大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置及制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置及制造方法，包括：自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，所述含水构造外壳的两侧分别安装有进水管和出水管，所述进水管上设有进水流量控制装置，所述出水管上设有出水流量控制装置，所述进水管的一端与水箱连接，所述进水管和所述出水管位于含水构造外壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口；所述含水构造外壳还与基于气动搅拌的水波速可控装置连接。本发明实现了对动水的流量及流向的控制，解决了激发极化法对动水模拟的要求；提出了自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，可模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体及其组合。
【专利说明】大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置及制造方法。
【背景技术】
[0002]隧道建设中不良地质体超前预报是保证安全施工的重要环节，是国内外工程地质和隧道工程界十分关注而又没有得到很好解决的难题。由于物探的多解性，单一预报方法对不良地质体预报的准确度并不十分可靠，同时不同的方法对不同的地质缺陷预报效果也不尽相同。因此开展地震波法、电磁法、电阻率法等方法的隧道施工期综合超前地质预报研究具有十分重要的意义。
[0003]模型试验是研究隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地质体超前地质预报的一种十分有效的手段。为开展隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地质体综合超前地质预报研究，在山东大学修建了 16m (长)X7.6m (宽)X6m (高)的比例尺为6:1的大比例尺多功能隧道超前地质预报物理模型试验装置。该物理模型试验装置旨在对不同的含水构造进行多地球物理场的超前探测物理模拟。在该模型试验中，溶洞、暗河等各种不良地质体的布置是十分重要的工作。
[0004]相关学者在模型试验含水体和含水构造方面开展了相应的研究与应用。李利平、许振浩等用可溶岩盐预制成预定形状并在岩盐外套上不透水树脂来模拟隧道突水突泥过程中的隐伏水体或充水岩溶管道装置、无充填型溶洞或岩溶管道装置。郭如军等在岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体预报模型试验中以一直径20cm贯通孔长流水模拟隧道施工掌子面前方含水体。张庆松等在矿井含水构造附近采动岩体的温度响应特征相似模拟试验中采用内置0.30mX0.30mX0.15m带壳不透水体来模拟含水体。刘斌、李术才等在隧道含水构造直流电阻率法超前探测模型试验中采用砖砌矩形含水体模拟隧道掌子面前方的含水体。这些方法针对于各自问题解决了其含水体模拟的问题。
[0005]上述方法针对于各自问题解决了其含水体模拟的问题，但综合超前地质预报模拟中含水构造仍存在下列问题需要解决:
[0006]第一，在综合超前预报含水构造需要考虑地震法、电磁法、电阻率法等关于弹性波场、电场的多场要求。含水构造的模拟需要水的参与，根据本大型模拟实验平台相似比(6:1)的要求，电场关于电阻率的要求(10-200Ωπι)容易满足，但是水的弹性波场关于弹性波速的要求(500m/s)需要解决，因此含水构造中水的波速可控是一需要解决的难题。
[0007]第二，水的状态，包括水的流速以及水的流向对于电法的激发极化效应有较大影响，因此含水构造中水的流量以及水的流速是又一需解决的关键问题。
[0008]第三，由于综合超前预报需要模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体及其组合，因此，含水构造如何快速方便模拟多种不良地质体也是需要解决的问题之一。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是为实现上述功能，提供一种大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置及制造方法，该装置能够在大型物理模拟实验中，灵活快速布置，满足地震波场、电磁波场以及电场的多元地球物理场的要求，模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体以及水的流量和流向可控。
[0010]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0011]大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，包括:自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，所述含水构造外壳的两侧分别安装有进水管和出水管，所述进水管上设有进水流量控制装置，所述出水管上设有出水流量控制装置，所述进水管的一端与水箱连接，所述进水管和所述出水管位于含水构造外壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口 ；所述含水构造外壳还与基于气动搅拌的水波速可控装置连接。
[0012]所述进水管和出水管分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳上，所述进水管和出水管位于含水构造外壳内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。
[0013]所述水波速可控装置包括计算机，所述计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，所述空气压缩机与插入含水构造外壳的多孔排管一端连接，所述多孔排管的另外一端有若干平行的管道，所述声发射换能器位于含水构造外壳的内部。
[0014]所述进水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与进水流量计连接，所述进水流量计与计算机连接，所述进水流量计安装在进水管内。
[0015]所述出水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与出水流量计连接，所述出水流量计与计算机连接，所述出水流量计安装在出水管内。
[0016]所述水的流向控制装置为三通道电磁阀，所述三通道电磁阀与计算机连接。
[0017]所述含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料模铸而成。所述含水构造外壳的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子
0.50-1.25份，水0.3-0.75份质量配合比模铸而成。
[0018]所述含水构造装置所采用的制造方法，步骤如下:
[0019]步骤(I):浇筑含水构造外壳:根据要制作的含水构造类型和形状选择合适的刚模具和模板，在刚模具内将FRP筋按照设定的间距布置绑扎；按照设定渗透系数要求，选择配合比，将水泥、水渣和石子先在搅拌机搅拌均匀，然后加入水，再搅拌均匀；然后倒入刚模具和模板内，并震动捣实，浇筑成型；设定时间过后脱模，按照混凝土养护规定养护若干天；
[0020]步骤(2):安装基于气动搅拌的水波速可控装置:将过量塑料粉通过空气压缩机加入到含水构造外壳内的水中制成悬浊液，声发射换能器按照固定距离固定好，将多孔排管固定好，将计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，将空气压缩机与多孔排管连接;
[0021]步骤(3):安装进出水流量控制装置和水的流向控制装置:将流量控制器分别与两个变频器连接，将两个变频器分别与变频电机连接，将变频电机分别与进水流量计和出水流量计连接；水的流向控制装置与计算机连接好，水的流向控制装置安装在含水构造外壳的两端；将进水管和出水管分别与含水构造外壳连接好；
[0022]步骤(4):含水构造装置吊装与埋设:在设定长宽高的多功能隧道超前地质预报物理模型试验装置上按照指定位置使用旋挖装置将填挖好的模型开挖到合适深度，将含水构造装置用行吊吊到开挖好的位置，将挖开的围岩相似材料埋上，夯实；
[0023]步骤(5):通过计算机设定水的弹性波波速、水的流量及流向，控制相应装置进行工作。
[0024]所述步骤(I)中含水构造外壳浇筑时，首先，需要在含水构造外壳两侧预留两个直径3cm的洞，分别作为进出水和口水管安装的位置；同时需要在外壳预留一个直径2cm的洞，作为含水构造内的多孔排管连接管安装的位置；还需要在含水构造外壳预留
0.2X0.2m的方形孔，并制作适合其大小的盖，该方形孔作为填充固体填充材料时使用，填充完后，用螺栓将制作好的盖固定到外壳上，将预留的方形孔封上。
[0025]所述基于气动搅拌的水波速可控装置的工作原理是，由于水的波速比预期要高，因此采用塑料粉悬浊液对其波速进行可控调节。塑料粉悬浊液中，塑料粉的含量会对波速有影响，含量越高，波速越低；塑料粉在塑料粉悬浊液中的含量是通过空气压缩机的功率来控制，功率高时，多孔排管产生的均匀气泡多，在悬浊液中吹起的塑料粉越多，悬浊液中塑料粉的含量也就越高。因此，波速可控采用反馈调节:在水中提前加入过量的塑料粉，电脑控制空气压缩机以200KW的功率工作，在多孔排管中产生均匀气泡，使塑料粉在水里保持悬浊；同时声发射探头工作，测试悬浊液的弹性波波速，并实时反馈给计算机，当波速比预计值高或者低时，计算机调整空气压缩机的工作功率(50-370KW)，减少或增加水中塑料粉的含量，使波速升高或降低，实现水的波速实时可控调节。
[0026]所述进水流量控制装置和出水流量控制装置的工作原理:通过计算机控制流量控制器，流量控制器分别通过进水端和出水端的变频器控制变频电机，控制进出水量，进出水流量计对进出水量向计算机进行实时反馈，流量控制器根据计算机接收到的反馈信息对变频器进行实时控制，同时流量控制器显示实时流量和总体水量。
[0027]所述含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料通过类似于混凝土浇筑的方式模铸而成。外壳形状采用木模板模铸而成，能自由模铸不同的形状，根据需模拟的暗河、溶洞、断裂带不同地质体的形状选择不同的木模板形状，能模拟暗河、溶洞、断裂带等不同地质体。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]本发明提出了一种大型多功能隧道超前地质预报物理模型试验中的含水构造装置，主要包括:基于气动搅拌装置的水波速可控装置、水的流量及流向控制装置及自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳。实现了大型多功能隧道超前地质预报物理模型试验中含水构造的灵活、快速、任意布置，具有以下特色:
[0030]1>本发明提出了一种基于气动搅拌装置的水波速可控装置，实现了对水体波速的可控调节，满足地震法、电磁法、电阻率法等关于弹性波场、电场的多元地球物理场要求；
[0031]2>本发明提出了一种水的流量及流向控制装置，实现了对动水的流量及流向的控制，通过水量的控制可实现对不良地质体不同充水状态的模拟，通过流向的控制解决了激发极化法对动水模拟的要求；
[0032]3>本发明提出了提出了一种可控渗透系数的含水构造外壳，外壳采用水泥、水渣、石子模铸而成，通过调节配合比，可实现含水构造外壳不同渗透系数；通过自由模铸不同形状可模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体及其组合。[0033]所述FRP筋用于承受拉力，控制含水构造外壳的裂缝，在外壳中按照间距为
0.10-0.15m的间距布置绑扎，而且它解决了普通钢筋对电磁法干扰的问题；
[0034]所述水泥为抗压强度为32.5MPa的普通硅酸盐水泥，在外壳中是主要的承压部分；
[0035]所述水渣采用粒度大于2mm的，它调节外壳透水性；
[0036]所述石子采用3_左右单一级配的石子，起到增到孔隙和增加渗透性的作用。
[0037]本发明所述配合比配置形成透水性较好的可控渗透系数的外壳既满足一定的透水性，使得含水构造装置的电阻率满足实际情况需要，又不会使含水构造装置内部的水过多流到外部围岩材料中，污染背景围岩材料。同时采用上述质量配合比中不同配合比，可使含水构造外壳的渗透系数范围为1.0X 10_2-2.0X 10_2cm/s，可根据含水构造需要选择不同的配合比。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是本发明整体结构图；
[0039]图2是本发明基于气动搅拌装置的水波速可控装置示意图；
[0040]图3是本发明水的流量控制装置示意图；
[0041]图4是本发明水的流向控制装置示意图。
[0042]图中，1.出水流量控制装置，2.进水流量控制装置，3.水箱，4.空气压缩机，5.计算机，6.三通道电磁阀，7.出水管，8.多孔排管，9.声发射换能器，10.进水管，12.流量控制器，13.变频器，14.变频电机，15.进水流量计，16.出水流量计，17.含水构造外壳。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0044]如图1所示，大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，包括:自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳17，所述含水构造外壳17的两侧分别安装有进水管10和出水管7，所述进水管10上设有进水流量控制装置2，所述出水管7上设有出水流量控制装置1，所述进水管10的一端与水箱3连接，所述进水管10和所述出水管7位于含水构造外壳17内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口 ；所述含水构造外壳17还与基于气动搅拌的水波速可控装置连接。
[0045]所述进水管10和出水管7分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳17上，所述进水管10和出水管7位于含水构造外壳17内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。
[0046]如图2所示，所述水波速可控装置包括计算机5，所述计算机5分别与空气压缩机4和声发射换能器9连接,所述空气压缩机4与插入含水构造外壳17的多孔排管8 —端连接，所述多孔排管8的另外一端有若干平行的管道，所述声发射换能器9位于含水构造外壳17的内部。
[0047]如图3所示，所述进水流量控制装置2，包括流量控制器12，所述流量控制器12与计算机5连接，所述流量控制器12还与变频器13连接，所述变频器13与变频电机14连接，所述变频电机14与进水流量计15连接,所述进水流量计15与计算机5连接,所述进水流量计15安装在进水管10内。
[0048]如图3所示，所述出水流量控制装置1，包括流量控制器12，所述流量控制器12与计算机5连接，所述流量控制器12还与变频器13连接，所述变频器13与变频电机14连接，所述变频电机14与出水流量计16连接,所述出水流量计16与计算机5连接,所述出水流量计16安装在出水管7内。
[0049]所述水的流向控制装置为三通道电磁阀6，所述三通道电磁阀6与计算机5连接。
[0050]所述含水构造外壳17采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料模铸而成。所述含水构造外壳17的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水0.3-0.75份质量配合比模铸而成。
[0051]大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置的制造方法，其制作步骤如下:
[0052](I)浇筑含水构造外壳17:根据要制作的含水构造类型和形状选择合适的刚模具和模板，在刚模具内将FRP筋按照0.10-0.15m的间距布置绑扎。按照渗透系数要求，选择配合比(水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水0.3-0.75份)，将水泥、水渣和石子先在搅拌机搅拌均匀，然后加入水，搅拌均匀。倒入刚模具和模板内，并震动捣实，浇筑成型。24小时后脱模，按照混凝土养护规定养护28天。含水构造外壳17浇筑时，首先，需要在外壳上部预留两个直径3cm的洞，作为进出水口水管安装的位置；同时需要在外壳上部预留一个直径2cm的洞，作为气动搅拌装置中空压泵和含水构造内的多孔透气排管连接管安装的位置；还需要再含水构造上部外壳预留0.2X0.2m的方形孔，并制作适合其大小的盖，该孔作为填充固体填充材料时使用，填充完后，用螺栓将制作好的盖固定到外壳上，将预留的方形孔封上。
[0053](2)安装基于气动搅拌的水波速可控装置:将过量塑料粉加入到含水构造水中制成悬浊液，声发射换能器9按照固定距离(IOcm)固定好，将计算机5、空气压缩机4、多孔排管8、声发射换能器9连接好。
[0054](3)安装水的流量控制装置和水的流向控制装置:水的流量控制装置(计算机5、流量控制器12、变频器13、变频电机14、流量计)、水的流向控制装置(计算机5、三通道电磁阀6)连接好。将进出水管7分别与含水构造连接好。
[0055](4)含水构造吊装与埋设:在16m (长)X7.6m (宽)X6m (高)的多功能隧道超前地质预报物理模型试验装置上按照指定位置使用旋挖装置将填挖好的模型开挖到合适深度，将含水构造用模型上部的行吊吊到开挖好的位置，将挖开的围岩相似材料埋上，夯实。
[0056](5)通过计算机5设定水的弹性波波速、水的流量及流向，控制相应装置工作。
[0057]水的流向控制是通过计算机5分别控制进水端和出水端的三通道电磁阀6的三个通道a、b、c和a’、b’、c’，可产生如图4所示的9个不同流向的水流。同时通过控制在含水构造内的不同水量可模拟各种不良地质体在不同充水状态的工程概况。
[0058]通过以上步骤即可完成含水构造的制作、埋设，即可开展相应的超前探测模型试验工作。上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，包括:自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，所述含水构造外壳的两侧分别安装有进水管和出水管，所述进水管上设有进水流量控制装置，所述出水管上设有出水流量控制装置，所述进水管的一端与水箱连接，所述进水管和所述出水管位于含水构造外壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口 ；所述含水构造外壳还与基于气动搅拌的水波速可控装置连接。
2.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述进水管和所述出水管分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳上，所述进水管和出水管位于含水构造外壳内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。
3.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述水波速可控装置包括计算机，所述计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，所述空气压缩机与插入含水构造外壳的多孔排管一端连接，所述多孔排管的另外一端有若干平行的管道，所述声发射换能器位于含水构造外壳的内部。
4.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述进水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与进水流量计连接，所述进水流量计与计算机连接，所述进水流量计安装在进水管内。
5.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述出水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与出水流量计连接，所述出水流量计与计算机连接，所述出水流量计安装在出水管内。
6.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述水的流向控制装置为三通道电磁阀，所述三通道电磁阀与计算机连接。
7.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料模铸而成。
8.如权利要求1所述的大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，其特征是，所述含水构造外壳的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥1份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水0.3-0.75份质量配合比模铸而成。
9.如上述任一权利要求所述含水构造装置所采用的制造方法，其特征是，步骤如下: 步骤(1):浇筑含水构造外壳:根据要制作的含水构造类型和形状选择合适的刚模具和模板，在刚模具内将FRP筋按照设定的间距布置绑扎；按照设定渗透系数要求，选择配合t匕，将水泥、水渣和石子先在搅拌机搅拌均匀，然后加入水，再搅拌均匀；然后倒入刚模具和模板内，并震动捣实，浇筑成型；设定时间过后脱模，按照混凝土养护规定养护若干天； 步骤(2):安装基于气动搅拌的水波速可控装置:将过量塑料粉通过空气压缩机加入到含水构造外壳内的水中制成悬浊液，声发射换能器按照固定距离固定好，将多孔排管固定好，将计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，将空气压缩机与多孔排管连接； 步骤(3):安装进出水流量控制装置和水的流向控制装置:将流量控制器分别与两个变频器连接，将两个变频器分别与变频电机连接，将变频电机分别与进水流量计和出水流量计连接；水的流向控制装置与计算机连接好，水的流向控制装置安装在含水构造外壳的两端；将进水管和出水管分别与含水构造外壳连接好；步骤(4):含水构造装置吊装与埋设:在设定长宽高的多功能隧道超前地质预报物理模型试验装置上按照指定位置使用旋挖装置将填挖好的模型开挖到合适深度，将含水构造装置用行吊吊到开挖好的位置，将挖开的围岩相似材料埋上，夯实； 步骤(5):通过计算机设定水的弹性波波速、水的流量及流向，控制相应装置进行工作。
10.如权利要求9所述的方法，其特征是，所述步骤(1)中含水构造外壳浇筑时，首先，需要在含水构造外壳两侧预留两个直径3cm的洞，分别作为进出水和口水管安装的位置；同时需要在外壳预留一个直径2cm的洞，作为含水构造内的多孔排管连接管安装的位置；还需要在含水构造外壳预留0.2X0.2m的方形孔，并制作适合其大小的盖，该方形孔作为填充固体填充材料时使用，填充完后，用螺栓将制作好的盖固定到外壳上，将预留的方形孔封上。
【文档编号】G01V11/00GK103698822SQ201410007273
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】宋杰, 李术才, 王传武, 李尧, 聂利超, 刘斌, 张庆松, 刘征宇, 孙怀凤, 陈磊, 田明禛, 王世睿, 许新骥 申请人:山东大学