[發(fā)明專利]隧道危石垮塌室內(nèi)大型綜合模擬試驗平臺及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711350400.5
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN108254205B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李術(shù)才;胡杰;李利平;劉洪亮;石少帥;孫尚渠;范宏運;崔蘭玉
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01M7/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

1.一種隧道危石垮塌室內(nèi)大型綜合模擬試驗平臺，其特征是：包括外殼，所述外殼內(nèi)設(shè)置有單塊體危石失穩(wěn)模擬系統(tǒng)、裂隙巖體多塊體失穩(wěn)模擬系統(tǒng)、復(fù)雜隧道環(huán)境定量模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其中：

所述單塊體危石失穩(wěn)模擬系統(tǒng)，包括對稱設(shè)置的支撐墻，所述支撐墻上設(shè)置有滑軌，滑軌之間通過弧形桿連接，所述支撐墻之間設(shè)置有拱形支撐，所述拱形支撐上一側(cè)設(shè)置有單獨塊體，所述單獨塊體上端設(shè)置有第一加壓機構(gòu)，模擬單獨塊體隨隧道掌子面開挖的漸進失穩(wěn)過程；

所述裂隙巖體多塊體失穩(wěn)模擬系統(tǒng)，包括試驗臺架，所述試驗臺架內(nèi)部容納有澆模預(yù)制巖體，所述澆模預(yù)制巖體與試驗臺架之間設(shè)置有多個第二加壓機構(gòu)，對澆模預(yù)制巖體施加不同方向的壓力，模擬裂隙巖體圍巖受隧道開挖影響的失穩(wěn)過程；

所述復(fù)雜隧道環(huán)境定量模擬系統(tǒng)，包括補光燈、粉塵濃度模擬裝置和濕度模擬裝置，模擬隧道昏暗、多塵和潮濕的真實環(huán)境；

所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，采集不同隧道模擬環(huán)境下獲取巖體表面結(jié)構(gòu)面信息，對裂隙巖體開挖后的穩(wěn)定性進行監(jiān)測；

所述拱形支撐上設(shè)置有水平推動裝置，實現(xiàn)模擬開挖裝置水平移動；所述單塊體危石失穩(wěn)模擬系統(tǒng)的拱形支撐兩側(cè)設(shè)置有滑軌，所述拱形支撐受水平推動裝置的推動沿下方布置的滑軌實現(xiàn)位置移動，從而實現(xiàn)支撐上方的巖塊逐漸揭露，實現(xiàn)隧道開挖模擬；

所述單獨塊體吊裝在弧形桿上并可沿桿滑動，從而實現(xiàn)潛在失穩(wěn)塊體在隧道斷面位置上的變換；

所述第一加壓機構(gòu)包括液壓千斤頂和傳力板，千斤頂安裝在臺架與傳力板之間，由液壓控制系統(tǒng)控制加載力的大小；

所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括數(shù)碼照相機和三維激光掃描儀；

所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，還包括激光測振儀和紅外熱成像儀，所述激光測振儀監(jiān)測潛在失穩(wěn)塊體固有振動頻率的動態(tài)變化；所述紅外熱成像儀監(jiān)測開挖過程中裂隙巖體整體溫度場的時空變化；所述三維激光掃描儀通過不同時段點云數(shù)據(jù)的比對，監(jiān)測開挖后巖體的位移變化。

2.如權(quán)利要求1所述的一種隧道危石垮塌室內(nèi)大型綜合模擬試驗平臺，其特征是：所述粉塵濃度模擬裝置包括粉塵儲存單元、噴射單元與強度可調(diào)電動機，粉塵儲存單元內(nèi)儲有人工粉塵，開啟電動機帶動風(fēng)機可實現(xiàn)粉塵噴射，調(diào)節(jié)電動機強度用以實現(xiàn)不同粉塵濃度的模擬。

3.如權(quán)利要求1所述的一種隧道危石垮塌室內(nèi)大型綜合模擬試驗平臺，其特征是：所述濕度模擬裝置包括水箱與水霧噴射單元，開啟開關(guān)實現(xiàn)水霧噴射，通過調(diào)節(jié)檔位可實現(xiàn)不同濕度環(huán)境的模擬。

4.如權(quán)利要求1所述的一種隧道危石垮塌室內(nèi)大型綜合模擬試驗平臺，其特征是：所述數(shù)碼照相機采用定焦鏡頭，有普通和紅外兩種鏡頭形式可選；在不同的隧道模擬環(huán)境下，通過對巖體表面裂隙的拍照對比試驗，研究不同拍攝鏡頭對隧道環(huán)境的敏感程度及拍攝效果；所述三維激光掃描儀同樣在不同的隧道模擬環(huán)境下對巖體表面進行掃描，獲取相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)，分析三維激光掃描結(jié)果對不同環(huán)境特征參數(shù)的敏感程度。

5.基于如權(quán)利要求1-4中任一項所述的平臺的工作方法，其特征是：單塊體失穩(wěn)過程模擬與監(jiān)測包含以下步驟：

(1)用混凝土預(yù)制一個底面為凹面的方體，凹面能夠與拱形支撐上表面相貼合，對混凝土塊進行切割，分離出一塊孤立塊體；

(2)將混凝土塊安裝在五面?zhèn)髁Π逯虚g，下方利用拱形支撐頂住，調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)控制千斤頂對預(yù)制混凝土塊進行加載，模擬原始地應(yīng)力場；

(3)調(diào)節(jié)整體單塊體失穩(wěn)模擬裝置，將潛在墜落的孤立塊體調(diào)整至試驗需要的隧道斷面相應(yīng)位置處；

(4)調(diào)節(jié)安裝在拱形支撐上的水平推動裝置，推動拱形支撐沿下方滑軌移動，模擬隧道開挖使得拱形支撐上方的孤立塊體逐漸出露；

(5)利用紅外熱成像儀、激光測振儀實現(xiàn)單塊體失穩(wěn)過程的溫度場與固有振動頻率動力學(xué)參數(shù)變化的實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理分析，評估單塊體失穩(wěn)的發(fā)生條件。

6.基于如權(quán)利要求1-4中任一項所述的平臺的工作方法，其特征是：復(fù)雜隧道環(huán)境下巖體結(jié)構(gòu)信息數(shù)字采集包含以下步驟：

(1)將液態(tài)石蠟從儲存裝置中注入模具中，待石蠟?zāi)毯蟠蜷_模具一側(cè)擋板，將用石蠟材料預(yù)制的巖體連同底座一同拉出，并安裝在臺架內(nèi)部；

(2)利用千斤頂對預(yù)制巖體進行加載，模擬地應(yīng)力場，并根據(jù)試驗需要在巖體表面切割形成裂隙；

(3)根據(jù)需要模擬的隧道環(huán)境特征，調(diào)節(jié)補光燈、粉塵濃度模擬裝置和濕度模擬裝置從而實現(xiàn)不同光照強度、粉塵濃度、水汽濕度的控制；

(4)利用數(shù)碼照相機和三維激光掃描儀完成巖體裂隙信息的獲取，比較巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字獲取技術(shù)對隧道環(huán)境特征參數(shù)的敏感程度。