隧道开挖模型箱测试系统

一、产品型号：HC-TEM-C

二、产品功能

隧道开挖模型箱测试系统 HC-TEM-C是一种通过动态模拟隧道开挖面失稳，测量得到隧道“掌子面”在不同土层组合及承压水条件下的地表位移、孔隙水压力以及土体变形等参数，以此建立起隧道-土体-地下水的关系。隧道开挖面稳定性模型箱主要应用于岩石工程盾构隧道超挖、欠挖以及地下水作用下开挖面前方土体基本力学性能研究。

试验模型整体以盾构隧道开挖面稳定性为研究对象，是一种采用动态采集设备对地表沉降、孔隙水压力、模型槽内力分布及对称面土体运动图像进行动态采集。以移动面板后退速率及位移为控制指标，可以研究不同工况下开挖面支护力、底层变形规律，并采用数字图像测量技术分析不同的支护板后退速率下开挖面失稳区域位移增量场、剪应变增量场。

三、结构组成

▪该设备采用闭环伺服控制，可以模拟渗流承压水条件下隧道开挖面失稳所致土体变形。系统包括模型隧道控制系统、水循环系统、图像拍摄系统、软件模块以及相应的阀门、管路。

▪模型箱的主体采用三面不锈钢板，箱体正面采用钢化玻璃可观察箱体内部。围压和反压控制采用自主研发的体积压强控制器。

▪模型隧道为不锈钢材料，开挖面板采用双层密封胶垫密封，通过伺服电机控制前进及后退。

▪水循环系统采用水泵、水箱及箱体底部有孔不锈钢板组成从而实现渗流及承压水模拟。

▪图像拍摄系统采用焦距8mm镜头，500万像素相机及8w激光器组成，保证相机可完全拍摄箱体及激光器可穿过相应厚度土体。

四、技术特点

1.图像采集：采用图像采集设备对地表沉降、孔隙水压力、模型槽内力分布及对称断面土体运动图像进行动态采集。

2.深度研究：以移动面板后退速率及位移为控制指标，研究不同工况下开挖面支护力、地层变形规律。

3.PIV分析：采用颗粒图像测速技术（PIV）分析不同支护板后退速率下开挖面失稳区域位移增量场、剪应变增量场等。

4.动态模拟：可通过试验动态模拟隧道开挖，研究开挖面失稳。

5.模拟 “掌子面”：可测量得到隧道“掌子面”在不同土层组合及承压水条件下的地表位移、孔隙水压力以及土体变形等数据，据此可研究隧土体与地下水的关系。

五、技术指标

1、模型箱体部分

1)  刚性箱正面为钢化玻璃面板，钢化度>4N/cm；

2)  模型箱左侧均匀设置不少于6个水压测量装置，精度≤0.1%。

2、供水装置

1) 水源输入供给可选用常水头和变水头可控流量供水两种方式；

2) 常水头可控流量供水采用双电磁阀控制，24v安全电压，直动式电磁阀，快速电磁阀流量口径不小于35mm，慢速精度控制电磁阀流量口径16mm。最大耐压力1.0Mpa；

3) 变水头可控流量供水采用220v电源，额定流量不小于2.5/h,扬程不低于50m；

3、隧道掘进模拟装置

1) 盾构机模拟器

l 往复行程不小于100mm；行进速度可控速率为0-350mm/min；

2 模拟器最大推力：≥10kN；推力测量范围：1～100%F.S；推力测量控制精度：≤±1%；

2）传动机构

l 丝杠需为进口品牌，保证刚度与精度，丝杠直径不小于12mm，丝杠导程5mm，丝杠精度C5级。导轨采用P级导轨

2 电机采用进口品牌伺服电机，功率不小于400W；减速机采用进口品牌，配合后扭矩不低于10N*M

4、量测系统

1) 孔隙水压力：测量范围0~50kpa或0~100kpa或0~300kpa可选；精度：≤1%；单个测量单元直径≤10毫米，厚度≤5毫米；使用环境温度：0~40度；布置数量≥12处

2) 位移传感器：测量范围≤0~30 mm；压力精度：≤0.2%；使用环境温度：0~40度

3) 差压传感器：测量范围≤0~10KPa；压力精度：≤0.3%；使用环境温度：0~40度

4) 拉压传感器：测量范围≤0~50Kg；压力精度：≤0.1%；使用环境温度：0~40度

5) 土压力传感器：压力测量范围0~50kpa或0~100kpa或0~300kpa可选；压力精度：不大于1%；使用环境温度：0~40度

5、盾构前端土体数字图像观测系统

1) 流场测速范围0-3m/s；分辨率：不低于500万像素；采样频率：不低于1Hz；

2) 测量控制区域范围：1-100mm；

6、模型箱控制系统

1) 模拟量数据采集通道不少于8路；分辨率12位；数据采集输入量程：±10V, ±5V, ±2.5V, ±1.25V，4-20ma等；

2) 高速脉冲输出不少于2路；输出频率可达100khz；

3) 具连续工作能力,连续工作时间不低于300小时；

7、数据采集与存储

1) 采用数据采集仪自带数据采集软件；采用通道不低于30路;

2) 航空铝合金外壳一体化结构，无需操作系统支持，将操作系统不稳定带来的风险降低为零；

六、试验软件

采用图像采集对地表沉降、孔隙水压力及断面土体进行动态采集；可进行多种工况下隧道开挖面稳定性试验：饱和土体隧道开挖面主/被动破坏模式，渗流条件下隧道开挖面主/被动破坏模式，不同渗流路径下隧道开挖面主/被动破坏模式。