CN103728673B - 一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，包括：隧道模型腔体和隧道模型掌子面，隧道模型腔体分为内外两层，内层包括壳体和位于壳体内部用于约束壳体径向变形的加强元件一，外层设有用于约束隧道模型腔体径向和轴向变形的加强元件二；隧道模型掌子面上分别布置有电极安装孔、电磁法线圈支架、井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔。本发明提出了一种大比尺的超前地质预报隧道模型试验装置，可供超前预报人员在模型内部开展多元地球物理仪器测试，模型选用GFRP复合材料缠绕一次成型、整体浇筑，机械强度高，电磁波透射性能优良，是理想的超前预报地球物理仪器测试和试验平台。

Description

一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置

技术领域

本发明涉及隧道地球物理超前预报和模型试验技术的领域，尤其涉及一种可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置。

背景技术

近年来，在交通、水电等领域修建的长大隧道（洞）工程越来越多，面临的地质条件日益复杂，在隧道开挖施工过程中，如果不能预先探明隧道开挖前方的地质情况，往往会出现无法预料的工程地质灾害，如突水、突泥、坍塌等，为隧道施工带来了巨大的安全问题与经济损失，并极易诱发次生地质灾害和生态环境问题。所以，为了降低隧道施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用地球物理超前预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

如何探明隧道掌子面前方的不良地质情况和提前规避突水突泥、塌方等地质灾害，是隧道施工中首要的技术难题之一。目前，国内外在隧道超前地质预报理论、技术与仪器研发方面取得了重要进展和良好的实际应用效果。但是，至今尚没有十分有效的超前地质预报地球物理探测技术和仪器，无法准确揭示不良地质的地球物理响应并实施准确定量预报，导致隧道施工面临着极高的灾害事故风险。为了提高地球物理仪器探测和解译不良地质的效果，常用来对实际隧道工程状况进行研究的主要手段有工程实际探测、数值模拟和模型试验。工程实际探测是在隧道洞内布置测线进行超前探测的方法，是最直接的研究方法，但由于事先并不能确定前方不良地质体的位置和规模，且容易受到实际探测目标体复杂多样性的干扰（如遭遇断层破碎带、裂隙发育带、软弱地层、溶洞、暗河等），难以取得理想的探测效果，耗资巨大，且对仪器和解译水平的提高程度有限。数值模拟方法是一种从实际研究对象抽象出数值模型进行研究的方法，花费少且快捷，但是数值模拟往往对模型进行简化，只能得到一般规律，而不同类型、形态、规模、位置等的不良地质体的地球物理响应特征较为复杂，这就造成数值计算的结果与实际存在较大的出入。模型试验是指在实验室条件下，用不同比尺的模型对实际工况进行研究的重要科学方法，其优势在于可再现原型的各种现象与过程，可人为控制试验条件与参量，缩短研究周期。为了更好的了解不同类型、不同空间分布状态的不良地质灾害体的地球物理响应特征情况，就需要开展一系列的物理模型试验，而一个好的物理模型试验装置往往能起到事半功倍的效果。

为了更好地模拟实际工程情况，传统的隧道超前地质预报模型试验都是将隧道模型埋置于岩土体中，但目前隧道模型试验装置存在明显的弱点：①隧道模型比尺小，洞内探测空间狭小，而现有的地球物理探测设备普遍体积较大，导致人员无法携带设备在隧道模型掌子面上任意布置测线，数据采集困难；②装置布置形式单一，小比尺的隧道模型仅能够实现单一地球物理探测装置的布置，如激发极化法小比尺隧道模型、全空间瞬变电磁隧道模型等，无法应用其他地球物理手段进行探测和对比验证，试验的可重复性差；③在隧道模型材料的选取上，金属材料强度高但具有较强的电磁干扰，普通非金属材料难以承受周围较大的岩土体压力，且手工施作非常困难，因此急需一种较为理想的既能抗电磁干扰且能承受较大外压的材料来制作隧道模型。

隧道模型试验装置平台作为掌握与应用超前地质预报地球物理仪器新技术的重要载体，其作用已为广大科技工作者所共识。发达国家和地区，常常将最先进的地球物理探测设备与装置首先投入隧道模型试验平台中进行检验、测试和完善。因此，开发一个可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，对隧道超前预报地球物理仪器和技术的进步具有重要的作用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，包括：隧道模型腔体和隧道模型掌子面，隧道模型腔体和隧道模型掌子面成为一个整体；所述隧道模型腔体分为内外两层，内层包括壳体和位于壳体内部用于约束壳体径向变形的加强元件一，外层设有位于壳体外部用于约束隧道模型腔体径向和轴向变形的加强元件二；所述隧道模型掌子面上分别布置有电极安装孔、电磁法线圈支架、井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔，所述隧道模型掌子面上布置有地震波法激发测点和接收测点。

所述隧道模型掌子面截面与壳体尺寸完全相同，在制作时二者浇筑成为一个整体。

所述隧道模型腔体内层和外层浇筑成一个整体。

所述隧道模型腔体内层壳体的横截面是由五心圆的六段圆弧构成的对称结构，整个横截面呈上窄下宽、周边圆滑的卵石形状。

所述加强元件一为环形内加强肋，所述环形内加强肋与壳体浇筑成一个整体，两者构成环肋卵石壳结构。

所述加强元件二包括环形外加强肋和轴向外加强肋，所述环形外加强肋和轴向外加强肋浇筑成一个整体，两者共同构成空间钢网格结构。

所述轴向外加强肋沿壳体外表面轴向通长分布。

所述电极安装孔为圆筒状，电极安装孔按照直流电法或者激发极化法测线布置的要求在隧道模型掌子面上预留，电极根据实际需要安装在电极安装孔中。

所述电磁法线圈支架按照瞬变电磁法线圈布置的要求在隧道模型掌子面上预留四个支架，所述四个支架构成矩形。

所述井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔分别位于隧道模型掌子面两侧底脚，两者均为圆筒状，尺寸相同。在实际探测时井中雷达天线或瞬变电磁超前探头安放到其中任何一个孔中都是可以的。

在超前预报人员开展试验或进行仪器测试之前，首先要做的工作时将整个隧道模型试验装置埋置于不良地质灾害条件已知的岩土体环境中（如事先在实验室中构建一个不良地质岩土体模拟试验平台，将隧道模型试验装置吊装进岩土体中埋置；或在室外条件下，将隧道模型试验装置埋置于地质条件已完全查清的场地中开展试验）。隧道模型试验装置埋置好之后，便可以开展多地球物理场超前预报的试验。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出了一种大比尺的超前地质预报隧道模型试验装置，可供超前预报人员在模型内部开展探测试验以及多元地球物理仪器测试，模型选用GFRP复合材料缠绕一次成型、整体浇筑，机械强度高，电磁波透射性能优良，是目前最为理想的超前预报地球物理仪器测试和试验平台。

2.本发明提出了一种“环肋卵石壳”和“空间钢网格”双层结构的隧道模型腔体，整体浇筑而成的腔体结构强度高、刚度大、稳定性好，是一种新型的承压结构形式，比普通的隧道模型结构能承受更大的顶部荷载和侧向荷载。

3.本发明提出了一种可实现多地球物理场超前探测装置布置的隧道模型掌子面结构，隧道模型掌子面上设有电极安装孔、电磁法线圈支架、井中雷达探测孔、瞬变电磁超前探头安置孔等，并刻有详细的标记用于记录地震波法激发点和接收点的位置。可实现激发极化法、瞬变电磁法、钻孔雷达法、地震波法等多种地球物理超前预报方法装置在隧道模型掌子面上的快速布置。

附图说明

图1是本发明隧道模型试验装置整体结构剖切面示意图；

图2(a)是本发明隧道模型掌子面结构正视图；

图2(b)是本发明隧道模型掌子面结构轴测图；

图3是本发明用于激发极化法或直流电法超前预报电极安装示意图；

图4是本发明用于瞬变电磁法发射线圈安装示意图；

图5是本发明用于井中地质雷达法超前预报雷达天线安置示意图；

图6是本发明用于地震波法激震锤和检波器工作示意图。

其中，1.隧道模型试验装置，2.隧道模型掌子面，3.壳体，4.环形内加强肋，5.环形外加强肋，6.轴向外加强肋，7.电极安装孔，8.电磁法线圈支架，9.井中雷达探测孔，10.标记，11.电极，12.导线，13.电缆，14.电磁法发射线圈，15.井中雷达天线，16.激震锤，17.检波器，18.瞬变电磁超前探头安置孔。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，整个隧道模型试验装置1由隧道模型腔体和掌子面2两部分构成。其中，隧道模型腔体分为内外两层：内层为“环肋卵石壳”结构，包括壳体3和环形内加强肋4；外层为“空间钢网格”结构，包括环形外加强肋5和轴向外加强肋6。如图2(a)、图2(b)所示，隧道模型掌子面2上设有电极安装孔7、电磁法线圈支架8、井中雷达探测孔9和瞬变电磁超前探头安置孔18，并刻有详细的标记10用于记录地震波法激发点和接收点的位置。

所述“环肋卵石壳”结构由壳体3和环形内加强肋4两部分构成。所述壳体3的横截面是由五心圆的六段圆弧构成的对称结构，壳体3内部空间上下垂直距离约为2.0m，左右水平距离约为1.7m，壳体3壁厚约3cm，整个截面形状类似卵石，上尖下宽，周边圆滑，该结构强度高、刚度大、稳定性好，比普通的隧道模型结构能承受更大的顶部荷载和侧向荷载。所述环形内加强肋4位于壳体3内部，约束壳体3的径向变形，对壳体3起整体加强作用，呈内环形布置，肋与肋之间间隔1m，每根加强肋宽度约为10cm，高度约为5cm。所述壳体3和环形内加强肋4在制作时整体浇筑，成为一体。

所述“空间钢网格”结构位于壳体3外部，由环形外加强肋5和轴向外加强肋6两部分构成。所述环形外加强肋5宽度约为2cm，高度约为10cm，肋与肋之间间隔20cm；所述轴向外加强肋6宽度约为2cm，高度约为10cm，沿壳体外表面轴向通长分布，共8段；所述环形外加强肋5和轴向外加强肋6共同构成“空间钢网格”结构，该结构可大大增强隧道模型承载外压的能力、减小隧道模型的径向压缩和轴向不均匀变形，在制作时整体浇筑，成为一体。

所述电极安装孔7按照直流电法、激发极化法测线布置的要求在隧道模型掌子面2上预留，在掌子面上从上到下总共有5排孔（从上到下顺序依次为1、2、3、4、5），各排间距0.4m，每一排相邻两孔中心间距为0.15m，其中第1、5排各有6个孔，第2、3、4排各有10个孔，共计42个孔；每个电极安装孔7为圆筒状，开口直径3cm，筒壁母线长10cm，便于安放供电和测量电极。

所述电磁法线圈支架8按照瞬变电磁法线圈布置的要求由在隧道模型掌子面2上预留的四个支架构成，四个支架连线恰好形成一个矩形，超前预报人员可利用四个支架快速便捷地完成发射线圈的布置。

所述井中雷达探测孔9和瞬变电磁超前探头安置孔18分别位于隧道模型两侧底脚，均为圆筒状，开口直径0.2m，筒壁母线长1m；由于两个孔的尺寸相同、位置相当，在实际探测时井中雷达天线或瞬变电磁超前探头安放到其中任何一个孔中都是可以的。需要指出的是，当井中雷达天线或瞬变电磁超前探头需要安放到更深的位置时，只须在每个孔口外接一根口径相同、长度足够的PE管或PVC管即可。

所述详细的标记10是在隧道模型掌子面2上利用直尺精确标定的地震波法超前探测用到的激发测点和接收测点，按照地震波法测线布置的要求，在隧道模型掌子面2上布置一条垂直测线和一条水平测线，其中垂直测线上有20个测点，测点间距0.1m，水平测线上有16个测点，测点间距0.1m。

所述隧道模型掌子面2壁厚为5cm，掌子面截面与所述壳体尺寸完全相同，在制作时二者浇筑成为一个整体。

所述可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置完全由GFRP复合材料缠绕浇筑而成，质轻高强，缠绕一次成型、整体浇筑，模型表面光滑、材料内部密度均匀性好，制作完成后具有较强的电磁波透射性能，而且不会产生任何的电磁干扰，可为超前预报人员在模型内部开展试验和多元地球物理仪器测试提供一个理想的试验平台。

在超前预报人员开展试验或进行仪器测试之前，首先要做的工作时将整个隧道模型试验装置埋置于不良地质灾害条件已知的岩土体环境中（如事先在实验室中构建一个不良地质岩土体模拟试验平台，将隧道模型试验装置吊装进岩土体中埋置；或在室外条件下，将隧道模型试验装置埋置于地质条件已完全查清的场地中开展试验）。隧道模型试验装置埋置好之后，便可以开展多地球物理场超前预报的试验。

如图3所示，在进行激发极化法或直流电法超前预报之前，只需将供电电极、测量电极插入隧道模型掌子面上的电极安装孔7，用铁锤轻轻敲击，使电极11与掌子面前方岩土体良好接触，然后将电极通过导线12连接到电缆13上，便可以开始电法超前预报的工作。

如图4所示，在进行瞬变电磁法超前预报之前，将发射线圈14缠绕固定在隧道模型掌子面上的四个电磁法线圈支架8上，接收线圈可以在发射线圈14内部任意移动、瞬变电磁超前探测探头可以在瞬变电磁超前探头安置孔18当中任意移动来采集信号。

如图5所示，在进行井中地质雷达法超前预报之前，只须将井中雷达天线15放入井中雷达探测孔9中，连接好仪器，井中雷达天线15在孔内任意移动便可以采集前方岩土体反射回来的信号。

如图6所示，在进行地震波法超前预报工作时，利用激震锤16在隧道模型掌子面上做好的标记10上进行敲击，将检波器17放在标记10的其他位置上进行信号采集。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，包括：隧道模型腔体和隧道模型掌子面，隧道模型腔体和隧道模型掌子面成为一个整体；所述隧道模型腔体分为内外两层，内层包括壳体和位于壳体内部用于约束壳体径向变形的加强元件一，外层设有位于壳体外部用于约束隧道模型腔体径向和轴向变形的加强元件二；所述隧道模型掌子面上分别布置有电极安装孔、电磁法线圈支架、井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔，所述隧道模型掌子面上布置有地震波法激发测点和接收测点；

所述可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置完全由GFRP复合材料缠绕浇筑而成，缠绕一次成型、整体浇筑；

所述隧道模型腔体内层壳体的横截面是由五心圆的六段圆弧构成的对称结构，整个横截面呈上窄下宽、周边圆滑的卵石形状；

所述加强元件一为环形内加强肋，所述环形内加强肋与壳体浇筑成一个整体，两者构成环肋卵石壳结构；

所述加强元件二包括环形外加强肋和轴向外加强肋，所述环形外加强肋和轴向外加强肋浇筑成一个整体，两者共同构成空间钢网格结构。

2.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述隧道模型掌子面截面与壳体尺寸完全相同，在制作时二者浇筑成为一个整体。

3.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述隧道模型腔体内层和外层浇筑成一个整体。

4.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述轴向外加强肋沿壳体外表面轴向通长分布。

5.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述电极安装孔为圆筒状，电极安装孔按照直流电法或者激发极化法测线布置的要求在隧道模型掌子面上预留，电极根据实际需要安装在电极安装孔中。

6.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述电磁法线圈支架按照瞬变电磁法线圈布置的要求在隧道模型掌子面上预留四个支架，所述四个支架构成矩形。

7.如权利要求1所述的一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，其特征是，所述井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔分别位于隧道模型掌子面两侧底脚，两者均为圆筒状，尺寸相同。