隧道环境量化模拟系统及方法与流程

本发明涉及隧道模拟试验，尤其涉及隧道环境量化模拟系统及方法。

背景技术：

随着国家加大基础设施建设力度，规模不断增大，建设难度也不断加大，很多地方由于地理位置的原因，隧道建设占有很大比重。同时我国地下空间开发利用正在向现代化、科学化的方向发展。

在隧道实际建设过程中，需要对隧道掌子面的结构面及前方地质结构作出预测，人工预测会浪费大量的人力、财力、物力，这就需要进一步对掌子面摄像扫描设备进行研发改进。同时掌子面摄像扫描设备对隧道环境因素敏感性较大，通过测试摄像扫描设备对环境因素敏感程度，有利于改进设备性能及实用性，解放人力物力，隧道内施工工序紧密，不利于进行长时间测试。所以构建隧道环境量化模拟系统是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种隧道环境量化模拟系统，该系统便于模拟隧道内环境特征，获取摄像、扫描设备敏感性参数，从而指导隧道结构面采集设备配件选型及相关参数调整，以提高研发设备的可靠性及实用性。掌子面的便于更替可实现模拟隧道开挖、探测等，满足更多模拟隧道内实验需求，并可节约占用实际隧道现场施工时间。

还提供了隧道环境量化模拟系统的使用方法，通过对隧道环境的模拟，得出摄像扫描试验装置与隧道内试验环境的关系。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道环境量化模拟系统，包括：

模拟隧道，模拟隧道内一侧设置掌子面模拟面，该掌子面模拟面可更换；

用于获取隧道掌子面模拟面图像的摄像扫描试验装置，设于模拟隧道内；

摄像扫描试验装置固定于一个摄像扫描试验平台，摄像扫描试验装置为数码相机或者成像仪或者激光扫描仪，这些装置应调整选型及相关参数，以更加适合隧道环境应用，摄像扫描试验装置对掌子面的原始地质信息进行保存，以便后期对隧道掌子面围岩结构面信息进行分析处理；

用于模拟并可调节环境参数的环境调节装置，该装置设于模拟隧道内；

控制装置，设于模拟隧道内，该装置与所述的摄像扫描试验装置和环境调节装置分别单独连接，控制装置为可编程控制器。

进一步地，还包括用于采集环境参数数据的数据采集装置，通过数据采集装置采集的数据向控制装置传送这些数据，以便控制装置控制环境调节装置的动作，数据采集装置包括水汽湿度检测仪器以及粉尘浓度传感器以检测模拟隧道内的湿度与粉尘的浓度，所述环境调节装置包括亮度调节单元、湿度调节单元和粉尘调节单元。

粉尘调节单元，包括装载平台，装载平台表面上设有旋转机构，

粉尘喷射器，粉尘喷射器的高度可调；

粉尘喷射器包括粉尘罩，粉尘罩的入口通过输粉管与供粉机构连接，供粉机构与压缩空气动力源连接，在粉尘罩出口处设有抽吸部，粉尘罩通过固定架固定于旋转机构上，旋转机构的设置可调节固定架转动的角度，从而控制吹动的方向。

为了更好模拟隧道工程中实际情况，采用本发明的隧道粉尘模拟系统，使得粉尘罩喷射面朝向隧道的作业面，作业面为开挖隧道不断向前推进的工作面，包括有边墙面、拱顶面和掌子面，可以调整粉尘喷射方向，满足现场施工环境，从而控制粉尘流动路径，更加符合隧道喷锚支护工序，使隧道粉尘模拟更加真实效果。

进一步地，为了更好的喷射，所述粉尘罩呈锥形，粉尘罩一端部尺寸大于另一端部的尺寸。

进一步地，所述抽吸部为设于粉尘罩尺寸大的端部的导流叶轮，并布设钢丝罩覆盖粉尘出口处，导流叶轮的叶片可双向转动，并能调节导流叶轮的转速实现不同浓度的粉尘喷射，转速快的情况下可快速实现粉尘浓度迅速达到某个值，可根据实际爆破能达到的粉尘效果，来选择导流叶轮的速度大小。

导流叶轮只需简单动力系统，如电机启动，基本原理与风扇叶旋转相同，控制器与旋转电机连接，控制器控制旋转电机的旋转，进而带动导流叶轮的旋转。

双向转动是根据隧道实际情况，隧道内实际控制粉尘的产生可能是因为爆破等隧道内内部环境产生，另外有可能是从隧道外侧进入到内部的，为了更真实的实现模拟，导流叶轮最好是可双向转动，旋转电机反转即可实现导流叶轮向相反方向旋转。

进一步地，所述粉尘喷射器一端通过所述的固定架固定于所述的旋转机构，另一端与旋转机构之间设置千斤顶实现粉尘喷射器喷射高度可调。

进一步地，所述旋转机构为外壳包覆而设置在所述装载平台上的轴承。

进一步地，所述供粉机构内装有人工粉尘，人工粉尘包括矿物性粉尘、游离二氧化硅粉尘和水泥，矿物性粉尘用来模拟隧道掌子面爆破产生的粉尘，游离二氧化硅粉尘、水泥用来模拟喷射混凝土工序产生的粉尘。

隧道粉尘来源也包括原始粉尘，及在开采前因地质作用和地质变化等原因而生成的粉尘，存在于岩体的层理、节理和裂隙中；除此之外，工艺粉尘亦是隧道粉尘的主要来源之一，即岩体在钻孔、弃碴装运、排险过程中受摩擦、碰撞、挤压等作用而产生的粉尘；在喷射混凝土施工中，高压气流吹出水泥和细沙也会产生大量粉尘；本发明中基于真实环境及以上粉尘产生的机理，选择合适的人工粉尘，更好的实现对隧道工程中的粉尘模拟。

进一步地，在所述装载平台的底部设置移动机构，装载平台带有四个车轮，保证运输过程中的平衡，实现粉尘喷射的自由移动，提高其灵活性。

进一步地，所述旋转机构为旋转电机，隧道粉尘模拟系统还包括控制器，控制器与旋转电机、抽吸部分别单独连接，旋转机构能够水平360度旋转，调节导流叶轮水平面上转动的角度，从而控制粉尘模拟系统吹动的方向和面积大小。

进一步地，在所述的粉尘罩内设有喷嘴，喷嘴与所述的输粉管连接。

进一步地，所述亮度调节单元包括发光部件，发光部件与功率开关连接。

进一步地，所述湿度调节单元包括加湿器装置和与加湿器装置连接的可调节大小的湿度调节器。

隧道环境量化模拟系统的使用方法，具体步骤如下：

1)在模拟隧道开挖、探测试验时，更换具有不同地质特征的掌子面模拟面；

2)数据采集装置实时监测获取环境特征参数并反馈给控制装置，在无数据采集装置的情况下，由人工通过控制装置调节环境调节装置；

3)控制装置通过环境调节装置实现对模拟隧道内环境特征参数进行调节，达到模拟真实隧道不同施工阶段的环境效果；

4)控制装置控制图像采集装置采集掌子面的特征数据，并通过分析测试设备分析摄像扫描试验装置对隧道内不同环境特征参数的敏感度。

采用上述的方法，数据采集装置将采集的相关数据发送给控制装置，在此过程中分析摄像扫描试验装置对不同环境的敏感度，从而在后续的实际工程中，根据水汽浓度、粉尘浓度等具体环境选择合适的摄影设备(配件选型及参数选择)，同时，粉尘的模拟环境进一步使得上述的试验结果进一步符合实际工程，提高了摄像扫描试验装置对复杂环境敏感度测量的准确性。

本发明的有益效果是：

1.通过模拟隧道真实环境特征，并通过各装置实现在隧道施工时，各环境参数的模拟，可获取数码相机、成像仪和激光扫描仪等对隧道内不同环境特征参数的敏感度，对提高实际施工环境中设备的可靠性具有指导意义；

2.掌子面模拟面可更换，实现不同地质隧道开挖与探测的模拟，满足更多模拟隧道内实验需求，节约占用实际隧道现场施工时间，从而节约隧道施工过程中的财力物力资源；

3.本发明根据隧道内真实环境及粉尘产生机理，人工模拟隧道粉尘，能够配制粉尘级配和粉尘粒径，并方便实现对隧道内粉尘浓度的调节。

4.本发明通过旋转机构以及千斤顶的设置，可以水平360度调节粉尘喷射方向，竖直仰角最大可到某一角度，适应性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明粉尘调节单元示意图；

图中1.控制装置；2.摄像扫描试验平台；3.人工粉尘；4.亮度调节单元；5.湿度调节单元；6.粉尘调节单元；7.掌子面模拟面，8.供粉机构；9.输粉管；10.粉尘罩；11.保护罩；12.导流叶轮；13.旋转机构；14.液压千斤顶；15.固定架；16.装载平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

隧道环境量化模拟系统，包括：

模拟隧道，模拟隧道内一侧设置掌子面模拟面7；

摄像扫描试验平台2，设于模拟隧道内，在该平台安装数码相机、成像仪和激光扫描仪；

用于检测环境参数的环境调节装置，设于模拟隧道内；

控制装置1，控制装置控制整个实验平台及实验数据储存，设于模拟隧道内，该装置与所述的数码相机、成像仪、激光扫描仪和环境调节装置分别单独连接。

进一步地，所述亮度调节单元包括发光部件，发光部件与功率开关连接，发光部件与功率开关连接，亮度调节单元可以调节模拟系统亮度，模拟隧道内不同阶段的亮度，测试分析扫描实验装置在不同亮度条件下获取掌子面图像的效果。

进一步地，所述湿度调节单元包括可调节大小的湿度调节器。

粉尘调节单元6由人工粉尘3、供粉机构8、输粉管9、粉尘罩10、保护罩11、导流叶轮12、旋转机构13、液压千斤顶14、固定架15、装载平台16组成。根据隧道内真实环境及粉尘产生机理，人工模拟隧道粉尘，不仅可以配制粉尘级配，调节粉尘粒径，还可以通过自带导流叶轮12旋转带动空气流动，调节粉尘浓度分布；同时旋转机构13和液压千金顶8可以调节粉尘罩10方向，从而控制粉尘流动路径，更加符合隧道喷锚支护工序，使隧道粉尘模拟更加真实效果。

所述人工粉尘1包括矿物性粉尘、游离二氧化硅粉尘和水泥等，矿物性粉尘用来模拟隧道掌子面爆破产生的粉尘，游离二氧化硅粉尘、水泥用来模拟喷射混凝土工序产生的粉尘。模拟过程中，可根据试验需要进行人工粉尘预配比；

所述供粉机构8具有存储人工粉尘1功能，采用防静电材料制成，可实现多次填装；

所述输粉管9可将供粉机构8内的人工粉尘1运输至粉尘罩10内；

所述粉尘罩10是通过把人工粉尘1在高压下经导管供给喷嘴产生的，在供粉机构中，人工粉末1处在一种流化的状态，这是通过压缩空气的作用而实现的，之后粉末通过虹吸作用被高速流动的气流带着，形成粉气混合，经过输粉管9，最终到达喷嘴上，并且分别调整粉末和空气比例，改变出粉量，实现浓度调节，调整二者比例的原理是：供粉机构与喷射式空气压缩机相连，利用高速喷射流气体，带动粉尘进入输粉管，通过气体速度控制粉尘浓度，气体速度越大，粉尘浓度越高。

所述粉尘罩尺寸大的端部设置导流叶轮12，并布设钢丝罩作为保护罩11覆盖该端部，所述保护罩11为网状钢丝罩，防止导流叶轮12高速转动下打伤操作人员，具有保护作用；

所述导流叶轮12由转轮和具有一定偏转弧度的叶片组成，导流叶轮12与粉尘喷射器7同轴，叶片可双向转动，控制气压高低，可吹动粉尘罩10所喷射出的粉尘，并能调节其转速，根据工程实际模拟粉尘喷射的初速度；

所述旋转机构13能够水平360度旋转，调节导流叶轮12水平面上转动的角度，从而控制吹动的方向和面积大小；

液压千斤顶倾斜设置，一端与旋转机构的外壳固定，另一端与粉尘罩10的底部固定，所述液压千金顶8可以自由缩动，调节粉尘罩10的仰起角度，控制竖直面的粉尘喷射方向；

所述固定架15与粉尘罩10固定装置，如图2所示；

所述装载平台16带有四个车轮，保证运输过程中的平衡，实现粉尘喷射的自由移动，提高其灵活性；

使用该装置时，粉尘罩10尺寸大的一端朝向作业面设置，作业面为开挖隧道不断向前推进的工作面，包括有边墙面、拱顶面和掌子面。

一种隧道环境量化模拟系统的使用方法，包括以下步骤：

1)计算机控制装置控制可替换式掌子面模拟面更换适合试验条件的具有真实掌子面特征的模拟掌子面；

2)环境调节装置实时监测获取室内不同环境特征参数，反馈至计算机控制装置；

3)计算机控制装置根据反馈环境特征参数控制环境调节系统对光照强度、水汽湿度、粉尘浓度等进行调节，达到模拟真实隧道不同施工阶段环境效果；

4)各环境特征满足后，计算机控制系统操作室内摄像、扫描试验平台采集掌子面特征数据，并通过分析测试设备分析数码相机、成像仪和激光扫描仪对隧道内不同环境特征参数的敏感度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。