一种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统和方法，该系统利用气压控制容器向水压控制容器加载气压P'，由气压控制水压向模拟有压溶腔的水袋内加水压P，进而模拟不同水压大小的溶腔对于隧道开挖过程的影响。在较小范围内确保水袋内压力精确量化，气压控制容器的引入提供了利于试验过程的逐步加压操作，可以实现较大水压有压溶腔的模拟；通过气压控制容器压力的合理设置，在满足水袋内水压达到溶腔内水压的前提下，有效地减少了水压容器的放置高度，弥补了单纯利用水压模拟通过水桶高度控制水压造成模拟范围有限且可操作性差的缺陷。
【专利说明】一种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隧道开挖模型试验溶洞模拟系统和方法，尤其涉及一种用于模拟 隧道开挖模型试验中有压溶腔的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国西部大开发战略的开展实施和交通事业的飞速发展，在岩溶分布广泛的 地区修建公路及铁路隧道将不可避免。岩溶对隧道开挖的影响主要包括隧道基底、洞穴顶 板塌陷，隧道遇地下洞穴时的悬空，隧道顶部溶洞充填物的塌陷，岩溶水大量涌向隧道，容 易使隧道产生突泥、涌水、坍塌，地下水位下降、造成地表沉陷，影响周围环境。在开挖中未 揭露出来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坏，对隧道施工危 害性大。
[0003] 在现有隧道开挖模型试验中，针对岩溶地区溶洞的模拟，主要有以下几种方法：空 洞法、水袋法和气囊法。空洞法是在实验模型制作过程中将橡皮囊冲气后预置溶洞的相应 位置直至模型凝固，在开始加载实验前将橡皮囊中的气体排除，使其在模型中形成岩溶空 腔；水袋法是在模型中放置一水袋，水袋通过水管与水桶相连，通过控制水桶的高度来控制 水袋内的水压，实现有压溶腔的模拟；气囊模拟的具体方法是在模型内放置气囊，通过导管 将气囊与气压计相连，利用气压计来控制气囊内气压从而实现有压溶腔的模拟。
[0004] 以上方法虽然能够粗略地模拟岩溶区域的溶腔，但存在不同的缺陷：空洞法仅可 以模拟无压溶洞，应用范围狭窄；水袋法通过控制水桶的高度来实现对溶腔内水压力的控 制，当溶腔内压力较大时需要较大的高度，不容易实现操作；气囊法由于气密性不容易控 制，且气囊本身的弹力会抵消掉一部分气体压力，导致气囊对模型的压力偏小。上述方法各 自存在缺点，可操作性差，不能实现方便精确地模拟有压溶腔。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种隧道开挖模型试验中有压溶腔的模拟系统和方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] -种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统，利用气压控制容器向水压控 制容器加载气压P，由气压控制水压向模拟有压溶腔的水袋内加水压P，进而模拟不同水 压大小的溶腔对于隧道开挖过程的影响。
[0008] 所述用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统，包括气压控制容器（1)、水压 控制容器（6)、水袋（8)、围岩相似材料（12)、试验台架（13);气压控制容器（1)内装满高 压压缩气体，气压控制容器（1)连接阀门（2)，气压控制容器（1)通过导气管（3)连接到水 压控制容器（6)顶部，水压控制容器（6)顶部充满气体，水压控制容器（6)下部充满水，水 压控制容器（6)上部与导气管（3)连通，并在顶部安装气压计（5)，用于测出水压控制容器 (6)上部气体压强；水压控制容器（6)侧壁标有刻度，且（0)刻度处对应导水管（7)中心， 便于准确读出液面高度；水压控制容器（6)下部通过导水管（7)连接到水袋（8)，水袋（8) 及导水管（7)在埋设围岩相似材料（12)时预埋在试验台架（13)中，水袋⑶内放置模拟 溶腔形状的钢筋网骨架（9)，水袋（8)采用乳胶制成，水袋（8)体积略大于钢筋网骨架（9) 外轮廓体积；通过阀门（2)控制高压气体流速，逐步通过导气管（3)向水压控制容器（6)中 加载气压，致使水压控制容器（6)中气压增大，将水压控制容器（6)中的水通过连接在水压 控制容器（6)下部的导水管（7)压入水袋（8);通过气压计（5)读数控制气压控制容器（1) 按照设计梯度逐步向水压控制容器（6)加载气压；读出水压控制容器￠)内部水面高度与 气压计（5)读数计算出水袋⑶内水压P :
[0009] P = P，+ γ (h-H)，
[0010] P------水袋内水压；
[0011] P'------气压计读数；
[0012] Y-------水的重度，即单位体积水的重量；
[0013] h------液面至水压控制容器导水管中心的高度；
[0014] Η------水袋中心至水压控制容器下部导水管中心高度；
[0015] 在设定固定的水压下开挖隧道（10)，直至开挖完成后；若开挖过程中隧道（10)不 发生坍塌继续加大水压，直至隧道（10)坍塌，加压过程中记录围岩相似材料（12)位移及各 种参数，记录隧道坍塌时气压计（5)读数。
[0016] 一种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的方法，利用气压控制容器向水压控 制容器加载气压Ρ，由气压控制水压向模拟有压溶腔的水袋内加水压Ρ，进而模拟不同水 压大小的溶腔对于隧道开挖过程的影响。
[0017] 所述的方法，采用模拟有压溶腔的系统，该系统包括气压控制容器（1)、水压控制 容器（6)、水袋（8)、围岩相似材料（12)、试验台架（13);气压控制容器⑴内装满高压压缩 气体，气压控制容器（1)连接阀门（2)，气压控制容器（1)通过导气管（3)连接到水压控制 容器（6)顶部，水压控制容器（6)顶部充满气体，水压控制容器（6)下部充满水，水压控制 容器（6)上部与导气管连通，并在顶部安装气压计（5)，便于测出水压控制容器（6)上部气 体压强；水压控制容器（6)侧壁标有刻度，且（0)刻度处对应导水管（7)中心，便于读出液 面高度；水压控制容器（6)下部通过导水管（7)连接到水袋（8)，水袋（8)及导水管（7)在 埋设围岩相似材料（12)时预埋在试验台架（13)中，水袋（8)内放置模拟溶腔形状的钢筋 网骨架（9)，水袋⑶采用乳胶制成，水袋⑶体积略大于钢筋网骨架（9)外轮廓体积；通过 阀门（2)控制高压气体流速，逐步通过导气管（3)向水压控制容器（6)中加载气压，致使水 压控制容器（6)中气压增大，将水压控制容器（6)中的水通过连接在水压控制容器（6)下 部的导水管（7)压入水袋（8);通过气压计（5)读数控制气压控制容器（1)按照设计梯度 逐步向水压控制容器（6)加载气压；读出水压控制容器￠)内部水面高度与气压计（5)读 数计算出水袋（8)内水压P:
[0018] P = P; + y (h-H),
[0019] P------水袋内水压；
[0020] P/ ------气压计读数；
[0021] Y-------水的重度，即单位体积水的重量；
[0022] h------液面至水压控制容器导水管中心的高度；
[0023] Η------水袋中心至水压控制容器下部导水管中心高度；
[0024] 在设定固定的水压下开挖隧道（10)，直至开挖完成后；若开挖过程中隧道（10)不 发生坍塌继续加大水压，直至隧道（10)坍塌，加压过程中记录围岩相似材料（12)位移及各 种参数，记录隧道坍塌时气压计（5)读数。
[0025] 本发明所述模型试验的使用方法为：
[0026] A、安装装置：按照相似理论在试验台架内埋设模型相似材料，埋设围岩相似材料 时在拟定溶腔位置预埋水袋及其内部钢筋网骨架，导水管。从实验台架引出导水管并连接 到水压控制容器下部。水压控制容器上部连接导气管，另一端与气压控制容器相连。
[0027] B、检验气密性：装置安装完毕后通过气压控制容器向水压控制容器内部加压，力口 载后记录气压计读数和水压控制容器内部液面读数。此时关闭导气管上阀门和气压控制装 置阀门静置10分钟，观察气压计读数和水压控制容器内液面是否回升，若不变，则气密性 良好；否则，重新安装装置。
[0028] C、实验过程：通过设定一定水压的溶腔，在定水压下开挖隧道，直至隧道开挖完 成，监测围岩相似材料及支护结构的相关参数；然后按照设定梯度逐步加大水压，直至土体 坍塌；记录土体坍塌时的气压计读数。
[0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030] 1、本发明利用连通器原理，可以在较小范围内确保水袋内压力精确量化，气压控 制容器的引入提供了利于试验过程的逐步加压操作，可以实现较大水压有压溶腔的模拟；
[0031] 2、通过气压控制容器压力的合理设置，在满足水袋内水压达到溶腔内水压的前提 下，有效地减少了水压容器的放置高度，弥补了单纯利用水压模拟通过水桶高度控制水压 造成模拟范围有限且可操作性差的缺陷；
[0032] 3、本发明通过选取乳胶材料且体积略大于钢筋网骨架表面积的水袋决了气囊本 身弹力抵消气体压力后，造成作用于围岩相似材料压力偏小的误差，解决了试验台架内部 气囊及导气管气密性不易保证的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是本发明所述有压溶腔模拟装置结构正视图；
[0034] 图2为本发明所述有压溶腔模拟装置结构侧视图；
[0035] 图3为本发明所述水压控制容器构造图。
[0036] 其中，1.气压控制容器；2.气压控制容器阀门；3导气管；4.导气管阀门；5.气压 计；6.水压控制容器；7.导水管；8.水袋；9.钢筋网骨架；10.隧道；11. 25号加筋槽钢； 12.围岩相似材料；13.试验台架；14.砼墙；15.工字钢。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0038] 如图1和图2所示，用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统包括气压控制 容器1、水压控制容器6、水袋8、围岩相似材料12、试验台架13 ;气压控制容器1内装满高 压压缩气体，气压控制容器1连接阀门2,气压控制容器1通过导气管3连接到水压控制容 器6顶部，水压控制容器6顶部充满气体，水压控制容器6下部充满水，水压控制容器6上 部与导气管连通，并在顶部安装气压计5,便于测出水压控制容器6上部气体压强；水压控 制容器6侧壁标有刻度，且0刻度处对应导水管7中心，便于读出液面高度；水压控制容器 6下部通过导水管7连接到水袋8,水袋8及导水管7在埋设围岩相似材料12时预埋在试 验台架13中，水袋8内放置模拟溶腔形状的钢筋网骨架9。
[0039] 实验过程中，通过阀门2控制高压气体流速，逐步通过导气管3向水压控制容器6 中加载气压，致使水压控制容器6中气压增大，将水压控制容器6中的水通过连接在水压控 制容器6下部的导水管7压入水袋8。通过气压计5读数控制气压控制容器1按照设计梯 度逐步向水压控制容器6加载气压。读出水压控制容器6内部水面高度与气压计5读数计 算出水袋8内水压Ρ :
[0040] P = Ρ，+ γ (h-H)，
[0041] P------水袋内水压；
[0042] P'------气压计读数；
[0043] y-------水的重度，即单位体积水的重量；
[0044] h------液面至水压控制容器导水管中心的高度；
[0045] Η------水袋中心至水压控制容器下部导水管中心高度；
[0046] 在设定固定的水压下开挖隧道10,直至开挖完成后。若开挖过程中隧道10不发生 坍塌继续加大水压，直至隧道10坍塌，加压过程中记录围岩相似材料12位移及各种参数， 记录隧道坍塌时气压计5读数。
[0047] 利用所述模拟有压溶腔装置进行岩溶地质隧道开挖模型试验，具体实施步骤是：
[0048] Α、安装装置：按照相似理论在试验台架13内埋设围岩相似材料12,埋设围岩相似 材料时在拟定溶腔位置预埋水袋8及其内部钢筋网骨架9,导水管7。从实验台架引出导水 管7并连接到水压控制容器6下部。水压控制容器6上部连接导气管3,另一端与气压控制 容器1相连。
[0049] Β、检验气密性：装置安装完毕后通过气压控制容器1向水压控制容器6内部加压， 加载后记录气压计5读数和水压控制容器6内部液面读数。此时关闭导气管上阀门4和气 压控制装置阀门2静置10分钟，观察气压计5读数和水压控制容器6内液面是否回升，若 不变，则气密性良好；否则，重新安装装置。
[0050] C、实验过程：通过设定一定水压的水袋8,在设定水压下开挖隧道10,直至隧道8 开挖完成，监测围岩相似材料12及支护结构的相关参数；然后按照设定梯度逐步加大水 压，直至土体坍塌；记录土体坍塌时的气压计5读数。
[0051] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1. 一种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统，其特征在于，利用气压控制容 器向水压控制容器加载气压W，由气压控制水压向模拟有压溶腔的水袋内加水压P，进而 模拟不同水压大小的溶腔对于隧道开挖过程的影响。
2. 根据权利要求1所述用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的系统，其特征在于， 包括气压控制容器（1)、水压控制容器￠)、水袋（8)、围岩相似材料（12)、试验台架（13); 气压控制容器（1)内装满高压压缩气体，气压控制容器（1)连接阀门（2)，气压控制容器 (1)通过导气管（3)连接到水压控制容器（6)顶部，水压控制容器（6)顶部充满气体，水压 控制容器（6)下部充满水，水压控制容器（6)上部与导气管（3)连通，并在顶部安装气压计 (5) ，用于测出水压控制容器（6)上部气体压强；水压控制容器（6)侧壁标有刻度，且（0)刻 度处对应导水管（7)中心，便于准确读出液面高度；水压控制容器（6)下部通过导水管（7) 连接到水袋（8)，水袋（8)及导水管（7)在埋设围岩相似材料（12)时预埋在试验台架（13) 中，水袋（8)内放置模拟溶腔形状的钢筋网骨架（9)，水袋（8)采用乳胶制成，水袋（8)体积 略大于钢筋网骨架（9)外轮廓体积；通过阀门（2)控制高压气体流速，逐步通过导气管（3) 向水压控制容器￠)中加载气压，致使水压控制容器￠)中气压增大，将水压控制容器（6) 中的水通过连接在水压控制容器（6)下部的导水管（7)压入水袋（8);通过气压计（5)读 数控制气压控制容器（1)按照设计梯度逐步向水压控制容器（6)加载气压；读出水压控制 容器￠)内部水面高度与气压计（5)读数计算出水袋（8)内水压P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋内水压； P'------气压计读数； y-------水的重度，即单位体积水的重量； h------液面至水压控制容器导水管中心的高度； Η------水袋中心至水压控制容器下部导水管中心高度； 在设定固定的水压下开挖隧道（10)，直至开挖完成后；若开挖过程中隧道（10)不发生 坍塌继续加大水压，直至隧道（10)坍塌，加压过程中记录围岩相似材料（12)位移及各种参 数，记录隧道坍塌时气压计（5)读数。
3. -种用于隧道开挖模型试验中模拟有压溶腔的方法，其特征在于，利用气压控制容 器向水压控制容器加载气压W，由气压控制水压向模拟有压溶腔的水袋内加水压Ρ，进而 模拟不同水压大小的溶腔对于隧道开挖过程的影响。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用模拟有压溶腔的系统，该系统包括气 压控制容器（1)、水压控制容器（6)、水袋（8)、围岩相似材料（12)、试验台架（13);气压控 制容器（1)内装满高压压缩气体，气压控制容器（1)连接阀门（2)，气压控制容器（1)通过 导气管（3)连接到水压控制容器（6)顶部，水压控制容器（6)顶部充满气体，水压控制容器 (6) 下部充满水，水压控制容器（6)上部与导气管连通，并在顶部安装气压计（5)，便于测出 水压控制容器（6)上部气体压强；水压控制容器（6)侧壁标有刻度，且（0)刻度处对应导水 管（7)中心，便于读出液面高度；水压控制容器（6)下部通过导水管（7)连接到水袋（8)， 水袋⑶及导水管（7)在埋设围岩相似材料（12)时预埋在试验台架（13)中，水袋⑶内 放置模拟溶腔形状的钢筋网骨架（9)，水袋（8)采用乳胶制成，水袋（8)体积略大于钢筋网 骨架（9)外轮廓体积；通过阀门（2)控制高压气体流速，逐步通过导气管（3)向水压控制容 器（6)中加载气压，致使水压控制容器（6)中气压增大，将水压控制容器（6)中的水通过连 接在水压控制容器（6)下部的导水管（7)压入水袋（8);通过气压计（5)读数控制气压控 制容器⑴按照设计梯度逐步向水压控制容器（6)加载气压；读出水压控制容器（6)内部 水面高度与气压计（5)读数计算出水袋（8)内水压P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋内水压； P'------气压计读数； y-------水的重度，即单位体积水的重量； h------液面至水压控制容器导水管中心的高度； Η------水袋中心至水压控制容器下部导水管中心高度； 在设定固定的水压下开挖隧道（10)，直至开挖完成后；若开挖过程中隧道（10)不发生 坍塌继续加大水压，直至隧道（10)坍塌，加压过程中记录围岩相似材料（12)位移及各种参 数，记录隧道坍塌时气压计（5)读数。
【文档编号】G01N3/12GK104215517SQ201410513882
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】方勇, 周超月, 刘书斌, 郭建宁, 杨志浩 申请人:西南交通大学