[发明专利]隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台及方法

权利要求书

1.一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：包括外壳，所述外壳内设置有单块体危石失稳模拟系统、裂隙岩体多块体失稳模拟系统、复杂隧道环境定量模拟系统和数据采集处理系统，其中：

所述单块体危石失稳模拟系统，包括对称设置的支撑墙，所述支撑墙上设置有滑轨，滑轨之间通过弧形杆连接，所述支撑墙之间设置有拱形支撑，所述拱形支撑上一侧设置有单独块体，所述单独块体上端设置有第一加压机构，模拟单独块体随隧道掌子面开挖的渐进失稳过程；

所述裂隙岩体多块体失稳模拟系统，包括试验台架，所述试验台架内部容纳有浇模预制岩体，所述浇模预制岩体与试验台架之间设置有多个第二加压机构，对浇模预制岩体施加不同方向的压力，模拟裂隙岩体围岩受隧道开挖影响的失稳过程；

所述复杂隧道环境定量模拟系统，包括补光灯、粉尘浓度模拟装置和湿度模拟装置，模拟隧道昏暗、多尘和潮湿的真实环境；

所述数据采集处理系统，采集不同隧道模拟环境下获取岩体表面结构面信息，对裂隙岩体开挖后的稳定性进行监测；

所述拱形支撑上设置有水平推动装置，实现模拟开挖装置水平移动；所述单块体危石失稳模拟系统的拱形支撑两侧设置有滑轨，所述拱形支撑受水平推动装置的推动沿下方布置的滑轨实现位置移动，从而实现支撑上方的岩块逐渐揭露，实现隧道开挖模拟；

所述单独块体吊装在弧形杆上并可沿杆滑动，从而实现潜在失稳块体在隧道断面位置上的变换；

所述第一加压机构包括液压千斤顶和传力板，千斤顶安装在台架与传力板之间，由液压控制系统控制加载力的大小；

所述数据采集处理系统包括数码照相机和三维激光扫描仪；

所述数据采集处理系统，还包括激光测振仪和红外热成像仪，所述激光测振仪监测潜在失稳块体固有振动频率的动态变化；所述红外热成像仪监测开挖过程中裂隙岩体整体温度场的时空变化；所述三维激光扫描仪通过不同时段点云数据的比对，监测开挖后岩体的位移变化。

2.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述粉尘浓度模拟装置包括粉尘储存单元、喷射单元与强度可调电动机，粉尘储存单元内储有人工粉尘，开启电动机带动风机可实现粉尘喷射，调节电动机强度用以实现不同粉尘浓度的模拟。

3.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述湿度模拟装置包括水箱与水雾喷射单元，开启开关实现水雾喷射，通过调节档位可实现不同湿度环境的模拟。

4.如权利要求1所述的一种隧道危石垮塌室内大型综合模拟试验平台，其特征是：所述数码照相机采用定焦镜头，有普通和红外两种镜头形式可选；在不同的隧道模拟环境下，通过对岩体表面裂隙的拍照对比试验，研究不同拍摄镜头对隧道环境的敏感程度及拍摄效果；所述三维激光扫描仪同样在不同的隧道模拟环境下对岩体表面进行扫描，获取相应的点云数据，分析三维激光扫描结果对不同环境特征参数的敏感程度。

5.基于如权利要求1-4中任一项所述的平台的工作方法，其特征是：单块体失稳过程模拟与监测包含以下步骤：

(1)用混凝土预制一个底面为凹面的方体，凹面能够与拱形支撑上表面相贴合，对混凝土块进行切割，分离出一块孤立块体；

(2)将混凝土块安装在五面传力板中间，下方利用拱形支撑顶住，调节液压控制系统控制千斤顶对预制混凝土块进行加载，模拟原始地应力场；

(3)调节整体单块体失稳模拟装置，将潜在坠落的孤立块体调整至试验需要的隧道断面相应位置处；

(4)调节安装在拱形支撑上的水平推动装置，推动拱形支撑沿下方滑轨移动，模拟隧道开挖使得拱形支撑上方的孤立块体逐渐出露；

(5)利用红外热成像仪、激光测振仪实现单块体失稳过程的温度场与固有振动频率动力学参数变化的实时监控，数据传输至数据综合处理系统可实现数据的实时处理分析，评估单块体失稳的发生条件。

6.基于如权利要求1-4中任一项所述的平台的工作方法，其特征是：复杂隧道环境下岩体结构信息数字采集包含以下步骤：

(1)将液态石蜡从储存装置中注入模具中，待石蜡凝固后打开模具一侧挡板，将用石蜡材料预制的岩体连同底座一同拉出，并安装在台架内部；

(2)利用千斤顶对预制岩体进行加载，模拟地应力场，并根据试验需要在岩体表面切割形成裂隙；

(3)根据需要模拟的隧道环境特征，调节补光灯、粉尘浓度模拟装置和湿度模拟装置从而实现不同光照强度、粉尘浓度、水汽湿度的控制；

(4)利用数码照相机和三维激光扫描仪完成岩体裂隙信息的获取，比较岩体结构面数字获取技术对隧道环境特征参数的敏感程度。