(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 202210510302.8 (22)申请日 2022.05.11 (71)申请人 中铁十九局集团轨道交通工程有限 公司 地址 101300 北京市顺 义区林河大街16号2 幢 申请人 广东石油化工学院 (72)发明人 宋晓峰　李勇　孟宪彪　李健学　 张广　李建邦　李卓遥　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 专利代理师 赵红霞 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破 数值模拟装置 (57)摘要 本发明属于隧道工程试验技术领域， 尤其涉 及一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数 值模拟装置， 包括样品箱、 数据采集模块、 数据处 理模块、 数据存储模块、 信号传输模块、 人机交互 模块和主控模块； 样品箱用于对 上软下硬地层的 样品进行存放； 主控模块分别与数据采集模块、 数据处理模块、 数据存储模块、 信号传输模块和 人机交互模块连接， 用于对各个受控模块的运行 协调控制。 本发 明中的样品箱和外设的多个功能 模块便于组装实施， 通过数据采集模块可以对实 验过程的各项实验参数进行实时采集， 通过数据 处理模块可以进行实时的本地处理， 并可以利用 信号传输模块将检测数据传递到远程服务器进 行进一步处理， 保证检测结果的准确性。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114818079 A 2022.07.29 CN 114818079 A 1.一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在于， 所述上软下 硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置包括： 样品箱、 数据采集模块、 数据处理模块、 数据存储模块、 信号传输模块、 人机交互模块和 主控模块； 所述样品箱用于利用玻璃钢箱体对上 软下硬地层的样品进行存放； 所述主控模块分别与数据采集模块、 数据处理模块、 数据存储模块、 信号传输模块和人 机交互模块连接， 用于对各个受控 模块的运行协调控制； 所述数据采集模块用于利用设置在不同位置的多个传感器对模拟实验中的各项参数 进行采集； 所述数据处理模块用于接收数据采集模块采集的各项实验数据， 并对实验数据进行处 理分析； 所述数据存 储模块用于利用存 储硬盘对采集数据和处 理结果进行本地存 储； 所述信号传输模块用于利用信号传输器与远程服务器连接， 进行数据交互。 利用远程 服务器进行远程数据的处 理； 所述人机交互模块用于利用触摸显示屏进行人机交互， 对整体装置的工作状态和实验 数据进行查看。 2.如权利要求1所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述样品箱包括玻璃钢箱体和设置于玻璃钢箱体内的地层样品、 动力单元和爆破模拟 单元； 所述爆破模拟单元埋设在地层样品内部， 用于利用多个间隔设置的膨胀气囊对爆破状 态进行模拟； 所述动力单 元与爆破单 元连接， 用于利用空气炮为 膨胀气囊提高膨胀气压 。 3.如权利要求2所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述数据采集模块的多个传感器设置在样品箱内部， 包括： 动能检测单 元， 与空气炮连接， 用于对空气炮的输出气压的压力值进行检测； 变形压力检测单元， 设置在地层样品内部， 用于对地层样品的不同位置的受挤压力度 进行检测。 4.如权利要求2所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述玻璃钢箱体设置有相互连接的底板、 侧板、 肋板和挡板， 玻璃钢箱体内设有模型衬 砌， 所述模型衬砌的一端与挡板相接触。 5.如权利要求4所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述肋板呈直角三角形， 且长直角边长与侧板的宽度一致； 所述肋板的短直角边和长直 角边分别与底板和 侧板的外侧粘结。 6.如权利要求2所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述空气炮通过输气管与多个膨胀气囊连接， 所述输气管为一橡胶总 管分叉为多个支 管的圆管， 支管 数量等于膨胀气囊数量。 7.如权利要求1所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述数据 处理模块对实验数据进行处理分析时， 利用爆破沉降横向预测公式对实验数 据进行处 理， 所述爆破沉降横向预测公式为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114818079 A 2式中： s(x， y)为距离样品箱轴线一定距离位置的地层样品受挤压力度； Smax为样品箱轴 线处的地层样品受挤压力度； x为距离样品箱轴线的距离； Vs为单位长度地层损失量； i为样 品箱的宽度系数； φ为隧道周围土体的内摩擦角。 8.如权利要求1所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述远程服务器通过对比不同参数爆破的实验数据来探究隧道围岩的变形和破坏情 况， 对比情况总结出隧道处于不同开挖深度的应力变化规律、 变形情况、 剪力变化情况， 对 实际的工程隧道开挖加以分析， 综合 提出合理的结论和建议。 9.如权利要求8所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置， 其特征在 于， 所述远程 服务器的工作流 程为： 步骤一， 模型的数值模拟： 利用FLAC3D软件基于实际地层采集情况进行建模并进行简 化； 步骤二， 模拟地层隧道岩层参数： 设置各岩层参数指标； 步骤三， 数值模型计算参数： FLAC3D中的模型在弹性范围内都由两个弹性常量来进行 描述， 即体积模量K和 切变模量G在FLAC 3D中， 用常量K和G， 关系如下： K＝E(1‑2v) G＝E/2(1+2v)， 其中E为弹性模量， v为泊松比； 步骤四， 边界条件： 对边界施加给定位移， 指定速率v； 使用AP ‑PLY、 FIX和FREE命令对已 有模型的位移进行控制。 步骤五， 爆破参数模拟传输： 基于上一次的监测点的参数模型求解， 确定本次的爆破参 数的数据， 传输 到本地的数据管理系统。 10.根据权利要求9所述的上软下硬地层盾构隧道微差控制 爆破数值模拟装置， 其特征 在于， 所述模型的数值模拟， 模 型特点隧道采用直墙 半圆拱的形式， 简化后的隧道上部为软 弱岩层， 隧道 底部为坚硬岩层， 两地层之间的夹角为0 °。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114818079 A 3