[發(fā)明專利]復(fù)雜條件下大埋深隧洞圍巖穩(wěn)定與支護(hù)模型試驗(yàn)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010042958.2
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111208015B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張強(qiáng)勇;張振杰;向文;段抗;焦玉勇;丁炎志;薛天恩;王斌;李帆;程磊;林韓祥;郭鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/18
• 分類號(hào): G01N3/18;G01M99/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)雜條件下大埋深隧洞圍巖穩(wěn)定與支護(hù)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高壓水密封模型試驗(yàn)艙、內(nèi)嵌式高液壓伺服加載系統(tǒng)、高地溫調(diào)控系統(tǒng)、高滲透水壓加載系統(tǒng)、微型TBM智能掘進(jìn)系統(tǒng)、多臂襯砌系統(tǒng)以及自密封高精度測(cè)試系統(tǒng)組成。高壓水密封模型試驗(yàn)艙用于容納試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w和高壓水體，內(nèi)嵌式高液壓伺服加載系統(tǒng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w提供高地應(yīng)力，高地溫調(diào)控系統(tǒng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w施加高地溫，高滲透水壓加載系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w進(jìn)行全方位的高滲透水壓加載，TBM智能掘進(jìn)系統(tǒng)可智能開(kāi)挖不同形狀和尺寸的模型洞室，多臂襯砌系統(tǒng)用于模型洞室開(kāi)挖后的襯砌支護(hù)和注漿加固，自密封高精度測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試模型試驗(yàn)體內(nèi)部任意部位的位移、應(yīng)力和滲壓。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在水電、交通、能源和礦山工程領(lǐng)域使用的用于模擬復(fù)雜多場(chǎng)耦合條件下大埋深隧洞圍巖穩(wěn)定與支護(hù)控制的真三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)已發(fā)展成為世界上隧洞和地下工程建造數(shù)量最多、規(guī)模最大、地質(zhì)條件最復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式最多樣的國(guó)家。近年來(lái)，中國(guó)水電引水隧洞、交通隧道、礦山巷道等深部洞室建設(shè)蓬勃發(fā)展，建設(shè)重心向地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)及巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，高地應(yīng)力、高滲透壓、強(qiáng)巖溶、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等導(dǎo)致深部洞室(交通隧道、引水隧洞、礦山巷道等)施工過(guò)程中災(zāi)害頻發(fā)，形成突水、涌泥、塌方等具有隱蔽性和突發(fā)性的大型地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害發(fā)生部位、規(guī)模和動(dòng)力特征難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，往往給地下工程建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重危害，輕則造成淹沒(méi)洞室、沖毀機(jī)具等重大經(jīng)濟(jì)損失，重則造成重大人員傷亡事故。因此，針對(duì)高地應(yīng)力與高滲透水壓耦合作用下深部洞室突水突泥地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理開(kāi)展深入研究，對(duì)于有效預(yù)防災(zāi)害性事故發(fā)生，提高深部洞室的施工安全和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定具有十分重大的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。面對(duì)深部洞室工程，傳統(tǒng)理論方法難以勝任，數(shù)值模擬困難重重，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)條件受限且費(fèi)用昂貴，相比之下，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)以其形象、直觀、真實(shí)的特性成為研究深部工程的重要手段。與MTS研究巖芯力學(xué)特性不同，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)相似原理采用縮尺模型研究洞室施工開(kāi)挖過(guò)程與變形破壞的物理模擬方法，對(duì)于發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，探索新規(guī)律、揭示新機(jī)理和驗(yàn)證新理論具有理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不可替代的重要作用。因此，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)也成為研究深部洞室突水突泥地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理與產(chǎn)生條件的重要手段，要開(kāi)展高地應(yīng)力與高滲透壓耦合作用下深部洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，就必須具備相應(yīng)的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)。目前有關(guān)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：

《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2009年第4期介紹了一種深埋長(zhǎng)大引水隧洞三維物理模型滲透性試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作滲壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)和離散式花管滲流生成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)的靜載模擬，但該系統(tǒng)無(wú)法模擬深部洞室高地應(yīng)力真三維加載，無(wú)法模擬模型洞室智能開(kāi)挖和自動(dòng)襯砌支護(hù)過(guò)程，且無(wú)法模擬溫度效應(yīng)。

《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2013年第5期介紹了一種海底隧洞流固耦合模型試驗(yàn)系統(tǒng)，由鋼結(jié)構(gòu)架、鋼化玻璃試驗(yàn)箱和滲壓加載裝置組成，可進(jìn)行平面應(yīng)力和準(zhǔn)三維平面應(yīng)變模型試驗(yàn)，但該系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行高壓真三維加載，無(wú)法模擬模型洞室智能開(kāi)挖和自動(dòng)襯砌支護(hù)過(guò)程，且無(wú)法模擬溫度效應(yīng)。

《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2015年第5期介紹了一種底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬流固耦合條件下礦井底板突水演變過(guò)程，但該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)深部洞室高地應(yīng)力真三維加載，無(wú)法模擬模型洞室智能開(kāi)挖和自動(dòng)襯砌支護(hù)過(guò)程，且無(wú)法模擬溫度效應(yīng)。

《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2016年第3期介紹了一種深部隧洞突水模擬三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以室內(nèi)三軸試驗(yàn)機(jī)為模板開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)流固耦合加載，但該裝置所能容納的試件尺寸較小，無(wú)法模擬模型洞室智能開(kāi)挖和自動(dòng)襯砌支護(hù)過(guò)程，且無(wú)法模擬溫度效應(yīng)。

《巖土力學(xué)》2017年第3期介紹了一種斷層破碎帶隧洞突水突泥模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置高空水箱進(jìn)行滲壓加載，但該系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行滲壓自動(dòng)加載，無(wú)法進(jìn)行高地應(yīng)力真三維加載和模擬模型洞室智能開(kāi)挖與自動(dòng)襯砌支護(hù)過(guò)程，也無(wú)法模擬溫度效應(yīng)。