一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統和方法，該系統利用氣壓控制容器向水壓控制容器加載氣壓P'，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內加水壓P，進而模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。在較小范圍內確保水袋內壓力精確量化，氣壓控制容器的引入提供了利于試驗過程的逐步加壓操作，可以實現較大水壓有壓溶腔的模擬；通過氣壓控制容器壓力的合理設置，在滿足水袋內水壓達到溶腔內水壓的前提下，有效地減少了水壓容器的放置高度，彌補了單純利用水壓模擬通過水桶高度控制水壓造成模擬范圍有限且可操作性差的缺陷。
【專利說明】一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種隧道開挖模型試驗溶洞模擬系統和方法，尤其涉及一種用于模擬 隧道開挖模型試驗中有壓溶腔的系統和方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國西部大開發戰略的開展實施和交通事業的飛速發展，在巖溶分布廣泛的 地區修建公路及鐵路隧道將不可避免。巖溶對隧道開挖的影響主要包括隧道基底、洞穴頂 板塌陷，隧道遇地下洞穴時的懸空，隧道頂部溶洞充填物的塌陷，巖溶水大量涌向隧道，容 易使隧道產生突泥、涌水、坍塌，地下水位下降、造成地表沉陷，影響周圍環境。在開挖中未 揭露出來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壞，對隧道施工危 害性大。
[0003] 在現有隧道開挖模型試驗中，針對巖溶地區溶洞的模擬，主要有以下幾種方法：空 洞法、水袋法和氣囊法。空洞法是在實驗模型制作過程中將橡皮囊沖氣后預置溶洞的相應 位置直至模型凝固，在開始加載實驗前將橡皮囊中的氣體排除，使其在模型中形成巖溶空 腔；水袋法是在模型中放置一水袋，水袋通過水管與水桶相連，通過控制水桶的高度來控制 水袋內的水壓，實現有壓溶腔的模擬；氣囊模擬的具體方法是在模型內放置氣囊，通過導管 將氣囊與氣壓計相連，利用氣壓計來控制氣囊內氣壓從而實現有壓溶腔的模擬。
[0004] 以上方法雖然能夠粗略地模擬巖溶區域的溶腔，但存在不同的缺陷：空洞法僅可 以模擬無壓溶洞，應用范圍狹窄；水袋法通過控制水桶的高度來實現對溶腔內水壓力的控 制，當溶腔內壓力較大時需要較大的高度，不容易實現操作；氣囊法由于氣密性不容易控 制，且氣囊本身的彈力會抵消掉一部分氣體壓力，導致氣囊對模型的壓力偏小。上述方法各 自存在缺點，可操作性差，不能實現方便精確地模擬有壓溶腔。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種隧道開挖模型試驗中有壓溶腔的模擬系統和方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0007] -種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統，利用氣壓控制容器向水壓控 制容器加載氣壓P，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內加水壓P，進而模擬不同水 壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
[0008] 所述用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統，包括氣壓控制容器（1)、水壓 控制容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控制容器（1)內裝滿高 壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過導氣管（3)連接到水 壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器（6)下部充滿水，水 壓控制容器（6)上部與導氣管（3)連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，用于測出水壓控制容器 (6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側壁標有刻度，且（0)刻度處對應導水管（7)中心， 便于準確讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導水管（7)連接到水袋（8)，水袋（8) 及導水管（7)在埋設圍巖相似材料（12)時預埋在試驗臺架（13)中，水袋⑶內放置模擬 溶腔形狀的鋼筋網骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積略大于鋼筋網骨架（9) 外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導氣管（3)向水壓控制容器（6)中 加載氣壓，致使水壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連接在水壓 控制容器（6)下部的導水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數控制氣壓控制容器（1) 按照設計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器￠)內部水面高度與 氣壓計（5)讀數計算出水袋⑶內水壓P :
[0009] P = P，+ γ (h-H)，
[0010] P------水袋內水壓；
[0011] P'------氣壓計讀數；
[0012] Y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0013] h------液面至水壓控制容器導水管中心的高度；
[0014] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導水管中心高度；
[0015] 在設定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不 發生坍塌繼續加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各 種參數，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數。
[0016] 一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的方法，利用氣壓控制容器向水壓控 制容器加載氣壓Ρ，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內加水壓Ρ，進而模擬不同水 壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
[0017] 所述的方法，采用模擬有壓溶腔的系統，該系統包括氣壓控制容器（1)、水壓控制 容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控制容器⑴內裝滿高壓壓縮 氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過導氣管（3)連接到水壓控制 容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器（6)下部充滿水，水壓控制 容器（6)上部與導氣管連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，便于測出水壓控制容器（6)上部氣 體壓強；水壓控制容器（6)側壁標有刻度，且（0)刻度處對應導水管（7)中心，便于讀出液 面高度；水壓控制容器（6)下部通過導水管（7)連接到水袋（8)，水袋（8)及導水管（7)在 埋設圍巖相似材料（12)時預埋在試驗臺架（13)中，水袋（8)內放置模擬溶腔形狀的鋼筋 網骨架（9)，水袋⑶采用乳膠制成，水袋⑶體積略大于鋼筋網骨架（9)外輪廓體積；通過 閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導氣管（3)向水壓控制容器（6)中加載氣壓，致使水 壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連接在水壓控制容器（6)下 部的導水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數控制氣壓控制容器（1)按照設計梯度 逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器￠)內部水面高度與氣壓計（5)讀 數計算出水袋（8)內水壓P:
[0018] P = P; + y (h-H),
[0019] P------水袋內水壓；
[0020] P/ ------氣壓計讀數；
[0021] Y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0022] h------液面至水壓控制容器導水管中心的高度；
[0023] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導水管中心高度；
[0024] 在設定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不 發生坍塌繼續加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各 種參數，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數。
[0025] 本發明所述模型試驗的使用方法為：
[0026] A、安裝裝置：按照相似理論在試驗臺架內埋設模型相似材料，埋設圍巖相似材料 時在擬定溶腔位置預埋水袋及其內部鋼筋網骨架，導水管。從實驗臺架引出導水管并連接 到水壓控制容器下部。水壓控制容器上部連接導氣管，另一端與氣壓控制容器相連。
[0027] B、檢驗氣密性：裝置安裝完畢后通過氣壓控制容器向水壓控制容器內部加壓，力口 載后記錄氣壓計讀數和水壓控制容器內部液面讀數。此時關閉導氣管上閥門和氣壓控制裝 置閥門靜置10分鐘，觀察氣壓計讀數和水壓控制容器內液面是否回升，若不變，則氣密性 良好；否則，重新安裝裝置。
[0028] C、實驗過程：通過設定一定水壓的溶腔，在定水壓下開挖隧道，直至隧道開挖完 成，監測圍巖相似材料及支護結構的相關參數；然后按照設定梯度逐步加大水壓，直至土體 坍塌；記錄土體坍塌時的氣壓計讀數。
[0029] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0030] 1、本發明利用連通器原理，可以在較小范圍內確保水袋內壓力精確量化，氣壓控 制容器的引入提供了利于試驗過程的逐步加壓操作，可以實現較大水壓有壓溶腔的模擬；
[0031] 2、通過氣壓控制容器壓力的合理設置，在滿足水袋內水壓達到溶腔內水壓的前提 下，有效地減少了水壓容器的放置高度，彌補了單純利用水壓模擬通過水桶高度控制水壓 造成模擬范圍有限且可操作性差的缺陷；
[0032] 3、本發明通過選取乳膠材料且體積略大于鋼筋網骨架表面積的水袋決了氣囊本 身彈力抵消氣體壓力后，造成作用于圍巖相似材料壓力偏小的誤差，解決了試驗臺架內部 氣囊及導氣管氣密性不易保證的缺陷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發明所述有壓溶腔模擬裝置結構正視圖；
[0034] 圖2為本發明所述有壓溶腔模擬裝置結構側視圖；
[0035] 圖3為本發明所述水壓控制容器構造圖。
[0036] 其中，1.氣壓控制容器；2.氣壓控制容器閥門；3導氣管；4.導氣管閥門；5.氣壓 計；6.水壓控制容器；7.導水管；8.水袋；9.鋼筋網骨架；10.隧道；11. 25號加筋槽鋼； 12.圍巖相似材料；13.試驗臺架；14.砼墻；15.工字鋼。
【具體實施方式】
[0037] 以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0038] 如圖1和圖2所示，用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統包括氣壓控制 容器1、水壓控制容器6、水袋8、圍巖相似材料12、試驗臺架13 ;氣壓控制容器1內裝滿高 壓壓縮氣體，氣壓控制容器1連接閥門2,氣壓控制容器1通過導氣管3連接到水壓控制容 器6頂部，水壓控制容器6頂部充滿氣體，水壓控制容器6下部充滿水，水壓控制容器6上 部與導氣管連通，并在頂部安裝氣壓計5,便于測出水壓控制容器6上部氣體壓強；水壓控 制容器6側壁標有刻度，且0刻度處對應導水管7中心，便于讀出液面高度；水壓控制容器 6下部通過導水管7連接到水袋8,水袋8及導水管7在埋設圍巖相似材料12時預埋在試 驗臺架13中，水袋8內放置模擬溶腔形狀的鋼筋網骨架9。
[0039] 實驗過程中，通過閥門2控制高壓氣體流速，逐步通過導氣管3向水壓控制容器6 中加載氣壓，致使水壓控制容器6中氣壓增大，將水壓控制容器6中的水通過連接在水壓控 制容器6下部的導水管7壓入水袋8。通過氣壓計5讀數控制氣壓控制容器1按照設計梯 度逐步向水壓控制容器6加載氣壓。讀出水壓控制容器6內部水面高度與氣壓計5讀數計 算出水袋8內水壓Ρ :
[0040] P = Ρ，+ γ (h-H)，
[0041] P------水袋內水壓；
[0042] P'------氣壓計讀數；
[0043] y-------水的重度，即單位體積水的重量；
[0044] h------液面至水壓控制容器導水管中心的高度；
[0045] Η------水袋中心至水壓控制容器下部導水管中心高度；
[0046] 在設定固定的水壓下開挖隧道10,直至開挖完成后。若開挖過程中隧道10不發生 坍塌繼續加大水壓，直至隧道10坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料12位移及各種參數， 記錄隧道坍塌時氣壓計5讀數。
[0047] 利用所述模擬有壓溶腔裝置進行巖溶地質隧道開挖模型試驗，具體實施步驟是：
[0048] Α、安裝裝置：按照相似理論在試驗臺架13內埋設圍巖相似材料12,埋設圍巖相似 材料時在擬定溶腔位置預埋水袋8及其內部鋼筋網骨架9,導水管7。從實驗臺架引出導水 管7并連接到水壓控制容器6下部。水壓控制容器6上部連接導氣管3,另一端與氣壓控制 容器1相連。
[0049] Β、檢驗氣密性：裝置安裝完畢后通過氣壓控制容器1向水壓控制容器6內部加壓， 加載后記錄氣壓計5讀數和水壓控制容器6內部液面讀數。此時關閉導氣管上閥門4和氣 壓控制裝置閥門2靜置10分鐘，觀察氣壓計5讀數和水壓控制容器6內液面是否回升，若 不變，則氣密性良好；否則，重新安裝裝置。
[0050] C、實驗過程：通過設定一定水壓的水袋8,在設定水壓下開挖隧道10,直至隧道8 開挖完成，監測圍巖相似材料12及支護結構的相關參數；然后按照設定梯度逐步加大水 壓，直至土體坍塌；記錄土體坍塌時的氣壓計5讀數。
[0051] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統，其特征在于，利用氣壓控制容 器向水壓控制容器加載氣壓W，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內加水壓P，進而 模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
2. 根據權利要求1所述用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的系統，其特征在于， 包括氣壓控制容器（1)、水壓控制容器￠)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13); 氣壓控制容器（1)內裝滿高壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器 (1)通過導氣管（3)連接到水壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓 控制容器（6)下部充滿水，水壓控制容器（6)上部與導氣管（3)連通，并在頂部安裝氣壓計 (5) ，用于測出水壓控制容器（6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側壁標有刻度，且（0)刻 度處對應導水管（7)中心，便于準確讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導水管（7) 連接到水袋（8)，水袋（8)及導水管（7)在埋設圍巖相似材料（12)時預埋在試驗臺架（13) 中，水袋（8)內放置模擬溶腔形狀的鋼筋網骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積 略大于鋼筋網骨架（9)外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導氣管（3) 向水壓控制容器￠)中加載氣壓，致使水壓控制容器￠)中氣壓增大，將水壓控制容器（6) 中的水通過連接在水壓控制容器（6)下部的導水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀 數控制氣壓控制容器（1)按照設計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制 容器￠)內部水面高度與氣壓計（5)讀數計算出水袋（8)內水壓P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋內水壓； P'------氣壓計讀數； y-------水的重度，即單位體積水的重量； h------液面至水壓控制容器導水管中心的高度； Η------水袋中心至水壓控制容器下部導水管中心高度； 在設定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不發生 坍塌繼續加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各種參 數，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數。
3. -種用于隧道開挖模型試驗中模擬有壓溶腔的方法，其特征在于，利用氣壓控制容 器向水壓控制容器加載氣壓W，由氣壓控制水壓向模擬有壓溶腔的水袋內加水壓Ρ，進而 模擬不同水壓大小的溶腔對于隧道開挖過程的影響。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，采用模擬有壓溶腔的系統，該系統包括氣 壓控制容器（1)、水壓控制容器（6)、水袋（8)、圍巖相似材料（12)、試驗臺架（13);氣壓控 制容器（1)內裝滿高壓壓縮氣體，氣壓控制容器（1)連接閥門（2)，氣壓控制容器（1)通過 導氣管（3)連接到水壓控制容器（6)頂部，水壓控制容器（6)頂部充滿氣體，水壓控制容器 (6) 下部充滿水，水壓控制容器（6)上部與導氣管連通，并在頂部安裝氣壓計（5)，便于測出 水壓控制容器（6)上部氣體壓強；水壓控制容器（6)側壁標有刻度，且（0)刻度處對應導水 管（7)中心，便于讀出液面高度；水壓控制容器（6)下部通過導水管（7)連接到水袋（8)， 水袋⑶及導水管（7)在埋設圍巖相似材料（12)時預埋在試驗臺架（13)中，水袋⑶內 放置模擬溶腔形狀的鋼筋網骨架（9)，水袋（8)采用乳膠制成，水袋（8)體積略大于鋼筋網 骨架（9)外輪廓體積；通過閥門（2)控制高壓氣體流速，逐步通過導氣管（3)向水壓控制容 器（6)中加載氣壓，致使水壓控制容器（6)中氣壓增大，將水壓控制容器（6)中的水通過連 接在水壓控制容器（6)下部的導水管（7)壓入水袋（8);通過氣壓計（5)讀數控制氣壓控 制容器⑴按照設計梯度逐步向水壓控制容器（6)加載氣壓；讀出水壓控制容器（6)內部 水面高度與氣壓計（5)讀數計算出水袋（8)內水壓P : P = P，+Y(h-H)， P------水袋內水壓； P'------氣壓計讀數； y-------水的重度，即單位體積水的重量； h------液面至水壓控制容器導水管中心的高度； Η------水袋中心至水壓控制容器下部導水管中心高度； 在設定固定的水壓下開挖隧道（10)，直至開挖完成后；若開挖過程中隧道（10)不發生 坍塌繼續加大水壓，直至隧道（10)坍塌，加壓過程中記錄圍巖相似材料（12)位移及各種參 數，記錄隧道坍塌時氣壓計（5)讀數。
【文檔編號】G01N3/12GK104215517SQ201410513882
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】方勇, 周超月, 劉書斌, 郭建寧, 楊志浩 申請人:西南交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
