全方位模拟隧道开挖过程的模型的制作方法

本实用新型涉及一种全方位模拟隧道开挖过程的模型,特别用于解决隧道开挖中的涌水量预测与外水压力预测模拟的问题。

背景技术：

隧道工程在以前的隧道模型中，一般都用于验证隧道的围岩稳定性，且都主要运用古典压力理论、散体压力理论、及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。很少通过实际的现场模型去验证隧道的压力、涌水量或者涌水方式等数据。

目前，隧道验证的方法主要有三类：理论分析法、实验分析法、数值模拟法。理论分析法，即使用相应的围岩条件进行分析。实验分析法又分为现场实验和室内模拟两种。其中现场实验法由于受现场工程因素影响较大，而且实验周期长、工作量大而准确性较低,加之现场实验费用高等原因,在隧道分析中应用较少,但原始数据收集等基础性工作必须以现场实验为基础,为模型的建立提供相应的基础数据支持。

随着数值计算方法的发展日趋成熟,如有限单元法、边界元法、散元法等,以此为基础的计算软件大量涌现,如ADINA,NoLM,FINAL,uDEc,sAP,FLAC等程序都为广大用户所熟知,这些软件和一些支护理论相结合在隧道工程中得到广泛的应用。数值模拟研究是在计算机及试验勘探技术不断发展的基础上诞生的,经过一系列发展过程,数值模拟可以对复杂岩体工程问题进行定量分析。实际上运用数值计算及物理模型解决岩土工程问题已经为工程实践所证实,成为工程设计主要依据。

目前,我国在隧道建设中普遍采用了新奥法,而新奥法施工过程中最关键的是位移与应力监测。开挖后地应力释放,岩层、围岩及其土层的蠕变,不仅会产生较大的位移,还会在隧道结构中产生较大的应力,甚至产生塌方等更为严重的事故；其次是力学建摸、计算分析,对隧道实行信息化施工监测监控和稳定性评估。为保证隧道施工中的安全和质量,以及运营中的安全性、可靠性、耐久性、行车舒适性等,所以对隧道的全方位研究,已成为隧道建设不可缺少的重要环节。

但是在现有的隧道模型中，都只能简单的模拟隧道的开挖之前或者是隧道开挖结束之后的工况，而不能模拟隧道施工过程中的出现的问题。或者只能模拟单变量的问题。在此情况下，我们加深了对隧道模型的研究，并实用新型了可全方位模拟隧道开挖建设过程的模型，可以为施工提供全面的数据支持。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种全方位模拟隧道开挖过程的模型，重点模拟隧道开挖过程中的地下水流场变化情况与隧道涌水量，能够完全模拟隧道开挖过程中出现的问题，能够根据施工进程模拟施工过程中会出现的问题,特别是关于隧道涌水量预测与外水压力预测模拟方面。

本实用新型的目的是这样来实现的：

全方位模拟隧道开挖过程的模型，从上到下依次包括降雨模拟箱、模拟箱、储水箱；

所述的降雨模拟箱通过第二水管与水泵连接；第二水管上安装有第二阀门；降雨模拟箱底部为带孔底板，带孔底板向下渗漏，形成模拟降雨；降雨模拟箱里面安装有水头控制装置；

所述的模拟箱底部为隔水底板，四周侧壁为透明材质，箱内填充有模拟含水层的填充物；

模拟箱两端分别连接水头控制箱，分别为第一水头控制箱和第二水头控制箱；所述的水头控制箱分别通过水管与水泵连接，所述的水泵安装在储水箱内，水管上安装有第一阀门；

所述的模拟箱内部，两端分别为缓冲稳定区，分别第一缓冲稳定区和第二缓冲稳定区；两端的缓冲稳定区与中间模拟区之间安装有带孔隔板；所述的中间模拟区有填充材料；模拟箱中间模拟区内还安装有模拟隧道；

还包括测压管群组，测压管群组分为分为4行6列，排列于模拟箱之内；模拟箱内的填充材料中埋设传感器。

所述的水头控制箱内分成两个部分，分别为实验需求水头箱与回水箱，实验需求水头箱与回水箱之间由固定高度的隔板隔开，水可以越过隔板从实验需求水头箱流向回水箱，所述的实验需求水头箱与水管连接，所述的回水箱通过导管与储水箱连接；所述的实验需求水头箱通过第二导管进入模拟箱；所述的水头控制箱通过升降调节装置安装在模拟箱的两端。

所述的模拟隧道包括最外层的高透水性的网状结构管，网状结构管贯穿模拟箱；网状结构管末端封死的不透水套管从网状结构管后端插入，不透水套管封死的末端代表隧道掌子面；网状结构管前端插入一系列不同渗透系数的套管组合，包括不透水的最内层的内管，模拟已经建好的不透水内衬砌，内管外套有中管，中管模拟不同透水性与孔隙度施工情况。

模拟隧道即为一系列透水性能不等的导管组成，通过导管的抽出与推进模拟隧道的施工和支护衬砌过程。模拟隧道的最外层为高透水性网状套管，可用于支持模拟箱内沙土、石子等模拟外部环境的填充物。中间为一系列不同渗透系数的套管，可模拟施工中的各种不同情况。内部为一不透水套管，并且末端封死，模拟未施工段，则另一边可模拟已建好的内衬砌。不透水套管的抽动，可模拟隧道的施工过程。

模拟箱模拟施工过程中的外部环境，并且针对不同的工况可灵活调节，可模拟施工过程以及施工过程中出现的某种状况来预测以后的施工过程会出现的现象，为实际的施工提供施 工数据、方案等。模拟箱可随施工隧道的地质环境建立相应的等比例缩小模型，模拟施工隧道的地质条件，并且可通过模拟降雨的情况，对施工隧道模拟。并且通过传感器监测工具与传统的测压管工具同时使用，可全方位监测施工过程中水压的重分布过程，为隧道的施工提供更全面的数据支持。

本实用新型提供的全方位模拟隧道开挖过程的模型，其具有以下优点：

1、能够完全模拟隧道的开挖过程；

2、能够随着开挖过程模拟隧道的支护衬砌过程；

3、能够根据施工中的实际情况灵活改变模型以适应不同的模拟条件，如不同的地形，岩性，边界条件等。

附图说明

图1是本实用新型的正面图；

图2是本实用新型的侧视图；

图3是本实用新型的背面图；

图4是本实用新型的俯视图；

图5是本实用新型的模拟隧道结构图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述

如图1至图4所示，全方位模拟隧道开挖过程的模型，从上到下依次包括降雨模拟箱19、模拟箱2、储水箱4；

所述的降雨模拟箱19通过第二水管21与水泵12连接；第二水管21上安装有第二阀门22；降雨模拟箱19底部为带孔底板20，带孔底板20向下渗漏，形成模拟降雨24；降雨模拟箱19里面安装有水头控制装置23；

所述的模拟箱2底部为隔水底板5，四周侧壁3为透明材质，箱内填充有模拟含水层的填充物；

模拟箱2两端分别连接水头控制箱，分别为第一水头控制箱9和第二水头控制箱17；所述的水头控制箱分别通过水管13与水泵12连接，所述的水泵12安装在储水箱4内，水管13上安装有第一阀门7；

所述的模拟箱2内部，两端分别为缓冲稳定区，分别第一缓冲稳定区1和第二缓冲稳定区16；两端的缓冲稳定区与中间模拟区之间安装有带孔隔板28；所述的中间模拟区有填充材料26；模拟箱2中间模拟区内还安装有模拟隧道6；

还包括测压管群组8，测压管群组8分为4行6列，排列于模拟箱2之内；模拟箱2内的填充材料26中埋设传感器。

所述的水头控制箱内分成两个部分，分别为实验需求水头箱10与回水箱11，实验需求水头箱10与回水箱11之间由固定高度的隔板隔开，水可以越过隔板从实验需求水头箱10流向回水箱11，所述的实验需求水头箱10与水管13连接，所述的回水箱11通过导管15与储水箱4连接；所述的实验需求水头箱10通过第二导管14进入模拟箱2；所述的水头控制箱通过升降调节装置18安装在模拟箱2的两端。

如图5所示，所述的模拟隧道6包括最外层的高透水性的网状结构管63，网状结构管63贯穿模拟箱2；网状结构管63末端封死的不透水套管64从网状结构管63后端插入，不透水套管64封死的末端代表隧道掌子面；网状结构管63前端插入一系列不同渗透系数的套管组合，包括不透水的最内层的内管61，模拟已经建好的不透水内衬砌，内管61外套有中管62，中管62模拟不同透水性与孔隙度施工情况。

其中，储水箱4:储水箱4位于模拟箱2正下方，尺寸：1.8m×0.5m×0.35m。厚10mm的PVC材料制作，用厚5mm的角钢包边。储水箱内有恒流量水泵。用于试验给水。

模拟箱2:模拟箱2位于装置上方，尺寸：1.8m×0.5m×0.5m.厚不低于10mm的玻璃材料制作，用厚5mm的角钢包边。模拟箱2内填充有模拟含水层的填充物。

储水箱4与模拟箱2的底部与四周均为全封闭不透水材料，其中模拟箱2的四周应使用光面玻璃保证透明度，以便观察实验模拟的进行情况。

打开第一阀门7，水泵12将储水箱4中的水抽沿着水管13入模拟箱两头第一水头控制箱9和第二水头控制箱17，水头控制箱内分成两个部分实验需求水头箱10、回水箱11，以固定高度的隔板隔开，水可以越过隔板从实验需求水头箱10流向回水箱11。其中实验需求水头箱10中水头为实验需求水头，通过带螺纹与手摇柄的升降调节装置18调整两个水头控制箱的高度，即可调整模拟箱2内两边的边界水头高度。多余的水越过隔板进入回水箱11，而后顺着导管15流回储水箱4，其余沿着第二导管14进入模拟箱2，两侧第一缓冲稳定区1和第二缓冲稳定区16液面稳定后通过带孔隔板28渗入模拟箱2内的模拟含水层不同的填充材料26。填充材料26的种类、分层、形状等可根据不同的实验模拟需求可自行改变制作，同时带孔隔板28能阻隔模拟箱2内填充材料26，使之不会坍塌进入两侧缓冲稳定区。

打开第二阀门22，水泵12则将储水箱4中的水经由第二水管21送入降雨模拟箱19，经过水量调节后透过带孔底板20向下渗漏，形成模拟降雨24。降雨量与降雨时间可以通过降雨箱内水量调节装置与第二阀门22的开闭来调节控制。降雨在模拟箱2内渗入模拟含水层填充材料26，并影响潜水位25，流向如27所示。

实验装置能自主不间断运行，其运行期间，由于模拟隧道6会有涌水现象，造成模拟箱2之内地下水位改变。装置内所模拟的地下水水位变化可由装置侧边布置的测压管群组8来观测得知。测压管分为4行6列，排列于模拟箱2之内。该装置设计其水位不光能由测压管人工读取，同时能通过埋设相应的探头进行自动跟踪测量，如此人工读取的数据可以对自动测量值进行修正，保证模拟结构的准确性。同时，模拟箱2内模拟含水层填充材料26之中除了埋设水位传感器，还可以埋设其他类别如应力，变形等传感器，方便检测不同的参数变化情况。

所述的模拟隧道6包括最外层的高透水性的网状结构管63，网状结构管63贯穿模拟箱2；网状结构管63末端封死的不透水套管64从网状结构管63后端插入，不透水套管64封死的末端代表隧道掌子面；网状结构管63前端插入一系列不同渗透系数的套管组合，包括不透水的最内层的内管61，模拟已经建好的不透水内衬砌，内管61外套有中管62，中管62模拟不同透水性与孔隙度施工情况。

模拟隧道6由一系列能相互嵌套的硬质套管组成，用于模拟隧道施工过程中的不同阶段与情况。其中最外层为高透水性的网状结构管63，该管贯穿模拟箱2，是所有嵌入套管的基础，用于支撑箱内的模拟含水层填充材料26保证其不崩落进入模拟模拟隧道之内。该网状结构管63是唯一一个不能自由移动的套管，其余套管均内嵌入其中并可以前后移动。末端封死的不透水套管64由后方插入，其深度决定了模拟的隧道尚未开挖部分的长度，其中封死的末端代表隧道掌子面。前端则插入一系列不同渗透系数的套管组合，包括不透水的最内层内管61，其模拟已经建好的不透水内衬砌。而剩下的不同透水性与孔隙度的中管62则可以模拟施工中不同的情况。内管61和中管62的嵌入深度与不透水套管64的嵌入深度配合组合则能模拟出隧道施工掘进中的实际施工进度情况。另外应在网状结构管63与模拟箱2壁之间、不同套管之间必要的部分需要有相应必要的防水阻水措施，防止模拟箱2内的水通过不正确的通道流出。