專利名稱：隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺的制作方法
技術領域：
本發明屬于地下工程模擬試驗技術，特別涉及一種隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺。
背景技術：
隧道結構與圍巖相互作用的室內模型試驗裝置，無論是平面的還是立體的，在國內外均比較成熟，如美國、德國、波蘭等國家的相關試驗室，以及國內鐵道部科學研究院、交通部重慶公路科學研究所、中國礦業大學、總參工程兵第三研究所、西安科技大學、山東科技大學等單位都有相關的試驗裝備。但這些試驗裝備都只能模擬隧道開挖過程中圍巖內部的應力變形和圍巖與支護結構之間的相互作用規律，無法模擬地下壓力水的作用，而在相似材料模型試驗中模擬壓力水具有一定的困難，既要保證地層壓力和水壓力的模擬加載相互獨立，又要保證整個試驗裝置在密封的情況下，不同方向加載板互不抵觸，且比起不含水的情況，其試驗難度更大，實驗裝置設計制作不好，可能達不到預期效果，這也是很多年來研究人員想做但卻沒做的一個原因。近幾年，隨著隧道建設規模和領域的擴大，有越來越多的隧道建設在一定的地下壓力水的環境中，如西南地區鐵路、公路建設經常穿越含壓力水地層，在建和準備建設的若干江底、海底隧道等，而在壓力水地層修建隧道，目前尚缺乏設計經驗，在建隧道中的突水和已建成運營隧道的滲漏水問題時有發生，因此水的問題是該領域很值得研究的課題。本發明在此背景下，成功研制出了可模擬隧道結構、地層和地下水在不同加載條件下相互作用的試驗裝置。
發明內容
本發明的目的是提供一種隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺，其特征在于，所述試驗臺共有四大部分組成①反力框架；②液壓伺服控制加載系統；③水壓加載及密封系統，④液壓加載和數據采集計算機控制系統。
所述反力框架由底座、整體式框架、前后限位板、前后隧道口擋板和頂蓋構成，底座與整體式框架焊接成整體，前后限位板、前后隧道口擋板和頂蓋通過高強度螺栓與整體式框架連接。
所述液壓伺服控制加載系統由液壓泵站、液壓油缸、傳力桿、承壓板、伺服閥、伺服控制器和控制軟件構成，頂蓋上固定4個頂部液壓油缸，整體框架兩側各固定2個側向液壓油缸，每個液壓油缸通過伺服閥進行單獨控制加載，從而實現不同加載的組合。
所述水壓加載及密封系統由水壓泵站、頂蓋上的壓力水艙、承壓板上透水孔、頂面、前后面、隧道口擋板、隧道襯砌端頭的密封圈構成，壓力水通過相似材料模型體頂面的裂隙、空隙滲透到模型體內部，壓力水滲透到隧道襯砌周邊，通過布設在襯砌周邊的透水管排放，在管上加裝控制閥及流量計可控制水排放量，額定工作水壓力0.2MPa。
所述液壓加載和數據采集計算機控制系統由工控機、8通道伺服控制器、40通道數據采集器、計算機及控制軟件構成，實現8個液壓油缸以力或位移控制方式伺服加載，模型體內滲透壓力、地層應力、襯砌結構變形由各相應的傳感器進行數據采集與動態跟蹤。
所述整體式框架由長方體形工字鋼框架和左右側板焊接形成的不可分整體。
所述承壓板和整體式框架的材料采用高強度工字鋼和鋼板，頂部額定承載力2000kN，水平左右額定承載力1000kN，前后限位板額定承載力1000kN，許可變形0.1mm。
所述液壓油缸單缸最大工作壓力20MPa，最大行程200mm，最大加載500kN，本發明的有益效果本發明可實現隧道結構、地層和地下水在不同加載條件下相互耦合作用規律的相似材料模擬試驗，具體而言
①按1∶50幾何相似比，可模擬相當于實際1000m高水頭壓力和地層壓力作用下，隧道圍巖內部應力、位移分布及支護結構受力與變形特點；②可模擬各種偏載作用下，隧道圍巖內部應力、位移分布及支護結構受力與變形特點；③可模擬不同壓力水與不同裂隙分布圍巖或土體耦合作用規律；④可模擬各種不同堵排水措施與隧道結構所受滲透壓力之間關系。
因此，本發明主要解決了已有模型實驗裝備中無法模擬地下壓力水的問題，實現了隧道圍巖、隧道結構與地下壓力水三者之間相互作用的室內模型模擬試驗。解決了施加水壓力與施加地層壓力相互獨立，在密封條件下，不同方向加載互不干擾，從而可以對不同水壓、不同地層條件下滲透規律；滲透壓力對隧道結構的作用；不同堵、排水方法隧道襯砌結構的受力特點等問題進行模擬研究。本發明實現了國內隧道結構與圍巖相互作用的室內模型試驗裝置的相似材料模擬中不能模擬地下壓力水的模型試驗，對于更好地開展地下水與圍巖相互作用規律、地下水和圍巖滲透性對隧道結構變形、受力的影響等方面的研究具有重要意義。
圖1試驗臺正視2試驗臺俯視3試驗臺右視4相似材料模型體受力圖附圖中標號說明如下1.頂部液壓油缸 2.頂蓋 3.液壓油缸傳力桿 4.頂部密封圈5.壓力水艙 6.整體式框架 7.頂部承壓板及壓力水透水孔 8.側向承壓板 9.側向液壓油缸 10.相似材料模型體 11.排水管 12.司服閥 13.隧道口擋板 14.側向液壓油缸傳力桿 15.隧道襯砌及壓力水密封圈 16.位移傳感器 17.底座 18.后限位板頂座 19.后限位板20.頂蓋與框架連接螺栓 21.右側板 22.前限位板 23.前限位板頂座24.左側板 25.頂部地層壓力 26.側向地層壓力 27.水壓力具體實施方式
本發明提供一種隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺。由四大部分組成①反力框架；②液壓伺服控制加載系統；③水壓加載及密封系統，④液壓加載和數據采集計算機控制系統。下面結合附圖予以說明。在圖1、圖2中，反力框架的構成整體式框架6(包括了右側板21和左側板24)與底座17焊接成整體；前限位板22、后限位板19、前后隧道口擋板13和頂蓋2通過高強度螺栓20與整體式框架6連接，在頂部承壓板7上設置有壓力水透水孔；各承壓板和整體式框架的材料采用高強度工字鋼和鋼板，頂部額定承載力2000kN，水平左右額定承載力1000kN，前后限位板額定承載力1000kN，許可變形0.1mm。相似材料模型體10固定在整體式框架內，水壓力27通過模型體頂面的裂隙、空隙滲透到模型體內部。液壓伺服控制加載系統包括液壓泵站、頂蓋2上的4個頂面液壓油缸1、整體框架兩側各2個側向液壓油缸9固定在左側板24、右側板21上、頂面液壓油缸傳力桿3和側向液壓油缸傳力桿14各自固定在相應的液壓油缸和頂部承壓板7、兩個側向承壓板8之間、伺服閥12和控制軟件構成伺服控制器。單個液壓油缸最大工作壓力20MPa，最大行程200mm，最大加載500kN，每個液壓油缸通過伺服閥可進行單獨控制加載，因此可實現不同加載的組合。如圖1、2、3所示，水壓加載及密封系統由水壓泵站、頂蓋2的壓力水艙5、頂部承壓板7上透水孔、頂面密封圈4、前限位板22及前限位板頂座23、后限位板19及后限位板頂座18、隧道口擋板13、隧道襯砌端及密封圈15構成，壓力水通過相似材料模型體10頂面的裂隙、空隙滲透到模型體內部，壓力水滲透到隧道襯砌及壓力水密封圈15周邊，通過布設在襯砌周邊的排水管11排放，在管上加裝閥及流量計可控制水排放量，額定工作水壓力0.2MPa。液壓加載和數據采集計算機控制系統由工控機、8通道伺服控制器、預埋在采集模型體中的，包括位移傳感器16在內的40個傳感器的通道數據采集器、計算機及控制軟件構成，實現8個液壓油缸以力或位移控制方式伺服加載，模型體內滲透壓力、頂部地層壓力25、側向地層壓力26及水壓力27、襯砌結構變形等位移的數據采集與動態跟蹤。
本發明的實施方式描述如下。
1.試驗前準備工作試驗指導書制定，包括試驗目的、相似比例確定、相似材料配比與用量、相似材料模型體鋪設方法、測試物理量及傳感器布設方法、試驗程序等，準備相似材料、模型制備工具、隧道襯砌模型、各種傳感元件等輔助材料，檢查試驗臺的機械系統、液壓系統、水壓及密封系統、電氣系統工作是否正常。
2.準備工作就緒后，拆下連接頂蓋的油管和水管，卸下連接頂蓋與整體框架的螺栓，用行吊將頂蓋吊離，放置地面安全地點；檢查整體框架前后面上“O”型密封圈是否完好，然后用高強度螺栓將前后限位板緊壓在“O”型密封圈上與整體框架連接起來。
3.根據試驗指導書，在試驗臺中鋪設相似材料模型體，并埋設預制隧道襯砌及排水盲管、各種傳感器元件，將傳感元件導線引出連接在數據采集器上，將排水管引出連接在控制開關和流量計上；在隧道襯砌端頭粘貼密封圈，將隧道口擋板緊壓密封圈與前后限位板用螺栓固定在一起。
4.將頂蓋吊裝到位，并用高強度螺栓將其與整體框架牢固連接，將水管、油管連接到頂蓋上。
5.接通液壓泵站、水壓泵站電源，啟動油泵，使液壓站提供一定壓力的油源，啟動冷卻泵，對回路油液進行冷卻。
6.打開計算機、工控機、伺服控制器和數據采集器電源，運行加載控制程序“Eight.exe”，在“設定力值”編輯框內填上所需加載力值，先點擊“縮到底”按鈕，使油缸復位，然后分別點擊每一通道對應的第二列按鈕，并觀察力值變化，直到每個通道都帶上一個微小的力值后，停止點擊，確保每一個承壓板都接觸到了相似材料模型體。
7.啟動水泵，并根據需要調節輸出水壓，向頂蓋中的壓力水艙加水，并通過承壓板的透水孔將壓力水加到相似材料模型體，保持穩定的壓力水，同時將頂蓋上的放氣孔用螺栓擰緊。
8.點擊“試驗開始”，經過約半分鐘的自動調整，開始對相似材料模型體以給定力值進行加載，其間點擊“力值動畫”可以實時觀測加載曲線。
9.加載到預先設定的力值后，啟動數據采集程序，調整不同的排水量，分別采集模型體中各預埋傳感器的數據并保存，以備分析，亦可在計算機屏幕上動態顯示各監測物理量隧排水量的變化曲線。在同一個相似材料模型體中，還可改變施加的水壓力，重復進行試驗。
10.試驗結束后，點擊“縮到底”，使活塞桿全部回到油缸里。按順序關閉油泵、冷卻泵，再關閉控制器并退出程序、關閉工控機。
權利要求
1.一種隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺，其特征在于，所述試驗臺共有四大部分組成①反力框架；②液壓伺服控制加載系統；③水壓加載及密封系統，④液壓加載和數據采集計算機控制系統；所述反力框架由底座、整體式框架、前后限位板、前后隧道口擋板和頂蓋構成，底座與整體式框架焊接成整體，前后限位板、前后隧道口擋板和頂蓋通過高強度螺栓與整體式框架連接；所述液壓伺服控制加載系統由液壓泵站、液壓油缸、傳力桿、承壓板、伺服閥、伺服控制器和控制軟件構成，頂蓋上固定4個頂部液壓油缸，整體框架兩側各固定2個側向液壓油缸，每個液壓油缸通過伺服閥進行單獨控制加載，從而實現不同加載的組合；所述水壓加載及密封系統由水壓泵站、頂蓋上的壓力水艙、承壓板上透水孔、頂面、前后面、隧道口擋板、隧道襯砌端頭的密封圈構成，壓力水通過相似材料模型體頂面的裂隙、空隙滲透到模型體內部，壓力水滲透到隧道襯砌周邊，通過布設在襯砌周邊的透水管排放，在管上加裝控制閥及流量計可控制水排放量，額定工作水壓力0.2MPa；所述液壓加載和數據采集計算機控制系統由工控機、8通道伺服控制器、40通道數據采集器、計算機及控制軟件構成，實現8個液壓油缸以力或位移控制方式伺服加載，模型體內滲透壓力、地層應力、襯砌結構變形由各相應的傳感器進行數據采集與動態跟蹤。
2.根據權利要求1所述隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺，其特征在于，所述整體式框架由長方體形工字鋼框架和左右側板通過焊接形成的不可分整體。
3.根據權利要求1所述隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺，其特征在于，所述承壓板和整體式框架的材料采用高強度工字鋼和鋼板，頂部額定承載力2000kN，水平左右額定承載力1000kN，前后限位板額定承載力1000kN，許可變形0.1mm。
4.根據權利要求1所述隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺，其特征在于，所述液壓油缸單缸最大工作壓力20MPa，最大行程200mm，最大加載500kN。
全文摘要
本發明公開了屬于地下工程模擬試驗技術的涉及一種隧道結構、圍巖及地下水相互作用的模擬試驗臺。由四大部分組成①反力框架；②液壓伺服控制加載系統；③水壓加載及密封系統，④液壓加載和數據采集計算機控制系統。本發明實現了隧道圍巖、隧道結構與地下壓力水三者之間相互作用的室內模型模擬試驗。解決了施加水壓力與施加地層壓力相互獨立調節，在密封條件下，不同方向加載互不干擾，從而可以對不同水壓、不同地層條件下滲透規律；滲透壓力對隧道結構的作用；不同堵、排水方法隧道襯砌結構的受力特點等問題進行模擬研究。對于更好地開展地下水與圍巖相互作用規律、地下水和圍巖滲透性對隧道結構變形、受力的影響等方面的研究具有重要意義。
文檔編號E02D29/00GK1932169SQ20061011348
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月29日 優先權日2006年9月29日
發明者劉保國, 張頂立, 王夢恕 申請人:北京交通大學