(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210640478.5 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 临沂大学 地址 276000 山东省临沂市兰山区工业大 道北段西侧 (72)发明人 王海龙　贾传洋　张贵彬　宋小园　 孙熙震　刘珂铭　于献彬　李伟　 (74)专利代理 机构 青岛致嘉知识产权代理事务 所(普通合伙) 3723 6 专利代理师 张晓艳 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) B33Y 10/00(2015.01) H04N 7/18(2006.01) (54)发明名称 近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水 灾变实验系统 (57)摘要 本发明涉及地下工程灾害模型实验技术领 域， 具体为近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及 突水灾变实验系统； 包括底座、 上横梁、 立柱、 实 验舱、 导轨、 隧道开挖装置、 实验控制系统； 通过 设置隧道 开挖装置， 替代传统的人工开挖实验系 统， 实现隧道的分步开挖； 通过3D打印出隐伏溶 洞模具， 将水注入隐伏溶洞模具中， 通过低温处 理将隐伏溶洞模具中的水凝结成冰后埋置于物 理模型中， 对其四周的岩体形成有效支撑， 再通 过升温将隐伏溶洞内冰块的融化， 最后形成与实 际形状一致的、 具有一定压力水的隐伏溶洞； 通 过隧道模具内部的摄像头， 实现对隧道开挖全程 的实时影像采集； 通过前侧板与实验舱整体分 离， 实现对物理模型前侧面变形和破坏的直接观 测。 权利要求书3页 说明书6页 附图2页 CN 115096710 A 2022.09.23 CN 115096710 A 1.近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统， 其特征在于： 包括底座 (1)、 上横梁(2)、 立柱(3)、 实验舱、 导轨、 隧道开挖装置、 实验 控制系统； 所述底座(1)上对称固定设置有立柱(3)， 且立柱(3)一端插接设置在底座(1)中， 另一 端贯穿设置在上横梁(2)中， 组成反力框架。 2.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统， 其 特征在于： 所述实验舱由底板(4)、 前侧板(5)、 后侧板(6)、 左侧板(7)、 右侧板(8)和顶板(9) 组成； 实验舱底板(4)直接放置在底 座(1)上， 前侧板(5)和后侧板(6)对称设置在底座(1)的 其中一对称侧， 左侧板(7)和右侧 板(8)对称设置在底座(1)的另一对称侧； 前侧板(5)和后 侧板(6)中间位置对称设有隧道 开挖口(10)， 其形状可根据隧道实际形状进 行设置； 左侧板 (7)和右侧 板(8)上对称设有等距的安装槽， 用于安装侧向加载油缸(11)， 加载油缸上固定 安装有侧向加载压头， 侧向加载压头直接为 实验舱内的物理模 型提供侧向载荷； 顶板(9)由 居中、 对称、 等距固定设置， 连接有竖向加载油缸(12)的竖向加载压头组成， 竖向加载压头 直接为实验舱内的物理模 型提供竖向载荷； 竖向加载油缸(12)固定安装在上横梁(2)上； 在 对物理模型同时进行侧向和竖向加载过程中， 为了避免侧向加载压头和竖向加载压头相互 挤压， 竖向加载压头的左右方向尺寸要小于实验舱左右方向尺寸， 但为了提升实验舱整体 密封性， 在左侧板(7)和右侧板(8)内侧上方加装封闭挡板， 且通过螺栓固定在左侧板(7)和 右侧板(8)上。 3.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统， 其 特征在于： 所述导轨共有内外两组， 内导轨(13)用于实验舱的整体移动， 外导轨(14)用于实 验舱前侧板(5)的单独移动； 两组导轨皆对称固定设置在底 座(1)的两侧， 其中， 内导轨(13) 上设置有移动升降轮(15)， 移动升降轮(15)对称固定在实验舱底板(4)上， 需要将实验舱整 体移动时， 启动移动升降轮(15)上方的升降液压油缸， 将实验舱整体抬离底 座(1)三到五毫 米， 此时， 实验舱完全由移动升降轮(15)进行支撑， 启动水平推移液压油缸(16)， 依靠水平 推移液压油缸(16)的伸缩即可实现实验舱的整体水平移动； 外导轨(14)上设置有普通移动 轮(17)， 普通移动轮(17)对称固定在三角门架(18)的底端， 三角门架(18)通过螺栓固定在 前侧板(5)左右两侧， 物理模型实验完成后， 在不对物理模型破坏的情况下， 可通过移动普 通移动轮(17)带动前侧板(5)与实验舱分离， 从而实现对物理模型前侧面的直接观测； 为了 避免由于实验舱来回移动可能会产生的竖向加载过程中压头不对中的问题， 优选地， 在底 座(1)上设置限位器(19)用于实验舱的定位。 4.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统， 其 特征在于： 所述隧道 开挖装置包括移动底 座(20)、 液压伸缩油缸(21)和隧道模 具(22)； 所述 移动底座(201)底部对称设置有万向轮， 便于隧道 开挖装置位置的自由调整； 所述液压伸缩 油缸(21)水平固定在移动底座( 20)上方， 通过连接件与隧道模具( 22)相连接， 隧道模具 (22)与隧道开挖口(10)形状一致， 但较隧道开挖口(10)尺寸稍小， 隧道模具(22)可在液压 伸缩油缸(21)的牵引下自由进出； 所述隧道模具(22)内部中空， 摄像头可以从实验舱外部 伸入隧道开挖空间内部， 对隧道开挖全程进行实时影 像采集。 5.根据权利要求1所述的近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系统， 其 特征在于： 所述实验控制系统包括伺服系统和控制中心； 所述伺服加载系统包括载荷位移 双控伺服系统和水压水量双 控伺服系统； 载荷位移双控伺服系统可以实现载荷和位移的双权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115096710 A 2重控制， 竖向加载油缸(12)和侧向加载油缸(11)皆受载荷位移双控伺服系统控制， 对实验 舱内物理模型竖向和侧向提供载荷， 满足不同模拟环境的需要； 水压水量双控伺服系统可 以实现水压和水量的双重控制， 既可以为物理模型中的溶洞提供稳定的水流量补给， 也可 维持物理模型中的溶洞内恒定的水压力； 所述控制 中心可全程实现对伺服系统的自动控 制， 以及位移、 载荷、 水压力和水流量的实时监测与采集， 数据采集频率可根据实际需要自 行设置； 另外， 也可根据实验需要在物理模型内部增设孔隙水压力 传感器、 土压力传感器和 位移传感器等 监测元件。 6.一种如权利要求1 ‑5任意一项近隐伏溶洞隧道开挖围岩裂隙演化及突水灾变实验系 统的试验方法， 其特 征在于， 该实验方法包括以下步骤： S1： 依据地层综合柱状图及各地层的物 理力学测试结果， 获得各地层岩性、 厚度和物理 力学参数。 根据几何相似比和应力相似比， 确定模型中隧道和隐伏溶洞的几何尺寸和空间 位置， 以及各地层几何尺寸和相似材 料配比， 所述相似材 料为多种憎水性材 料的混合物； S2： 启动移动升降轮(15)上方的升降液压油缸， 将实验舱整体抬离底座(1)三到五毫 米， 启动水平推移液压油缸(16)， 将实验舱整体水平移出至反力框架外部， 而后关闭升降液 压油缸， 让实验舱回落至导轨之上， 使得实验舱及物理模型的重量由导轨承担， 提升其在模 型铺设过程中的安全性； S3： 在实验舱内， 采用相似材料对地层进行模型铺设； 基于隧道和隐伏溶洞的几何尺寸 和空间位置， 设计隧道模 具(22)和隐伏溶洞模 具的形状、 尺 寸和位置， 并在模型的铺设过程 中置于其中； 所述隐伏溶洞模具制作过程如下： 按照隐伏溶洞的形状和尺寸， 用3D打印机对 其进行复制， 复制完成的隐伏溶洞模具为薄壁空腔形式， 向模 具的空腔内注满水， 将其放置 于低温柜中凝结成冰， 去掉模具后的冰块呈现出与隐伏溶洞相同的形状和尺寸， 按照隐伏 溶洞的空间位置， 在模型 的铺设过程中置于其中， 同时外接一根可承压的水管至水压水量 双控伺服系统， 用于隐伏溶洞内水压和水量的调节； 隐伏溶洞形状的冰块对其四周的岩体 形成有效支撑， 避免了模型铺设过程中的坍塌； 为防止冰块的融化， 优选地， 模型铺设时的 温度应低于 0℃； S4： 启动移动升降轮(15)上方的升降液压油缸， 将完成模型铺设的实验舱整体抬离导 轨三到五毫米， 启动水平推移液压油缸(16)， 将实验舱整体水平移回至 反力框架内部， 而后 关闭升降液压油缸， 使实验舱回落至底座(1)之上； 启动载荷位移双控伺服系统， 对物理模 型施加预定竖向和侧向载荷， 模拟地层所处的原始应力环境； 为了降低因载荷加载而造成 的物理模型的破坏， 优选地， 竖向和 侧向载荷皆采用分级加载 方式进行； S5： 启动水压水量双控伺服系统， 对隐伏溶洞提供预定的水压力并维持不变， 而后将实 验舱所处环境温度调节至0℃以上， 以便于隐伏溶洞内冰块的融化， 待冰块完全融化后， 就 形成与实际形状一致的、 充满具有一定压力水的 隐伏溶洞， 此时， 隐伏溶洞中的带压水体对 其四周的岩体形成有效支撑； S6： 启动隧道开挖装置上的液压伸缩油缸(2 1)， 按照预定速度， 将隧道模具(22)从物理 模型中拖拽出来， 以此来模拟隧道的分步开挖， 与此同时， 通过从隧道模具(22)内部可以自 由进出和 转动的摄像头， 由实验舱外部伸入隧道开挖 空间内部， 实现对隧道开挖全程的实 时影像采集； S7： 随着隧道掌子面与隐伏溶洞距离的靠近， 隔水