一种高地应力开挖模拟系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种高地应力开挖模拟系统及方法，其中所述系统包括机架、支架、加压装置；其中试件被固定在支架上；并通过加压装置对试件进行加压；其中加压装置包括副油缸、主油缸；其中副油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接冲击杆，且冲击杆远端设有用于连接试件的试件加载板；主油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接用于连接试件的试件加载板；其中支架包括至少三条相互平行的支撑杆以及支撑杆端部的与支撑杆可拆卸固定的固定头；然后启动加压装置，通过副油缸、主油缸对试件加载板施加力以挤压试件，通过试件加载板和固定头一起对试件进行加压。

High earth stress excavation simulation system and method

The embodiment of the invention provides a high stress simulation system and excavation method, wherein the system comprises a frame, a frame and a pressurization device; the specimen is fixed on the bracket; and the specimen is pressurized by a pressure device; wherein the pressurizing device comprises a side cylinder, master cylinder; the piston rod cylinder side power output the force sensor is connected with the impact rod, and the impact rod for the distal end is provided with a loading plate specimen; the power output of the main oil cylinder piston rod through the force sensor is connected to connection loading plate; the bracket comprises at least three parallel supporting rods and the supporting rod end of the detachable fixed head fixed with the supporting rods; and then start the pressurizing device, through the side cylinder, master cylinder of loading plate force applied to squeeze the specimen through the specimen loading plate and a fixed head The test piece is pressurized.

【技术实现步骤摘要】
一种高地应力开挖模拟系统及方法
本专利技术涉及试验设备
，尤其是指一种高地应力开挖模拟系统及方法。
技术介绍
高地应力测试是一种工程领域非常重要的试验，在隧道开挖工程中尤其重要，而试验结果的可靠性直接关系到工程质量和安全性。现有的高地应力测试可以通过室内验证设备来进行模拟试验，这样就可以在室内对高地应力进行试验。现有的高地应力试验设备多种多样，但是都存在着测试结果不够准确的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的高地应力开挖模拟系统结构不合理导致最终试验结果不够准确的问题，本专利技术实施例要解决的技术问题是提出一种结构合理且试验结果更为精确地高地应力开挖模拟系统及方法。为了解决上述问题，本专利技术实施例提出了一种高地应力开挖模拟系统，包括机架、支架、加压装置；其中试件被固定在支架上；并通过加压装置对试件进行加压；其中加压装置包括副油缸、主油缸；其中副油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接冲击杆，且冲击杆远端设有用于连接试件的试件加载板；主油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接用于连接试件的试件加载板；其中支架包括至少三条相互平行的支撑杆以及支撑杆端部的与支撑杆可拆卸固定的固定头；然后启动加压装置，通过副油缸、主油缸对试件加载板施加力以挤压试件，通过试件加载板和固定头一起对试件进行加压。其中，机架上设有轨道，其中固定头底部设有轮以使固定头能够沿着轨道移动；其中加压装置底部设有轮以使加压装置能够沿所述轨道移动。其中，主油缸为空心结构，且副油缸套接在副油缸的空心结构内；主油缸和副油缸的动力输出活塞同轴，主油缸的动力输出活塞环绕在副油缸的动力输出活塞外。其中，还包括支护装置；其中支护装置整体通过线性导轨与机架相互连接，线性导轨承受开挖时的推进反力；支护装置包括开挖机构、锚杆支护机构、喷浆机构、工作台、砂浆泵；其中开挖机构安装在工作台上，包括微型盾构、用于驱动所述微型盾构前进的推进机构、推进电机和旋转驱动电机，该微型盾构固定在推进机构上，推进电机的动力输出轴连接推进机构以带动所述推进机构和微型盾构前进/后退，所述旋转驱动电机连接所述微型盾构以驱动所述微型盾构旋转以模拟开挖；其中所述推进机构底部设有转角油缸以控制所述微型盾构的进给角度；还包括喷浆机构和锚杆支护机构，所述喷浆机构和锚杆支护机构设置于所述微型盾构两侧。其中，喷浆机构、锚杆支护机构、微型盾构都连接转角油缸以保证三个机构切换时的位置和角度均相等以控制微型盾构的前进角度。其中，其中锚杆支护机构还包括旋转驱动电机、摩擦轮推进机构；旋转驱动电机驱动摩擦轮推进机构转动以带动锚杆支护机构前进/后退。其中，还包括传动轴、锥齿轮、转轴、轴承、锚杆支护机构；其中传动轴通过锥齿轮连接转轴，转轴能够相对于轴承转动以驱动锚杆支护机构前进。同时，本专利技术实施例还提出了一种利用如前任一项所述的高地应力开挖模拟系统进行高地应力试验的方法，包括：将试件放入支撑杆之间，并通过固定头固定；控制副油缸、主油缸工作以对试件施压进行测试。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种高地应力开挖模拟系统，能够首先对试件进行压力测试以找到合适的试件，然后再通过开挖系统进行开挖测试和喷浆测试，从而在室内实现高地应力测试。附图说明图1为本专利技术实施例的高地应力开挖模拟系统的侧视结构示意图；图2为图1的主视结构示意图；图3为本专利技术实施例的高地应力开挖模拟系统的加压装置的结构示意图；图4为本专利技术实施例的高地应力开挖模拟系统的支护装置的结构示意图；图5为图4的侧视结构示意图；图6为本专利技术实施例的高地应力开挖模拟系统的支护装置在倾斜角度下挖掘的示意图；图7为图6中挖掘部分的纵向剖视图；图8为锚杆支护机构的结构示意图；图9为锚杆支护机构的动力部分的局部剖视结构示意图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。高地应力测试系统室内验证设备，主要包括加载系统、开挖系统和支护系统，其中受压试件边长为0.5m的正方体，加载方式为真三轴加载且每个方向独立控制，每个方向最大静力加载能力为800吨。设备除具有静力加载要求外，每个方向还要求进行独立动力加载以模拟爆破冲击产生的应力波，最大动力加载能力100吨，最大频率15Hz；对于加载完成的试件可以进行开挖操作模拟实际隧道开挖，因此需要在设备外框架中预留开挖孔，利用开挖系统开挖直径为0.1m的小隧道(也可利用钻机钻直径为0.15m的钻孔)，每开挖一小段利用支护系统跟进进行打锚钉和喷砂浆的支护操作。如图1、图2、图3所示的，本专利技术实施例的高地应力开挖模拟系统包括机架1、支架3、加压装置4；其中试件5被固定在支架3上；并通过加压装置4对试件5进行加压。如图3所示的，其中加压装置4包括副油缸41、主油缸46；其中副油缸41的动力输出活塞杆42通过力传感器43连接冲击杆44，且冲击杆44远端设有用于连接试件的试件加载板45；主油缸46的动力输出活塞杆47通过力传感器48连接用于连接试件的试件加载板45。如图1、图2所示的，其中支架3包括至少三条相互平行的支撑杆31以及支撑杆31端部的与支撑杆31可拆卸固定的固定头32。在工作时将固定头32拆除，然后将试件放入支架3的多条支撑杆31的中心，并然后将固定头32固定在支撑杆31的端部。然后启动加压装置4，通过副油缸41、主油缸46对试件加载板45施加力以挤压试件，通过试件加载板45和固定头32一起对试件进行加压。如图1、图2所示的，该支架3包括四条相互平行且均匀设置的支撑杆31。其中，加压装置4、支架3同轴设置。如图1、图2所示的，该机架1上还设有轨道2，其中固定头32底部设有轮以使固定头32能够沿着轨道2移动。其中加压装置4底部设有轮以使加压装置4能够沿所述轨道2移动。这样在使用时就可以将固定头32或是将加压装置4沿着轨道2移动以腾出足够大的空间，以将试件放入支架3内。其中，主油缸46为空心结构，且副油缸41套接在副油缸46的空心结构内；主油缸46和副油缸41的动力输出活塞同轴，主油缸46的动力输出活塞环绕在副油缸41的动力输出活塞外。如图1、图2所示的，其中该机架1为口字形，由四根大梁采用整体铸钢件，加工完成后采用螺栓连接拼接而成，结构紧凑；且四根横梁采用分体式结构便于安装与运输，主体部分尺寸为2477x2477x910mm，重量约26吨。机架在水平加载8000KN载荷时，轴向螺栓受剪变形，造成机架整体向外平移，机架向外侧弯曲，水平向弯曲变形量为0.2469+0.2224＝0.4693mm，为了加快计算速度，图中分析时简化了螺栓连接零件的受力状态分析，本设计中每个面采用52颗8.8级的M36高强度螺栓连接，有效保证载荷达2548吨，单个螺栓的应力面积为815mm2，长度为350mm，则机架在承受8000KN载荷时，单个剪切变形量ΔX为机架的水平综合刚度为8000000/(0.4693+0.086)＝144066627≈14.4MN/mm。机架在加载8000KN载荷时，轴向螺栓拉长，机架向外侧弯曲，垂直向弯曲变形量为0.2262+0.2507＝0.4769mm，本设计中每个面采用52颗8.8级的M36高强度螺栓连接，单个螺栓的应力面积为815mm2，长度为350mm，则机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高地应力开挖模拟系统，其特征在于，包括机架、支架、加压装置；其中试件被固定在支架上；并通过加压装置对试件进行加压；其中加压装置包括副油缸、主油缸；其中副油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接冲击杆，且冲击杆远端设有用于连接试件的试件加载板；主油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接用于连接试件的试件加载板；其中支架包括至少三条相互平行的支撑杆以及支撑杆端部的与支撑杆可拆卸固定的固定头；然后启动加压装置，通过副油缸、主油缸对试件加载板施加力以挤压试件，通过试件加载板和固定头一起对试件进行加压。

【技术特征摘要】
1.一种高地应力开挖模拟系统，其特征在于，包括机架、支架、加压装置；其中试件被固定在支架上；并通过加压装置对试件进行加压；其中加压装置包括副油缸、主油缸；其中副油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接冲击杆，且冲击杆远端设有用于连接试件的试件加载板；主油缸的动力输出活塞杆通过力传感器连接用于连接试件的试件加载板；其中支架包括至少三条相互平行的支撑杆以及支撑杆端部的与支撑杆可拆卸固定的固定头；然后启动加压装置，通过副油缸、主油缸对试件加载板施加力以挤压试件，通过试件加载板和固定头一起对试件进行加压。2.根据权利要求1所述的高地应力开挖模拟系统，其特征在于，机架上设有轨道，其中固定头底部设有轮以使固定头能够沿着轨道移动；其中加压装置底部设有轮以使加压装置能够沿所述轨道移动。3.根据权利要求1所述的高地应力开挖模拟系统，其特征在于，其中，主油缸为空心结构，且副油缸套接在副油缸的空心结构内；主油缸和副油缸的动力输出活塞同轴，主油缸的动力输出活塞环绕在副油缸的动力输出活塞外。4.根据权利要求1所述的高地应力开挖模拟系统，其特征在于，还包括支护装置；其中支护装置整体通过线性导轨与机架相互连接，线性导轨承受开挖时的推进反力；支护装置包括开挖机构、锚杆支护机构、喷浆机构、工作台、砂浆泵；其中开挖机构安装在工...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭捷，马凤山，赵海军，卢蓉，刘国伟，冯雪磊，李光，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11