[發明專利]模擬隧道穿越多組復雜地層的試驗裝置

有效

• 申請號: 201710943336.5
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107957368B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 譚忠盛;李松濤;楊旸;張志恩;王知遠;何利彬;王國靖;李闖
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 11255 北京市商泰律師事務所
• 代理人: 黃曉軍

1.一種模擬隧道穿越多組復雜地層的試驗裝置，其特征在于，包括：旋轉臺、試驗箱體、轉運架和試驗臺，所述旋轉臺包括水平轉盤和豎直轉盤，所述旋轉臺承載所述試驗箱體，根據隧道所穿越的地質巖層在水平轉盤和豎直轉盤協同配合下在所述試驗箱體中水平方向鋪設相似材料，所述相似材料的傾斜角度根據模擬隧道穿越的地質條件而定，并且通過所述水平轉盤和豎直轉盤來調整；

所示轉運架連接所述旋轉臺與所述試驗臺，在所述旋轉臺與所述試驗臺之間轉運所述試驗箱體；所述試驗臺對所述試驗箱體內的相似材料巖層施加作用，對所述相似材料進行模擬隧道穿越復雜地質體的試驗；

所述旋轉臺包括底座、豎直轉盤、水平轉盤、滑軌、推拉桿和鎖腳，所述豎直轉盤、水平轉盤設置在所述底座上，所述滑軌與所述水平轉盤連接，所述推拉桿與所述豎直轉盤、水平轉盤連接，所述鎖腳與所述試驗箱體的固定腳連接，所述旋轉臺的動力通過底座內置齒輪泵與豎直轉盤背面赤軌黏合，并配合伺服控制系統來實現。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述豎直轉盤采用弧形、中空結構，并且所述豎直轉盤的外壁的厚度大于設定的數值。

3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，當模擬的隧道軸線方向與巖層方向平行時，按照巖層實際層位關系，將相似材料在所述試驗箱體中分層水平鋪設。

4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，當模擬的隧道軸線方向與巖層方向相交時，根據隧道與相交巖層之間的相交空間角度和巖層厚度確定傾斜巖層與所述試驗箱體的內壁的交線，通過調整所述豎直轉盤、水平轉盤將由多條所述交線所形成的交線平面旋轉到水平位后，將相似材料在所述試驗箱體中分層水平鋪設；

當模擬的隧道軸線與一條以上的巖層方向相交時，依照上述過程確定各自的交線平面，通過調整豎直轉盤、水平轉盤將各個交線平面旋轉至水平位后，再進行相似材料的鋪設，其中一個交線平面對應一次相似材料的鋪設。

5.根據權利要求1至4任一項所述的裝置，其特征在于，所述試驗箱體的底部設置行走部、滑靴，所述試驗箱體通過所述行走部、滑靴在所述旋轉臺與所述試驗臺之間行走；所述試驗箱體的頂部設置頂部加壓和氣液端口，左側端面設置左部加壓和氣液端口，右側端面設置右部加壓和氣液端口。

6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，在所述試驗箱體的內部設置預支系統，所述預支系統包括側部的管片、拉桿和推力器，頂部的管片、拉桿和推力器，定位軸和底座，所述底座用于支撐左右兩側和頂部的管片、拉桿、推力器和定位軸，通過頂部和側部的拉桿來分別控制頂部和側部的管片的沉降與收縮，實現模擬隧道開挖過程，通過頂部和側部的拉桿分別控制頂部和側部的管片沿凈空方向的位移量，結合內部預先鋪設的監測元件和外部數控系統分析隧道在襯砌允許變形下的圍巖受力特性、空隙壓力大小及分布特征，所述定位軸作為左右兩側和頂部的推力器的移動中軸，由左右兩側和頂部的推力器控制拉桿的撐開幅度大小。

7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，在所述試驗箱體的左側端面、右側端面、頂部端面和后部斷面分別設置壓盤，前部端面、底部端面布置保溫層，左側端面的壓盤中的分流盤覆蓋所述左部加壓和氣液端口，右側端面的壓盤中的分流盤覆蓋所述右部加壓和氣液端口，頂部端面的壓盤中的分流盤覆蓋所述頂部加壓和氣液端口，后部端面的壓盤是后部排空端口的作用位置。

8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述壓盤包括保溫層、密封圈、制熱和冷管、導溫盤和分流盤，所述制熱和冷管設置在壓盤的內部，在所述制熱和冷管的上部和下部設置導溫盤，所述密封圈設置在壓盤的四周外端面，所述分流盤設置在壓盤的上部外端面，所述保溫層設置在壓盤的下部外端面；所述壓盤除分流盤外的剩余壓盤結構直接與試驗箱體固定連接，每個分流盤在四角布置四根銷桿，與剩余壓盤結構上的預留深孔相連，在加壓頭的作用下銷桿延深孔伸縮；外部的加壓系統由壓頭經壓盤將壓力作用于相似材料之上，所述壓盤內部的制熱和冷管實現特定熱力場環境的模擬，所述分流盤將特定壓力的流體注入相似材料內部。

9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述試驗臺中包括左部加壓和氣液端頭、右部加壓和氣液端頭、頂部加壓和氣液端頭、后部排氣系統，通過所述左部加壓和氣液端頭、右部加壓和氣液端頭對試驗箱體內的相似材料施加水平方向的壓力和流體壓力，通過所述頂部加壓和氣液端頭對試驗箱體內的相似材料施加垂直方向的壓力和流體壓力，通過所述后部排氣系統對試驗箱體的內部空氣進行預抽，所述左部加壓和氣液端頭、右部加壓和氣液端頭、頂部加壓和氣液端頭分別作用在左側端面、右側端面和頂部端面的壓盤中的分流盤上。