[发明专利]一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法

说明书

本发明提供一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法，涉及深部工程科学技术领域。首先通过工程现场完整岩体及岩体结构试样及工程原型与室内模型间的相似比，确定完整岩体与岩体结构相似材料的物理、力学参数，选取胶结剂；并开展不同材料配比与3D打印参数下的小尺度3D打印试验，确定满足预设物理、力学参数指标的完整岩体与岩体结构3D打印相似材料配比及3D打印参数；再建立完整岩体和岩体结构的三维数字模型并规划打印路径，确定打印喷头的孔径、数量及组合形式；将完整岩体及岩体结构相似材料输送至各打印喷头，在3D打印智能耦合控制系统控制下，各打印喷头按规划生成的打印路径行走，完成打印；最后对模型打印效果进行检测。

技术领域

本发明涉及深部工程科学技术领域，尤其涉及一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法。

背景技术

随着全球范围内地下工程建设与能源、资源开发不断向深部发展，且工程规模不断增大，工程建设与运营所面临的地质条件日趋复杂，由此诱发的各类工程地质灾害频繁，严重威胁着人员设备安全和施工进度。

地质模型试验方法是在实验室内对工程开展过程进行缩尺还原试验，再现工程地质灾害的发生过程，借助多元信息监测手段，能够比较全面、真实地模拟人类工程活动影响下的复杂结构岩体变形、破裂演化过程，进而有效地揭示工程地质灾害的孕育与发生机理，是深部工程科学问题研究的重要手段。

地质模型试验成功开展的基础在于地质模型的精准制作，关键在于将现场复杂的工程地质条件合理概化到室内地质模型中。当前，大型地质模型的制作主要采用浇筑法、分层夯实法以及块体堆砌法等人工制作方法。实际工程中，绝大部分地质体发育有断层、褶皱、节理、裂隙等不同类型、不同尺度的岩体结构面，而上述传统的模型制作方法仅能制备均质或层状地层等简单地质条件的模型，无法满足深部复杂工程地质模型精准制作的实际需求。

近年来，3D打印技术的兴起使得制作复杂结构三维模型成为现实。3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用离散性材料(丝状、液体、粉末等)逐层堆叠累积的方式来构造三维实体的技术。目前，常用于地质体3D成型的工艺主要有粉末黏结成型、立体光固化成型和熔融沉积成型。虽然三种打印技术为复杂地质模型制作提供了新的思路，但均无法与由骨料、胶结剂及水等组成的岩土类相似材料兼容，无法适用于大型地质模型的3D成型。如，专利[CN 110398400 A]一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，仅实现了圆柱试样的3D打印，试样尺度较小，为厘米级。此外，该方法并非使用岩土类相似材料，导致试样力学性质与岩石或岩体有本质区别。专利[CN108638289A]一种大型复杂地质物理模型3D成型系统设计了一套大型复杂地质物理模型3D成型机，但未涉及复杂工程地质模型3D精细打印流程与方法。综上所述，在大型三维深部复杂工程地质模型3D打印方面：1)缺少基于3D打印技术的地质模型相似材料制备方法，特别是针对深部工程岩体高强度、高脆性、脆-延转换等力学特性，以及3D成型工艺对材料性能的要求。未探究打印参数对材料成型后物理力学性质的影响，无法评估3D成型工艺对模型性能的调控。2)缺少3D打印过程的智能控制方法，相似材料流速、喷头行走速度、供料系统温度等无法精准控制。多喷头协同工作、打印路径智能规划及传感设备的精准同步预埋等尚未涉及，进而导致无法实现大型地质模型复杂岩体结构的精细化3D打印。3)缺少系统的大型3D打印地质模型检测与评价方法，无法完成模型内部结构的打印效果，及打印模型体物理、力学性质的检测与评价等工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法,依据原岩及岩体结构的物理力学性质选择合适的打印材料，通过打印喷头逐层挤出沉积成型，实现大型三维深部复杂工程地质模型的3D打印精准制作。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法，包括地质模型相似材料制备、模型3D打印及模型打印效果检测三部分；

所述地质模型相似材料制备的具体方法为：