CN111983191A - 隧道开挖突涌水模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隧道开挖突涌水模拟装置，装置包括：试验箱，试验箱包括地层区与海水区，海水区填充有水，且试验箱的侧壁预设有与地层区连通的隧道开挖孔；基岩模拟地层，基岩模拟地层设置于地层区内，且基岩模拟地层具有与隧道开挖孔连接的隧道开挖区域，且基岩模拟地层的顶面为凹面；软岩模拟地层，软岩模拟地层设置于基岩模拟地层的上方；多个监测元件，多个监测元件埋设于基岩模拟地层与软岩模拟地层，且多个监测元件环绕隧道开挖区域设置；以及潮汐模拟组件，潮汐模拟组件设置于海水区。本发明还公开了一种隧道开挖突涌水模拟方法。本装置可以模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

Description

隧道开挖突涌水模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工领域，特别涉及一种隧道开挖突涌水模拟装置及模拟方法。

背景技术

近海隧道施工经常遭遇上软下硬的复合地层，加之海水的渗流补给作用往往使得围岩物理力学性质更加复杂，施工中隧道开挖后围岩稳定性差，常常发生倾斜、沉降量大的情况，甚至发生塌方、涌水事故，极易造成重大经济损失及人员伤亡。

而现有的隧道模拟装置仅仅能模拟单一地层，且主要是模拟静水头压力作用下的隧道突涌水，无法模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种隧道开挖突涌水模拟装置及模拟方法，旨在解决现有技术中无法模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种隧道开挖突涌水模拟装置，装置包括：

试验箱，试验箱包括地层区与海水区，海水区填充有水，且试验箱的侧壁预设有与地层区连通的隧道开挖孔；

基岩模拟地层，基岩模拟地层设置于地层区内，且基岩模拟地层具有与隧道开挖孔连接的隧道开挖区域，且基岩模拟地层的顶面为凹面；

软岩模拟地层，软岩模拟地层设置于基岩模拟地层的上方；

多个监测元件，多个监测元件埋设于基岩模拟地层与软岩模拟地层，且多个监测元件环绕隧道开挖区域设置；以及

潮汐模拟组件，潮汐模拟组件设置于海水区，以带动海水区的部分水向地层区往复流动，从而模拟潮汐过程。

可选的，潮汐模拟组件包括：

固定支架，固定支架与试验箱固定连接；

转子，转子可转动地连接于固定支架；

第一叶片与第二叶片，第二叶片与第一叶片沿转子的周向间隔设置于转子的周向侧壁，且第二叶片的长度大于第一叶片的长度；以及

驱动组件，驱动组件与转子传动连接；

其中，在转子转动过程中，第一叶片与第二叶片的至少部分均可浸入海水区的水中，以带动海水区的部分水向地层区往复流动。

可选的，第一叶片包括多个，多个第一叶片沿转子的圆周方向间隔设置。

可选的，多个第一叶片与第二叶片沿转子的圆周方向均匀间隔设置。

可选的，基岩模拟地层的顶面为一弧形下凹面，且弧形下凹面的靠近海水区的一端高于弧形凹面的中部。

可选的，基岩模拟地层采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.7～0.8:0.5～0.6:0.15～0.2；以及

软岩模拟地层采用第二围岩相似材料制成，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.4～0.5:0.12～0.15:0.1～0.2。

可选的，监测元件包括地层内部位移监测元件、地层内部应力监测元件与孔隙水压力监测元件。

可选的，装置还包括：

摄像机，摄像机设置于试验箱外，且正对隧道开挖孔设置；以及

采集监测器，采集监测器与多个监测元件以及摄像机通信连接。

可选的，装置还包括：

废液导向槽，废液导向槽固定设置于试验箱的外侧壁，且废液导向槽位于隧道开挖孔的下方；以及

废液收集器，废液收集器与废液导向槽连通。

此外，为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种隧道开挖突涌水模拟方法，使用如前的隧道开挖突涌水模拟装置，模拟方法包括以下步骤：

在试样箱内设置初期支护，初期支护将试验箱分隔出地层区与海水区；

配置第一围岩相似材料；

向地层区内填充第一围岩相似材料，并在预设的第一隧道开挖相邻区域预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域在试样箱的侧壁上的投影环绕所述试验箱上的隧道开挖孔；

对第一围岩相似材料进行养护处理，形成顶面为凹面的基岩模拟地层；

配置第二围岩相似材料；

在基岩模拟地层的上方的地层区内填充第二围岩相似材料，并在预设的第二隧道开挖相邻区域内预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域相邻，第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域内的多个监测元件在试样箱的侧壁上的投影环绕隧道开挖孔；

待第二围岩相似材料养护成型，形成软岩模拟地层；

撤销初期支护，在海水区填充水，从而在试验箱内形成近海富水区复合地层模拟结构；

在海水区内加装潮汐模拟组件，模拟潮汐过程；

在试验箱的隧道开挖孔处利用掏槽工具模拟隧道开挖，并使用摄像机与采集监测器进行数据采集。

本发明实施例提供的技术方案通过采用基岩模拟地层与软岩模拟地层构成的近海富水区复合地层结构，并在海水区内填充有水，通过潮汐模拟组件带动海水区内的水向地层区往复流动，从而模拟潮汐过程，且试验箱上开设有隧道开挖孔，从而可从该隧道开挖孔对基岩模拟地层中的隧道开挖区域开挖来模拟隧道开挖过程，并在开挖过程中通过监测元件实现数据收集，以有效模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明隧道开挖突涌水模拟装置一实施例的结构示意图；

图2为图1的转子的局部放大图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	试验箱	8	第一叶片
2	隧道开挖孔	9	第二叶片
				3	基岩模拟地层	10	驱动组件
4	软岩模拟地层	11	采集监测器
				5	海水区	12	废液导向槽
6	固定支架	13	摄像机
				7	转子	14	废液收集器

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

近海隧道施工经常遭遇上软下硬的复合地层，加之海水的渗流补给作用往往使得围岩物理力学性质更加复杂，施工中隧道开挖后围岩稳定性差，常常发生倾斜、沉降量大的情况，甚至发生塌方、涌水事故，极易造成重大经济损失及人员伤亡。而现有的隧道模拟装置仅仅能模拟单一地层，且主要是模拟静水压力作用下的隧道突涌水，无法模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

为了解决上述问题，本发明实施例通过采用基岩模拟地层与软岩模拟地层构成的近海富水区复合地层结构，并在海水区内填充有水，通过潮汐模拟组件带动海水区内的水漫过基岩模拟地层的顶面的靠近海水区的一端并沉积与顶面的凹面内，从而模拟潮汐补给过程，且试验箱上开设有隧道开挖孔，从而可以模拟隧道开挖过程，并在开挖过程中通过监测元件实现数据收集，以有效模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

下面结合附图以及一些具体实施例进一步阐述本发明的发明构思。

在本发明一实施例中，参阅图1，隧道开挖突涌水模拟装置包括：

试验箱1，试验箱1包括地层区与海水区5，海水区5填充有水，且试验箱1的侧壁预设有与地层区连通的隧道开挖孔2。

基岩模拟地层3，基岩模拟地层3设置于地层区内，且基岩模拟地层3具有与隧道开挖孔2连接的隧道开挖区域，且基岩模拟地层3的顶面为凹面。

软岩模拟地层4，软岩模拟地层4设置于基岩模拟地层3的上方。

多个监测元件，多个监测元件埋设于基岩模拟地层3与软岩模拟地层4，且多个监测元件环绕隧道开挖区域设置。

以及潮汐模拟组件，以带动海水区5的部分水向地层区往复流动，从而模拟潮汐过程。

其中，试验箱1可以为一顶部开口的箱体，其顶部也可以封闭。本发明不对试验箱1的形状和结构进行限制，只要试验箱1内部可以分隔出地层区与海水区5即可。可选的，试验箱1可以是多根角钢焊接而成的矩形的试验箱1，矩形的试验箱1的侧壁由钢化玻璃构成。且钢化玻璃与角钢之间、以及角钢之间的接缝处通过止水带做密封处理。隧道开挖孔2可成对设置。且隧道开挖孔2的形状可以是马蹄形、圆形或者其他等同形状。容易理解的，隧道开挖孔2的轮廓形状可以限定出本模拟装置的模拟隧道的隧道开挖断面的轮廓，隧道开挖孔2的轮廓形状即为模拟隧道的轮廓形状。

此外，基岩模拟地层3与海水区5的交界面，以及软岩模拟地层4与海水区5的交界面均可以是垂直面，也可以是斜面等多种形状，本发明不对基岩模拟地层3与海水区5的交界面，以及软岩模拟地层4与海水区5的交界面的形状进行限制。

而且，本发明不对潮汐模拟组件的结构和形状进行限制，只要潮汐模拟组件可以带动海水区5的水向地层区往复流动从而模拟潮汐过程即可。例如，潮汐模拟组件可以选用现有的水泵、鼓风机或者造浪机等设备，本发明不在一一列举。

具体而言，在试验箱1内的一端设置有基岩模拟地层3，基岩模拟地层3的上方为软岩模拟地层4。基岩模拟地层3与软岩模拟地层4形成复合地层。且在复合地层与试验箱1的另一端的端面之间形成海水区5，海水区5内装有水，从而形成近海富水区复合地层模拟结构。且基岩模拟地层3的顶面为一凹面，而海水区5的水可在潮汐模拟组件的作用下进入该凹面，并沉积于该凹面，从而模拟潮汐补给过程。

在模拟过程中，试验人员可使用掏槽工具从隧道开挖孔2处对基岩模拟地层3上的隧道开挖区域开挖模拟隧道。隧道开挖孔2的轮廓形状即为模拟隧道的隧道开挖断面的轮廓形状。隧道开挖区域即为隧道开挖孔2的轮廓沿隧道开挖孔2的轴向延伸，于基岩模拟地层3中限定出的部分区域。

相较于现有的隧道模拟装置仅仅能模拟单一地层，或者仅能模拟静水压力作用下的隧道突涌水，本发明提供的隧道开挖突涌水模拟装置可以模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用的隧道突涌水情况，从而可以用于研究上软下硬的复合地层，加之海水的渗流补给作用下的隧道围岩突涌水情况，从而有利于近海富水区复合地层的隧道施工作业。

由于隧道开挖过程中改变了复合地层与海水的系统边界，系统会对此按照自然规律做出反应，即隧道附近的围岩破坏。而在模拟过程中，特别是本实施例所针对的近海富水区复合地层，需要真实模拟水的潮汐补给作用，以提高模拟的真实性。但是现有的潮汐模拟组件通过鼓风机或者造浪机等设备模拟，成本较高，不适于使用在潮汐变化对地下空间结构影响此类需要长时间模拟潮汐作用的模拟装置中，例如近海区隧道突涌水模拟，或者近海区隧道渗水模拟等试验装置中。且现有的等长叶片的叶轮形式的潮汐模拟设备仅能模拟海水的较为均匀的涨落，而未能模拟海水的潮汐现象。

为此，本实施例中，潮汐模拟组件包括：固定支架6、转子7、第一叶片8与第二叶片9，以及驱动组件10。

其中，固定支架6与试验箱1固定连接。固定支架6可以是固定于试验箱1内，例如固定支架6可以是水平的横梁，横梁的两端通过螺钉或者卡座等本领域已知技术固定连接在试验箱1内。或者，参阅图1，例如，固定支架6还可以包括一龙门架，此时，试验箱1与龙门架均通过地脚螺栓等等同结构固定于试验台上。且试验箱1位于龙门架内，即试验箱1与龙门架不接触，从而避免龙门架与试验箱1接触后，在潮汐模拟组件运动时相互影响的情况发生，例如避免转子7转动后龙门架与试验箱1共振的情况发生。龙门架的横梁上可焊接有沿竖直方向向下延伸的两根吊杆。

转子7可转动地连接于固定支架6。例如，参阅图1，转子7可通过轴承安装于固定支架6的两根吊杆之间上，从而可在固定支架6上转动。

第二叶片9与第一叶片8沿转子7的周向间隔设置于转子7的周向侧壁，且第二叶片9的长度大于第一叶片8的长度。本实施例不对第一叶片8和第二叶片9的具体结构和形状做出限制，只要在转子7转动过程中，第一叶片8与第二叶片9的至少部分均可浸入水中，以带动海水区的部分水向地层区往复流动即可。例如，第二叶片9和第一叶片8均可为矩形的直板叶片。

驱动组件10与转子7传动连接，以带动转子7转动。本实施例不对驱动组件10的具体结构做出限制，只要其可带动转子7转动即可。例如，驱动组件10可包括电机，电机的输出轴安装有输出齿轮，转子7的一端也对应安装有齿轮，输出齿轮与齿轮可通过链条连接。或者转子7与电机也可通过同步带连接。

具体而言，在驱动组件10带动转子7转动过程中，转子7带动第一叶片8和第二叶片9转动。由于第一叶片8和第二叶片9的至少部分可浸入水中，从而转动的第一叶片8和第二叶片9带动海水区5的水向地层区运动。且容易理解的，由于第二叶片9的长度大于第一叶片8的长度，第二叶片9相较于第一叶片8可带动多的水以更大的动量向基岩模拟地层3与软岩模拟地层4冲刷，从而可以模拟海水在潮汐之间正常的涨落，还能模拟海水的潮汐作用，提高潮汐模拟的真实性。

本实施例通过转子7上长度较长的第二叶片9在转子7带动下的周期性转动模拟潮汐，通过转子7上长度较短的第一叶片8在转子带动下的周期性转动模拟海水在潮汐之间的周期性起伏与波动。该结构较为简单，成本低，模拟真实度高，利于使用在潮汐变化对地下空间结构影响此类需要长时间模拟潮汐作用的模拟装置中。

参阅图2，作为本实施例的一种选择，第一叶片8包括多个，多个第一叶片8沿转子7的圆周方向间隔设置。进一步的，多个第一叶片8与第二叶片9沿转子7的圆周方向均匀间隔设置。

具体而言，多个第一叶片8均匀间隔设置使得作可以模拟出一般的海浪，而一个长度明显较长的第二叶片9可模拟潮汐。

值得注意的是，本实施例中，驱动组件10的电机的功率可以是可变频率，从而提高本模拟装置的模拟的真实性。

在近海富水区隧道施工过车用中，潮汐对围岩中的水存在补给作用。因此，本装置中基岩模拟地层3的顶面为凹面，从而可以将在潮汐模拟组件作用下浸入基岩模拟地层3与软岩模拟地层4之间的水沉积，但是由于本装置为模拟装置，顶面凹面虽然可以沉积一部分，但是若水返回到海水区5中，则水浸入基岩模拟地层3的水量较少，潮汐补给作用的模拟效果还需进一步提高。因此，为了模拟潮汐补给作用，还需要提高水在顶面的沉积效果，以使得更多的水浸入基岩模拟地层3中。因此，在一实施例中，基岩模拟地层3的顶面为一弧形下凹面，且弧形下凹面的靠近海水区5的一端高于弧形下凹面的中部。参阅图1，弧形下凹面的轴线平行于矩形的试验箱1的宽度方向，从而在海水区5的水漫过弧形凹面的靠近海水区5的一端，即可沉积于此处，而不会跟随潮汐组件的叶片的转动退回到海水区5，从而可以不断地浸入到基岩模拟地层3中，以更好地模拟处潮汐补给作用。

在一实施例中，基岩模拟地层采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.7～0.8:0.5～0.6:0.15～0.2；以及

软岩模拟地层采用第二围岩相似材料制成，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.4～0.5:0.12～0.15:0.1～0.2。

例如，作为本实施例的一种选择，基岩模拟地层3采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.8:0.5:0.2。

软岩模拟地层4采用第二围岩相似材料制成，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.5:0.15:0.1。

或者，作为本实施例的另一种选择，基岩模拟地层3采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.7:0.6:0.1。

软岩模拟地层4采用第二围岩相似材料制成，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.4:0.12:0.2。

或者，作为本实施例的又一种选择，基岩模拟地层3采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.75:0.56:0.16。

软岩模拟地层4采用第二围岩相似材料制成，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.45:0.13:0.15。

在一实施例中，监测元件包括地层内部位移监测元件、地层内部应力监测元件与孔隙水压力监测元件。例如，地层内部位移监测元件可以是位移及应力测点预埋差动式数显位移计，地层内部应力监测元件可以是微型应变式土压力盒，孔隙水压力监测元件可以是孔隙水压力计。

为了便于数据采集以及后续的模拟分析，在一实施例中，装置还包括：摄像机13以及采集监测器。

其中，摄像机13设置于试验箱1外，且正对隧道开挖孔2设置。采集监测器11与多个监测元件以及摄像机13通信连接。摄像机13用于记录隧道模拟开挖过程，从而便于后续对试验情况进行分析。采集检测其用于收集监测元件以及摄像机13采集的监测数据，从而更好地研究模拟过程，更准确的研究出隧道突涌水的规律。

在一实施例中，为了提高装置的整洁度，避免试验过程水从模拟隧道中涌出后污染实验室，装置还包括：

废液导向槽12，废液导向槽12固定设置于试验箱1的外侧壁，且废液导向槽12位于隧道开挖孔2的下方。参阅图废液导向槽12可以是一C型钢或者C型玻璃钢，其一端可粘接于试验箱1的侧壁上，另一端向下倾斜，并固定至废液收集器14。

废液收集器14与废液导向槽12连通。废液收集器14位于试验箱1的外侧。

具体而言，水从模拟开挖的隧道中涌出后，沿隧道开挖孔2流动至废液导向槽12，最后进入到废液收集器14内。

此外，为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种隧道开挖突涌水模拟方法，使用如前的隧道开挖突涌水模拟装置，模拟方法包括以下步骤：

步骤a，构建试验箱1，并对试验箱1的内壁做防水处理。

具体而言，试验箱1可以是多根角钢焊接而成的矩形试验箱1，矩形试验箱1的侧壁由钢化玻璃构成。且钢化玻璃与角钢之间、以及角钢之间的接缝处通过止水带做密封处理。

步骤b,在试样箱的长度方向的中部设置初期支护，初期支护将试验箱1分隔出地层区与海水区5。

具体而言，初期支护可以是一沿竖直方向固定于试验箱1内部的钢板，钢板与试验箱1的侧壁之间通过止水带做防水处理。钢板将试验箱1分割为两部分，即地层区与海水区5。

步骤c,配置第一围岩相似材料，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.8:0.5:0.2。

步骤d,向地层区内填充第一围岩相似材料，并在预设的第一隧道开挖相邻区域预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域在试验箱的侧壁上的投影环绕试验箱1上的隧道开挖孔2。容易理解的，在第一围岩相似材料养护成型形成基岩模拟地层3后，第一隧道开挖相邻区域即为隧道开挖区域的相邻部分。

具体而言，上述步骤即将配置好的处于流体状态的第一围岩相似材料导入至地层区。

步骤e,在第一围岩相似材料的上表面倒置一重物，第一围岩相似材料养护成型后，形成顶面为凹面的基岩模拟地层3。

具体而言，为了在第一围岩相似材料的顶面形成凹面，可以在围岩相似材料的上表面倒置一重物，该重物在自身重力作用下在还未凝固的第一围岩相似材料的上表面压出一凹面。例如，该重物可以是以一圆柱形的石头，从而在第一围岩相似材料凝固并养护成型后，再其顶面形成一弧形凹面。

步骤f,移走重物。

步骤g,配置第二围岩相似材料，第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.5:0.15:0.1。

步骤h,在基岩模拟地层3的上方的地层区内填充第二围岩相似材料，并在预设的第二隧道开挖相邻区域内预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域相邻，第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域多个监测元件在试验箱1的侧壁上的投影环绕隧道开挖孔2。容易理解的，在第二围岩相似材料养护成型形成软岩模拟地层4后，第二隧道开挖相邻区域即为隧道开挖区域的上侧相邻部分。

具体而言，上述步骤中由于初期支护仍然未拆除，基岩模拟地层3与试验箱1之间仍存在一空间，此时直接将流体状态的第二围岩材料倒入此空间内即可。

步骤i,第二围岩相似材料养护成型，形成软岩模拟地层4。

步骤j,撤销初期支护，在海水区5填充水，且水面不高于基岩模拟地层3的顶面的靠近海水区5的一端，从而在试验箱1内形成近海富水区复合地层模拟结构。

步骤k,在海水区5内加装潮汐模拟组件，潮汐模拟组件的转子7转动时，第一叶片8与第二叶片9可带动海水区5内的水漫过基岩模拟地层3的顶面的靠近海水区5的一端，从而模拟潮汐补给过程。

步骤l,在试验箱1的外侧壁上固定一废液导向槽12，且废液导向槽12位于隧道开挖孔2的下方，并在试验箱1外放置一废液收集器14，废液收集器14与废液导向槽12连通。

步骤m,在试验箱1的外部，正对隧道开挖孔2固定一摄像机13，并在试验箱1外放放置一采集监测器11，采集监测器11与多个监测元件以及摄像机13通信连接。

步骤n,在试验箱1的隧道开挖孔2处利用掏槽工具模拟隧道开挖，并使用摄像机13与采集监测器11进行数据采集。

本发明实施例提供的技术方案通过采用基岩模拟地层3与软岩模拟地层4构成的近海富水区复合地层结构，并在海水区5内填充有水，通过潮汐模拟组件带动海水区5内的水漫过基岩模拟地层3的顶面的靠近海水区5的一端，从而模拟潮汐补给过程，且试验箱1的侧壁上开设有隧道开挖孔2，从而可以从隧道开挖孔处模拟隧道开挖过程，并在开挖过程中通过监测元件实现数据收集，以有效模拟近海富水区复合地层并考虑海水潮汐补给作用下的隧道突涌水情况。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

试验箱，所述试验箱包括地层区与海水区，所述海水区填充有水，且所述试验箱的侧壁预设有与所述地层区连通的隧道开挖孔；

基岩模拟地层，所述基岩模拟地层设置于所述地层区内，且所述基岩模拟地层具有与所述隧道开挖孔连接的隧道开挖区域，且所述基岩模拟地层的顶面为凹面；

软岩模拟地层，所述软岩模拟地层设置于所述基岩模拟地层的上方；

多个监测元件，多个所述监测元件埋设于所述基岩模拟地层与所述软岩模拟地层，且多个所述监测元件环绕所述隧道开挖区域设置；以及

潮汐模拟组件，所述潮汐模拟组件设置于所述海水区，以带动所述海水区的部分水向所述地层区往复流动,从而模拟潮汐过程。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述潮汐模拟组件包括：

固定支架，所述固定支架与所述试验箱固定连接；

转子，所述转子可转动地连接于所述固定支架；

第一叶片与第二叶片，所述第二叶片与所述第一叶片沿所述转子的周向间隔设置，且所述第二叶片的长度大于所述第一叶片的长度；以及

驱动组件，所述驱动组件与所述转子传动连接；

其中，在所述转子转动过程中，所述第一叶片与所述第二叶片的至少部分均可浸入所述海水区的水中，以带动所述海水区的部分水向所述地层区往复流动。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述第一叶片包括多个，多个所述第一叶片沿所述转子的圆周方向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，多个所述第一叶片与所述第二叶片沿所述转子的圆周方向均匀间隔设置。

5.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述基岩模拟地层的顶面为一弧形下凹面，且所述弧形下凹面的靠近所述海水区的一端高于所述弧形下凹面的中部。

6.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述基岩模拟地层采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、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为1:0.7～0.8:0.5～0.6:0.15～0.2；以及

所述软岩模拟地层采用第二围岩相似材料制成，所述第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.4～0.5:0.12～0.15:0.1～0.2。

7.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述监测元件包括地层内部位移监测元件、地层内部应力监测元件与孔隙水压力监测元件。

8.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

摄像机，所述摄像机设置于所述试验箱外，且正对所述隧道开挖孔设置；以及

采集监测器，所述采集监测器与多个所述监测元件以及摄像机通信连接。

9.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

废液导向槽，所述废液导向槽固定设置于试验箱的外侧壁，且所述废液导向槽位于所述隧道开挖孔开挖断面的下方；以及

废液收集器，所述废液收集器与所述废液导向槽连通。

10.一种隧道开挖突涌水模拟方法，使用如权利要求1至9任一项所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：

在试样箱内设置初期支护，所述初期支护将所述试验箱分隔出地层区与海水区；

配置第一围岩相似材料；

向地层区内填充第一围岩相似材料，并在预设的第一隧道开挖相邻区域预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域在试样箱的侧壁上的投影环绕所述试验箱上的隧道开挖孔；

对第一围岩相似材料进行养护处理，形成顶面为凹面的基岩模拟地层；

配置第二围岩相似材料；

在基岩模拟地层的上方的地层区内填充第二围岩相似材料，并在预设的第二隧道开挖相邻区域内预埋多个监测元件，其中所述第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域相邻，第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域内的多个监测元件在试样箱的侧壁上的投影环绕所述隧道开挖孔；

待所述第二围岩相似材料养护成型，形成所述软岩模拟地层；

撤销所述初期支护，在所述海水区填充水，从而在试验箱内形成近海富水区复合地层模拟结构；

在海水区内加装潮汐模拟组件，模拟潮汐过程；

在试验箱的隧道开挖孔处利用掏槽工具模拟隧道开挖，并使用摄像机与采集监测器进行数据采集。

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