隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法，包括试验台架，试验台架由岩体预制模具、结构框架模块、滑动定位模块、液压加载模块构成，岩体预制模具中有采用分块预制的方式制作的试验体，在试验体完成预制后将预制模具整体吊装至滑动定位模块的滑动板上，精确定位后平移至设备结构框架模块主体框架的指定位置，通过设备液压加载模块控制上下左右四个方向液压千斤顶与预制模具初步接触，拆除预制模具各预制板连接螺栓，加载至指定压力，稳压后通过下加载板依次释压‑加压，模拟隧道开挖及支护过程，实现隧道危石垮塌演化过程的模拟。解决了任意形态块体模型的预制和隧道模拟地应力环境及隧道开挖的精确加载控制的问题。

【技术实现步骤摘要】
隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法
本专利技术涉及一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法。
技术介绍
在隧道等地下洞室修建与运营过程中存在较多的灾害问题。危石垮塌是岩体中赋存的结构面与开挖形成的临空面组合形成的孤立或半孤立结构体由于原始平衡状态被打破而脱离原有位置并造成工程事故的岩体局部失稳事故。隧道施工过程中由于隧道围岩的结构面交切组合形成大量危险块体,施工扰动等作用下这些危险块体往往会发生失稳坠落,造成了巨大的生命财产损失及恶劣的社会影响，隧道危石垮塌防控已成为隧道及地下工程建设亟待解决的关键科学及技术难题。而专利技术人发现目前对于隧道危石垮塌机理及灾害防控理论研究较少，尚无系统的对隧道危石失稳信息演化特征进行研究，危石垮塌的监测模式设计缺少必要的理论支持。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提出了一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法，可有效模拟裂隙岩体隧道施工过程危石垮塌演化过程，采集危石垮塌前兆信息，研究危石垮塌致灾机理、失稳模式和多源前兆信息响应，有利于为实际工程的安全施工与灾害监测预警的提供理论依据。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，包括试验台架，试验台架包括岩体预制模具、结构框架模块、滑动定位模块、液压控制系统；所述的岩体预制模具用于预制试验体；所述的结构框架模块包括矩形反力框架，在矩形反力框架的上、下、左、右四个面上安装有加载构件；所述的加载构件对预制试验体进行力的加载；所述的滑动定位模块安装在结构框架模块的前方，可以相对于架构框架前后移动，其用于放置岩体预制模具；所述的液压控制系统控制所述的液压千斤顶进行加压或者释压。作为进一步的技术方案，所述岩体预制模具，主要由预制样、预制框架及前后盖板组成，所述预制样采用混凝土分块浇筑，所述预制框架由1块预制上加载板、多块预制下加载板、1块预制左加载板及1块预制右加载板组成，所述整体结构采用槽钢及方管焊接而成，所述各加载板分别采用高强度螺栓连接。作为进一步的技术方案，所述矩形反力框架采用龙门结构，包括上、下、左、右加载板反力架；所述加载构件为液压千斤顶。作为进一步的技术方案，所述滑动定位模块，包括滑动板，所述滑动板为水平钢板结构，所述滑动板左右两侧安装有导轨，所述滑动板上固定有防落固定架，所述的滑动板通过驱动装置驱动其沿着所述的导轨移动。更近一步的，所述防落固定架由矩形架与防落钩组成，所述的防落钩通过旋转轴与矩形架相连，通过控制旋转轴可以控制防落钩抬起或落下。第二方面，本专利技术还提供了一种基于上述隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统进行试验的方法，具体包括以下步骤：A.预制试验体，将相似材料依据工程背景中岩土体强度在岩体预制模具中分块浇筑，且预制结构面的位置和倾角可根据不同研究内容进行设计；B.试验体的吊装和定位，将试验体连同岩体预制模具吊装至试验架滑动定位模块上，保证岩体预制模具底部紧靠防落固定架，进而实现试验体水平定位调整，然后启动滑动板推动装置，将试验框架准确送达试验位置；C.试验体的围压加载，通过液压控制系统启动下加载板的1号及n号油缸，使其同步上升，实现试验框架抬升，启动上加载板油缸，使上加载板下降，与预制框架上部边缘接触后停止，启动下加载板2号至n-1号油缸，达到与1号及n号油缸同样高度后停止，实现岩体预制模具上下夹持，驱动左右加载板，使其接触试验结构框架左右边缘后停止，实现试验结构框架左右夹持，进而解决岩体预制模具固定问题，依次拆除岩体预制模具连接构件，启动上加载板，加载至指定压力，并停止加载，启动左右加载板加载至指定压力并停止加载，进而完成试验体的加载操作；n为自然数。D.监测元件的布设，采用激光扫描仪、红外成像仪、声发射、固有频率震动测试仪实现隧道危石垮塌过程中位移场、温度场、能量场、震动场的实时监测。E.开挖过程的模拟，通过液压控制系统进行开挖过程采用下加载板油缸卸压方式模拟，每次开挖依次卸载对应标号油缸。本专利技术按照实际工程中由结构面切割而成的岩体形状，采用分块预制的方式制作的试验体，在试验体完成预制后将预制模具整体吊装至滑动定位模块的滑动板上，精确定位后平移至设备主体框架指定位置，通过设备控制系统控制上下左右四个方向液压千斤顶与预制模具初步接触，拆除预制模具各预制板连接螺栓，加载至指定压力，稳压后通过下加载板依次释压-加压，模拟隧道开挖及支护过程，从而成功实现了隧道危石垮塌演化过程的模拟。本专利技术研究了隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统及方法，解决了任意形态块体模型的预制和隧道模拟地应力环境及隧道开挖的精确加载控制的问题，实现了裂隙岩体隧道施工过程危石垮塌演化过程的有效模拟。本项专利技术，前人尚未有研究。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用了集成试验平台的思想，满足了试验开展的多样性。2、本专利技术的试验体采用浇模分块预制的方法，操作简便，并可根据试验要求进行多样化裂隙的切割。3、本专利技术的预制模具在试验过程中，仅需拆除加载板连接螺栓及前后盖板，既可通过液压系统直接加载，有效预防了预制样脱模导致的扰动问题。4、本专利技术的加载机构能独立对预制体进行加-卸载，可满足试验过程中的应力施加及开挖模拟需求。5、本专利技术解决了隧道施工现场不易开展现场试验的难题，实现了裂隙岩体隧道施工过程危石垮塌的有效模拟。6、本专利技术综合采用多样化监测技术，借助数据综合处理系统，为隧道危石垮塌监测提供了理论依据，解决了隧道危石垮塌前兆监控无法可用的难题。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是岩石预制模具的主视图；图3是岩石预制模具的侧视图；图4是结构框架模块示意图；图5是滑动定位模块示意图；其中1.岩体预制模具；2.结构框架模块；3.滑动定位模块；4.液压加载模块；5.操作平台；6.预制样；7.预制上加载板；8.预制下加载板；9.预制左右加载板；10.加载板挡块；11.槽钢；12.方管；13.上加载反力架；14.下加载反力架；15.左加载反力架；16.右加载反力架；17.加载构件；18.滑动板；19.左右滑动板导轨；20.防落固定架；21.滑动板推动装置。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，包括试验台架，试验台架包括岩体预制模具、结构框架模块、滑动定位模块、液压控制系统；/n所述的岩体预制模具用于预制试验体；/n所述的结构框架模块包括矩形反力框架，在矩形反力框架的上、下、左、右四个面上安装有加载构件；所述的加载构件对预制试验体进行力的加载；/n所述的滑动定位模块安装在结构框架模块的前方，可以相对于架构框架前后移动，其用于放置岩体预制模具；/n所述的液压控制系统控制所述的液压千斤顶进行加压或者释压。/n

【技术特征摘要】
1.一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，包括试验台架，试验台架包括岩体预制模具、结构框架模块、滑动定位模块、液压控制系统；
所述的岩体预制模具用于预制试验体；
所述的结构框架模块包括矩形反力框架，在矩形反力框架的上、下、左、右四个面上安装有加载构件；所述的加载构件对预制试验体进行力的加载；
所述的滑动定位模块安装在结构框架模块的前方，可以相对于架构框架前后移动，其用于放置岩体预制模具；
所述的液压控制系统控制所述的液压千斤顶进行加压或者释压。


2.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，所述岩体预制模具，主要由预制样、预制框架及前后盖板组成，所述预制样采用混凝土分块浇筑，所述预制框架由1块预制上加载板、多块预制下加载板、1块预制左加载板及1块预制右加载板组成，所述各加载板分别采用高强度螺栓连接。


3.如权利要求2所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，所述岩体预制模具的上、下加载板和左、右加载板的连接处采用了直角连接板连接。


4.如权利要求2所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，所述岩体预制模具可预制含有任意结构面的试验体，从而模拟不同结构面切割而成的危石的失稳情况。


5.如权利要求2所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，多块预制下加载板能独立对预制体进行加-卸载，保障了隧道开挖-支护模拟的有效性。


6.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，所述结构框架模块的加载构件可实现单独的加载和卸载功能，且在加卸载过程中具备应力监测功能。


7.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌演化过程数控模拟系统，其特征在于，所述矩形反力框架采用龙门结构，包括上、下、左、右加载板反力架；所述加载构件为液压千斤顶。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪亮，杨光宇，高雪池，胡杰，周鹏飞，周申，秦承帅，范宏运，崔兰玉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37