复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，该系统由高压水密封模型试验舱、内嵌式高液压伺服加载系统、高地温调控系统、高渗透水压加载系统、微型TBM智能掘进系统、多臂衬砌系统以及自密封高精度测试系统组成。高压水密封模型试验舱用于容纳试验模型体和高压水体，内嵌式高液压伺服加载系统为试验模型体提供高地应力，高地温调控系统为试验模型体施加高地温，高渗透水压加载系统用于对试验模型体进行全方位的高渗透水压加载，TBM智能掘进系统可智能开挖不同形状和尺寸的模型洞室，多臂衬砌系统用于模型洞室开挖后的衬砌支护和注浆加固，自密封高精度测试系统用于测试模型试验体内部任意部位的位移、应力和渗压。

【技术实现步骤摘要】
复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统
本专利技术涉及一种在水电、交通、能源和矿山工程领域使用的用于模拟复杂多场耦合条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护控制的真三维模型试验系统。
技术介绍
随着社会和经济的快速发展，中国已发展成为世界上隧洞和地下工程建造数量最多、规模最大、地质条件最复杂、结构形式最多样的国家。近年来，中国水电引水隧洞、交通隧道、矿山巷道等深部洞室建设蓬勃发展，建设重心向地质条件复杂的西部山区及岩溶地区转移，高地应力、高渗透压、强岩溶、复杂地质构造等导致深部洞室(交通隧道、引水隧洞、矿山巷道等)施工过程中灾害频发，形成突水、涌泥、塌方等具有隐蔽性和突发性的大型地质灾害，灾害发生部位、规模和动力特征难以准确预测，往往给地下工程建设带来严重危害，轻则造成淹没洞室、冲毁机具等重大经济损失，重则造成重大人员伤亡事故。因此，针对高地应力与高渗透水压耦合作用下深部洞室突水突泥地质灾害的致灾机理开展深入研究，对于有效预防灾害性事故发生，提高深部洞室的施工安全和运营稳定具有十分重大的理论意义和工程应用价值。面对深部洞室工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部工程的重要手段。与MTS研究岩芯力学特性不同，地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺模型研究洞室施工开挖过程与变形破坏的物理模拟方法，对于发现新现象，探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析、数值模拟和现场试验不可替代的重要作用。因此，地质力学模型试验也成为研究深部洞室突水突泥地质灾害发生机理与产生条件的重要手段，要开展高地应力与高渗透压耦合作用下深部洞室围岩稳定与支护地质力学模型试验，就必须具备相应的地质力学模型试验系统。目前有关模型试验系统的研究现状如下：《岩石力学与工程学报》2009年第4期介绍了一种深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验系统，设计制作渗压自动控制供水系统和离散式花管渗流生成系统，实现渗流场的静载模拟，但该系统无法模拟深部洞室高地应力真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《岩石力学与工程学报》2013年第5期介绍了一种海底隧洞流固耦合模型试验系统，由钢结构架、钢化玻璃试验箱和渗压加载装置组成，可进行平面应力和准三维平面应变模型试验，但该系统无法进行高压真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《岩石力学与工程学报》2015年第5期介绍了一种底板突水模拟试验系统，可模拟流固耦合条件下矿井底板突水演变过程，但该系统无法实现深部洞室高地应力真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种深部隧洞突水模拟三维模型试验系统，该系统以室内三轴试验机为模板开发，实现流固耦合加载，但该装置所能容纳的试件尺寸较小，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《岩土力学》2017年第3期介绍了一种断层破碎带隧洞突水突泥模型试验系统，该系统通过设置高空水箱进行渗压加载，但该系统无法进行渗压自动加载，无法进行高地应力真三维加载和模拟模型洞室智能开挖与自动衬砌支护过程，也无法模拟温度效应。《岩石力学与工程学报》2017年增2期介绍了一种隧洞突水模型试验系统，该系统能够实现高地应力和高渗透压下溶洞突水模拟，但系统只能进行平面应变加载，无法实现模型试验真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《岩土工程学报》2018年第5期介绍了一种隐伏溶洞突水模型试验系统，可模拟岩溶隧洞突水过程，但该系统只能进行平面应变加载且加载量值较小，无法模拟模型洞室自动衬砌支护和注浆加固过程，也无法模拟温度效应。《RockMechanicsandRockEngineering》2019年第2期介绍了一种真三轴地质力学模型试验系统，可模拟真三维加载，但是该系统无法进行多路渗压加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。《TunnellingandUndergroundSpaceTechnology》2019年第94卷介绍了一种流固耦合模型试验系统，但该系统无法实现深部洞室高地应力真三维加载，无法模拟模型洞室智能开挖和自动衬砌支护过程，且无法模拟温度效应。综上所述，目前国内外模型试验系统存在如下问题：(1)模型试验多以平面、准三维加载为主，无法模拟多场耦合作用下高地应力真三维加载过程；(2)无法模拟高地应力、高地温与高渗压水压多场耦合作用下深部洞室围岩稳定与支护控制及突涌水演化过程；(3)模型试验存在高压水难密封和高地温难施加的技术难题；(4)模型试验洞室多以人工开挖为主，较难实施不同形状和尺寸模型洞室的智能开挖和衬砌支护。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术的不足，研制一种可模拟复杂多场耦合条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护控制的真三维模型试验系统。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：复杂多场耦合条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护控制真三维模型试验系统，该系统主要由高压水密封模型试验舱、内嵌式高液压伺服加载系统、高地温调控系统、高渗透水压加载系统、微型TBM智能掘进系统、多臂衬砌系统以及自密封高精度测试系统等组成。所述的高压水密封模型试验舱，用于容纳试验模型体和高压水体；试验模型体与高压水密封模型试验舱内壁之间形成高压水体空间；所述的内嵌式高液压伺服加载系统，其内嵌于高压水密封模型试验舱上，为试验模型体提供高地应力；所述的高地温调控系统为试验模型体施加高地温；所述的高渗透水压加载系统用于对试验模型体进行全方位的高渗透水压加载；所述的微型TBM智能掘进系统可智能开挖不同形状和尺寸的模型洞室；所述的多臂衬砌系统用于模型洞室开挖后的衬砌支护和注浆加固；所述的自密封高精度测试系统用于测试模型试验体内部任意部位的位移、应力和渗压等多物理量信息。进一步的，所述的高压水密封模型试验舱是用于容纳试验模型体和高压水体的密封空间，由六块钢制高强反力板组装而成。四块钢制高强反力板通过精密焊接形成环形立方筒结构体，上下两块钢制高强反力板通过高强螺栓与环形立方筒结构体密封连接。进一步的，所述的环形立方筒结构体上下端面设置两条密封槽，并在密封槽内安置橡胶密封圈。进一步的，所述的高压水密封模型试验舱四周开设走线孔。进一步的，所述的内嵌式高液压伺服加载系统为洞室模型提供高地应力，由大吨位液压千斤顶、推力器板和压力伺服控制中心组成。大吨位液压千斤顶内嵌于高压水密封模型试验舱上，推力器安装于大吨位千斤顶的活塞杆前端，直接作用于模型试验体，压力伺服控制中心用于控制大吨位液压千斤顶的压力。进一步的，所述的大吨位液压千斤顶与高压水密封模型试验舱之间垫有法兰盘，法兰盘与高压水密封模型试验舱的钢制高强反力板之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，其特征在于，该系统主要由高压水密封模型试验舱、内嵌式高液压伺服加载系统、高地温调控系统、高渗透水压加载系统、微型TBM智能掘进系统、多臂衬砌系统以及自密封高精度测试系统组成；/n所述的高压水密封模型试验舱，其内部用于容纳试验模型体和高压水体，试验模型体与高压水密封模型试验舱内壁之间形成高压水体空间；/n所述的内嵌式高液压伺服加载系统，其内嵌于高压水密封模型试验舱上，为所述的试验模型体提供高地应力；/n所述的高地温调控系统为试验模型体和高压水体施加试验温度；/n所述的高渗透水压加载系统用于对试验模型体进行全方位的高渗透水压加载；/n所述的微型TBM智能掘进系统，用于智能开挖不同形状和尺寸的模型洞室；/n所述的多臂衬砌系统，用于模型洞室开挖后的衬砌支护和注浆加固；/n所述的自密封高精度测试系统，用于测试模型试验体内部任意部位的位移、应力和渗压。/n

【技术特征摘要】
1.复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，其特征在于，该系统主要由高压水密封模型试验舱、内嵌式高液压伺服加载系统、高地温调控系统、高渗透水压加载系统、微型TBM智能掘进系统、多臂衬砌系统以及自密封高精度测试系统组成；
所述的高压水密封模型试验舱，其内部用于容纳试验模型体和高压水体，试验模型体与高压水密封模型试验舱内壁之间形成高压水体空间；
所述的内嵌式高液压伺服加载系统，其内嵌于高压水密封模型试验舱上，为所述的试验模型体提供高地应力；
所述的高地温调控系统为试验模型体和高压水体施加试验温度；
所述的高渗透水压加载系统用于对试验模型体进行全方位的高渗透水压加载；
所述的微型TBM智能掘进系统，用于智能开挖不同形状和尺寸的模型洞室；
所述的多臂衬砌系统，用于模型洞室开挖后的衬砌支护和注浆加固；
所述的自密封高精度测试系统，用于测试模型试验体内部任意部位的位移、应力和渗压。


2.如权利要求1所述的复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，其特征在于，所述的高压水密封模型试验舱由六个钢制高强反力板组装而成，其中四块钢制高强反力板通过焊接形成环形立方筒结构体，另外两块钢制高强反力板通过高强螺栓与环形立方筒结构体密封连接。


3.如权利要求1所述的复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，其特征在于，在高压水密封模型试验舱的前面的钢制高强反力板中心安装密封开挖窗口。


4.如权利要求1所述的复杂条件下大埋深隧洞围岩稳定与支护模型试验系统，其特征在于，所述的高地温调控系统由水体加热器、模型加热器、温度控制中心和密封隔热板组成；所述的水体加热器设置在高压水体中，为高压水体加热至试验温度；所述的模型加热器位于试验模型体中，将试...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，张振杰，向文，段抗，焦玉勇，丁炎志，薛天恩，王斌，李帆，程磊，林韩祥，郭鑫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37