[發明專利]隧道開挖突涌水模擬裝置及模擬方法

有效

• 申請號: 202010847312.1
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN111983191B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 王青松;吳應明;王平安;郭朋超;王洪坤;李曙光;李校珂;楊立燃;王存寶;羅宗帆;賀顯林;張歡;李金魁
• 申請（專利權）人: 中鐵二十局集團有限公司
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N15/08
• 代理公司: 深圳市世紀恒程知識產權代理事務所 44287
• 代理人: 張志江

1.一種隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述裝置包括：

試驗箱，所述試驗箱包括地層區與海水區，所述海水區填充有水，且所述試驗箱的側壁預設有與所述地層區連通的隧道開挖孔；

基巖模擬地層，所述基巖模擬地層設置于所述地層區內，且所述基巖模擬地層具有與所述隧道開挖孔連接的隧道開挖區域，且所述基巖模擬地層的頂面為凹面；

軟巖模擬地層，所述軟巖模擬地層設置于所述基巖模擬地層的上方；

多個監測元件，多個所述監測元件埋設于所述基巖模擬地層與所述軟巖模擬地層，且多個所述監測元件環繞所述隧道開挖區域設置；以及

潮汐模擬組件，所述潮汐模擬組件設置于所述海水區，以帶動所述海水區的部分水向所述地層區往復流動,從而模擬潮汐過程；

所述潮汐模擬組件包括：

固定支架，所述固定支架與所述試驗箱固定連接；

轉子，所述轉子可轉動地連接于所述固定支架；

第一葉片與第二葉片，所述第二葉片與所述第一葉片沿所述轉子的周向間隔設置，且所述第二葉片的長度大于所述第一葉片的長度；以及

驅動組件，所述驅動組件與所述轉子傳動連接；

其中，在所述轉子轉動過程中，所述第一葉片與所述第二葉片的至少部分均可浸入所述海水區的水中，以帶動所述海水區的部分水向所述地層區往復流動。

2.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述第一葉片包括多個，多個所述第一葉片沿所述轉子的圓周方向間隔設置。

3.根據權利要求2所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，多個所述第一葉片與所述第二葉片沿所述轉子的圓周方向均勻間隔設置。

4.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述基巖模擬地層的頂面為一弧形下凹面，且所述弧形下凹面的靠近所述海水區的一端高于所述弧形下凹面的中部。

5.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述基巖模擬地層采用第一圍巖相似材料制成，第一圍巖相似材料包括河砂、石英砂、水泥以及粉煤灰，其中河砂、石英砂、水泥以及粉煤灰的重量比為1:0.7～0.8:0.5～0.6:0.15～0.2；以及

所述軟巖模擬地層采用第二圍巖相似材料制成，所述第二圍巖相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比為1:0.4～0.5:0.12～0.15:0.1～0.2。

6.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述監測元件包括地層內部位移監測元件、地層內部應力監測元件與孔隙水壓力監測元件。

7.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述裝置還包括：

攝像機，所述攝像機設置于所述試驗箱外，且正對所述隧道開挖孔設置；以及

采集監測器，所述采集監測器與多個所述監測元件以及攝像機通信連接。

8.根據權利要求1所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述裝置還包括：

廢液導向槽，所述廢液導向槽固定設置于試驗箱的外側壁，且所述廢液導向槽位于所述隧道開挖孔開挖斷面的下方；以及

廢液收集器，所述廢液收集器與所述廢液導向槽連通。

9.一種隧道開挖突涌水模擬方法，使用如權利要求1至8任一項所述的隧道開挖突涌水模擬裝置，其特征在于，所述模擬方法包括以下步驟：

在試樣箱內設置初期支護，所述初期支護將所述試驗箱分隔出地層區與海水區；

配置第一圍巖相似材料；

向地層區內填充第一圍巖相似材料，并在預設的第一隧道開挖相鄰區域預埋多個監測元件，其中第一隧道開挖相鄰區域在試樣箱的側壁上的投影環繞所述試驗箱上的隧道開挖孔；

對第一圍巖相似材料進行養護處理，形成頂面為凹面的基巖模擬地層；

配置第二圍巖相似材料；

在基巖模擬地層的上方的地層區內填充第二圍巖相似材料，并在預設的第二隧道開挖相鄰區域內預埋多個監測元件，其中所述第一隧道開挖相鄰區域與第二隧道開挖相鄰區域相鄰，第一隧道開挖相鄰區域與第二隧道開挖相鄰區域內的多個監測元件在試樣箱的側壁上的投影環繞所述隧道開挖孔；

待所述第二圍巖相似材料養護成型，形成所述軟巖模擬地層；

撤銷所述初期支護，在所述海水區填充水，從而在試驗箱內形成近海富水區復合地層模擬結構；

在海水區內加裝潮汐模擬組件，模擬潮汐過程；

在試驗箱的隧道開挖孔處利用掏槽工具模擬隧道開挖，并使用攝像機與采集監測器進行數據采集。