸送配管内の液体を輸送しながら注水孔を密封するために使用され、ここで、試験片注水孔は、トンネルモデルの週側に設けられ、異なる位置の水系配管をシミュレートするために使用され得る。

いくつかの好ましい実施例では、前記水系アセンブリは、水系輸送配管を含み、前記水系輸送配管の一端が前記水系制御装置に接続され、他端が前記温度制御圧力パッドプレート装置の内部に設けられる。

いくつかの好ましい実施例では、前記温度制御圧力パッドプレート装置は、第１のパッドプレート、第２のパッドプレート、第３のパッドプレート、および第４のパッドプレートを含み、前記第１のパッドプレート、前記第２のパッドプレート、前記第３のパッドプレート、および前記第４のパッドプレートは、それぞれ試験片の上側、左側、下側、及び右側に設けられ、かつ回字状フレーム構造を構成している。

前記第１のパッドプレートは、プレート本体、ガイド孔およびガイドスロットを含み、前記ガイド孔は、前記プレート本体の内部にＬ字状に設けられ、その外端部には前記水系輸送配管の継手が設けられ、内端部は前記ガイドスロットの中心に連通し、前記ガイドスロットは、前記プレート本体の底面に設けられ、前記ガイド孔に注入された核種溶液をガイドするために使用され、前記ガイドスロットは、周方向ガイドスロットおよび径方向ガイドスロットを含み、前記周方向ガイドスロットは、前記ガイド孔の週側に設けられ、前記径方向ガイドスロットは、前記周方向ガイドスロットと前記ガイド孔との間に設けられ、両者を連通するために使用される。

いくつかの好ましい実施例では、前記第１のパッドプレート、前記第２のパッドプレート、前記第３のパッドプレート、および前記第４のパッドプレートの外側には、いずれも温度制御配管を収容するための温度制御スロットが開設され、前記温度制御スロットは、折り返し構造のガイドスロットを含み、前記ガイドスロットは、互いに平行な複数のパラレルセグメントと、隣接するパラレルセグメントを連通するストレートセグメントとを含む。

いくつかの好ましい実施例では、前記温度制御作用配管は、前記温度制御スロットと同じ形状を有し、かつ隣接するパッドプレート間に設けられた温度制御作用配管は、ホースで接続される。

いくつかの好ましい実施例では、前記温度制御システムはさらに、温度センサアセンブリを含み、前記温度センサアセンブリは、前記温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、試験片の週側の温度を検出するために使用され、前記温度センサアセンブリは、前記温度制御マスタ制御装置に信号的に接続される。

いくつかの好ましい実施例では、当該可視化システムはさらに、回転負荷システムを含み、前記回転負荷システムは、回転テーブルおよび接続装置を含み、前記回転テーブルは、前記チャンバー本体の下方に設けられ、前記回転テーブルの週側に凹部が設けられ、前記接続装置は、前端部が前記回転テーブルに固定され、後端部が前記凹部に沿って設けられ、前記動力伝達装置は、回転テーブル動力装置によって駆動されるときに、前記凹部に沿って回り込むことができる。

いくつかの好ましい実施例では、前記接続装置は、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管および水系アセンブリを収容するためのマニホールドドラッグチェーンである。

前記回転負荷システムはさらに、ドラッグチェーンガイドスロットを含み、前記ドラッグチェーンガイドスロットは、前記回転テーブルの一側に設けられ、前記マニホールドドラッグチェーンを案内するために使用される。

いくつかの好ましい実施例では、前記チャンバー本体は、回字状フレーム構造であり、前記回字状フレーム構造は、試験片のトンネル方向と同じ方向に開口している。

前記荷重装置は、油圧シリンダであり、4つの前記油圧シリンダは、それぞれ前記回字状フレーム構造の上側、下側、左側および右側に設けられる。

前記保温装置は、箱型構造であり、前記箱型構造には、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管、および水系アセンブリを穿設するための貫通孔が設けられる。

本発明の有益な効果は以下の通りである。

１）本発明に係る温度制御システムおよび水系シミュレーションシステムにより、凍結融解条件下での岩盤内の水系変形に伴うトンネル周辺岩盤の力の変化をシミュレートすることができ、高エネルギー加速器ＣＴ検出システムおよびＰＥＴ検出システムのリアルタイム検出により、異なる凍結融解設定パラメータのサイクルに対応した岩盤亀裂の進展・拡張過程や、岩盤中に存在する液体の動的な浸透・輸送過程を可視化して検出し、信頼性の高いシミュレーション試験データを得て、実際の凍結融解環境下でのトンネルの維持などに貴重な数値を提供し、作業の困難性を低減し、予測の安全性を向上させることができる。

２）凍結融解サイクル条件下でのトンネル周辺岩盤の変形・浸透特性や亀裂の進展・拡張過程を研究することができ、実際の工学的背景をより完全に復元し、特殊環境下でのトンネルへの水噴出メカニズムの研究により正確な試験データを提供することができる。

３）水系シミュレーションシステムでは、トンネル周辺岩盤が位置する水系環境を完全にシミュレートすることができ、水系を異なる場所に設定することで、トンネル岩盤の地下水系環境を最大限に復元でき、トンネルの水噴出をシミュレートし、災害の変化過程を真に反映させることができ、人的・物質的資源を多く節約することができ、試験コストが低く、周期が短く、操作しやすいという特徴を有する。同時に、本発明によれば、凍結融解環境下でのトンネル周辺岩盤の突発的な水・泥災害の発生過程を正確かつ真に再現することができ、試験結果は数値シミュレーションよりも実際のプロジェクトに近いものであるため、人々は岩盤の力特性や変形法則を直感的に得ることができ、突発的な水泥災害のメカニズムを研究するための基礎を築くことができる。

以下の図面を参照してなされた非限定的な実施例の詳細な説明を読むと、本願の他の特徴、目的および利点は、より明らかになる。
本発明に係る地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムの一実施例の立体構造を示す模式図である。 図１の試験チャンバーシステムの断面図である。 図１の試験チャンバーシステムにおけるパッドプレートアセンブリと温度制御システムにおける温度制御配管の立体構造を示す模式図である。 図１の温度制御システムにおける温度制御配管の立体構造を示す模式図である。 図３のパッドプレートアセンブリにおける上側パッドプレートの別の実施例の立体構造を示す模式図である。 本発明に係る水系シミュレーションシステムにおいて設定された水系アセンブリの別の実施例の立体構造を示す模式図である。 図１の回転負荷システムの立体構造を示す模式図である。 図１のＰＥＴ検出システムの立体構造を示す模式図である。 図１の高エネルギー加速器ＣＴ検出システムの立体構造を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明するが、これらの実施形態は、本発明の技術的原理を解釈するためにのみ使用され、本発明の保護範囲を限定することを意図していないことは、当業者にとって理解されるべきである。

本発明は、地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムを提供し、試験チャンバーシステム、ＰＥＴ検出システム、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム、回転負荷システム、温度制御システム、および水系シミュレーションシステムを含み、ここで、高エネルギー加速器ＣＴ検出システムは、凍結融解サイクルの全過程中の試験片における亀裂の３次元形状を走査検出し、対応する試験片のトンネル周辺岩盤の元の３次元形状と、全過程中の周辺岩盤変形の３次元形状を取得し、異なる凍結融解サイクルのパラメータ下での対応する周辺岩盤の力変形状態を取得することで、信頼性の高い試験データを取得し、特殊な条件下での施工に貴重なデータを提供し、温度制御システムは、高温・低温ポンプおよび温度制御配管を含み、高温・低温ポンプは、温度制御配管の設定により岩盤試験片を行う凍結融解サイクル環境をシミュレートし、水系シミュレーションシステムによりトンネルモデルの週側の設定位置に配置された水系は、常に温度を変化させてシミュレーション水系を連続的に凍結融解させ、検出システムによって水系チャネルの膨張・収縮により生じるトンネルの押し出し、すなわち力の作用下にあるトンネル周辺岩盤の割れ目網の進展・膨張過程をリアルタイムで可視化検出し、また、水系シミュレーションシステムにより試験片内の水系全体の凍結融解サイクルを行い、つまり、試験片内に水を注入し、凍結融解サイクルの作用下で試験片内の水系網が発生する周辺岩盤への押出し圧力を観察することで、トンネル周辺岩盤の亀裂内の拡張過程およびトンネルへの影響を得ることができる。回転負荷システムは、試験チャンバーシステムの下方に設けられ、試験チャンバーシステムを負荷して回転させるために使用され、走査検出過程において、回転負荷システムは、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム、ＰＥＴ検出システムと協力して試験チャンバーシステムを回転させることができ、凍結融解サイクルの作用下での岩盤試験片における亀裂拡張過程の包括的かつ正確な３次元可視化検出を完成させ、凍結融解条件下でのトンネル周辺岩盤における割れ目網の進展・拡張の動的過程、および岩盤全体への影響をさらに取得することができる。

さらに、試験チャンバーシステムは、チャンバー本体、荷重装置、保温装置、および温度制御圧力パッドプレート装置を含み、荷重装置は、チャンバー本体の内部に設けられ、試験片に包囲圧力を加えて地盤応力をシミュレートするために使用され、保温装置は、荷重装置と岩盤試験片との間に設けられ、試験片の温度保護を実施し、試験片と外界との間の熱交換を低減し、試験片の温度制御の効率を向上させるために使用され、温度制御圧力パッドプレート装置は、保温装置の内部に設けられ、温度制御配管を設置するとともに、荷重装置から岩盤試験片への荷重を負荷し、岩盤試験片の力の均一性をさらに向上させるために使用される。

さらに、温度制御システムは、温度制御マスタ制御装置、温度制御作用配管、浴液入口接続配管、および浴液出口接続配管を含み、温度制御作用配管は、温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、温度制御作用配管の両端は、それぞれ浴液入口接続配管、浴液出口接続配管を介して温度制御マスタ制御装置に連通し、温度制御マスタ制御装置は、浴液入口接続配管、温度制御作用配管、浴液出口接続配管を介して、凍結融解サイクル環境のシミュレーションを制御する。

さらに、水系シミュレーションシステムは、水系制御装置および水系アセンブリを含み、水系アセンブリは、水系制御装置と試験片との間に設けられ、液体を輸送して水系チャネルをシミュレートするために使用される。水系アセンブリは、水系輸送配管および継手を含み、継手は、試験片注水孔に設けられ、水系輸送配管内の液体を輸送しながら注水孔を密封するために使用され、ここで、試験片注水孔は、トンネルモデルの週側に設けられ、異なる位置の水系配管をシミュレートするために使用され得る。または、水系輸送配管の一端は、水系制御装置に接続され、他端は温度制御圧力パッドプレート装置の内部に設けられ、試験片全体が水系状態にあることをシミュレートするために使用される。

さらに、水系シミュレーションシステムはさらに、トンネル下方の地下水水系をシミュレートして、凍結融解サイクルの作用下での地下水系の変化状態によるトンネル周辺岩盤の押し出し変形状態をシミュレートすることができる。

さらに、回転負荷システムは、回転テーブルおよび接続装置を含み、回転テーブルは、チャンバー本体の下方に設けられ、回転テーブルの週側に凹部が設けられ、接続装置は、前端部が回転テーブルに固定され、後端部が凹部に沿って設けられ、動力伝達装置は、回転テーブル動力装置によって駆動されるときに、凹部に沿って回り込むことができる。

さらに、動力伝達装置は、マニホールドドラッグチェーンである。

さらに、シミュレーション水系の水性媒体は、核種を添加し、核種ポンプを介して試験サンプルのシミュレーション水系チャネル内に注入され、かつ所定の圧力に維持される。ＰＥＴ検出器は、試験サンプルで核種が到達する場所、すなわち、水性媒体が浸透する場所を検出することができ、高温および低温の継続的なサイクルを通して、シミュレーション水系は継続的に凍結および融解され、凍結融解により生じる各凍結収縮は、試験サンプルに新たなマイクロクラックを生じさせ、その結果、水性媒体の浸透性が増加し、核種が到達する場所は、水性媒体が浸透する場所であり、ＰＥＴシステムにより、試験サンプルに対するシミュレーション水系の浸透位置を正確に特定することができ、トンネルへの影響を目視で定量化することができる。

図１を参照し、図１は、本発明に係る地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムの一実施例の立体構造を示す模式図である。当該可視化システムは、試験チャンバーシステム１００、ＰＥＴ検出システム２００、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム３００、回転負荷システム４００、温度制御システム５００、および水系シミュレーションシステム６００を含む。ここで、ＰＥＴ検出システム２００およびＣＴ検出システム３００はそれぞれ、試験チャンバーシステム１００の異なる側面に設けられ、それぞれトンネル周辺岩盤内の元の割れ目網状態、凍結融解サイクル作用下での割れ目網の変化過程、および試験片内の水系浸透の動的輸送を走査検出するために使用され、回転負荷システム４００は、試験チャンバーシステム１００の下方に設けられ、試験チャンバーシステム１００を負荷するために使用される。温度制御システム５００は、温度制御マスタ制御装置、温度制御作用配管、浴液入口接続配管、および浴液出口接続配管を含む。温度制御作用配管は、温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、温度制御作用配管の両端は、それぞれ浴液入口接続配管、浴液出口接続配管を介して温度制御マスタ制御装置に連通し、温度制御マスタ制御装置は、浴液入口接続配管、温度制御作用配管、浴液出口接続配管を介して、凍結融解サイクル環境のシミュレーションを制御する。水系シミュレーションシステム６００は、水系制御装置および水系アセンブリを含む。水系アセンブリは、水系制御装置と試験片との間に設けられ、液体を輸送して水系チャネルをシミュレートするために使用される。

本実施例では、水系アセンブリおよび注入孔は、トンネルモデルの上方に設けられ、かつ当該水系チャネルは理想的な密閉配管状態であり、トンネル上側の水系管路を形成し、温度制御システム５００により温度を継続的に変更することで、当該水系管路を継続的に凍結融解させ、検出システムにより凍結融解条件下での水系管路の膨張、収縮変形に起因するトンネル周辺岩盤の押し出し変形、およびこの過程におけるトンネル周辺岩盤内の亀裂の進展、拡張を取得し、設定された凍結融解パラメータ下でトンネルへの影響を取得する。

本発明に係る温度制御システムにより、予め設定された様々な凍結融解パラメータ環境をシミュレートし、試験チャンバーシステムにおける荷重装置により、応力場環境をシミュレートし、水系シミュレーションシステムにより、試験片内の異なる水系チャネルをシミュレートし、対応する検出システムにより、凍結融解条件下での水系管路の膨張、収縮変形に起因するトンネル周辺岩盤の押し出し変形、この過程におけるトンネル周辺岩盤内の亀裂の進展、拡張、および試験片内の水系浸透の動的輸送過程を取得し、同時に、本発明が提供する可視化試験システムにより、設定された凍結融解パラメータ、水系設定パラメータによる試験片内の岩盤変形や亀裂の拡張がトンネルに与える影響を取得することができ、実際の施工において信頼性の高い作業データを提供することができる。

さらに、ＰＥＴ検出システム、回転負荷システム、ＣＴ検出システムを同じ基台に設定することで、シミュレーション試験の設定精度、およびシミュレーション検出効果をさらに向上させることができる。

さらに、図２を参照し、図２は、図１の試験チャンバーシステムの断面図であり、試験チャンバーシステムは、チャンバー本体１１０、荷重装置１２０、保温装置１３０、およびパッドプレートアセンブリ（すなわち、温度制御圧力パッドプレート装置）１４０を含む。ここで、荷重装置は、チャンバー本体の内部に設けられ、試験片に包囲圧力を加えて地盤応力をシミュレートするために使用され、保温装置は、荷重装置の内部に設けられ、試験片の温度保護を実施するために使用され、パッドプレートアセンブリは、保温装置の内部に設けられ、対応する温度制御配管を設置するために使用され、試験片１５０は、パッドプレートアセンブリの内部に設けられ、試験片には、トンネルモデルとそれに対応する水系チャネル収容孔（すなわち、注水孔１４６、観察を容易にするために、途中で注水孔に設定された継手が保持される）が開設され、注入された液体を収容してトンネル週側の水系をシミュレートするために使用される。

さらに、チャンバー本体は、回字状フレーム構造であり、回字状フレーム構造は、試験片のトンネル方向と同じ方向に開口している。荷重装置は、油圧シリンダであり、4つの油圧シリンダは、それぞれ回字状フレーム構造の上側、下側、左側および右側に設けられる。

さらに、本発明では、チャンバー本体を回字状に設定し、かつ上、下、左、右の4つの側壁を荷重することにより、検出システムのモデルチャンバー本体を通過した後の情報の減衰を低減し、画質を向上させることができ、同じ光線エネルギーで、全周荷重ではなく、隣接する側面荷重を使用することで、より正確な３次元検査を実現でき、試験モデルの寸法を大きくし、より現場に近いものにする。

好ましくは、各側面の荷重装置はいずれも、対応するパッドプレートの中央部に設けられ、加えられる荷重の均一性を確保する。

さらに、保温装置は、箱型構造であり、箱型構造には、温度制御作用配管、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管と水系アセンブリを穿設するための貫通孔、および荷重装置を穿設するための貫通孔が設けられる。

図２および図３を参照し、図３は、図１の試験チャンバーシステムにおけるパッドプレートアセンブリと温度制御システムにおける温度制御配管の立体構造を示す模式図である。パッドプレートアセンブリは、第１のパッドプレート１４１、第２のパッドプレート１４２、第３のパッドプレート１４３、および第４のパッドプレート１４４を含む。第１のパッドプレート、第２のパッドプレート、第３のパッドプレート、および第４のパッドプレートは、それぞれ試験片の上側、左側、下側、及び右側に設けられ、かつ回字状フレーム構造を構成し、第１のパッドプレート、第２のパッドプレート、第３のパッドプレート、および第４のパッドプレートの外側には、いずれも温度制御配管の（図示した）一部を収容するための温度制御スロット１４５が開設される。温度制御スロットは、折り返し構造のガイドスロットを含む。ガイドスロットは、互いに平行な複数のパラレルセグメントと、隣接するパラレルセグメントを連通するストレートセグメントとを含む。

さらに、温度制御システムはさらに、温度センサアセンブリを含む。温度センサアセンブリは、パッドプレートアセンブリと試験片との間に設けられ、試験片の週側の温度を検出するために使用され、温度センサアセンブリは、温度制御マスタ制御装置に信号的に接続される。

さらに、水系アセンブリは、水系輸送配管および継手を含む。継手は、試験片注水孔１４６に設けられ、水系輸送配管内の液体を輸送しながら注水孔を密封するために使用され、なお、１４６注水孔は、トンネルモデル週側の任意の位置に設けられ、異なる位置の水系配管をシミュレートするために使用され得、本実施例で開示されたトンネルの上側に限定されない。

さらに、図４を参照し、図４は、図１の温度制御システムにおける温度制御配管の立体構造を示す模式図である。温度制御システムは、温度制御マスタ制御装置、温度制御作用配管５１０、浴液入口接続配管、および浴液出口接続配管を含む。温度制御作用配管は、温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、温度制御作用配管の両端は、それぞれ浴液入口接続配管、浴液出口接続配管を介して温度制御マスタ制御装置に連通し、温度制御マスタ制御装置は、浴液入口接続配管、温度制御作用配管、浴液出口接続配管を介して、凍結融解サイクル環境のシミュレーションを制御する。

ここで、温度制御作用配管５１０は、温度制御スロットと同じ形状を有し、折り返しＳ字状を形成し、試験片との接触面積を増やし、温度制御効果をさらに向上させる。温度制御作用配管は、第１の接続配管、第２の接続配管、第３の接続配管、および第４の接続配管を含む。第１のパッドプレート、第２のパッドプレート、第３のパッドプレート、および第４のパッドプレートの外側の温度制御スロット内に設けられ、かつ温度制御作用配管の高さを温度制御制御スロットの深さよりも低くすることで、荷重装置が地盤応力荷重のシミュレーションを行う際に配管が破損しないように確保され、隣接する温度制御作用配管の間は、ホースで接続され、四枚のパッドプレート内に設けられた配管を連通し、温度制御作用配管の入力管口は第２のパッドプレートに設けられ、出力管口は第３のパッドプレートに設けられる。

さらに、温度制御マスタ制御装置（凍結融解サイクル制御ポンプ）は、出力された浴液が浴液入力配管に入り、第２のパッドプレート内の第２の接続配管、第１のパッドプレート内の第１の接続配管、第４のパッドプレート内の第４の接続配管、第３のパッドプレート内の第３の接続配管を経て、浴液出力配管から流出して温度制御ポンプに戻るように制御し、さらに冷却または加熱し、低温浴液または高温浴液を交互に循環させて、四枚のパッドプレートの温度を制御することで、岩盤試験片が位置する設定温度環境をシミュレートする。

図５を参照し、図５は、図３パッドプレートアセンブリ中の上側パッドプレートの別の実施例の立体構造を示す模式図である。本実施例では、水系アセンブリは、水系輸送配管を含む。水系輸送配管の一端は、水系制御装置に接続され、他端は温度制御圧力パッドプレート装置の内部に設けられる。

第１のパッドプレートは、プレート本体、ガイド孔（注水孔１４６）、およびガイドスロット１４７を含む。ガイド孔は、前記プレート本体の内部にＬ字状に設けられ、その外端部には水系輸送配管の継手が設けられ、内端部はガイドスロットの中心に連通し、ガイドスロットは、プレート本体の底面に設けられ、ガイド孔に注入された核種溶液をガイドするために使用され、ガイドスロットは、周方向ガイドスロットおよび径方向ガイドスロットを含む。周方向ガイドスロットは、ガイド孔の週側に設けられ、径方向ガイドスロットは、周方向ガイドスロットとガイド孔との間に設けられ、両者を連通するために用いられる。本実施例では、周方向ガイドスロットは、同心円状に等間隔に配置された複数の円形ガイドスロットであり、径方向ガイドスロットは、均一にクロスセットされた横方向ガイドスロットであり、試験片の水系の均一な浸透を達成し、試験片の水系全体の環境をシミュレートする。

さらに、ガイドスロットの週側には、第１のパッドプレートと岩盤試験片から外側への浸透水の流出を防止し、水系シミュレーション効果を確保するために、浸透シールを設けてもよい。

図６を参照し、図６は、本発明に係る水系シミュレーションシステムにおいて設定された水系アセンブリの別の実施例の立体構造を示す模式図である。水系制御システムの継手を設定するための注水孔１４６をトンネルの下方に設けることで、特定位置の地下水系をシミュレートし、本発明の温度制御システムによって凍結融解サイクルをシミュレートし、ＰＥＴ検出システムおよび高エネルギー加速器ＣＴ検出システムにより、凍結融解サイクルの作用下での地下水系に起因する周辺岩盤の押し出し変形をリアルタイムで検出し、すなわち、周辺岩盤内の亀裂の進展拡張過程を取得し、トンネルへの影響状態をリアルタイムで検出する。凍結融解サイクルが異なる条件下で、設定されたパラメータと対応する拡張亀裂の状態との間に一対一のマッピング状態を形成することで、亀裂の経過を研究したり、将来のトンネルへの影響を予測したりするのに大いに役立つ。

図７を参照し、図７は、図１の回転負荷システムの立体構造を示す模式図である。回転負荷システムは、回転テーブル４１０および接続装置４２０を含む。回転テーブルは、チャンバー本体の下方に設けられ、回転テーブルの週側に凹部が設けられ、接続装置は、前端部が回転テーブルに固定され、後端部が凹部に沿って設けられ、動力伝達装置は、回転テーブル動力装置によって駆動されるときに、前記凹部に沿って回り込むことができる。動力伝達装置は、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管、および水系アセンブリを収容するために使用され、回転テーブル動力装置によって駆動されると、動力伝達装置は、岩盤試験片に接続された浴液入口接続配管、浴液出口接続配管、水系アセンブリと伴って凹部に沿って回り込み、回転テーブルの回転中の異なる配管の巻き取りと破損を防止し、本実施例では、検出走査システムによる岩盤試験片の走査検出に協力するために回転テーブルを回転させ、従って、回転テーブルは、動力装置によって駆動されると、１週間の時計回りの回転または１週間の反時計回りの回転を実現し、すなわち、動力伝達装置は、凹部を１週間回り込むか、凹部から退出して、対応する検出を実現する。

さらに、接続装置は、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管、および水系アセンブリに使用されるマニホールドドラッグチェーンである。

さらに、回転負荷システムはさらに、ドラッグチェーンガイドスロットを含む。ドラッグチェーンガイドスロットは、回転テーブルの一側に設けられ、マニホールドドラッグチェーンを案内するために使用される。

好ましくは、回転テーブルは、モータによって駆動され、角度を自動的に調整し、角度調整の範囲が広く、高精度で、かつ負荷容量が大きいという特徴を有し、ステッピングモータと伝動部品は、インポートされた高品質の柔軟なカップリングによって接続され、空間と加工形状や位置の誤差を排除し、回転テーブルの外輪のスケールは直感的で、インターフェイスが標準で、信号の伝送を容易にし、手動ハンドホイールも配置され、電動制御と手動制御の両方が可能で、サーボモータまたはステッピングモータを取り付け、モデルチャンバー本体の回転制御を実現する。

図８を参照し、図８は、図１のＰＥＴ検出システムの立体構造を示す模式図である。ＰＥＴ検出システムは、第１の検出器装置２１０、第１の支持装置２１１、第２の検出器装置２２０、第２の支持装置２２１を含む。第１の検出器装置２１０、第２の検出器装置２２０は、それぞれチャンバー本体の両側に設けられ、凍結融解サイクルの影響を受けた試験片の亀裂内に浸透した液体の動的な輸送状態を検出するために使用され、かつそれぞれ第１の支持装置２１１、第２の支持装置２２１を介して地面に接続され、ＰＥＴ検出システムは、水系シミュレーションシステムの注入液における核種が発する光子信号を検出し、岩盤試験片の亀裂内での液体の３次元動的輸送を実現するために使用される。

さらに、ＰＥＴ検出システムはさらに、第１の検出器移動装置および第２の検出器移動装置を含む。第１の検出器移動装置は、第１の移動ガイドおよび第１の移動部材を含む。第１の移動部材は、第１の駆動装置によって駆動されると、第１の検出器装置とチャンバー本体との間の検出距離を調整することができる。第２の検出器移動装置は、第２の移動ガイドおよび第２の移動部材を含む。第２の移動部材は、第２の駆動装置によって駆動されると、第２の検出器装置とチャンバー本体との間の検出距離を調整することができ、これにより、特定部位への検出距離を柔軟に調整し、検出精度をさらに向上させることができる。

図９を参照し、図９は、図１の高エネルギー加速器ＣＴ検出システムの立体構造を示す模式図である。高エネルギー加速器ＣＴ線源３１０、ＣＴ線源テーブル３１１、ＣＴ線源ラック３１２、高エネルギー加速器ＣＴ検出器３２０、ＣＴ検出器テーブル３２１、およびＣＴ検出器ラック３２２を含む。ＣＴ線源３１０は、ＣＴ線源テーブル３１１上に設けられ、ＣＴ検出器３２０は、ＣＴ検出器テーブル３２１上に設けられ、ＣＴ線源テーブル３１１とＣＴ検出器テーブル３２１の高さをモデルチャンバー本体の高さに対応させて設定することで、当該検出システムでは、試験片全体の岩盤の力変形に伴う亀裂の進展・拡張過程を検出し、その３次元形状を可視化してリアルタイムで監視することができる。

さらに、高エネルギー加速器ＣＴ検出器はさらに、ＣＴラインアレイ検出器およびＣＴフラットパネル検出器を含む。これらは、両方とも検出器テーブル上に設けられ、異なるニーズに応じて2つの検出器を切り替えて、最適な走査品質を確保することができる。ラインアレイ検出器は、より高い撮像精度を有し、試験モデルの特定の領域を細かく走査し、試験モデル構造特徴の寸法情報を得るために使用され、フラットパネル検出器は、より広い視野を有し、試験サンプルの大面積を撮像し、３次元空間における試験サンプル内のクラック中の分布情報を得るために使用される。

さらに、高エネルギー加速器ＣＴ検出システムはさらに、ＣＴ検出器垂直ガイドおよびＣＴ検出器水平ガイドを含む。ここで、ＣＴ検出器垂直ガイドは、チャンバー本体に近いＣＴ検出器ラックの内側に取り付けられ、当該装置の設定により、検出器の昇降を実現し、それによって、ＣＴフラットパネル検出器とＣＴラインアレイ検出器の高さ方向の調整を実現し、ＣＴ検出器ラックは、当該ＣＴ検出器水平ガイドおよびスライダを介して検出器基台に接続され、チャンバー本体に対する検出器装置全体の離隔または近接移動を実現し、検出視野を調整する。

本実施例では、対応する昇降モータの制御によって、トンネルモデルに対する線源、検出器の異なる高さを調整し、目標とする局所的な検出を可能にする。

さらに、昇降駆動装置は、スクリューステッピングモータであってもよく、または液管の昇降を制御できる他の装置であってもよく、本実施例は本発明の保護範囲を限定するものではない。

本発明では、ＰＥＴ検出を採用し、安全性が高い。ＰＥＴ検査に使用される核種は、ある程度の放射能を必要とするが、使用量が非常に少なく、かつ半減期が非常に短く（短い場合は約１２分、長い場合は約１２０分）、物理的崩壊後の保持時間も生体内代謝後の保持時間も非常に短いため、安全で信頼性が高い。

Ｘ線マイクロＣＴ（Ｘ－ＣＴ、Ｘ－ｒａｙ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、すなわち、コンピュータ断層撮影法は、非侵襲的で非破壊的な撮影技術であり、サンプルを破壊することなく、Ｘ線を用いて物体を走査し、サンプルの内部の３次元構造や形態に関する情報を得ることができる。検出物体に損傷を与えることなく、２次元断層画像または３次元立体画像の形で、検出対象物の内部構造、構成や形態などを明確に、正確に、視覚的に示すことができ、今日の最高の非破壊検査・非破壊評価技術と評価されている。

Ｘ線マイクロＣＴは、その高解像度で非破壊的な撮像特徴を備えているため、地質学、材料科学、高度な製造業、生命科学などの分野で広く利用されている。地質学では、岩コア内の細孔構造、亀裂、層状構造などをミクロなスケールの３次元空間で特徴づけることで、岩コア内の穿孔の連通性、細孔率、穿孔寸法や様々な浸透特徴パラメータを統計的に計算することができる。材料科学の分野では、材料内の細孔、クラック、介在物、デラミネーションなどの３次元空間分布とそれらの各種定量分析により、材料の構造や密度分布を特徴づける。

さらに、当該可視化システムは、中央処理装置を備えており、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム、ＰＥＴ検出システム、水系シミュレーションシステムはそれぞれ、中央処理装置に信号的に接続され、中央処理装置は、リアルタイムで検出された水系シミュレーションシステムの注入試験片における流体の動的輸送に基づき、シミュレーション水系の注入液体の流速、圧力などのパラメータ、および試験片が位置する温度環境をリアルタイムで調整し、かつ設けられたパラメータに対応して得られた試験片の亀裂の進展・拡張過程をリアルタイムで記録し、対応するパラメータシミュレーション値を取得し、また、本発明によれば、試験片内の凍結融解サイクルの作用下で、試験片に対する位置水系の使用状況、およびトンネルへの影響を設定し、対応する温度パラメータ下でのトンネル周辺岩盤の割れ目網の拡張全過程を得ることができる。

地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システムに基づいて、具体的な操作ステップは以下の通りである。

ステップＳ１００、岩盤試験片を含む製造された試験チャンバーシステムを回転負荷システムに固定し、試験片の側方向荷重値、高温値、低温値および水系シミュレーション注入圧力を予め設定し、ここで、試験片には、シミュレーション水系収容チャネルおよびシミュレーショントンネルが開設される。

ステップＳ２００、荷重装置は、側方向荷重値を試験片に加え、試験片が受ける実際の地盤応力をシミュレートし、同時に、高エネルギー加速器ＣＴ検出システムおよびＰＥＴ検出システムを起動してリアルタイムで監視する。

ステップＳ３００、水系シミュレーションシステムを起動し、予め設定された注入圧力に応じて、設定された位置の水系配管をシミュレートする。

ステップＳ４００、温度制御ポンプを起動し、予め設定された高温値や低温値、およびプリセット時間に応じて、高温－低温を連続的に循環させ、凍結融解サイクルのシミュレーションを実施する。

ステップＳ５００、プリセット時間が終わり、試験が完了する。

試験の全過程では、高エネルギー加速器ＣＴ検出システムおよびＰＥＴ検出システムは、リアルタイムで走査検出し、試験前と凍結融解中の岩盤亀裂の拡張過程の３次元画像を取得する。

好ましい実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改良を行ってもよく、その部材を等価物と置換してもよく、特に、各実施例で言及されている各技術的特徴は、構造的に矛盾がない限り、任意の方法で組み合わせることができ、本発明は、本文中に開示された特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に該当する全ての技術的解決手段を含む。

本発明の説明では、「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、「外」などの用語によって指示される方向または位置関係は、図面に示された方向または位置関係に基づき、本発明を簡略化するためのものに過ぎず、前記装置または部材が特定の方位を有し、特定の方位で構築および操作しなければならないことを指示や示唆するものではないので、本発明を限定するものと理解されるべきではない。なお、「第１」、「第２」、「第３」という用語は、目的を説明するためのものに過ぎず、相対的な重要度を指示や示唆するものとして理解されるべきではない。

なお、本発明の説明において、「取り付け」、「連結」、「接続」という用語は、別途の規定や限定がない限り、広義に理解されるべきであり、例えば、固定接続されてもよく、着脱可能に接続または一体に接続されてもよいが、機械的に接続されてもよい。また、電気的に接続されてもよいが、直接的に接続されてもよい。また、中間媒体を介して間接的に接続されてもよいが、両部材の内部連通であってもよい。当業者であれば、実際の状況に応じて本発明における上記用語の具体的な意味を理解することができる。

「含む」または他の任意の類似した用語は、非排他的な包含をカバーすることを旨とし、これによって、一連の要素を含む過程、方法、物または設備／装置は、それらの要素だけでなく、明示的に列挙されていない他の要素、またはそれらの過程、方法、物または設備／装置の固有の要素を含む。

これまで、図面に示された好ましい実施形態を参照して本発明の技術的解決手段を説明したが、もちろん、本発明の保護範囲がこれらの具体的な実施形態に限定されないことは、当業者であれば容易に理解される。本発明の原理から逸脱することなく、当業者は、関連する技術的特徴に対して同等の変更または置換を行うことができ、これらの変更または置換後の技術的解決手段は、本発明の保護の範囲内に入る。

１００、試験チャンバーシステム；１１０、チャンバー本体；１２０、荷重装置；１３０、保温装置；１４０、パッドプレートアセンブリ；１４１、第１のパッドプレート；１４２、第２のパッドプレート；１４３、第３のパッドプレート；１４４、第４のパッドプレート；１４５、温度制御スロット；１４６、注水孔；１４７、ガイドスロット；１５０、試験片；２００、ＰＥＴ検出システム；２１０、第１の検出器装置；２１１、第１の支持装置；２２０、第２の検出器装置；２２１、第２の支持装置；３００、高エネルギー加速器ＣＴ検出システム；３１０、ＣＴ線源；３１１、線源テーブル；３１２、線源ラック；３２０、ＣＴ検出器；３２１、検出器テーブル；３２２、検出器ラック；４００、回転負荷システム；４１０、回転テーブル；４２０、接続装置；５００、温度制御システム；５１０、温度制御作用配管；６００、水系シミュレーションシステム。

Claims (7)

1. 高エネルギー加速器ＣＴ検出システムを含む可視化システムであって、試験チャンバーシステム、温度制御システム、水系シミュレーションシステム、およびＰＥＴ検出システムをさらに含み、前記高エネルギー加速器ＣＴ検出システムは、試験片の亀裂の３次元形状を走査検出するために使用され、
   前記試験チャンバーシステムは、チャンバー本体、荷重装置、保温装置、および温度制御圧力パッドプレート装置を含み、前記荷重装置は、前記チャンバー本体の内部に設けられ、試験片に包囲圧力を加えて地盤応力をシミュレートするために使用され、前記チャンバー本体は、回字状フレーム構造であり、前記回字状フレーム構造は、試験片のトンネル方向と同じ方向に開口し、前記保温装置は、前記荷重装置の内部に設けられ、試験片の温度保護を行うために使用され、前記温度制御圧力パッドプレート装置は、前記保温装置の内部に設けられ、対応する温度制御配管を設置するために使用され、前記温度制御圧力パッドプレート装置は、第１のパッドプレート、第２のパッドプレート、第３のパッドプレート、および第４のパッドプレートを含み、前記第１のパッドプレート、前記第２のパッドプレート、前記第３のパッドプレート、および前記第４のパッドプレートは、それぞれ試験片の上側、左側、下側、及び右側に設けられ、かつ回字状フレーム構造を構成し、前記第１のパッドプレートは、プレート本体、ガイド孔、およびガイドスロットを含み、前記ガイド孔は、前記プレート本体の内部にＬ字状に設けられ、その外側端には水系輸送配管の継手が設けられ、内側端は前記ガイドスロットの中心に連通し、前記ガイドスロットは、前記プレート本体の底面に設けられ、前記ガイド孔に注入された核種溶液をガイドするために使用され、前記ガイドスロットは、周方向ガイドスロットおよび径方向ガイドスロットを含み、前記周方向ガイドスロットは、前記ガイド孔の週側に設けられ、前記径方向ガイドスロットは、前記周方向ガイドスロットと前記ガイド孔との間に設けられ、かつ両者を連通するために使用され、前記第１のパッドプレート、前記第２のパッドプレート、前記第３のパッドプレート、および前記第４のパッドプレートの外側には、いずれも温度制御配管を収容するための温度制御スロットが開設され、前記温度制御スロットは、折り返し構造のガイドスロットを含み、前記ガイドスロットは、互いに平行な複数のパラレルセグメントと、隣接するパラレルセグメントを連通するストレートセグメントとを含み、
   前記温度制御システムは、温度制御マスタ制御装置、温度制御作用配管、浴液入口接続配管、および浴液出口接続配管を含み、前記温度制御作用配管は、前記温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、前記温度制御作用配管の両端は、それぞれ前記浴液入口接続配管、前記浴液出口接続配管を介して前記温度制御マスタ制御装置に連通し、前記温度制御マスタ制御装置は、前記浴液入口接続配管、前記温度制御作用配管、及び前記浴液出口接続配管を介して凍結融解サイクル環境のシミュレーションを制御し、前記温度制御システムはさらに、温度センサアセンブリを含み、前記温度センサアセンブリは、前記温度制御圧力パッドプレート装置に設けられ、試験片の週側の温度を検出するために使用され、前記温度センサアセンブリは、前記温度制御マスタ制御装置に信号的に接続され、
   前記水系シミュレーションシステムは、水系制御装置、および水系アセンブリを含み、前記水系アセンブリは、前記水系制御装置と試験片との間に設けられ、液体を輸送して水系チャネルをシミュレートするために使用され、前記水系アセンブリは、前記水系輸送配管および継手を含み、前記継手は、試験片注水孔に設けられ、前記水系輸送配管内の液体を輸送しながら注水孔を密封するために使用され、
   前記ＰＥＴ検出システムは、第１の検出器装置および第２の検出器装置を含み、前記第１の検出器装置、前記第２の検出器装置は、それぞれ前記チャンバー本体の両側に設けられ、凍結融解サイクルの影響を受けた試験片の亀裂内に浸透した液体の動的な輸送状態を検出するために使用されることを特徴とする、地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
2. 前記試験片注水孔は、トンネルモデルの週側に設けられ、異なる位置の水系配管をシミュレートするために使用され得ることを特徴とする、請求項１に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
3. 前記水系アセンブリは、水系輸送配管を含み、前記水系輸送配管の一端が前記水系制御装置に接続され、他端が前記温度制御圧力パッドプレート装置の内部に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
4. 前記温度制御作用配管は、前記温度制御スロットと同じ形状を有し、かつ隣接するパッドプレート間に設けられた温度制御作用配管は、ホースで接続されることを特徴とする、請求項１に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
5. 当該可視化システムはさらに、回転負荷システムを含み、前記回転負荷システムは、回転テーブルおよび接続装置を含み、前記回転テーブルは、前記チャンバー本体の下方に設けられ、前記回転テーブルの週側に凹部が設けられ、前記接続装置は、前端部が前記回転テーブルに固定され、後端部が前記凹部に沿って設けられ、動力伝達装置は、回転テーブル動力装置によって駆動されるときに、前記凹部に沿って回り込むことができることを特徴とする、請求項１－４のいずれか一項に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
6. 前記接続装置は、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管および水系アセンブリを収容するためのマニホールドドラッグチェーンであり、
   前記回転負荷システムはさらに、ドラッグチェーンガイドスロットを含み、前記ドラッグチェーンガイドスロットは、前記回転テーブルの一側に設けられ、前記マニホールドドラッグチェーンを案内するために使用されることを特徴とする、請求項５に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。
7. 前記チャンバー本体は、回字状フレーム構造であり、前記回字状フレーム構造は、試験片のトンネル方向と同じ方向に開口しており、
   前記荷重装置は、油圧シリンダであり、4つの前記油圧シリンダは、それぞれ前記回字状フレーム構造の上側、下側、左側および右側に設けられ、
   前記保温装置は、箱型構造であり、前記箱型構造には、浴液入口接続配管、浴液出口接続配管、および水系アセンブリを穿設するための貫通孔が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の地下水の凍結融解サイクルの影響を受けた深部坑道の変形をシミュレートする可視化システム。

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