本發(fā)明公開了一種全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著能源工程和交通工程的飛速發(fā)展，隧道及地下工程數(shù)量越來越多，規(guī)模也越來越大，隨之而來會(huì)遇到難度越來越大的工程建設(shè)。隧道及地下工程施工過程中經(jīng)常遭遇斷層、溶洞、暗河等不良地質(zhì)，由于水體對(duì)巖石的物理、化學(xué)作用，使得隧道圍巖等級(jí)發(fā)生驟降，當(dāng)隧道施工至含水體所處區(qū)域時(shí)，原支護(hù)設(shè)計(jì)難以維持圍巖穩(wěn)定性，隧道內(nèi)極易發(fā)生塌方和突水突泥災(zāi)害。隧道突涌水災(zāi)害會(huì)造成工期延誤、機(jī)械設(shè)備損壞、投資費(fèi)用增加，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全構(gòu)成巨大威脅。因此，隧道突水突泥災(zāi)害前兆信息的判識(shí)，對(duì)于富水隧道突水突泥預(yù)警至關(guān)重要，為隧道及地下工程的安全建設(shè)施工有重大意義。因此，對(duì)于富水隧道動(dòng)力災(zāi)變力學(xué)機(jī)制的研究以及突水動(dòng)力災(zāi)害演變過程的描述至關(guān)重要。

地下工程模型試驗(yàn)是對(duì)地下工程進(jìn)行仿真模擬，指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)和施工的一種有效的方法和手段，可以形象地模擬隧道及地下工程所處的原巖應(yīng)力狀態(tài)、開挖和支護(hù)等，由于可以在試件中預(yù)埋各種監(jiān)測(cè)原件，可以方便的改變加載條件和開挖條件，通過監(jiān)測(cè)裝置獲得試件內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)變等參量的變化，為工程現(xiàn)場(chǎng)隧洞的開挖施工提供指導(dǎo)和借鑒。因此，開展地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也研制了真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)，但以前的真三軸隧道及地下工程的試驗(yàn)系統(tǒng)往往存在以下問題：

（1）部分模型試驗(yàn)系統(tǒng)由于加載裝置的缺陷，會(huì)使試件受力不均勻，試件表面產(chǎn)生不必要的剪應(yīng)力，影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）部分模型試驗(yàn)系統(tǒng)的加載能力較低，如柔性囊或液壓枕加載，不能提供足夠大的荷載模擬深埋巖體所處的高地應(yīng)力狀態(tài)。

（3）模型試驗(yàn)系統(tǒng)具有繁瑣，所需人力物力大，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等缺點(diǎn)。

（4）缺乏一種隧道突水災(zāi)害前兆信息監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，從而清楚富水隧道突水動(dòng)力災(zāi)變演化過程以及突涌水災(zāi)害的多元前兆信息。

隨著對(duì)隧道及地下工程建設(shè)的科研設(shè)計(jì)水平和計(jì)算精度的要求越來越高，以及對(duì)隧道突水突泥突涌水災(zāi)害多元前兆信息的判識(shí)問題和演化規(guī)律，迫切需要研制一種性能優(yōu)良、技術(shù)先進(jìn)的隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，針對(duì)隧道多類型突水前兆信息監(jiān)測(cè)問題，提供一種全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)，從而豐富富水隧道突水前兆信息的判識(shí)問題和演化規(guī)律，為實(shí)際工程帶來作用，降低隧道突水災(zāi)害帶來的損失。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括對(duì)模型試件進(jìn)行加載的三軸加載裝置、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析裝置、動(dòng)力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；

所述的三軸加載裝置包括試驗(yàn)臺(tái)架、垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)，垂直、水平前后和水平左右加載系統(tǒng)對(duì)模型試驗(yàn)體施加三向壓力，更好的還原巖石塊實(shí)際受力狀態(tài)；試驗(yàn)臺(tái)架具有支撐，固定，提供反力的作用；

所述的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析裝置包括埋設(shè)在模型試件內(nèi)的微型光纖傳感器、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微型壓力盒和應(yīng)變磚，可實(shí)現(xiàn)模型應(yīng)力、位移、滲壓等多場(chǎng)信息的采集，由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)多物理場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入、分析、繪圖及預(yù)警處理；

所述的動(dòng)力系統(tǒng)為試驗(yàn)的進(jìn)行提供所需的動(dòng)力；

所述的控制系統(tǒng)控制三軸加載裝置以及托盤的運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述的試驗(yàn)臺(tái)架包括圓弧形外部支架、底盤和開關(guān)門支架；

所述的圓弧形外部支架的上方通過上主板與垂直加載系統(tǒng)連接，左右方分別通過左主板和右主板與水平左右加載系統(tǒng)相連。

所述的開關(guān)門支架和圓弧形外部支架橫跨在所述的底盤上，在所述的底盤上設(shè)有一個(gè)托盤，所述的托盤在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下升降模型試件運(yùn)到指定的位置；

所述的開關(guān)門支架，包括一個(gè)開關(guān)門，所述的開關(guān)門在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下可以自動(dòng)開啟或者關(guān)閉，且水平前加載系統(tǒng)安裝在開關(guān)門上，所述的開關(guān)門通過主板與開關(guān)門支架相連。

進(jìn)一步的，所述的開關(guān)門支架還包括一個(gè)結(jié)構(gòu)框架、載重輪車、液壓控制系統(tǒng)，在所述的結(jié)構(gòu)框架的頂部設(shè)有一個(gè)滑動(dòng)軌道，所述的載重輪車在液壓控制系統(tǒng)的控制下沿著所述的滑動(dòng)軌道來回滑動(dòng)；且載重輪車通過連接件連接開關(guān)門，帶動(dòng)開關(guān)門來回滑動(dòng)，所述的開關(guān)門的底部相對(duì)于所述的結(jié)構(gòu)框架懸空；且所述的結(jié)構(gòu)框架上安裝有感應(yīng)器；將試件移于模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)后，所述的感應(yīng)器發(fā)送信號(hào)給控制器，所述的控制器控制液壓控制系統(tǒng)控制開關(guān)門自動(dòng)關(guān)閉。

所述的載重輪車包括一個(gè)車體，在所述的車體通過滑輪固定板連接四個(gè)滾輪；滑輪固定板用于固定滾輪，使其沿軌道來回移動(dòng)，不出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，在所述的車體內(nèi)設(shè)有加固塊，所述的加固塊的底部安裝固定架，所述的固定架連接開關(guān)門。

所述的車體上設(shè)置有凹槽，所述的加固塊通過凹槽安裝在所述的車體內(nèi)，同時(shí)保證載重輪車的穩(wěn)定性。所述的結(jié)構(gòu)框架為鋼結(jié)構(gòu)框架，其具有良好的穩(wěn)定性，用于支撐、固定整個(gè)開關(guān)門系統(tǒng)，并且具有給開關(guān)門提供反力的作用。

所述的滑動(dòng)軌道為v型滑動(dòng)軌道，所述的v型滑動(dòng)軌道上具有刻度線，可以用來控制門的開關(guān)幅度。

所述的液壓控制系統(tǒng)由動(dòng)力液壓缸組成，液壓缸具有為載重輪車提供長(zhǎng)久動(dòng)力的作用。

進(jìn)一步的，所述的底盤包括主底盤、兩個(gè)副底盤、前伸底盤；所述兩個(gè)副底盤位于主底盤的兩個(gè)側(cè)面，前伸底盤沿著主底盤的軸向延伸；在所述的主底盤的上設(shè)有一個(gè)承載系統(tǒng)，所述的承載系統(tǒng)在多個(gè)油缸的驅(qū)動(dòng)下，可以相對(duì)于主底盤升起或者降下；

所述的兩個(gè)副底盤和主底盤上分別鋪設(shè)有4條和1條v型導(dǎo)軌，為左、右加載系統(tǒng)和后加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行加載提供軌道，v型軌道上具有滑輪和滑輪支撐座，滑輪支撐座與加載系統(tǒng)的副板通過螺栓連接，用于固定滑輪，保證滑輪不發(fā)生偏移；

所述的前伸底盤包括兩個(gè)蓋板和導(dǎo)軌固定板，在蓋板內(nèi)側(cè)固定兩排滾輪，兩個(gè)蓋板之間連接有導(dǎo)軌加強(qiáng)支架，使整體連接性更強(qiáng)，且前伸底盤的頂部安裝有導(dǎo)軌固定板，導(dǎo)軌固定板用于固定導(dǎo)軌，所述的承載系統(tǒng)可以沿著所述的導(dǎo)軌移動(dòng)，在所述的側(cè)板內(nèi)設(shè)有用于鎖定承載系統(tǒng)的加強(qiáng)支座。

進(jìn)一步的，所述的承載系統(tǒng)包括托盤和托盤支架，所述托盤支架安裝在托盤側(cè)面，兩者之間通過插銷連接，托盤支架具有穩(wěn)定托盤作用。

所述的邊角油缸驅(qū)動(dòng)托盤頂出板，所述的托盤頂出板驅(qū)動(dòng)托盤向上運(yùn)動(dòng)；在所述的托盤運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置后，通過定位座對(duì)托盤頂出板的位置進(jìn)行定位。定位座具有固定托盤頂出板位置的作用，使托盤頂出板不產(chǎn)生移動(dòng)的作用，邊角油缸為托盤的頂出提供動(dòng)力。

所述的托盤頂出板的內(nèi)側(cè)也安裝有滾輪，所述的托盤放置在托盤頂出板的滾輪上。

在所述蓋板的下側(cè)固定6個(gè)墊腳支架，墊腳支架具有不讓結(jié)構(gòu)變形，加強(qiáng)底盤系統(tǒng)整體性的作用。

進(jìn)一步的，所述的垂直、水平前后和水平左右加載系統(tǒng)各自均由主板、副板、壓板、4個(gè)液壓千斤頂和導(dǎo)力桿組成，各個(gè)加載系統(tǒng)由五個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)控制，彼此互不影響，可單獨(dú)完成對(duì)試驗(yàn)體的加卸載，真正模擬了真三軸；液壓千斤頂和導(dǎo)力桿固定于主板和副板之間，導(dǎo)力桿使加載時(shí)試驗(yàn)體受力更加均勻，垂直加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)中具有6根導(dǎo)力桿，水平前后加載系統(tǒng)中具有3根導(dǎo)力桿。壓板做成鋸齒狀，是為了防止加載設(shè)備發(fā)生碰撞的特殊設(shè)計(jì)。在水平后加載系統(tǒng)中具有隧道開挖洞口。

進(jìn)一步的，所述的模型試驗(yàn)體，試驗(yàn)體為規(guī)格長(zhǎng)2.5m，寬2m，高為2m的塊體，試驗(yàn)體通過壓板與三軸加壓系統(tǒng)相接觸，試驗(yàn)體內(nèi)布設(shè)若干含水體，用于模擬富水隧道中多種類型不良含水體，其中包括：斷層破碎帶、含水溶洞、巖溶管道等類型，模擬多種突水類型的災(zāi)變演化過程，獲取不同突水類型的前兆信息，揭示不同突水物質(zhì)能量狀態(tài)遷移及其臨界特征，模型試驗(yàn)體的制作可以為現(xiàn)澆式和預(yù)制塊體砌筑，模型試驗(yàn)體的中部設(shè)有隧道洞口，最大開挖洞口直徑200mm，在洞口位置設(shè)置有開挖護(hù)罩，保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述的控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和操作，通過編制算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)的核心是由以微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行的可編程邏輯控制器(plc)，利用其進(jìn)行各種命令的執(zhí)行與操作，通過cpu運(yùn)行的模型試驗(yàn)控制系統(tǒng)，從而使動(dòng)力系統(tǒng)和模型試驗(yàn)臺(tái)架各加載模塊之間的自動(dòng)運(yùn)行。該控制系統(tǒng)既可以對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)里的油泵進(jìn)行自動(dòng)控制，也可以對(duì)模型試驗(yàn)臺(tái)架的各主板、開關(guān)門以及托盤進(jìn)行自動(dòng)控制，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤位置、各主板位置、各副板位置、開關(guān)門位置及壓力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。試驗(yàn)工程中，可以通過在設(shè)備中輸入各裝置的預(yù)備位置及誤差值，自動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)架，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各裝置的位置以及壓力的大小。

所述的三軸加載裝置由動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力，所述的動(dòng)力系統(tǒng)是由油箱、油箱蓋板、油管、油泵、比例式壓力流量控制閥、配電箱、后封板、上封板和右封板組成，動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)連接，打開電源，油泵工作，抽取油箱里的液壓油，通過比例式壓力流量控制閥控制，進(jìn)入各個(gè)液壓缸，對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行加載，當(dāng)卸載時(shí)，液壓油通過油管進(jìn)入到油箱里。

全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

1.開關(guān)門的開啟。啟動(dòng)裝置，左行油缸提供動(dòng)力，載重輪車運(yùn)行，從而帶

動(dòng)前主板，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)開關(guān)門的開啟；

2.試驗(yàn)體的搬運(yùn)。開關(guān)門開啟以后，托盤通過托盤頂出板從主底盤中移出，

從而在滑輪上移動(dòng)，運(yùn)行到前托盤的固定位置后，放置、固定試驗(yàn)體，進(jìn)而托盤再次運(yùn)行到模型試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部指定位置，最后托盤脫落、固定到主底盤。

3.初始應(yīng)力場(chǎng)的施加；托盤固定以后，控制系統(tǒng)控制三個(gè)方向的液壓千斤

頂同時(shí)工作，對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行加載，模擬巖體三向受壓。

采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的施加，每一級(jí)加載后的穩(wěn)壓通過比例式壓力流量控制閥控制，達(dá)到所需要保持的壓力后進(jìn)行下一次加載，進(jìn)而達(dá)到所需初始?jí)毫Α?/p>

4.試驗(yàn)體的開挖。當(dāng)試驗(yàn)體達(dá)到所需的初始應(yīng)力場(chǎng)以后，對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行開

挖，當(dāng)開挖至含水體處時(shí)緩慢開挖，時(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象；

5.捕捉隧道突水前兆多元信息；多元信息包括位移、應(yīng)力、壓力等，通過

監(jiān)測(cè)元件將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入，分析等。

6.進(jìn)行多組試驗(yàn)。通過多組試驗(yàn)體的隧道突水現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)

時(shí)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)富水隧道的突水現(xiàn)象定量描述，通過試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)試驗(yàn)突水前兆信息等規(guī)律。

本發(fā)明提供的全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）模型試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于組裝、拆卸和搬運(yùn)。

（2）模型試驗(yàn)全過程電腦控制，自動(dòng)化運(yùn)行，使試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單便捷，極大

程度上節(jié)省了人力物力財(cái)力，更加具有適用性。

（3）模型試驗(yàn)系統(tǒng)采用導(dǎo)力桿，加載均勻，試件受力均勻，加載精度可以

達(dá)到0.01%，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。

（4）模型試驗(yàn)系統(tǒng)加載能力較好，可以模擬深埋巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)，最

大模擬埋深可以大于3000m。

（5）模型試驗(yàn)試驗(yàn)體尺寸采用1.5×1.0×1.0m，尺寸適中，并且可以現(xiàn)澆，

也可以預(yù)制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)。

（6）模型試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了離散化多主應(yīng)力加載復(fù)雜三維地應(yīng)力場(chǎng)的模擬，

更加聯(lián)系實(shí)際，試驗(yàn)結(jié)果具有指導(dǎo)意義。

（7）試驗(yàn)體可以模擬多種災(zāi)害源水體類型，豐富了多種突水類型和富水形

態(tài)，可以研究不同災(zāi)害源形態(tài)下，突涌水災(zāi)害的多元前兆信息。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)圖；

圖2、圖3為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中開關(guān)門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中底盤系統(tǒng)局部放大圖；

圖7為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中底盤系統(tǒng)底部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中三軸加載系統(tǒng)示意圖；

圖9為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中液壓控制系統(tǒng)控制方法流程圖；

圖10為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中液壓控制系統(tǒng)中自動(dòng)運(yùn)行控制模塊圖；

圖11為全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)中動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：

1圓弧形外部支架,2開關(guān)門支架,3上主板,4左主板,5右主板,6連接加強(qiáng)件,7左加強(qiáng)板，8右加強(qiáng)板，9后主板,10前主板,11軌道，12滑輪,13固定架,14導(dǎo)軌固定板,15滑輪固定板,16左行油缸,17油缸固定支架,18插銷,19托盤頂出板,20滑輪，

21托盤,22托盤支架,23送料油缸,24插銷,25v型導(dǎo)軌,26滑輪，

27滑輪支撐座,28副板,29小型油缸,30固定座,31蓋板,32導(dǎo)軌固定板,33滾輪,34導(dǎo)軌加強(qiáng)支架,35墊腳支架,36壓板,37液壓千斤頂,38導(dǎo)力桿,39模型試驗(yàn)體,40隧道洞口,41護(hù)罩，42主底盤，43副底盤，44油箱、45油箱蓋板、46油管、47油泵、48比例式壓力流量控制閥、49配電箱、50后封板、51上封板、52右封板；

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在以下問題：

（1）部分模型試驗(yàn)系統(tǒng)由于加載裝置的缺陷，會(huì)使試件受力不均勻，試件表面產(chǎn)生不必要的剪應(yīng)力，影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）部分模型試驗(yàn)系統(tǒng)的加載能力較低，如柔性囊或液壓枕加載，不能提供足夠大的荷載模擬深埋巖體所處的高地應(yīng)力狀態(tài)。

（3）模型試驗(yàn)系統(tǒng)具有繁瑣，所需人力物力大，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等缺點(diǎn)。

（4）缺乏一種隧道突水災(zāi)害前兆信息監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，從而清楚富水隧道突水動(dòng)力災(zāi)變演化過程以及突涌水災(zāi)害的多元前兆信息，為了解決如上的技術(shù)

問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，提供了一種全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)；包括液壓控制系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置系統(tǒng)。

所述的試驗(yàn)裝置系統(tǒng)包括三軸加載系統(tǒng)、模型試件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng)。所述三軸加載系統(tǒng)為模型試件系統(tǒng)施加三向壓力；所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集富水隧道在開挖過程中各種物理量的變化數(shù)據(jù)；所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)用于模擬富水隧道的真實(shí)情況。

所述的三軸加載系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)架、垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)組成，垂直、水平前后和水平左右加載系統(tǒng)對(duì)模型試驗(yàn)體施加三向壓力，更好的還原巖石塊實(shí)際受力狀態(tài)，試驗(yàn)臺(tái)架具有支撐，固定，提供反力的作用。

所述的試驗(yàn)臺(tái)架包括圓弧形外部支架1、底盤和開關(guān)門支架2經(jīng)螺栓拼接而成，使試驗(yàn)臺(tái)架模塊化，便于拆卸與組裝。所述的外部支架1設(shè)計(jì)成圓弧形，具有美觀，節(jié)省材料的作用，外部支架1的上方通過上主板3與垂直加載系統(tǒng)連接，左右方分別通過左主板4和右主板5與水平左右加載系統(tǒng)相連。為了保證裝置的整體穩(wěn)定性與連接性，上主板3與開關(guān)門支架2通過連接加強(qiáng)件6連接，左、右加強(qiáng)板7、8用來連接上主板3與后主板9。

所述的開關(guān)門支架2通過前主板10與前加載系統(tǒng)連接，前加載系統(tǒng)隨著開關(guān)門一起運(yùn)動(dòng)；支架上方鋪設(shè)有2條平行軌道11，軌道11上方具有載重輪車，載重輪車是由滑輪12、固定架13、導(dǎo)軌固定板14、滑輪固定板15、左行油缸16和油缸固定支架17組成的，左行油缸16與開關(guān)門支架2通過油缸固定支架17連接，通過油缸插銷18與滑輪固定板15相連，具有為載重輪車提供長(zhǎng)久動(dòng)力的作用，滑輪固定板15用于固定滑輪12，使其沿軌道來回移動(dòng)，不出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，導(dǎo)軌固定板14與滑輪固定板15通過凹槽連接，同時(shí)保持載重輪車的穩(wěn)定性，固定架13用于連接前主板10和載重輪車，保持開關(guān)門系統(tǒng)的整體性，開關(guān)門系統(tǒng)上具有感應(yīng)器，由液壓控制系統(tǒng)控制，可以實(shí)時(shí)控制開關(guān)門，從而控制開關(guān)門開啟幅度。

所述的底盤是由主底盤42、兩個(gè)副底盤43、前伸底盤組成，三者通過螺栓拼接而成。所述的主底盤的左右兩側(cè)各連接有一排固定于托盤頂出板19的滑輪20，托盤21放置于滑輪20上，主底盤的下方具有托盤支架22和送料油缸23，兩者通過托盤插銷24連接，托盤21的前后移動(dòng)需要送料油缸23提供能量。所述的副底盤和主底盤上部各鋪設(shè)有4條和1條v型導(dǎo)軌25，為左右加載系統(tǒng)和后加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行加載提供軌道，v型軌道25上具有滑輪26和滑輪支撐座27，滑輪支撐座27與水加載系統(tǒng)的副板28通過螺栓連接，用于固定滑輪26，保證滑輪26不發(fā)生偏移。在副底盤上具有4個(gè)凹槽，凹槽內(nèi)放置有4個(gè)小型油缸29，小型油缸29通過托盤頂出板19為托盤21的上下移動(dòng)提供動(dòng)力，固定座30用于固定托盤頂出板19，使系統(tǒng)更加具有整體性，更加穩(wěn)定。所述的前伸底盤由蓋板31和導(dǎo)軌固定板32連接而成，在蓋板31內(nèi)側(cè)固定兩排滾輪33，蓋板31與蓋板31之間連接有導(dǎo)軌加強(qiáng)支架34，使整體連接性更強(qiáng)，在蓋板31的下側(cè)固定6個(gè)墊腳支架35，墊腳支架35具有不讓結(jié)構(gòu)變形，加強(qiáng)底盤系統(tǒng)整體性的作用。

所述的垂直、水平前后和水平左右加載系統(tǒng)由主板、副板28、壓板36、4個(gè)液壓千斤頂37和導(dǎo)力桿38組成，加載系統(tǒng)由五個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)控制，彼此互不影響，可單獨(dú)完成對(duì)試驗(yàn)體的加卸載，真正模擬了真三軸。液壓千斤頂37和導(dǎo)力桿38固定于主板和副板28之間，導(dǎo)力桿38使加載時(shí)試驗(yàn)體受力更加均勻，垂直加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)中具有6根導(dǎo)力桿38，水平前后加載系統(tǒng)中具有3根導(dǎo)力桿38。壓板36做成鋸齒狀，是為了防止加載設(shè)備發(fā)生碰撞的特殊設(shè)計(jì)。在水平前加載系統(tǒng)中具有隧道開挖洞口。

模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括模型試驗(yàn)體39，試驗(yàn)體為規(guī)格長(zhǎng)2.5m，寬2m，高為2m的塊體，試驗(yàn)體39通過壓板36與三軸加壓系統(tǒng)相接觸，試驗(yàn)體內(nèi)布設(shè)若干含水體，用于模擬富水隧道中多種類型不良含水體，其中包括：斷層破碎帶、含水溶洞、巖溶管道等類型，模擬多種突水類型的災(zāi)變演化過程，獲取不同突水類型的前兆信息，揭示不同突水物質(zhì)能量狀態(tài)遷移及其臨界特征，模型試驗(yàn)體的制作可以為現(xiàn)澆式和預(yù)制塊體砌筑，模型試驗(yàn)體的中部設(shè)有隧道洞口40，最大開挖洞口直徑200mm，在洞口位置設(shè)置有開挖護(hù)罩41，保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng)包括埋設(shè)在模型試驗(yàn)體內(nèi)的微型光纖傳感器、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微型壓力盒和應(yīng)變磚，可實(shí)現(xiàn)模型應(yīng)力、位移、滲壓等多場(chǎng)信息的采集，由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)多物理場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入、分析、繪圖及預(yù)警處理。

液壓控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和操作，與動(dòng)力系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置系統(tǒng)連接，通過編制算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)的核心是由以微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行的可編程邏輯控制器，利用其進(jìn)行各種命令的執(zhí)行與操作，通過cpu運(yùn)行的模型試驗(yàn)控制系統(tǒng)，從而使動(dòng)力系統(tǒng)和模型試驗(yàn)臺(tái)架各加載模塊之間的自動(dòng)運(yùn)行。該控制系統(tǒng)既可以對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)里的油泵進(jìn)行自動(dòng)控制，也可以對(duì)模型試驗(yàn)臺(tái)架的各主板、開關(guān)門以及托盤進(jìn)行自動(dòng)控制，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤位置、各主板位置、各副板位置、開關(guān)門位置及壓力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。試驗(yàn)工程中，可以通過在設(shè)備中輸入各裝置的預(yù)備位置及誤差值，自動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)架，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各裝置的位置以及壓力的大小。液壓控制系統(tǒng)具有分級(jí)加載，恒定保壓，智能補(bǔ)償，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)力系統(tǒng)是由油箱44、油箱蓋板45、油管46、油泵47、比例式壓力流量控制閥48、配電箱49、后封板50、上封板51和右封板52組成，動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)連接，打開電源，油泵44工作，抽取油箱里的液壓油，通過比例式壓力流量控制閥45控制，進(jìn)入液壓缸，對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行加載，當(dāng)卸載時(shí)，液壓油通過油管46進(jìn)入到油箱44里。

全自動(dòng)真三軸隧道及地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

1.開關(guān)門的開啟。啟動(dòng)裝置，左行油缸16提供動(dòng)力，載重輪車運(yùn)行，從而帶動(dòng)前主板10，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)開關(guān)門的開啟。

2.試驗(yàn)體的搬運(yùn)。開關(guān)門開啟以后，小型油缸29提供動(dòng)力，托盤21通過托盤頂出板19從主底盤中移出，從而在滑輪20上移動(dòng)，運(yùn)行到前托盤的固定位置后，放置、固定試驗(yàn)體，進(jìn)而托盤21運(yùn)行到模型試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部指定位置，最后托盤21脫落、固定到主底盤。

3.初始應(yīng)力場(chǎng)的施加。托盤21固定以后，控制系統(tǒng)控制動(dòng)力系統(tǒng)，液壓油通過油管46進(jìn)入，三個(gè)方向的液壓千斤頂同時(shí)工作，對(duì)試驗(yàn)體39進(jìn)行加載，模擬巖體三向受壓。采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的施加，每一級(jí)加載后的穩(wěn)壓通過比例式壓力流量控制閥控制45，達(dá)到所需要保持的壓力后進(jìn)行下一次加載，進(jìn)而達(dá)到所需初始?jí)毫Α?/p>

4.試驗(yàn)體的開挖。當(dāng)試驗(yàn)體39達(dá)到所需的初始應(yīng)力場(chǎng)以后，對(duì)試驗(yàn)體39進(jìn)行開挖，當(dāng)開挖至含水體處時(shí)緩慢開挖，時(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。

5.捕捉隧道突水前兆多元信息。多元信息包括位移、應(yīng)力、壓力等，通過監(jiān)測(cè)元件將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入，分析等。

6.進(jìn)行多組試驗(yàn)。通過多組試驗(yàn)體的隧道突水現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)富水隧道的突水現(xiàn)象定量描述，通過試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)試驗(yàn)突水前兆信息等規(guī)律。

從以上的描述中，可以看出，本申請(qǐng)上述的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果：

（8）模型試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于組裝、拆卸和搬運(yùn)。

（9）模型試驗(yàn)全過程電腦控制，自動(dòng)化運(yùn)行，使試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單便捷，極大

程度上節(jié)省了人力物力財(cái)力，更加具有適用性。

（10）模型試驗(yàn)系統(tǒng)采用導(dǎo)力桿，加載均勻，試件受力均勻，加載精度可

以達(dá)到0.01%，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。

（11）模型試驗(yàn)系統(tǒng)加載能力較好，可以模擬深埋巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)，

最大模擬埋深可以大于3000m。

（12）模型試驗(yàn)試驗(yàn)體尺寸采用1.5×1.0×1.0m，尺寸適中，并且可以現(xiàn)

澆，也可以預(yù)制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)。

（13）模型試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了離散化多主應(yīng)力加載復(fù)雜三維地應(yīng)力場(chǎng)的模、

擬，更加聯(lián)系實(shí)際，試驗(yàn)結(jié)果具有指導(dǎo)意義。

（14）試驗(yàn)體可以模擬多種災(zāi)害源水體類型，豐富了多種突水類型和富水

形態(tài)，可以研究不同災(zāi)害源形態(tài)下，突涌水災(zāi)害的多元前兆信息。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。