本發(fā)明涉及一種全方位模擬隧道開挖過程的模型,特別用于解決隧道開挖中的涌水量預(yù)測與外水壓力預(yù)測模擬的問題。

背景技術(shù)：

隧道工程在以前的隧道模型中，一般都用于驗(yàn)證隧道的圍巖穩(wěn)定性，且都主要運(yùn)用古典壓力理論、散體壓力理論、及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的彈性力學(xué)理論、塑性力學(xué)理論。很少通過實(shí)際的現(xiàn)場模型去驗(yàn)證隧道的壓力、涌水量或者涌水方式等數(shù)據(jù)。

目前，隧道驗(yàn)證的方法主要有三類：理論分析法、實(shí)驗(yàn)分析法、數(shù)值模擬法。理論分析法，即使用相應(yīng)的圍巖條件進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)分析法又分為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模擬兩種。其中現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法由于受現(xiàn)場工程因素影響較大，而且實(shí)驗(yàn)周期長、工作量大而準(zhǔn)確性較低,加之現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高等原因,在隧道分析中應(yīng)用較少,但原始數(shù)據(jù)收集等基礎(chǔ)性工作必須以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),為模型的建立提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展日趨成熟,如有限單元法、邊界元法、散元法等,以此為基礎(chǔ)的計算軟件大量涌現(xiàn),如ADINA,NoLM,FINAL,uDEc,sAP,FLAC等程序都為廣大用戶所熟知,這些軟件和一些支護(hù)理論相結(jié)合在隧道工程中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬研究是在計算機(jī)及試驗(yàn)勘探技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的,經(jīng)過一系列發(fā)展過程,數(shù)值模擬可以對復(fù)雜巖體工程問題進(jìn)行定量分析。實(shí)際上運(yùn)用數(shù)值計算及物理模型解決巖土工程問題已經(jīng)為工程實(shí)踐所證實(shí),成為工程設(shè)計主要依據(jù)。

目前,我國在隧道建設(shè)中普遍采用了新奧法,而新奧法施工過程中最關(guān)鍵的是位移與應(yīng)力監(jiān)測。開挖后地應(yīng)力釋放,巖層、圍巖及其土層的蠕變,不僅會產(chǎn)生較大的位移,還會在隧道結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的應(yīng)力,甚至產(chǎn)生塌方等更為嚴(yán)重的事故；其次是力學(xué)建摸、計算分析,對隧道實(shí)行信息化施工監(jiān)測監(jiān)控和穩(wěn)定性評估。為保證隧道施工中的安全和質(zhì)量,以及運(yùn)營中的安全性、可靠性、耐久性、行車舒適性等,所以對隧道的全方位研究,已成為隧道建設(shè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

但是在現(xiàn)有的隧道模型中，都只能簡單的模擬隧道的開挖之前或者是隧道開挖結(jié)束之后的工況，而不能模擬隧道施工過程中的出現(xiàn)的問題。或者只能模擬單變量的問題。在此情況下，我們加深了對隧道模型的研究，并發(fā)明了可全方位模擬隧道開挖建設(shè)過程的模型，可以為施工提供全面的數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種全方位模擬隧道開挖過程的模型，重點(diǎn)模擬隧道開挖過程中的地下水流場變化情況與隧道涌水量，能夠完全模擬隧道開挖過程中出現(xiàn)的問題，能夠根據(jù)施工進(jìn)程模擬施工過程中會出現(xiàn)的問題,特別是關(guān)于隧道涌水量預(yù)測與外水壓力預(yù)測模擬方面。

本發(fā)明的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的：

全方位模擬隧道開挖過程的模型，從上到下依次包括降雨模擬箱、模擬箱、儲水箱；

所述的降雨模擬箱通過第二水管與水泵連接；第二水管上安裝有第二閥門；降雨模擬箱底部為帶孔底板，帶孔底板向下滲漏，形成模擬降雨；降雨模擬箱里面安裝有水頭控制裝置；

所述的模擬箱底部為隔水底板，四周側(cè)壁為透明材質(zhì)，箱內(nèi)填充有模擬含水層的填充物；

模擬箱兩端分別連接水頭控制箱，分別為第一水頭控制箱和第二水頭控制箱；所述的水頭控制箱分別通過水管與水泵連接，所述的水泵安裝在儲水箱內(nèi)，水管上安裝有第一閥門；

所述的模擬箱內(nèi)部，兩端分別為緩沖穩(wěn)定區(qū)，分別第一緩沖穩(wěn)定區(qū)和第二緩沖穩(wěn)定區(qū)；兩端的緩沖穩(wěn)定區(qū)與中間模擬區(qū)之間安裝有帶孔隔板；所述的中間模擬區(qū)有填充材料；模擬箱中間模擬區(qū)內(nèi)還安裝有模擬隧道；

還包括測壓管群組，測壓管群組分為分為4行6列，排列于模擬箱之內(nèi)；模擬箱內(nèi)的填充材料中埋設(shè)傳感器。

所述的水頭控制箱內(nèi)分成兩個部分，分別為實(shí)驗(yàn)需求水頭箱與回水箱，實(shí)驗(yàn)需求水頭箱與回水箱之間由固定高度的隔板隔開，水可以越過隔板從實(shí)驗(yàn)需求水頭箱流向回水箱，所述的實(shí)驗(yàn)需求水頭箱與水管連接，所述的回水箱通過導(dǎo)管與儲水箱連接；所述的實(shí)驗(yàn)需求水頭箱通過第二導(dǎo)管進(jìn)入模擬箱；所述的水頭控制箱通過升降調(diào)節(jié)裝置安裝在模擬箱的兩端。

所述的模擬隧道包括最外層的高透水性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管貫穿模型箱；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管末端封死的不透水套管從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管后端插入，不透水套管封死的末端代表隧道掌子面；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管前端插入一系列不同滲透系數(shù)的套管組合，包括不透水的最內(nèi)層的內(nèi)管，模擬已經(jīng)建好的不透水內(nèi)襯砌，內(nèi)管外套有中管，中管模擬不同透水性與孔隙度施工情況。

模擬隧道即為一系列透水性能不等的導(dǎo)管組成，通過導(dǎo)管的抽出與推進(jìn)模擬隧道的施工和支護(hù)襯砌過程。模擬隧道的最外層為高透水性網(wǎng)狀套管，可用于支持模型箱內(nèi)沙土、石子等模擬外部環(huán)境的填充物。中間為一系列不同滲透系數(shù)的套管，可模擬施工中的各種不同情況。內(nèi)部為一不透水套管，并且末端封死，模擬未施工段，則另一邊可模擬已建好的內(nèi)襯砌。不透水套管的抽動，可模擬隧道的施工過程。

模擬箱模擬施工過程中的外部環(huán)境，并且針對不同的工況可靈活調(diào)節(jié)，可模擬施工過程以及施工過程中出現(xiàn)的某種狀況來預(yù)測以后的施工過程會出現(xiàn)的現(xiàn)象，為實(shí)際的施工提供施工數(shù)據(jù)、方案等。模擬箱可隨施工隧道的地質(zhì)環(huán)境建立相應(yīng)的等比例縮小模型，模擬施工隧道的地質(zhì)條件，并且可通過模擬降雨的情況，對施工隧道模擬。并且通過傳感器監(jiān)測工具與傳統(tǒng)的測壓管工具同時使用，可全方位監(jiān)測施工過程中水壓的重分布過程，為隧道的施工提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

本發(fā)明提供的全方位模擬隧道開挖過程的模型，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、能夠完全模擬隧道的開挖過程；

2、能夠隨著開挖過程模擬隧道的支護(hù)襯砌過程；

3、能夠根據(jù)施工中的實(shí)際情況靈活改變模型以適應(yīng)不同的模擬條件，如不同的地形，巖性，邊界條件等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的模型箱正面圖；

圖2是本發(fā)明的模型箱側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明的模型箱背面圖；

圖4是本發(fā)明的模型箱俯視圖；

圖5是本發(fā)明的模擬隧道結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述

如圖1至圖4所示，全方位模擬隧道開挖過程的模型，從上到下依次包括降雨模擬箱19、模擬箱2、儲水箱4；

所述的降雨模擬箱19通過第二水管21與水泵12連接；第二水管21上安裝有第二閥門22；降雨模擬箱19底部為帶孔底板20，帶孔底板20向下滲漏，形成模擬降雨24；降雨模擬箱19里面安裝有水頭控制裝置23；

所述的模擬箱2底部為隔水底板5，四周側(cè)壁3為透明材質(zhì)，箱內(nèi)填充有模擬含水層的填充物；

模擬箱2兩端分別連接水頭控制箱，分別為第一水頭控制箱9和第二水頭控制箱17；所述的水頭控制箱分別通過水管13與水泵12連接，所述的水泵12安裝在儲水箱4內(nèi)，水管13上安裝有第一閥門7；

所述的模擬箱2內(nèi)部，兩端分別為緩沖穩(wěn)定區(qū)，分別第一緩沖穩(wěn)定區(qū)1和第二緩沖穩(wěn)定區(qū)16；兩端的緩沖穩(wěn)定區(qū)與中間模擬區(qū)之間安裝有帶孔隔板28；所述的中間模擬區(qū)有填充材料26；模擬箱2中間模擬區(qū)內(nèi)還安裝有模擬隧道6；

還包括測壓管群組8，測壓管群組8分為4行6列，排列于模擬箱2之內(nèi)；模擬箱2內(nèi)的填充材料26中埋設(shè)傳感器。

所述的水頭控制箱內(nèi)分成兩個部分，分別為實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10與回水箱11，實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10與回水箱11之間由固定高度的隔板隔開，水可以越過隔板從實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10流向回水箱11，所述的實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10與水管13連接，所述的回水箱11通過導(dǎo)管15與儲水箱4連接；所述的實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10通過第二導(dǎo)管14進(jìn)入模擬箱2；所述的水頭控制箱通過升降調(diào)節(jié)裝置18安裝在模擬箱2的兩端。

如圖5所示，所述的模擬隧道6包括最外層的高透水性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63貫穿模型箱2；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63末端封死的不透水套管64從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63后端插入，不透水套管64封死的末端代表隧道掌子面；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63前端插入一系列不同滲透系數(shù)的套管組合，包括不透水的最內(nèi)層的內(nèi)管61，模擬已經(jīng)建好的不透水內(nèi)襯砌，內(nèi)管61外套有中管62，中管62模擬不同透水性與孔隙度施工情況。

其中，儲水箱4:儲水箱4位于模擬箱2正下方，尺寸：1.8m×0.5m×0.35m。厚10mm的PVC材料制作，用厚5mm的角鋼包邊。儲水箱內(nèi)有恒流量水泵。用于試驗(yàn)給水。

模擬箱2:模擬箱2位于裝置上方，尺寸：1.8m×0.5m×0.5m.厚不低于10mm的玻璃材料制作，用厚5mm的角鋼包邊。模擬箱2內(nèi)填充有模擬含水層的填充物。

儲水箱4與模擬箱2的底部與四周均為全封閉不透水材料，其中模擬箱2的四周應(yīng)使用光面玻璃保證透明度，以便觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)M的進(jìn)行情況。

打開第一閥門7，水泵12將儲水箱4中的水抽沿著水管13入模型箱兩頭第一水頭控制箱9和第二水頭控制箱17，水頭控制箱內(nèi)分成兩個部分實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10、回水箱11，以固定高度的隔板隔開，水可以越過隔板從實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10流向回水箱11。其中實(shí)驗(yàn)需求水頭箱10中水頭為實(shí)驗(yàn)需求水頭，通過帶螺紋與手搖柄的升降調(diào)節(jié)裝置18調(diào)整兩個水頭控制箱的高度，即可調(diào)整模擬箱2內(nèi)兩邊的邊界水頭高度。多余的水越過隔板進(jìn)入回水箱11，而后順著導(dǎo)管15流回儲水箱4，其余沿著第二導(dǎo)管14進(jìn)入模擬箱2，兩側(cè)第一緩沖穩(wěn)定區(qū)1和第二緩沖穩(wěn)定區(qū)16液面穩(wěn)定后通過帶孔隔板28滲入模擬箱2內(nèi)的模擬含水層不同的填充材料26。填充材料26的種類、分層、形狀等可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)M需求可自行改變制作，同時帶孔隔板28能阻隔模擬箱2內(nèi)填充材料26，使之不會坍塌進(jìn)入兩側(cè)緩沖穩(wěn)定區(qū)。

打開第二閥門22，水泵12則將儲水箱4中的水經(jīng)由第二水管21送入降雨模擬箱19，經(jīng)過水量調(diào)節(jié)后透過帶孔底板20向下滲漏，形成模擬降雨24。降雨量與降雨時間可以通過降雨箱內(nèi)水量調(diào)節(jié)裝置與第二閥門22的開閉來調(diào)節(jié)控制。降雨在模擬箱2內(nèi)滲入模擬含水層填充材料26，并影響潛水位25，流向如27所示。

實(shí)驗(yàn)裝置能自主不間斷運(yùn)行，其運(yùn)行期間，由于模擬隧道6會有涌水現(xiàn)象，造成模擬箱2之內(nèi)地下水位改變。裝置內(nèi)所模擬的地下水水位變化可由裝置側(cè)邊布置的測壓管群組8來觀測得知。測壓管分為4行6列，排列于模擬箱2之內(nèi)。該裝置設(shè)計其水位不光能由測壓管人工讀取，同時能通過埋設(shè)相應(yīng)的探頭進(jìn)行自動跟蹤測量，如此人工讀取的數(shù)據(jù)可以對自動測量值進(jìn)行修正，保證模擬結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。同時，模擬箱2內(nèi)模擬含水層填充材料26之中除了埋設(shè)水位傳感器，還可以埋設(shè)其他類別如應(yīng)力，變形等傳感器，方便檢測不同的參數(shù)變化情況。

所述的模擬隧道6包括最外層的高透水性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63貫穿模型箱2；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63末端封死的不透水套管64從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63后端插入，不透水套管64封死的末端代表隧道掌子面；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63前端插入一系列不同滲透系數(shù)的套管組合，包括不透水的最內(nèi)層的內(nèi)管61，模擬已經(jīng)建好的不透水內(nèi)襯砌，內(nèi)管61外套有中管62，中管62模擬不同透水性與孔隙度施工情況。

模擬隧道6由一系列能相互嵌套的硬質(zhì)套管組成，用于模擬隧道施工過程中的不同階段與情況。其中最外層為高透水性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63，該管貫穿模擬箱2，是所有嵌入套管的基礎(chǔ)，用于支撐箱內(nèi)的模擬含水層填充材料26保證其不崩落進(jìn)入模擬模擬隧道之內(nèi)。該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63是唯一一個不能自由移動的套管，其余套管均內(nèi)嵌入其中并可以前后移動。末端封死的不透水套管64由后方插入，其深度決定了模擬的隧道尚未開挖部分的長度，其中封死的末端代表隧道掌子面。前端則插入一系列不同滲透系數(shù)的套管組合，包括不透水的最內(nèi)層內(nèi)管61，其模擬已經(jīng)建好的不透水內(nèi)襯砌。而剩下的不同透水性與孔隙度的中管62則可以模擬施工中不同的情況。內(nèi)管61和中管62的嵌入深度與不透水套管64的嵌入深度配合組合則能模擬出隧道施工掘進(jìn)中的實(shí)際施工進(jìn)度情況。另外應(yīng)在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)管63與模擬箱2壁之間、不同套管之間必要的部分需要有相應(yīng)必要的防水阻水措施，防止模擬箱2內(nèi)的水通過不正確的通道流出。