交叉裂隙岩体隧道三维模型试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩体隧道模拟试验领域，尤其是一种隧道模型水压试验装置。

背景技术：

近年来，随着国家交通运输事业的发展，城市人口急剧的增加，众多大型隧道及地下工程基础设施纷纷涌现，给国内隧道及地下工程学科的发展带来了巨大的机遇与挑战。这些工程项目大多处于天然岩体之中，并且以高水压富水区裂隙岩体隧道性质最为复杂。高水压富水区裂隙岩体中存在许多贯通的裂隙，使得隧道岩体本身在结构性能上区别于其它的岩体，形成节理裂隙岩体，特别以交叉裂隙岩体居多，具有复杂性和异向性的特点，富水区岩体中的地下水流错综复杂的流穿于贯通的隧道岩体裂隙中，造成隧道施工时围岩强度降低，衬砌严重变形等工程事故。

目前，高水压富水区隧道建设遇到工程问题时，往往比较针对隧道涌水量方面的研究，而对隧道衬砌背后及围岩内的渗水压力的研究不是很多，特别是隧道上方岩体存在裂隙时的衬砌水压力规律研究更少。因此，研究裂隙岩体隧道围岩内、衬砌背后水荷载分布规律显得越来越重要。通过建立模型来试验越来越多的被学者所使用，模型建立的好坏对研究结果起着决定性的作用。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种交叉裂隙岩体隧道三维模型试验装置，准确的模拟交叉裂隙岩体隧道衬砌的真实渗流环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的测试与分析。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种交叉裂隙岩体隧道三维模型试验装置，包括模型箱系统、水压力加载控制系统、压力采集系统及隧道排水计量系统，所述模型箱系统包括箱体，箱体底部铺设有土工布，箱体内设置有模拟隧道的、设置有排水孔的聚丙烯管，聚丙烯管外周包裹有纱布，聚丙烯管的纱布外设置有与聚丙烯管内连通的纵向盲管和环向盲管，聚丙烯管的横向和纵向分别设置有垂直交叉的模拟裂隙的横向和纵向的土工布，横向的土工布包括中部穿过聚丙烯管的长方形土工布，纵向的土工布包括设置在聚丙烯管上部和下部的两块长方形土工布，土工布通过细线与聚丙烯管上纱布缝接，所述压力采集系统包括设置在箱体内的待测点上的压力传感器，聚丙烯管、土工布和压力传感器外设置有由水泥砂浆浇筑而成的围岩，所述箱体顶部设置有多个与水压力加载控制系统连接的进水口，箱体底部设置有安装有排水阀的排水口，所述进水口与土工布位置错开，所述排水口与土工布位置相对。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述箱体底部垂直交叉线上布置有多个排水口，排水口与垂直交叉的土工布相对应；所述箱体顶部对角交叉线上布置有多个进水口，进水口与土工布位置错开。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述纵向盲管沿着聚丙烯管长度方向设置在聚丙烯管两侧底部，环向盲管沿着聚丙烯管外圆周布置，环向盲管与纵向盲管相连通，纵向盲管与聚丙烯管连通，纵向盲管和环向盲管均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：沿着聚丙烯管横向拾取三个平行截面，中间一个截面与横向的土工布重合，两边的截面其中一个经过环向盲管；

在与横向土工布重合的截面上设置有17个压力传感器，其中聚丙烯管圆周的左、左下、右、右下、正下、聚丙烯管下方100mm处、聚丙烯管圆周正左和正右100mm处各设置一个压力传感器，聚丙烯管圆周正上方三竖排共9个压力传感器，每个压力传感器间隔200mm；

经过环向盲管的截面上设置有12个压力传感器，其中聚丙烯管圆周的正上、左、左下、右、右下、正下、聚丙烯管下方100mm处、聚丙烯管上方200mm处各设置一个压力传感器，其中聚丙烯管一侧距聚丙烯管中心200mm设置有一竖排共4个压力传感器，4个压力传感器分别与聚丙烯管圆周的下方100mm处、正下、正上、聚丙烯管上方200mm处的压力传感器在同一个水平面上；

另一个截面上压力传感器的布置与经过环向盲管的截面上的压力传感器布置相对于纵向的土工布对称。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述水压力加载控制系统包括与进水口连接的高压水管，进水口出设置有进水阀门，高压水管另一端与高压水源连接，高压水源出口处设置有水源阀门，所述高压水管上设置有与外部连通的分支管路，分支管路上设置有分水阀门。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述箱体顶部设置有两个精密压力表。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述聚丙烯管一端封闭，另一端开口，开口一端的下方设置有隧道排水计量系统，所述隧道排水计量系统包括量杯和秒表。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：压力传感器与静态应变仪连接，静态应变仪连接到计算机上。

由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的技术进步是：

本实用新型能够准确的模拟交叉裂隙岩体隧道衬砌的真实渗流环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的分析。

进水口与土工布位置错开，避免了高压水对模拟裂隙的冲刷，使得裂隙处受到平稳的压力，模拟更加真实。多个进水口的设置确保岩体上端的水压能够快速且平稳上升，避免对岩体上单个位置的的集中冲刷。

设置两个精密压力表可实现压力的比对，保证压力测量的准确性。水源阀门和分水阀门的配合调节实现了模型箱系统内水压和渗流的稳定。

压力传感器的布置位置保证了衬砌背后、裂隙面上及围岩中的水压力全部获取，为试验结果提供完整和全面的数据支撑。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型土工布和聚丙烯管的结构示意图；

图3是本实用新型箱体顶部进水口与土工布位置结构示意图；

图4是本实用新型箱体底部排水口与土工布位置结构示意图；

图5是与土布重合的截面上压力传感器的布置图；

图6是经过环向盲管的截面上压力传感器的布置图；

图7是另一个截面上压力传感器的布置图；

其中，1、箱体，2、精密压力表，3、排水孔，4、聚丙烯管，5、纵向盲管，6、环向盲管，7、土工布，9、压力传感器，10、围岩，11、进水口，12、排水口，13，高压水管，14、进水阀门，15、高压水源，16、水源阀门，17、分支管路，18、分水阀门。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步详细说明：

如图1～4所示，一种交叉裂隙岩体隧道三维模型试验装置，包括模型箱系统、水压力加载控制系统、压力采集系统及隧道排水计量系统，准确的模拟交叉裂隙岩体隧道衬砌的真实渗流环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的分析。

模型箱系统包括箱体1，箱体1底部铺设有土工布，起到便于围岩底部水的排出。箱体1内设置有模拟隧道的的聚丙烯管4，聚丙烯管4一端封闭，另一端开口，开口一端的下方设置有隧道排水计量系统，隧道排水计量系统包括量杯和秒表。聚丙烯管4上沿着轴向在外圆周上设置有多个排水孔3，聚丙烯管4外周包裹有纱布，与聚丙烯管一起来模拟防水板。聚丙烯管4的纱布外设置有纵向盲管5和环向盲管6，纵向盲管5沿着聚丙烯管4长度方向设置在聚丙烯管4两侧靠底部的位置，环向盲管6沿着聚丙烯管4外圆周布置有多个，环向盲管6与纵向盲管5相连通，纵向盲管5伸入聚丙烯管4靠近聚丙烯管4两端的位置的排水孔3内实现连通。纵向盲管5和环向盲管6均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布。

聚丙烯管4的横向和纵向分别设置有垂直交叉的模拟裂隙的横向和纵向的土工布，横向的土工布包括中部穿过聚丙烯管4的长方形土工布，纵向的土工布包括设置在聚丙烯管4上部和下部的两块长方形土工布，土工布通过细线与聚丙烯管4上纱布缝接。压力采集系统包括压力传感器9，压力传感器9通过信号线与静态应变仪连接，静态应变仪连接到计算机上。压力传感器9设置在箱体1内的待测点上。待测点的选取具体如下，沿着聚丙烯管4横向拾取三个平行截面，中间一个截面与横向的土工布重合，两边的截面其中一个经过环向盲管6；

如图5所示，在与横向土工布重合的截面上设置有17个压力传感器9，其中聚丙烯管4圆周的左、左下、右、右下、正下、聚丙烯管4下方100mm处、聚丙烯管4圆周正左和正右100mm处各设置一个压力传感器9，聚丙烯管4圆周正上方三竖排共9个压力传感器9，每个压力传感器9间隔200mm；

如图6所示，经过环向盲管6的截面上设置有12个压力传感器9，其中聚丙烯管4圆周的正上、左、左下、右、右下、正下、聚丙烯管4下方100mm处、聚丙烯管4上方200mm处各设置一个压力传感器9，其中聚丙烯管4一侧距聚丙烯管4中心200mm设置有一竖排共4个压力传感器9，4个压力传感器9分别与聚丙烯管4圆周的下方100mm处、正下、正上、聚丙烯管4上方200mm处的压力传感器9在同一个水平面上；

如图7所示，另一个截面上压力传感器9的布置与经过环向盲管6的截面上的压力传感器9布置相对于纵向的土工布对称。

聚丙烯管4、土工布和压力传感器9外设置有由水泥砂浆浇筑而成的围岩10。箱体1顶部对角交叉线上布置有多个进水口11，进水口11与土工布位置错开，避免了高压水对模拟裂隙的冲刷，使得裂隙处受到平稳的压力，模拟更加真实。多个进水口的设置确保岩体上端的水压能够快速且平稳上升，避免对岩体上单个位置的的集中冲刷。箱体1底部垂直交叉线上布置有多个排水口12，排水口12与垂直交叉的土工布相对应，使得围岩10底部的水能够直接快速的排出。

水压力加载控制系统包括与进水口11连接的高压水管13，进水口11出设置有进水阀门14，高压水管13另一端与高压水源15连接，高压水源15出口处设置有水源阀门16，高压水管13上设置有与外部连通的分支管路17，分支管路17上设置有分水阀门18。水源阀门和分水阀门的配合调节实现了模型箱内水压和渗流的稳定。箱体1顶部设置有两个精密压力表2，实现压力的比对，保证压力测量的准确性。