一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)利用氣壓控制容器向水壓控制容器加載氣壓P'，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內(nèi)加水壓P，進而模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。在較小范圍內(nèi)確保水袋內(nèi)壓力精確量化，氣壓控制容器的引入提供了利于試驗過程的逐步加壓操作，可以實現(xiàn)較大水壓有壓溶腔的模擬；通過氣壓控制容器壓力的合理設(shè)置，在滿足水袋內(nèi)水壓達到溶腔內(nèi)水壓的前提下，有效地減少了水壓容器的放置高度，彌補了單純利用水壓模擬通過水桶高度控制水壓造成模擬范圍有限且可操作性差的缺陷。
【專利說明】一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種隧道開挖模型試驗溶洞模擬系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種用于模擬 隧道開挖模型試驗中有壓溶腔的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的開展實施和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，在巖溶分布廣泛的 地區(qū)修建公路及鐵路隧道將不可避免。巖溶對隧道開挖的影響主要包括隧道基底、洞穴頂 板塌陷，隧道遇地下洞穴時的懸空，隧道頂部溶洞充填物的塌陷，巖溶水大量涌向隧道，容 易使隧道產(chǎn)生突泥、涌水、坍塌，地下水位下降、造成地表沉陷，影響周圍環(huán)境。在開挖中未 揭露出來的溶洞因工程未能事先采取安全措施，易遭受到猝不及防的破壞，對隧道施工危 害性大。
[0003] 在現(xiàn)有隧道開挖模型試驗中，針對巖溶地區(qū)溶洞的模擬，主要有以下幾種方法：空 洞法、水袋法和氣囊法?？斩捶ㄊ窃趯嶒?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中將橡皮囊沖氣后預(yù)置溶洞的相應(yīng) 位置直至模型凝固，在開始加載實驗前將橡皮囊中的氣體排除，使其在模型中形成巖溶空 腔；水袋法是在模型中放置一水袋，水袋通過水管與水桶相連，通過控制水桶的高度來控制 水袋內(nèi)的水壓，實現(xiàn)有壓溶腔的模擬；氣囊模擬的具體方法是在模型內(nèi)放置氣囊，通過導(dǎo)管 將氣囊與氣壓計相連，利用氣壓計來控制氣囊內(nèi)氣壓從而實現(xiàn)有壓溶腔的模擬。
[0004] 以上方法雖然能夠粗略地模擬巖溶區(qū)域的溶腔，但存在不同的缺陷：空洞法僅可 以模擬無壓溶洞，應(yīng)用范圍狹窄；水袋法通過控制水桶的高度來實現(xiàn)對溶腔內(nèi)水壓力的控 制，當(dāng)溶腔內(nèi)壓力較大時需要較大的高度，不容易實現(xiàn)操作；氣囊法由于氣密性不容易控 制，且氣囊本身的彈力會抵消掉一部分氣體壓力，導(dǎo)致氣囊對模型的壓力偏小。上述方法各 自存在缺點，可操作性差，不能實現(xiàn)方便精確地模擬有壓溶腔。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種隧道開挖模型試驗中有壓溶腔的模擬系統(tǒng)和方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0007] -種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，利用氣壓控制容器向水壓控 制容器加載氣壓P，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內(nèi)加水壓P，進而模擬不同水 壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
[0008] 所述用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，包括氣壓控制容器（1)、水壓 控制容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控制容器（1)內(nèi)裝滿高 壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過導(dǎo)氣管（3)連接到水 壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器（6)下部充滿水，水 壓控制容器（6)上部與導(dǎo)氣管（3)連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，用于測出水壓控制容器 (6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側(cè)壁標(biāo)有刻度，且（0)刻度處對應(yīng)導(dǎo)水管（7)中心， 便于準(zhǔn)確讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導(dǎo)水管（7)連接到水袋（8)，水袋（8) 及導(dǎo)水管（7)在埋設(shè)圍巖相似材料（12)時預(yù)埋在試驗臺架（13)中，水袋⑶內(nèi)放置模擬 溶腔形狀的鋼筋網(wǎng)骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積略大于鋼筋網(wǎng)骨架（9) 外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導(dǎo)氣管（3)向水壓控制容器（6)中 加載氣壓，致使水壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連接在水壓 控制容器（6)下部的導(dǎo)水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數(shù)控制氣壓控制容器（1) 按照設(shè)計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器￠)內(nèi)部水面高度與 氣壓計（5)讀數(shù)計算出水袋⑶內(nèi)水壓P :
[0009] P = P，+ γ (h-H)，
[0010] P------水袋內(nèi)水壓；
[0011] P'------氣壓計讀數(shù)；
[0012] Y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0013] h------液面至水壓控制容器導(dǎo)水管中心的高度；
[0014] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導(dǎo)水管中心高度；
[0015] 在設(shè)定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不 發(fā)生坍塌繼續(xù)加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各 種參數(shù)，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數(shù)。
[0016] 一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的方法，利用氣壓控制容器向水壓控 制容器加載氣壓Ρ，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內(nèi)加水壓Ρ，進而模擬不同水 壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
[0017] 所述的方法，采用模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氣壓控制容器（1)、水壓控制 容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控制容器⑴內(nèi)裝滿高壓壓縮 氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過導(dǎo)氣管（3)連接到水壓控制 容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器（6)下部充滿水，水壓控制 容器（6)上部與導(dǎo)氣管連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，便于測出水壓控制容器（6)上部氣 體壓強；水壓控制容器（6)側(cè)壁標(biāo)有刻度，且（0)刻度處對應(yīng)導(dǎo)水管（7)中心，便于讀出液 面高度；水壓控制容器（6)下部通過導(dǎo)水管（7)連接到水袋（8)，水袋（8)及導(dǎo)水管（7)在 埋設(shè)圍巖相似材料（12)時預(yù)埋在試驗臺架（13)中，水袋（8)內(nèi)放置模擬溶腔形狀的鋼筋 網(wǎng)骨架（9)，水袋⑶采用乳膠制成，水袋⑶體積略大于鋼筋網(wǎng)骨架（9)外輪廓體積；通過 閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導(dǎo)氣管（3)向水壓控制容器（6)中加載氣壓，致使水 壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連接在水壓控制容器（6)下 部的導(dǎo)水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數(shù)控制氣壓控制容器（1)按照設(shè)計梯度 逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器￠)內(nèi)部水面高度與氣壓計（5)讀 數(shù)計算出水袋（8)內(nèi)水壓P:
[0018] P = P; + y (h-H),
[0019] P------水袋內(nèi)水壓；
[0020] P/ ------氣壓計讀數(shù)；
[0021] Y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0022] h------液面至水壓控制容器導(dǎo)水管中心的高度；
[0023] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導(dǎo)水管中心高度；
[0024] 在設(shè)定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不 發(fā)生坍塌繼續(xù)加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各 種參數(shù)，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數(shù)。
[0025] 本發(fā)明所述模型試驗的使用方法為：
[0026] A、安裝裝置：按照相似理論在試驗臺架內(nèi)埋設(shè)模型相似材料，埋設(shè)圍巖相似材料 時在擬定溶腔位置預(yù)埋水袋及其內(nèi)部鋼筋網(wǎng)骨架，導(dǎo)水管。從實驗臺架引出導(dǎo)水管并連接 到水壓控制容器下部。水壓控制容器上部連接導(dǎo)氣管，另一端與氣壓控制容器相連。
[0027] B、檢驗氣密性：裝置安裝完畢后通過氣壓控制容器向水壓控制容器內(nèi)部加壓，力口 載后記錄氣壓計讀數(shù)和水壓控制容器內(nèi)部液面讀數(shù)。此時關(guān)閉導(dǎo)氣管上閥門和氣壓控制裝 置閥門靜置10分鐘，觀察氣壓計讀數(shù)和水壓控制容器內(nèi)液面是否回升，若不變，則氣密性 良好；否則，重新安裝裝置。
[0028] C、實驗過程：通過設(shè)定一定水壓的溶腔，在定水壓下開挖隧道，直至隧道開挖完 成，監(jiān)測圍巖相似材料及支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)；然后按照設(shè)定梯度逐步加大水壓，直至土體 坍塌；記錄土體坍塌時的氣壓計讀數(shù)。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0030] 1、本發(fā)明利用連通器原理，可以在較小范圍內(nèi)確保水袋內(nèi)壓力精確量化，氣壓控 制容器的引入提供了利于試驗過程的逐步加壓操作，可以實現(xiàn)較大水壓有壓溶腔的模擬；
[0031] 2、通過氣壓控制容器壓力的合理設(shè)置，在滿足水袋內(nèi)水壓達到溶腔內(nèi)水壓的前提 下，有效地減少了水壓容器的放置高度，彌補了單純利用水壓模擬通過水桶高度控制水壓 造成模擬范圍有限且可操作性差的缺陷；
[0032] 3、本發(fā)明通過選取乳膠材料且體積略大于鋼筋網(wǎng)骨架表面積的水袋決了氣囊本 身彈力抵消氣體壓力后，造成作用于圍巖相似材料壓力偏小的誤差，解決了試驗臺架內(nèi)部 氣囊及導(dǎo)氣管氣密性不易保證的缺陷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明所述有壓溶腔模擬裝置結(jié)構(gòu)正視圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明所述有壓溶腔模擬裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明所述水壓控制容器構(gòu)造圖。
[0036] 其中，1.氣壓控制容器；2.氣壓控制容器閥門；3導(dǎo)氣管；4.導(dǎo)氣管閥門；5.氣壓 計；6.水壓控制容器；7.導(dǎo)水管；8.水袋；9.鋼筋網(wǎng)骨架；10.隧道；11. 25號加筋槽鋼； 12.圍巖相似材料；13.試驗臺架；14.砼墻；15.工字鋼。

【具體實施方式】
[0037] 以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0038] 如圖1和圖2所示，用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)包括氣壓控制 容器1、水壓控制容器6、水袋8、圍巖相似材料12、試驗臺架13 ;氣壓控制容器1內(nèi)裝滿高 壓壓縮氣體，氣壓控制容器1連接閥門2,氣壓控制容器1通過導(dǎo)氣管3連接到水壓控制容 器6頂部，水壓控制容器6頂部充滿氣體，水壓控制容器6下部充滿水，水壓控制容器6上 部與導(dǎo)氣管連通，并在頂部安裝氣壓計5,便于測出水壓控制容器6上部氣體壓強；水壓控 制容器6側(cè)壁標(biāo)有刻度，且0刻度處對應(yīng)導(dǎo)水管7中心，便于讀出液面高度；水壓控制容器 6下部通過導(dǎo)水管7連接到水袋8,水袋8及導(dǎo)水管7在埋設(shè)圍巖相似材料12時預(yù)埋在試 驗臺架13中，水袋8內(nèi)放置模擬溶腔形狀的鋼筋網(wǎng)骨架9。
[0039] 實驗過程中，通過閥門2控制高壓氣體流速，逐步通過導(dǎo)氣管3向水壓控制容器6 中加載氣壓，致使水壓控制容器6中氣壓增大，將水壓控制容器6中的水通過連接在水壓控 制容器6下部的導(dǎo)水管7壓入水袋8。通過氣壓計5讀數(shù)控制氣壓控制容器1按照設(shè)計梯 度逐步向水壓控制容器6加載氣壓。讀出水壓控制容器6內(nèi)部水面高度與氣壓計5讀數(shù)計 算出水袋8內(nèi)水壓Ρ :
[0040] P = Ρ，+ γ (h-H)，
[0041] P------水袋內(nèi)水壓；
[0042] P'------氣壓計讀數(shù)；
[0043] y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0044] h------液面至水壓控制容器導(dǎo)水管中心的高度；
[0045] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導(dǎo)水管中心高度；
[0046] 在設(shè)定固定的水壓下開挖隧道10,直至開挖完成后。若開挖過程中隧道10不發(fā)生 坍塌繼續(xù)加大水壓，直至隧道10坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料12位移及各種參數(shù)， 記錄隧道坍塌時氣壓計5讀數(shù)。
[0047] 利用所述模擬有壓溶腔裝置進行巖溶地質(zhì)隧道開挖模型試驗，具體實施步驟是：
[0048] Α、安裝裝置：按照相似理論在試驗臺架13內(nèi)埋設(shè)圍巖相似材料12,埋設(shè)圍巖相似 材料時在擬定溶腔位置預(yù)埋水袋8及其內(nèi)部鋼筋網(wǎng)骨架9,導(dǎo)水管7。從實驗臺架引出導(dǎo)水 管7并連接到水壓控制容器6下部。水壓控制容器6上部連接導(dǎo)氣管3,另一端與氣壓控制 容器1相連。
[0049] Β、檢驗氣密性：裝置安裝完畢后通過氣壓控制容器1向水壓控制容器6內(nèi)部加壓， 加載后記錄氣壓計5讀數(shù)和水壓控制容器6內(nèi)部液面讀數(shù)。此時關(guān)閉導(dǎo)氣管上閥門4和氣 壓控制裝置閥門2靜置10分鐘，觀察氣壓計5讀數(shù)和水壓控制容器6內(nèi)液面是否回升，若 不變，則氣密性良好；否則，重新安裝裝置。
[0050] C、實驗過程：通過設(shè)定一定水壓的水袋8,在設(shè)定水壓下開挖隧道10,直至隧道8 開挖完成，監(jiān)測圍巖相似材料12及支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)；然后按照設(shè)定梯度逐步加大水 壓，直至土體坍塌；記錄土體坍塌時的氣壓計5讀數(shù)。
[0051] 應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，其特征在于，利用氣壓控制容 器向水壓控制容器加載氣壓W，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內(nèi)加水壓P，進而 模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，其特征在于， 包括氣壓控制容器（1)、水壓控制容器￠)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13); 氣壓控制容器（1)內(nèi)裝滿高壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器 (1)通過導(dǎo)氣管（3)連接到水壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓 控制容器（6)下部充滿水，水壓控制容器（6)上部與導(dǎo)氣管（3)連通，并在頂部安裝氣壓計 (5) ，用于測出水壓控制容器（6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側(cè)壁標(biāo)有刻度，且（0)刻 度處對應(yīng)導(dǎo)水管（7)中心，便于準(zhǔn)確讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導(dǎo)水管（7) 連接到水袋（8)，水袋（8)及導(dǎo)水管（7)在埋設(shè)圍巖相似材料（12)時預(yù)埋在試驗臺架（13) 中，水袋（8)內(nèi)放置模擬溶腔形狀的鋼筋網(wǎng)骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積 略大于鋼筋網(wǎng)骨架（9)外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導(dǎo)氣管（3) 向水壓控制容器￠)中加載氣壓，致使水壓控制容器￠)中氣壓增大，將水壓控制容器（6) 中的水通過連接在水壓控制容器（6)下部的導(dǎo)水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀 數(shù)控制氣壓控制容器（1)按照設(shè)計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制 容器￠)內(nèi)部水面高度與氣壓計（5)讀數(shù)計算出水袋（8)內(nèi)水壓P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋內(nèi)水壓； P'------氣壓計讀數(shù)； y-------水的重度，即單位體積水的重量； h------液面至水壓控制容器導(dǎo)水管中心的高度； Η------水袋中心至水壓控制容器下部導(dǎo)水管中心高度； 在設(shè)定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不發(fā)生 坍塌繼續(xù)加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各種參 數(shù)，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數(shù)。
3. -種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的方法，其特征在于，利用氣壓控制容 器向水壓控制容器加載氣壓W，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內(nèi)加水壓Ρ，進而 模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，采用模擬有壓溶腔的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氣 壓控制容器（1)、水壓控制容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控 制容器（1)內(nèi)裝滿高壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過 導(dǎo)氣管（3)連接到水壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器 (6) 下部充滿水，水壓控制容器（6)上部與導(dǎo)氣管連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，便于測出 水壓控制容器（6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側(cè)壁標(biāo)有刻度，且（0)刻度處對應(yīng)導(dǎo)水 管（7)中心，便于讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導(dǎo)水管（7)連接到水袋（8)， 水袋⑶及導(dǎo)水管（7)在埋設(shè)圍巖相似材料（12)時預(yù)埋在試驗臺架（13)中，水袋⑶內(nèi) 放置模擬溶腔形狀的鋼筋網(wǎng)骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積略大于鋼筋網(wǎng) 骨架（9)外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導(dǎo)氣管（3)向水壓控制容 器（6)中加載氣壓，致使水壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連 接在水壓控制容器（6)下部的導(dǎo)水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數(shù)控制氣壓控 制容器⑴按照設(shè)計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器（6)內(nèi)部 水面高度與氣壓計（5)讀數(shù)計算出水袋（8)內(nèi)水壓P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋內(nèi)水壓； P'------氣壓計讀數(shù)； y-------水的重度，即單位體積水的重量； h------液面至水壓控制容器導(dǎo)水管中心的高度； Η------水袋中心至水壓控制容器下部導(dǎo)水管中心高度； 在設(shè)定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不發(fā)生 坍塌繼續(xù)加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各種參 數(shù)，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數(shù)。
【文檔編號】G01N3/12GK104215517SQ201410513882
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】方勇, 周超月, 劉書斌, 郭建寧, 楊志浩 申請人:西南交通大學(xué)