模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统技术方案

本发明专利技术属于隧道工程技术领域，旨在实现对隧道开挖过程及渗流体动态运移过程的可视化监测，具体涉及一种模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，包括流固耦合隧道模型系统、隧道模型供液系统、探测系统和开挖系统；隧道模型供液系统用于注射核素溶液以模拟流体压力；探测系统用于检测隧道围岩的三维受力变形状态及核素溶液的三维运移过程；开挖系统设置于探测系统与隧道模型系统之间，用于模拟隧道挖掘；在进行隧道挖掘时，通过开挖系统中设置的升降装置控制钻孔装置上升至设定高度进行作业；在进行三维探测时，通过升降装置控制钻孔装置下降至初始高度不影响探测装置的检测。通过本发明专利技术实现了流固耦合隧道挖掘及渗流运移过程的可视化模拟检测。

【技术实现步骤摘要】
模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统
本专利技术属于隧道工程
，具体涉及一种模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统。
技术介绍
近年来，随着我国公路、铁路、地铁大规模的发展，隧道在线路中的占比越来越高，隧道建设所处的地质环境越来越复杂，公路、铁路等隧道工程不可避免需要穿越岩溶地层，该隧道称为岩溶隧道，由于岩溶隧道位于岩溶地层中，隧道开挖过程中经常出现涌水、突水等重大地质灾害，突水具有时间短、水量大、突发性和破坏性强等特点，易造成人身伤亡及重大经济损失，对隧道的开挖及后期运营有着重大影响。因此研究流固耦合条件下隧道开挖及渗流突水对我国隧道建设具有重大的意义。隧道开挖过程中，刀盘转速、推进速度以及刀盘扭矩设定均会对流固耦合条件下的隧道围岩产生不同的应力影响，同时在该种类型隧道作业时，施工应力造成的隧道围岩裂隙的扩展和发育，导致围岩中形成导水裂隙带，当裂隙带发展到含水层时，含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区，发生突水灾害，易造成人员伤亡或工程损失。现有技术中通常采用人工挖掘或者在设置好挖掘通道的模型中进行渗流突水试验，其均不能实现隧道真实开挖细节过程模拟、渗流突水的流体运移模拟以及可视化三维过程检测，不能全面地探索隧道围岩中开挖作业、突水灾变的演化规律和控制因素，得到的模拟试验数据缺乏科学性和准确性。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决模拟试验中不能实现流固耦合隧道挖掘及渗流运移过程可视化检测的问题，本专利技术提供了一种模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，流固耦合隧道模型系统、隧道模型供液系统、探测系统和开挖系统；所述隧道模型供液系统设置于所述流固耦合隧道模型系统的上方，用于注射核素溶液以模拟隧道模型所受的流体压力；所述探测系统包括CT射线系统、CT探测系统、第一PET探测器和第二PET探测器，所述CT射线系统和所述CT探测系统分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的两侧，用于检测隧道围岩的三维受力变形状态；所述第一PET探测器和所述第二PET探测器分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的另外两侧，用于检测隧道模型中核素溶液的三维运移状态；所述开挖系统设置于所述CT射线系统与所述流固耦合隧道模型系统之间，用于模拟隧道模型的挖掘；所述开挖系统包括钻孔装置、移动装置、承载装置和升降装置；所述移动装置通过导轨滑块与所述钻孔装置连接，用于带动所述钻孔装置靠近或远离所述流固耦合隧道模型系统；所述升降装置与所述承载装置可相对运动设置，用于驱动所述承载装置、所述移动装置和所述钻孔装置的上升或者下降。在一些优选实例中，所述流固耦合隧道模型系统包括流固耦合隧道模型容纳装置和加载装置，所述加载装置固设于所述流固耦合隧道模型容纳装置上的承载结构，用于进行隧道模型的加载以模拟其真实环境下所受的上覆层应力；所述流固耦合隧道模型容纳装置上设置有两个与所述钻孔装置相适配的通孔，用于所述钻孔装置的钻进。在一些优选实例中，所述加载装置与隧道模型之间还设置有承压导流板和渗流透水板；所述渗流透水板设置于所述承压导流板的下方，用于所述承压导流板中注入的核素溶液的均匀渗流；所述承压导流板包括板状本体、导流孔和导流槽；所述导流孔贯通设置于所述板状本体中心；所述导流槽设置于所述板状本体的底面，用于导流所述导流孔中注入的核素溶液；所述导流槽包括周向导流槽和径向导流槽；所述周向导流槽设置于所述导流孔周侧；所述径向导流槽设置于所述周向导流槽与所述导流孔之间，并用于连通二者。在一些优选实例中，所述隧道模型供液系统包括PET核素溶液注射泵、PET核素溶液存储桶和PET核素溶液注射管；所述PET核素溶液注射泵和所述PET核素溶液存储桶设置于所述承载结构；所述PET核素溶液注射管在所述PET核素溶液注射泵在驱动下传送核素溶液至隧道模型内部。在一些优选实例中，所述PET探测系统还包括第一PET探测器移动装置、第一PET探测器支撑装置、第二PET探测器移动装置和第二PET探测器支撑装置；所述第一PET探测器、所述第二PET探测器分别固设于所述第一PET探测器移动装置、第二PET探测器移动装置；所述第一PET探测器移动装置、所述第二PET探测器移动装置均通过导轨滑块与所述第一PET探测器支撑装置、所述第二PET探测器支撑装置连接；所述第一PET探测器移动装置、所述第二PET探测器移动装置可分别带动所述第一PET探测器、所述第二PET探测器靠近或远离所述流固耦合隧道模型系统。在一些优选实例中，所述钻孔装置包括钻孔驱动装置、钻进刀盘、钻孔装置外仓、螺旋输送轴和压力传感器；所述钻进刀盘、所述钻孔装置外仓依次套设于所述螺旋输送轴外侧；所述压力传感器设置于所述螺旋输送轴远离所述钻孔驱动装置的一端，以实时监测钻孔推进力；所述钻孔驱动装置的动力输出端与所述螺旋输送轴固定连接，以控制钻孔进程。在一些优选实例中，所述移动装置包括移动驱动装置、传动装置和传动丝杠；所述移动驱动装置的动力输出端与所述传动装置的动力输入端固定连接；所述传动丝杠的动力输入端与所述传动装置的动力输出端固定连接；所述传动丝杠远离所述移动驱动装置的一端通过丝杆支撑结构设置于所述支撑装置；所述移动装置通过传动丝杠驱动所述钻孔装置前进或后退。在一些优选实例中，所述升降装置为液压立柱。在一些优选实例中，该可视化系统还包括旋转承载装置，所述旋转承载装置包括旋转装置和承载装置，所述旋转装置设置于所述承载装置上方，用于承载并带动所述流固耦合隧道模型系统旋转。在一些优选实例中，所述旋转装置为旋转平台。本专利技术的有益效果为：1)通过本专利技术可实现对隧道挖掘过程中围岩变形破坏过程、渗流体动态运移过程的可视化监测，获得可靠的模拟试验数据。2)可以研究岩层在承压水作用下围岩变形时的渗流特性，更加完全地还原了工程实际背景，为隧道中突水机理的研究提供更加准确的试验数据。3)通过隧道模型供液系统可全面模拟实际隧道围岩的受力状态，可最大程度还原隧道围岩(土)体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。即通过本专利技术可真实准确的再现突水突泥灾变演化过程，试验结果较数值模拟更为接近实际工程，使人们能够直观的得到围岩的受力特征以及变形规律，为研究突水突泥致灾机理奠定基础。5)现有技术中通常采用人工挖掘或者在设置好挖掘通道的模型中直接进行渗流突水试验，得到模拟试验数据，其均不能实现更真实的隧道开挖模拟及渗流突水的可视化试验，不能全面地探索隧道围岩中开挖作业、突水灾变的演化规律和控制因素，通过本专利技术探测系统、隧道模拟供液系统与开挖系统的配合，可揭示流固耦合隧道发生突水灾害的内在机理，为预防流固耦合隧道突水灾害和预测流固耦合隧道突水前兆提供可靠试验数据。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本专利技术的一种具体实施例的立体结构示意图；图2是图1中的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，其特征在于，该可视化系统包括流固耦合隧道模型系统、隧道模型供液系统、探测系统和开挖系统；/n所述隧道模型供液系统设置于所述流固耦合隧道模型系统的上方，用于注射核素溶液以模拟隧道模型所受的流体压力；/n所述探测系统包括CT射线系统、CT探测系统、第一PET探测器和第二PET探测器，所述CT射线系统和所述CT探测系统分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的两侧，用于检测隧道围岩的三维受力变形状态；所述第一PET探测器和所述第二PET探测器分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的另外两侧，用于检测隧道模型中核素溶液的三维运移状态；/n所述开挖系统设置于所述CT射线系统与所述流固耦合隧道模型系统之间，用于模拟隧道模型的挖掘；所述开挖系统包括钻孔装置、移动装置、承载装置和升降装置；所述移动装置通过导轨滑块与所述钻孔装置连接，用于带动所述钻孔装置靠近或远离所述流固耦合隧道模型系统；所述升降装置与所述承载装置可相对运动设置，用于驱动所述承载装置、所述移动装置和所述钻孔装置的上升或者下降。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，其特征在于，该可视化系统包括流固耦合隧道模型系统、隧道模型供液系统、探测系统和开挖系统；
所述隧道模型供液系统设置于所述流固耦合隧道模型系统的上方，用于注射核素溶液以模拟隧道模型所受的流体压力；
所述探测系统包括CT射线系统、CT探测系统、第一PET探测器和第二PET探测器，所述CT射线系统和所述CT探测系统分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的两侧，用于检测隧道围岩的三维受力变形状态；所述第一PET探测器和所述第二PET探测器分别设置于所述流固耦合隧道模型系统的另外两侧，用于检测隧道模型中核素溶液的三维运移状态；
所述开挖系统设置于所述CT射线系统与所述流固耦合隧道模型系统之间，用于模拟隧道模型的挖掘；所述开挖系统包括钻孔装置、移动装置、承载装置和升降装置；所述移动装置通过导轨滑块与所述钻孔装置连接，用于带动所述钻孔装置靠近或远离所述流固耦合隧道模型系统；所述升降装置与所述承载装置可相对运动设置，用于驱动所述承载装置、所述移动装置和所述钻孔装置的上升或者下降。


2.根据权利要求1所述的模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，其特征在于，所述流固耦合隧道模型系统包括流固耦合隧道模型容纳装置和加载装置，所述加载装置固设于所述流固耦合隧道模型容纳装置上的承载结构，用于进行隧道模型的加载以模拟其真实环境下所受的上覆层应力；
所述流固耦合隧道模型容纳装置上设置有两个与所述钻孔装置相适配的通孔，用于所述钻孔装置的钻进。


3.根据权利要求2所述的模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，其特征在于，所述加载装置与隧道模型之间还设置有承压导流板和渗流透水板；所述渗流透水板设置于所述承压导流板的下方，用于所述承压导流板中注入的核素溶液的均匀渗流；
所述承压导流板包括板状本体、导流孔和导流槽；所述导流孔贯通设置于所述板状本体中心；所述导流槽设置于所述板状本体的底面，用于导流所述导流孔中注入的核素溶液；
所述导流槽包括周向导流槽和径向导流槽；所述周向导流槽设置于所述导流孔周侧；所述径向导流槽设置于所述周向导流槽与所述导流孔之间，并用于连通二者。


4.根据权利要求1所述的模拟流固耦合隧道挖掘的可视化系统，其特征在于，所述隧道模型供液系统包括PET核素溶液注射泵、PET核素溶液存储桶和PET核素溶液注射管；所述PET核...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛天桥，李晓，李守定，张召彬，赫建明，李关访，武艳芳，何鹏飞，郑博，
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