一种高地应力开挖模拟系统及方法与流程

本发明涉及试验设备技术领域，尤其是指一种高地应力开挖模拟系统及方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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，本发明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，本发明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。

本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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

为使本发明要解决的技术问题、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，本发明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，则机架在承受8000kn载荷时，单个拉长量δl为

机架的垂直向综合刚度为8000000/(0.4769+0.32)＝10038300≈10mn/mm

而轨道采用四立柱结构形式，可用于物理模型真三轴试验时的水平y向加载，最大加载能力8000kn，重量约11吨。机架承受8000kn载荷时受力分析，最大应力约为171mpa。

其中，副油缸41采用1000kn动态伺服油缸，而主油缸46采用8000kn伺服油缸。其中8000kn伺服油缸采用空心结构，内部空心孔用于1000kn动态伺服油缸安装通过。这样8000kn伺服油缸与1000kn动态伺服油缸均可以安装在机架上，加载时互不干扰。伺服油缸与伺服阀、传感器和控制器组成闭环控制系统，可采用力闭环、位移闭环等控制方式。

油缸额定工作压力25mpa，8000kn伺服油缸内径700mm，有效面积331584mm²；1000kn油缸内径220mm，有效面积37994mm²；其结构如图3所示的。

如图4所示的，该系统还包括支护装置；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90、喷浆机构83、工作台84、砂浆泵；其中开挖机构安装在工作台84上，包括微型盾构81、用于驱动所述微型盾构前进的推进机构85、推进电机86和旋转驱动电机87，该微型盾构固定在推进机构85上，推进电机86的动力输出轴连接推进机构85以带动所述推进机构85和微型盾构81前进/后退，所述旋转驱动电机87连接所述微型盾构81以驱动所述微型盾构81旋转以模拟开挖。其中所述推进机构85底部设有转角油缸91以控制所述微型盾构81的进给角度。还包括喷浆机构83和锚杆支护机构90，如图5所示的，所述喷浆机构83和锚杆支护机构90设置于所述微型盾构两侧。如图4、图6、图7所示的，其中喷浆机构83、锚杆支护机构90、微型盾构81都连接转角油缸91以保证三个机构切换时的位置和角度均相等。这样可以控制微型盾构的前进角度。

其中微型盾构装置采用大型盾构机原理，前端布置鱼尾刀、超前刀和平面刮刀，最大限度模拟实际工况；推进装置采用丝杆螺母机构安装在推进杆一端，采用伺服电机驱动进给速度和力度。其中喷浆机构还连接喷浆泵。

如图8所示的，其中锚杆支护机构采用齿轮传动方式，每次可将1根锚杆压入到试件内部；通过旋转驱动电机带动推进杆旋转一定角度。摩擦轮推进机构99确定锚杆支护机构90的位置，驱动电机均采用步进电机，可精确控制所需锚杆的位置、数量，根据需要对试件内壁进行锚杆支护模拟操作。最大推进距离1500mm。具体的，如图9所示，包括传动轴91、锥齿轮92、转轴93、轴承94、锚杆支护机构90；其中传动轴91通过锥齿轮92连接转轴93，转轴93能够相对于轴承94转动以驱动锚杆支护机构90前进。

喷层喷射装置的推进机构和旋转机构与锚杆支护装置相同，尾部通过软管与砂浆泵相互连接，推进行程也是1500mm。

3只8000kn伺服油缸同时加载时，当活塞以速度v＝20mm/min的速度加载时，油缸每分钟所需流量为

q1＝3*s*v

＝3*331584*20

＝19835040mm3/min

＝19.9l/min

所需功率为

p＝q1*p/60

＝19.9*25/60

＝8.3kw

3只1000kn伺服油缸同时加载时，当活塞以频率f＝15hz，振幅m＝±0.5mm的工况运行时，活塞的平均速度为v＝15mm/s，油缸每分钟所需流量为

q1＝3*s*v*60

＝3*37994*15*60

＝102583800mm3/min

＝102.6l/min

所需功率为

p＝q1*p/60

＝102.6*25/60

＝42.7kw

静态油缸与动态油缸采各自的油泵单独提供动力，工作时互不干扰，考虑到工作效率，8000kn油源电机功率选配11kw，8000kn油源电机功率选配55kw。

测量控制系统

测量控制系统由全数字多通道闭环控制器、液压传感器、负荷传感器、位移传感器等组成：

1、控制器

a.全数字多通道闭环控制器

全数字应力、应变、位移闭环控制，采用先进的自适应的模糊的pid控制算法，可实现系统参数的控制量在线精密的闭环控制，实现等速加卸荷、恒力、恒位移等功能。同时，提供用户系统参数的控制接口，用户可以对系统控制参数进行设置以适应不同的控制环境，有着具有很好的灵活性。

b.多通道控制输出接口

控制系统有独立的电液伺服阀控制通道，在试验过程中各种控制速率及控制功能均可互相切换，每个作动器能根据试验要求同时或分别闭环控制伺服阀工作，保证了整个加载系统的同步或异步控制，大大提高试验系统的稳定性。

c.高精准数据采集系统

数据采集系统具有多路路高精度24位a/d转换压力、位移、变形采集通道，可以达到示值精确度：±0.1％以内。数据的采样速度达到了10khz，可以快速地采集当前的传感器信号，以便闭环控制模块更好的进行实时闭环控制。

d.维修和升级方便

全数字多通道闭环测控仪能够根据用户提出的要求进行仪表升级。当仪表出现故障时，能够及时方便地进行维修处理。

2、传感器

传感器对试验机精度影响较大，通过多年实践，位移采用磁致式位移传感器或拉线编码器(见下图)，其特点是：高精度、高稳定性、高可靠性，抗干扰能力极强，功耗低，是目前位移最佳测试传感器。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。