用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法与流程

本发明涉及隧道施工模型试验领域，特别涉及一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法。

背景技术：

冻土在我国广泛分布，其面积约占我国陆地面积的五分之一。在这些地区修建公路和隧道，无疑是对工程师们的一项挑战。十三五期间，国家将在西部地区修建更多的高速公路、高速铁路以及城市地铁等。总结以往成功的经验并进行技术革新，成为了工程师们如今亟待解决的重要任务。

冻土对于温度变化极为敏感，多年冻土隧道围岩开挖面失稳主要是由于开挖面前方冻土在冻土围岩经洞内外热交换和洞内施工行为双重作用后，开挖面同开挖面前方冻土围岩之间产生温差，热量自发地从开挖面前方冻土围岩深处传递而产生对流换热，很快在冻土围岩内形成的融化核。融化核是造成冻土隧道开挖面失稳的“万恶之源”。因此，如果能掌握融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，就能对应采取相应措施避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生，因此，如何得到融化核的动态演变规律、开挖面的失稳机制，为冻土地区施工提供可靠的技术建议和数据支持，成为解决冻土地区施工过程中具有重要意义的目标。

现有技术中，在冻土地区进行施工时，绝大多数的工程都是因地制宜，根据工程所遇到的实际情况采取相应对策，并未形成一套有效的方法、对策，也有的工程采用有限元建立模型进行分析，但这种有限元分析方法理论性太强，并不能代替现实的冻土隧道开挖面施工工况，往往通过人为引入技术参数，参考意义和应用价值不大，因此，亟需一种实验室系统设备，该系统设备能简单操作，同时能模拟实际工程中融化核在对流换热过程中的演变过程。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对在冻土施工过程中无法预先得到融化核的演变规律和隧道开挖面的失稳机制，导致施工过程时不能为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议，进而导致无法事先预防隧道塌方、冒顶等灾害事故的问题，提供一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法，该模拟系统包括模型系统、传感系统和处理系统，通过模型系统模拟出冻土隧道施工开挖面失稳的工况，进而依靠传感系统对开挖面及冻土进行测量，得到开挖面形态参数，并利用处理系统进行分析、处理，揭示出融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，从而为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议，有效避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，包括模型系统、传感系统和处理系统，其中：

所述模型系统包括用于盛装冻土的模型箱和隧道模型，所述模型箱上开设有安装隧道模型的较大孔，使所述隧道模型能从该较大孔内推出，进而使模拟冻土的开挖面与外界相通；

所述传感系统包括温度测量仪和渗流压力测量仪，所述温度测量仪和渗流压力测量仪安装在模型箱内并与处理系统连接，用于测量冻土开挖面的温度和渗流压力；

所述处理系统包括用于采集所述传感系统形态参数的数据采集装置，该数据采集装置连接用于储存、分析形态参数的处理装置，所述处理装置输出处理数据。

冻土对温度变化极为敏感，在隧道开挖过程中，隧道内外的热量自发地从开挖面前方冻土围岩伸出传递而产生对流换热，从而在冻土围岩内形成融化核，融化核使冻土隧道开挖面失稳的根本来源，本方案中，隧道模型从冻土内推出/滑出后，露出与外界相通的模拟冻土的开挖面，开挖面两侧产生温差，进行对流换热，从而在冻土内部开始融化形成融化区，模拟冻土地区施工过程中产生的融化核，并通过安装在冻土中的传感系统进行冻土的形态测量（包括温度、渗流压力等），依靠处理系统分析得到融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议。

本方案通过模型系统模拟出冻土隧道的开挖面，依靠安装在模型箱内的传感系统对冻土的形态参数进行测量，并依靠处理系统的采集装置将这些形态参数采集并传输至处理装置，从而经过处理装置的分析计算，得到冻土隧道开挖面失稳规律和失稳机制，进而依靠该失稳规律和失稳机制调控隧道开挖面的稳定性，避免隧道在实际施工过程中发生塌方冒顶等灾害事故。

模型系统包括盛装冻土的模型箱和安装在冻土内的隧道模型，开设较大孔，使隧道模型能沿该较大孔推出/滑出，使开挖面（具体为掌子面）与外界相通，使洞内外产生热交换，模拟开挖面前方冻土与开挖面之间产生温差，从而产生对流换热的情形，并且使隧道模型能从冻土中推出/滑出，模拟洞内施工行为，模型箱内的冻土在热交换和洞内施工的双重作用下，开挖面失稳，从而模拟出隧道开挖施工过程中开挖面前方冻土熔化及开挖施工活动使冻土隧道开挖面失稳的工况，本方案的隧道模型使用的冻土可以根据实际情况进行选择，能模拟不同冻土地区的隧道施工工况，灵活性较强，适用范围非常广泛。

该模拟系统组成简单，操作方便，能模拟实际工程中融化核在对流换热过程中的演变过程，从而揭示出融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制。

优选的，所述隧道模型包括安装在冻土中的支撑段和延伸至较大孔外侧的控制段，所述支撑段外侧设置有衬砌模型槽，所述衬砌模型槽用于固化模拟隧道衬砌结构的支护模型，所述衬砌模型槽上开设有用于与支护模型分离的开口，该衬砌模型槽设有安装支座，并依靠该安装支座连接在模型箱内。

所述衬砌模型槽为长方体结构，其长度方向两端面与模型槽的内壁接触，衬砌模型槽的六个面中，除上表面和前端面外，其余四面封闭，所述前端面为与开设有较大孔的模型箱内壁贴合一面。依此，也将模型箱中开设较大孔的一面视为前端面。

所述衬砌模型槽为长方体铁槽。

所述支护模型模拟隧道施工时的衬砌，支护模型采用掺入一定量铁丝的混合物经冷却硬化形成。

布置衬砌模型槽，用于固化模拟隧道衬砌的支护模型，将支护模型的原料导入衬砌模型槽内，待原料冷却硬化后，取出模型槽，形成衬砌结构。采用这种方式，能模拟出在冻土环境下的衬砌真实状态，保证本方案的模拟系统更贴切冻土地区施工的真实环境，得到较为准确的开挖面形态参数，为后期进行开挖面失稳机理的分析做好充足准备。在衬砌模型槽上设置开口，支护模型固化后，通过该开口使衬砌模型槽与支护模型分离，从而取出衬砌模型槽。

在隧道模型的外侧（即外壁）设置有衬砌模型槽，通过衬砌模型槽制作更为贴近冻土地区的衬砌结构，保证通过本模拟系统得到的结果是正确可靠的，从而具有更高的参考和分析价值。

由于冻土围岩中形成的融化核是开挖面失稳的根本来源，通过设置支护模型，更加透彻地分析到支护模型对产生融化核后的冻土的支撑作用，分析得到冻土环境下的衬砌结构对防止隧道塌方的作用。

优选的，所述模型系统还包括用于支撑所述隧道模型滑动的导轨装置。

设置导轨装置，用于支撑隧道模型，使隧道模型沿导轨装置进行滑动，从而保证隧道模型在固定方向运动，避免产生偏移导致折线运动。

优选的，所述导轨装置包括布置在隧道模型两侧的丝杆，所述丝杆穿过模型箱从冻土内向外延伸，其延伸方向与隧道模型平行，所述隧道模型的控制段端部连接有支撑滑板，所述丝杆穿过支撑滑板后通过丝杆固定桩固定。

采取上述方式的导轨装置，使隧道模型能沿丝杆进行滑动，保证滑动方向固定，使得隧道模型在滑动过程中不发生偏移、错向。

优选的，支撑滑板与隧道模型焊接为一体。

丝杆的一端位于冻土内，另一端延伸至模型箱外侧，所述丝杆固定桩位于丝杆模型箱外侧一端。

优选的，所述模型箱为顶端安装有背压板的矩形箱体，所述背压板与模型箱可拆卸式连接，使模型箱通过背压板实现开闭，所述模型箱的内壁设有隔热层。

通过背压板将模型箱进行打开和/或关闭，从而在实验过程中对模型系统进行布置和安装，并根据需要填充不同属性的冻土，进行多种冻土环境下的开挖面稳定性分析。

在模型箱内设置隔热层，能有效防止冻土散热，从而使冻土在较长时间内保持原有状态，保证模拟系统具有足够的时间进行模拟实验，保证数据更加贴近实际。

所述隔热层为绝热卷材，沿矩形箱体六个内壁面上均布置有绝热卷材，所述绝热卷材的厚度与模型箱的体积对应，保证模型箱内的冻土长期处于需要的试验状态。

优选的，所述模型箱上安装有反压装置，该反压装置包括安装在模型箱顶端的固定板，所述固定板的两端连接有锁紧拉杆。

安装锁紧拉杆，使所述固定板通过锁紧拉杆拉紧固定，模型箱内盛装冻土，当冻土装满模型箱后，需要保证冻土压实填满，采用本方案的反压装置，能对冻土进行压实处理。

所述模型箱上还设有用于传感系统接线穿过的过线孔。

由于在冻土内布置有用于测量冻土形态参数的传感系统，传感系统包括多种测量设备，测量设备需要与处理系统连接，通过在模型箱上开设过线孔，用于测量设备的接线通过。

所述过线孔与接线适配，避免过线孔过大，防止散热严重。

优选的，所述传感系统还包括位移计、土压力盒和应变片，所述土压力盒安装在衬砌结构外层，在冻土内靠近开挖面的部位也布置有土压力盒，所述位移计安装在靠近模型箱上表面内壁的冻土表层中，且模型箱的后端面内壁冻土表层内也布置有位移计，所述应变片布置在开挖面处衬砌结构外表面。

使用土压力盒测量冻土在各个测量时间点的压力，从而得到压力变化情况，位移计用于测量冻土层中的沉降量，从而根据沉降量分析开挖面的稳定性情况。

布置应变片，通过应变片测量衬砌结构各点的应变量，从而为分析融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制提供基础数据。

所述应变片为低温单轴应变片，应变片采用粘贴的方式安装在开挖面处衬砌结构的外表面。

优选的，所述位移计为直线位移传感器。

优选的，所述土压力盒为模型试验专用微型土压力盒。

优选的，所述模型箱的后端面上开设有用于安装支撑筋的较小孔，所述支撑筋连接有固定板，该支撑筋和固定板用于安装土压力盒及位移计。

所述支撑筋为钢筋，所述固定板为方形钢板，钢筋和方形钢板焊接连接。

模型箱上开设有较大孔的端面为前端面，相对一侧为后端面，在后端面上布置支撑筋，且该支撑筋通过固定板进行固定，如此结构，便于安装土压力盒及位移计，使土压力盒及位移计得到固定。

所述处理系统包括用于采集所述传感系统形态参数的数据采集装置，该数据采集装置连接用于储存、分析形态参数的处理装置，所述处理装置输出处理数据。

优选的，所述数据采集装置包括数据采集仪和应变仪，所述数据采集仪用于获取位移计测量的沉降量、温度测量仪测量的测点温度和应变片测量的衬砌结构应变量，所述应变仪用于采集渗流压力测量仪测量的渗流压力和土压力盒测量的土压力，所述数据采集仪和应变仪连接至处理装置，所述处理装置为计算机系统，计算机系统还能储存传感系统所监测的数据，并内置分析模块进行数据分析。

对应地，本发明还提供了一种用于调控冻土隧道开挖面前方围岩温度场的实验方法，采用上述所述的模拟系统对温度场进行调控，包括以下步骤：

a、组装模型系统，预先确定隧道模型的大小，并在模型箱上开设与隧道模型对应的较大孔，同时开设较小孔和过线孔，准备好模型箱后将其固定，并在所述模型箱内壁安装隔热层；

b、将隧道模型移动至模型箱内部，安装衬砌模型槽，并通过衬砌模型槽制作支护模型；

c、移除衬砌模型槽，并将需要分析的冻土铺设在模型箱内，同时布置传感系统；

d、将隧道模型推出，露出掌子面和衬砌结构，通入不同温度的热风；

e、通过处理系统得到冻土隧道开挖面失稳机制。

在模型箱内盛装冻土时，冻土的类型与实际施工过程中的冻土相似，在分析不同的冻土地区隧道开挖过程中开挖面的稳定性时，对应采取相应的冻土类型，从而得到该冻土地区的隧道稳定性机理，并提供对应的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种冻土类型的模拟分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见。

隧道模型推出后，往掌子面和衬砌结构内通入不同温度的热风，能模拟出不同的外部环境条件，进行得到同一类型的冻土在不同的环境条件下进行热交换时开挖面的稳定性情况，从而进行多方面的分析，得到更为全面和宽泛的数据参考。

本方案的实验方法通过前述的模拟系统进行实验，得到隧道开挖面失稳机制后，就能在实际施工过程中采取相应对策，对冻土隧道开挖面的稳定性进行调整，从而有效避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生。

优选的，所述温度测量仪采用温度传感器，所述渗流压力测量仪采用渗压计，温度传感器和渗压计布置在隧道模型的多个截面上，包括开挖面附近的截面，在每个所述截面上，以隧道模型中心沿多个径向方向延伸，每个径向方向均布置多个所述温度传感器和多个所述渗压计，开挖面附近截面上的温度传感器和渗压计布置密度高于其他截面。

采取上述方式布置温度传感器和渗压计，使温度传感器和渗压计布置更加全面，能测量到所有区域冻土的温度变化情况和渗流压力变化情况，使数据分析、处理更加准确，也更贴近冻土在实际施工过程中的变化情况，使本方案的模拟系统得出的开挖面失稳机理分析更加准确。

在开挖面附近的截面布置密度更高的温度传感器和渗压计，从而更加准确地测量开挖面施工造成的冻土变化情况。

所述温度传感器和渗压计依次布置。

优选的，所述温度传感器为铂金电阻探头。

优选的，所述渗压计为模型试验专用微型渗压计。

优选的，所述步骤a中，隧道模型的大小根据实际工程决定，隧道模型的大小要满足实际施工的隧道原型与隧道模型传热过程的相似性，使模型中对流换热系数相似比与几何相似比的乘积等于冻土的导热系数相似比。

优选的，所述步骤b中，制作支护模型时，支护模型采用一定质量比的水、石膏、硅藻混合物和铁丝制得而成，预先配制好支护模型原料，安装好衬砌模型槽后，将配置好的原料倒入衬砌模型槽内，待其冷却，硬化，最后取出衬砌模型槽，从而形成模型系统的衬砌结构。

优选的，当模型系统安装有反压装置时，在步骤c后增加步骤c′：将冻土铺设到模型箱顶部位置时，铺设隔热层，并盖好反压板，然后使用反压装置将模型箱内的冻土进行压实处理，并固定反压装置。

本发明的模拟系统和实验方法过程中，使用的冻土采用实验室的制冷机设备制得，并且为了保证冻结效果，冻土表层和内部的温度一致，优选的，冻土采用分块实现，每块的尺寸制作为30cm×30cm×30cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过模型系统模拟出冻土隧道的开挖面，依靠安装在模型箱内的传感系统对冻土的形态参数进行测量，并依靠处理系统的采集装置将这些形态参数采集并传输至处理装置，从而经过处理装置的分析计算，得到冻土隧道开挖面失稳规律和失稳机制，进而依靠该失稳规律和失稳机制调控隧道开挖面的稳定性，避免隧道在实际施工过程中发生塌方冒顶等灾害事故；

2、布置衬砌模型槽，用于固化模拟隧道衬砌的支护模型，将支护模型的原料导入衬砌模型槽内，待原料冷却硬化后，取出模型槽，形成衬砌结构。采用这种方式，能模拟出在冻土环境下的衬砌真实状态，保证本方案的模拟系统更贴切冻土地区施工的真实环境，得到较为准确的开挖面形态参数，为后期进行开挖面失稳机理的分析做好充足准备；

3、将温度传感器和渗压计布置在隧道模型的多个截面上，包括开挖面附近的截面，在每个所述截面上，以隧道模型中心沿多个径向方向延伸，每个径向方向均布置多个所述温度传感器和多个所述渗压计，开挖面附近截面上的温度传感器和渗压计布置密度高于其他截面，这种方式使温度传感器和渗压计布置更加全面，能测量到所有区域冻土的温度变化情况和渗流压力变化情况，使数据分析、处理更加准确，也更贴近冻土在实际施工过程中的变化情况，使本方案的模拟系统得出的开挖面失稳机理分析更加准确；

4、在模型箱内设置隔热层，能有效防止冻土散热，从而使冻土在较长时间内保持原有状态，保证模拟系统具有足够的时间进行模拟实验，保证数据更加贴近实际；

5、在模型箱内盛装冻土时，冻土的类型与实际施工过程中的冻土相似，在分析不同的冻土地区隧道开挖过程中开挖面的稳定性时，对应采取相应的冻土类型，从而得到该冻土地区的隧道稳定性机理，并提供对应的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种冻土类型的模拟分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见；

6、隧道模型推出后，往掌子面和衬砌结构内通入不同温度的热风，能模拟出不同的外部环境条件，进行得到同一类型的冻土在不同的环境条件下进行热交换时开挖面的稳定性情况，从而进行多方面的分析，得到更为全面和宽泛的数据参考。

附图说明：

图1为本发明模拟系统的模型系统结构示意图。

图2为本发明模拟系统的传感系统（温度传感器和渗压计）的布置示意图。

图3为图2另一视角的布置示意图。

图4为本发明模拟系统的传感系统（温度传感器、渗压计和应变片）的布置示意图。

图5为本发明模拟系统的传感系统（位移计和土压力盒）的布置示意图。

图6为图5另一视角的布置示意图。

图7为使用本发明的模拟系统调控冻土隧道开挖面前方围岩温度场实验方法的步骤流程图。

图中标记：1-模型箱，2-隧道模型，21-控制段，3-开挖面，4-衬砌模型槽，5-支护模型，6-导轨装置，61-丝杆，62-丝杆固定桩，7-支撑滑板，8-背压板，9-隔热层，10-反压装置，101-固定板，102-锁紧拉杆，11-温度测量仪，12-渗流压力测量仪，13-应变片，14-位移计，15-土压力盒，16-支撑筋，17-固定板。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1～图6所示：

用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，包括模型系统、传感系统和处理系统，其中，所述模型系统包括用于盛装冻土的模型箱1和隧道模型2，所述模型箱1上开设有安装隧道模型2的较大孔，使所述隧道模型2能从该较大孔内推出，进而使模拟冻土的开挖面3与外界相通；

所述传感系统包括温度测量仪11和渗流压力测量仪12，所述温度测量仪11和渗流压力测量仪12安装在模型箱1内并与处理系统连接，用于测量冻土开挖面的温度和渗流压力；

所述处理系统包括用于采集所述传感系统形态参数的数据采集装置，该数据采集装置连接用于储存、分析形态参数的处理装置，所述处理装置输出处理数据。

冻土对温度变化极为敏感，在隧道开挖过程中，隧道内外的热量自发地从开挖面前方冻土围岩伸出传递而产生对流换热，从而在冻土围岩内形成融化核，融化核使冻土隧道开挖面失稳的根本来源，本方案中，隧道模型从冻土内推出/滑出后，露出与外界相通的模拟冻土的开挖面，开挖面两侧产生温差，进行对流换热，从而在冻土内部开始融化形成融化区，模拟冻土地区施工过程中产生的融化核，并通过安装在冻土中的传感系统进行冻土的形态测量（包括温度、渗流压力等），依靠处理系统分析得到融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议。

本方案通过模型系统模拟出冻土隧道的开挖面，依靠安装在模型箱内的传感系统对冻土的形态参数进行测量，并依靠处理系统的采集装置将这些形态参数采集并传输至处理装置，从而经过处理装置的分析计算，得到冻土隧道开挖面失稳规律和失稳机制，进而依靠该失稳规律和失稳机制调控隧道开挖面的稳定性，避免隧道在实际施工过程中发生塌方冒顶等灾害事故。

模型系统包括盛装冻土的模型箱和安装在冻土内的隧道模型，开设较大孔，使隧道模型能沿该较大孔推出/滑出，使开挖面（具体为掌子面）与外界相通，使洞内外产生热交换，模拟开挖面前方冻土与开挖面之间产生温差，从而产生对流换热的情形，并且使隧道模型能从冻土中推出/滑出，模拟洞内施工行为，模型箱内的冻土在热交换和洞内施工的双重作用下，开挖面失稳，从而模拟出隧道开挖施工过程中开挖面前方冻土熔化及开挖施工活动使冻土隧道开挖面失稳的工况，本方案的隧道模型使用的冻土可以根据实际情况进行选择，能模拟不同冻土地区的隧道施工工况，灵活性较强，适用范围非常广泛。

该模拟系统组成简单，操作方便，能模拟实际工程中融化核在对流换热过程中的演变过程，从而揭示出融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制。

隧道模型2包括安装在冻土中的支撑段和延伸至较大孔外侧的控制段21，该支撑段外侧设置有衬砌模型槽4，图1中，由于支撑段伸入衬砌模型槽4内部，因此支撑段在图中不可见，所述衬砌模型槽4用于固化模拟隧道衬砌结构的支护模型5，所述衬砌模型槽4上开设有用于与支护模型5分离的开口，该衬砌模型槽4设有安装支座，并依靠该安装支座连接在模型箱4内。

作为其中一种优选的实施方式，衬砌模型槽4为长方体结构，其长度方向两端面与模型槽1的内壁接触，衬砌模型槽4的六个面中，除上表面和前端面外，其余四面封闭，所述前端面为与开设有较大孔的模型箱内壁贴合一面。依此，也将模型箱中开设较大孔的一面视为前端面。

进一步地，所述衬砌模型槽4为长方体铁槽，隧道模型2为薄壁铝桶。

所述支护模型5模拟隧道施工时的衬砌结构，支护模型5采用掺入一定量铁丝的混合物经冷却硬化形成。

布置衬砌模型槽4，用于固化模拟隧道衬砌结构的支护模型5，将支护模型5的原料导入衬砌模型槽4内，待原料冷却硬化后，取出衬砌模型槽4，形成衬砌结构，采用这种方式，能模拟出在冻土环境下的衬砌真实状态，保证本方案的模拟系统更贴切冻土地区施工的真实环境，得到较为准确的开挖面形态参数，为后期进行开挖面失稳机理的分析做好充足准备。在衬砌模型槽上设置开口，支护模型固化后，通过该开口使衬砌模型槽与支护模型分离，从而取出衬砌模型槽。

在隧道模型2的外侧（即外壁）设置有衬砌模型槽4，通过衬砌模型槽4制作支护模型5，使模型系统的结构更为贴近冻土地区的实际工况，保证通过本模拟系统得到的结果是正确可靠的，从而具有更高的参考和分析价值。

由于冻土围岩中形成的融化核是开挖面失稳的根本来源，通过设置支护模型，更加透彻地分析到支护模型对产生融化核后的冻土的支撑作用，分析得到冻土环境下的衬砌结构对防止隧道塌方的作用。

为了保证隧道模型2在固定方向运动，避免产生偏移导致折线运动，在隧道模型2的控制段21部位还设有用于支撑隧道模型2滑动的导轨装置6。

设置导轨装置6，用于支撑隧道模型2，使隧道模型2沿导轨装置6进行滑动。

作为其中一种优选的实施方式，所述导轨装置6包括布置在隧道模型2两侧的丝杆61，所述丝杆61穿过模型箱1从冻土内向外延伸，其延伸方向与隧道模型2平行，所述隧道模型2的控制段21端部连接有支撑滑板7，所述丝杆61穿过支撑滑板7后通过丝杆固定桩62固定，导轨装置6使隧道模型2能沿丝杆61进行滑动，保证滑动方向固定，使得隧道模型在滑动过程中不发生偏移、错向。

进一步地，支撑滑板7与隧道模型2焊接为一体，支撑滑板7和丝杆的材质为不锈钢，采取这种材质，可以大幅提高模型系统的使用寿命。

丝杆61的一端位于冻土内，另一端延伸至模型箱1外侧，所述丝杆固定桩62位于丝杆62的模型箱外侧一端。

作为其中一种优选的实施方式，模型箱1为顶端安装有背压板8的矩形箱体，所述背压板8与模型箱1可拆卸式连接，使模型箱1通过背压板8实现开闭，所述模型箱1的内壁设有隔热层9，通过背压板8将模型箱1进行打开和/或关闭，从而在实验过程中对模型系统进行布置和安装，并根据需要填充不同属性的冻土，进行多种冻土环境下的开挖面稳定性分析。

在模型箱内设置隔热层，能有效防止冻土散热，从而使冻土在较长时间内保持原有状态，保证模拟系统具有足够的时间进行模拟实验，保证数据更加贴近实际。

进一步地，所述背压板8的材质为铁，所述隔热层9为绝热卷材，沿矩形箱体六个内壁面上均布置有绝热卷材，所述绝热卷材的厚度与模型箱的体积对应，保证模型箱内的冻土长期处于需要的试验状态。

作为其中一种优选的实施方式，所述模型箱1上安装有反压装置10，该反压装置10包括安装在模型箱1顶端的固定板101，所述固定板101的两端连接有锁紧拉杆102。

安装锁紧拉杆102，使所述固定板101通过锁紧拉杆102拉紧固定，模型箱1内盛装冻土，当冻土装满模型箱1后，需要保证冻土压实填满，采用本方案的反压装置10，能对冻土进行压实处理。

所述模型箱1上还设有用于传感系统接线穿过的过线孔，由于在冻土内布置有用于测量冻土形态参数的传感系统，传感系统包括多种测量设备，测量设备需要与处理系统连接，通过在模型箱上开设过线孔，用于测量设备的接线通过，过线孔的大小与接线适配，避免过线孔过大，防止散热严重。

作为其中的一种实施方式，如图4、图5和图6所示，传感系统还包括位移计14、土压力盒15和应变片13，所述土压力盒15安装在支护模型5（相当于衬砌结构）外层，在冻土内靠近开挖面3的部位也布置有土压力盒，所述位移计14安装在靠近模型箱1上表面内壁的冻土表层中，且模型箱1的后端面内壁冻土表层内也布置有位移计14，所述应变片13布置在开挖面3处支护模型5的外表面。

使用土压力盒测量冻土在各个测量时间点的压力，从而得到压力变化情况，位移计用于测量冻土层中的沉降量，从而根据沉降量分析开挖面的稳定性情况。

布置应变片，通过应变片测量衬砌结构各点的应变量，从而为分析融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制提供基础数据。

进一步地，所述应变片13为低温单轴应变片，应变片13采用粘贴的方式安装在开挖面3处支护模型5（衬砌结构）的外表面。

进一步地，所述位移计14为直线位移传感器。

进一步地，所述土压力盒15为模型试验专用微型土压力盒。

作为其中一种实施方式，所述模型箱1的后端面上开设有用于安装支撑筋16的较小孔，所述支撑筋16连接有固定板17，该支撑筋16和固定板17用于安装土压力盒15及位移计14。

所述支撑筋16为钢筋，所述固定板17为方形钢板，钢筋和方形钢板焊接连接。

模型箱上开设有较大孔的端面为前端面，相对一侧为后端面，在后端面上布置支撑筋，且该支撑筋通过固定板进行固定，如此结构，便于安装土压力盒及位移计，使土压力盒及位移计得到固定。

所述处理系统包括用于采集所述传感系统形态参数的数据采集装置，该数据采集装置连接用于储存、分析形态参数的处理装置，所述处理装置输出处理数据。

作为其中的一种实施方式，所述数据采集装置包括数据采集仪和应变仪，所述数据采集仪用于获取位移计测量的沉降量、温度测量仪测量的测点温度和应变片测量的衬砌结构应变量，所述应变仪用于采集渗流压力测量仪测量的渗流压力和土压力盒测量的土压力，所述数据采集仪和应变仪连接至处理装置，所述处理装置为计算机系统。

实施例2

如图1和图7所示，用于调控冻土隧道开挖面前方围岩温度场的实验方法，采用实施例1中的模拟系统对温度场进行调控，包括以下步骤：

a、组装模型系统，预先确定隧道模型2的大小，并在模型箱1上开设与隧道模型2对应的较大孔，同时开设较小孔和过线孔，准备好模型箱1后将其固定，并在所述模型箱1内壁安装隔热层9；

b、将隧道模型2移动至模型箱1内部，安装衬砌模型槽4，并通过衬砌模型槽4制作支护模型5，砌模型槽4的前端紧贴模型箱1的内壁，保证不漏浆；

c、移除衬砌模型槽4，并将需要分析的冻土铺设在模型箱1内，同时布置传感系统；

d、将隧道模型2推出，露出掌子面和支护模型5（衬砌结构），通入不同温度的热风；

e、通过处理系统得到冻土隧道开挖面3失稳机制。

在模型箱内盛装冻土时，冻土的类型与实际施工过程中的冻土相似，在分析不同的冻土地区隧道开挖过程中开挖面的稳定性时，对应采取相应的冻土类型，从而得到该冻土地区的隧道稳定性机理，并提供对应的方案。本发明的模拟系统及实验方法能用于各种冻土类型的模拟分析，并对实际工程的建设提供建议及参考意见。

隧道模型推出后，往掌子面和衬砌结构内通入不同温度的热风，能模拟出不同的外部环境条件，进行得到同一类型的冻土在不同的环境条件下进行热交换时开挖面的稳定性情况，从而进行多方面的分析，得到更为全面和宽泛的数据参考。

本实施例的实验方法通过前述的模拟系统进行实验，得到隧道开挖面失稳机制后，就能在实际施工过程中采取相应对策，对冻土隧道开挖面的稳定性进行调整，从而有效避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生。

作为其中一种优选的实施方式，如图2和图3所示，所述温度测量仪11采用温度传感器，所述渗流压力测量仪12采用渗压计，温度传感器和渗压计布置在隧道模型的多个截面上，包括开挖面附近的截面，在每个所述截面上，以隧道模型中心沿多个径向方向延伸，每个径向方向均布置多个所述温度传感器和多个所述渗压计，开挖面附近截面上的温度传感器和渗压计布置密度高于其他截面。

采取上述方式布置温度传感器和渗压计，使温度传感器和渗压计布置更加全面，能测量到所有区域冻土的温度变化情况和渗流压力变化情况，使数据分析、处理更加准确，也更贴近冻土在实际施工过程中的变化情况，使本方案的模拟系统得出的开挖面失稳机理分析更加准确。

在开挖面附近的截面布置密度更高的温度传感器和渗压计，从而更加准确地测量开挖面施工造成的冻土变化情况。

进一步地，所述温度传感器和渗压计依次布置，温度传感器采用铂金电阻探头，渗压计采用模型试验专用微型渗压计。

所述步骤a中，隧道模型的大小根据实际工程决定，隧道模型的大小要满足实际施工的隧道原型与隧道模型传热过程的相似性，使模型中对流换热系数相似比与几何相似比的乘积等于冻土的导热系数相似比。

所述步骤b中，制作支护模型时，支护模型采用一定质量比的水、石膏、硅藻混合物和铁丝制得而成，预先配制好支护模型原料，安装好衬砌模型槽后，将配置好的原料倒入衬砌模型槽内，待其冷却，硬化，最后取出衬砌模型槽，从而形成模拟系统的衬砌结构。