CN115711980A - 多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法，实验平台包括承载平台和设置在承载平台上的多场景多目标模拟系统、后配套系统和数据采集和预警单元；多场景多目标模拟系统包括多场景多目标模拟箱、水压及循环控制单元、多场景智能温控单元、加载装置和多场景控制单元；多场景控制单元实现多场景多目标模拟箱内隧道结构和围岩环境模型在不同温度环境、水环境及荷载参数多场耦合作用下的模拟实验；本发明可以实现低温场景、高温场景、岩溶隧道水环境、过江海隧道水环境、富水环境、高水压环境、排水系统结晶环境和水灾害预警环境等复杂地质和恶劣环境的模拟，为实际隧道工程设计提供重要参考。

Description

多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法

技术领域

本发明属于隧道工程实验技术领域，具体涉及一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法。

背景技术

随着国家交通基础设施建设战略的实施，公路、铁路网已逐步向复杂地质区域延伸，中西部地区迎来了新一轮的交通基础设施建设高潮。中西部地区以山地和重丘为主，地形地质条件复杂多变，中国在黄土、高寒高海拔、高地应力软岩、富水岩溶、高地温、强岩爆、高瓦斯等地区修建了一大批重难点隧道工程。2016年建成通车的陕西省黄延扩能工程26座单洞三车道黄土隧道群 (纯黄土隧道20座)最大开挖跨度达17.85m，最大开挖高度为12.18m，最大开挖断面为177.1m²，是世界上开挖跨度、断面最大的黄土公路隧道。2019年建成通车的拉林公路米拉山隧道，是世界海拔最高的公路特长隧道，进口海拔4752m, 出口海拔4774m，全长5727m。此外，国家指出要“加快建设交通强国，实施川藏铁路、西部陆海新通道、国家水网等重大工程，推进一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设”。由此可见，中国隧道工程在得到更宝贵发展机遇的同时，也将面临前所未有的挑战与风险，总体呈现出建设标准高且周期短、隧道距离长且断面大、复杂地质和恶劣环境艰险隧道不断涌现的态势。

近年来，城市交通量大幅增加，市政公路隧道和地铁隧道也迎来了建设高峰，并且呈现出市区复杂敏感穿越隧道急剧增长、跨江越海高风险水下隧道需求量大的态势。针对隧道建设领域长久以来尚未解决的问题，众多专家学者展开了理论研究和现场试验，但缺乏一个先进的物理模型模拟试验平台，无法对研究揭示的规律和提出的方法进行反复试验与验证。目前国内已经具备大型隧道与地下工程模型试验系统的教学与科研单位有：西南交通大学、北京交通大学、山西省交通科学研究院、山东大学等。各个单位模型试验系统的依托工程、模拟工况、规模尺寸等各有差异，大部分单位的隧道与地下工程模型试验系统可实现以下功能： (1)三维仿真系统，可实现真三轴实验；(2)智能液压伺服控制加载，最大试验力±3000kN；(3)矩阵式油缸加压，独立控制压力和距离，模拟不同试验条件；(4)采用光纤光栅技术等作为装置的测试系统。然而现有实验平台仅能针对单一场景下的隧道性能开展模拟，面临难以模拟高地应力软岩隧道复杂的围岩地质条件，难以再现寒区隧道高寒、高地温隧道高热、富水隧道高水压等复杂环境，不能保障智慧节能环保型隧道试验条件等问题，新的特色研究方向的发展面临缺乏物理模型试验平台的瓶颈。

因此，亟需设计一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法，对高寒高海拔、高地应力软岩、富水岩溶、高地温、过江海、排水系统结晶环境、穿越复杂敏感地区等复杂地质和恶劣环境的隧道性能开展实验分析，通过物理模型试验检验并修正理论研究成果，为实际隧道工程设计提供重要参考，并服务于现有重大课题与重大隧道工程。

发明内容

本发明设计了一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台及实验方法，采用智能自动控制液压加载系统、水压及循环智能控制系统、多场景智能温控系统、智能预警平台等设施，能实现高寒高海拔、高地应力软岩、富水岩溶、高地温、过江海、排水系统结晶环境等复杂地质和恶劣环境的模拟，有利于检验并修正理论研究成果，对复杂环境多场耦合作用下隧道综合性能的研究具有重要意义。

本发明的技术方案如下：

一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：包括承载平台和设置在承载平台上的多场景多目标模拟系统、后配套系统和数据采集和预警单元；

所述的多场景多目标模拟系统包括多场景多目标模拟箱、水压及循环控制单元、多场景智能温控单元、加载装置和多场景控制单元；多场景控制单元实现多场景多目标模拟箱内隧道结构和围岩环境模型在不同温度环境、水环境及荷载参数多场耦合作用下的模拟实验；

所述的后配套系统用于模拟实验所需材料的制备及水源实现；

所述的数据采集和预警单元实现实验平台的数据采集、监控及安全报警。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，所述的后配套系统包括模型制备及材料拌和单元及水循环处理单元；所述的模型制备及材料拌和单元用于实验材料的制备及输送；所述的水循环处理单元为水压及循环控制单元提供净化水源。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，水循环处理系统包括闭式冷却塔、冷却水泵、软水机，原水箱、软水箱，原水箱进水端与隧道防排水系统相联，出水端依次经过冷却水泵、软水机、冷却塔后，输出软水至软水箱进水端，软水箱的出水端联接至水压及循环控制单元。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，多场景多目标模拟箱包括箱体和设置在箱体内的隧道结构和围岩环境模型、隧道防排水单元；所述箱体的上部可移动模板包裹有橡胶密封圈，对箱体的上端开口进行密封，并在加载装置作用下上下移动；所述的隧道结构和围岩环境模型包括隧道的本体、衬砌、初期支护和仰拱实验模型。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，隧道防排水单元包括位于承载平台上部的环向排水管和位于承载平台下部的横向排水管、纵向排水管及中央排水沟，环向排水管环绕隧道衬砌并与横向排水管连通，纵向排水管沿隧道本体纵深布置；水压及循环控制单元排出的水流汇聚到位于仰拱内中央位置的中央排水沟。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，加载装置包括起吊设备和智能自动控制液压源系统，为多场景多目标模拟箱提供外部荷载参数模拟实验；

承载平台上部设有相互联接的前后反力梁、侧梁和顶梁，起吊设备设置在顶梁，起吊设备和智能自动控制液压源系统设置在顶梁下方；所述的智能自动控制液压源系统包括液压泵、液压缸、作动器及液压比例阀，液压泵通过液压比例阀与作动器相联，作动器施加载荷在隧道结构和围岩环境模型上。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，水压及循环控制单元包括增压设备和水泵组成，增压设备一侧与水泵相连，另一侧连接多场景多目标模拟箱；水压及循环控制单元为多场景多目标模拟箱提供水环境参数的模拟实验。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，多场景智能温控单元包括空气压缩机、风机、电加热及水冷直膨制冷机组，为多场景多目标模拟箱提供温度环境参数模拟实验；所述的空气压缩机经管道连接风机并可将空气吹入电加热及水冷直膨制冷机组，加热或制冷机组由管道连接多目标模拟箱。

上述多场耦合作用下隧道性能综合实验平台中，数据采集和预警单元包括摄像头、自控单元和潜望镜型观察窗。

一种多场耦合作用下隧道性能综合验方法，其特征在于：

【1】复杂水环境下隧道性能模拟，包括以下步骤：

【1.1】多场景控制单元下达水压控制命令，使水压及循环控制单元开始工作；

【1.2】水泵按平台下达的需水量抽取水源后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，通过喷头将水作用在隧道模型，实现富水环境的模拟；

【1.3】水泵抽取的水源先由增压设备控制水压，然后通过输水管道将水流输送至多场景多目标模拟箱，同时控制加载设备向下加载，使得密闭的多场景多目标模拟箱的上部模板向下移动，压缩注水后的模拟箱的容积，实现高水压的模拟；

【1.4】向多场景多目标模拟箱注入制定水压的水源后，压缩模拟箱的容积进一步增大水压，实现过江海隧道所处水环境的模拟；

【1.5】配置Ca(HCO₃)₂溶液加入水中，经水压与循环控制系统输入多场景多目标模拟箱后下渗到排水系统，使得碳酸钙结晶从水中析出，附着在排水管道内壁慢慢生长，最终形成碳酸钙垢，实现隧道防排水结晶模拟；

【2】高寒地区、富水环境、高地温、高地应力下多场耦合作用下隧道致灾机制及性能模拟，包括以下步骤：

【2.1】多场景控制单元下达水压、温度及加载控制命令，使水压及循环控制单元、多场景智能温控单元和加载装置开始工作；

【2.2】水泵按需抽取水源后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，通过喷头将水作用在隧道模型，多场景智能温控单元制冷至所需温度，并将制冷空气输送至模拟箱，实现高寒地区隧道冻害的模拟；

【2.3】多场景智能温控单元制冷至所需温度，并将制冷空气输送至模拟箱；同时液压泵开始运转，加载液压油至液压缸，液压油经液压比例阀输送给作动器，加载压力至隧道结构和围岩环境模型，实现寒冷地区高地应力隧道的模拟；

【3】岩溶隧道涌水突泥机理分析及公路隧道水环境地质灾害探测与预警，包括以下步骤：

【3.1】由模型制备及材料拌和单元制定围岩相似材料，将相似材料均匀搅拌后填入多场景多目标模拟箱内；

【3.2】将位移计、微型渗压计按照监测方案埋入多场景多目标模拟箱的指定位置，并将连接线接入数据采集和预警单元；

【3.3】多场景控制单元控制水压及循环控制单元工作，水泵按需抽水后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，喷洒至围岩相似材料；

【3.4】按照指定工法开挖多场景多目标模拟箱内的围岩相似材料，按照规范采用钢筋网并喷射石膏进行支护，同时实时监测隧道涌水突泥过程；

【3.5】根据开挖过程中监测的应变、位移及渗流信息，对突水涌泥问题进行风险因素分析，评估预测隧道水环境地质灾害，并由数据采集和预警单元发出预警。

本发明具有的有益技术效果如下：

(1)本发明针对目前隧道施工中面临复杂地质和恶劣环境艰险隧道不断涌现的态势，针对现有隧道综合实验平台面临仅能针对单一场景下的隧道性能开展模拟、难以模拟高地应力软岩隧道复杂的围岩地质条件、难以再现寒区隧道高寒、高地温隧道高热、富水隧道高水压等复杂环境等问题，创新地提出了多场景多目标模拟系统，可以实现低温场景(寒区隧道)、高温场景(高地温高地应力隧道)、岩溶隧道水环境、过江海隧道水环境、富水环境、高水压环境、排水系统结晶环境和水灾害预警环境等复杂地质和恶劣环境的模拟，有助于对以理论研究和现场试验揭示的规律和提出的方法进行反复试验与验证，为实际隧道工程设计提供重要参考。

(2)本发明采用智能自动控制液压加载系统、水压及循环智能控制系统、多场景智能温控系统、智能预警平台等智能系统，较现有的隧道综合性能实验平台智能化程度高，多源水环境水循环处理系统保证了模拟过程中水体的循环利用和水体的沉淀净化作用，保障了智慧节能环保型隧道试验条件。

(3)本发明在水压模拟中采用箱体和密封结构的上部可移动模板方式，液压加载通过作动器施加压力至上部可移动模板，从而压缩注水后的箱体容积，实现加载至隧道模型上的水压参数的调节，满足了高水压环境，以及过江海隧道所处水环境的模拟试验，并具有结构简单，操作方便、参数可控等特点，满足了现场的模拟需求。

(4)本发明的数据采集预警平台设置潜望镜型加固观察窗，并配置高速摄像系统，具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

(5)本发明采用智能自动控制液压加载系统，能实现自动智能加载控制，系统采用6油缸矩阵，受力更均匀，升压平稳，压力更大，精度高，所有油缸都能独立获取数控，可以通过控制压力和距离独立控制，实现不同测试条件下的试验结果取得。本发明能真实体现模型受力情况实现真实模拟地应力。

附图说明

图1为本发明多场耦合作用下隧道性能综合实验平台的原理框图；

图2为本发明多场耦合作用下隧道性能综合实验平台结构示意图；

图3为本发明模拟箱及加载装置的结构示意图；

图4为本发明水循环处理系统示意图；

附图标记如下：1—水压及循环控制单元；2—多场景智能温控单元；3—多场景控制单元；4—多场景多目标模拟箱；5—模型制备及材料拌和单元；6—加载装置；7—水循环处理单元；8—承载平台；9—数据采集和预警单元；10—橡胶密封圈；11—上部可移动模板；16—围岩环境；17—初期支护；18—二次衬砌； 19—仰拱；20—环向排水管；21—横向排水管；22—纵向排水管；23—中央排水沟；24—液压泵；25—作动器；27—反力梁；28—侧梁；29—顶梁；30—闭式冷却塔；31—冷却水泵；32—软水机；33—原水箱；34—软水箱；35—潜望镜型观察窗。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图及工程实例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供了一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，包括承载平台8和设置在承载平台8上的多场景多目标模拟系统、后配套系统和数据采集和预警单元。

一、多场景多目标模拟系统：

多场景多目标模拟系统包括多场景多目标模拟箱4、水压及循环控制单元1、多场景智能温控单元2、加载装置6和多场景控制单元3；

多场景多目标模拟箱4包括箱体及设置在箱体内部的隧道结构和围岩环境模型、隧道防排水单元；如图3所示，所述的箱体为低温碳钢材料，橡胶密封圈 10包裹模拟箱上部可移动模板11的下表面及与箱体接触的四周，起到箱体密封作用，上部可移动模板11可在作动器25的推动作用下向下移动，压缩注水后的多场景多目标模拟箱4的容积，达到增大水压的目的，实验完成后上部可移动模板11由起吊设备吊起；所述的隧道结构和围岩环境模型包括隧道的本体、衬砌、初期支护和仰拱实验模型；如图2所示，初期支护、二次衬砌、仰拱等隧道结构以及隧道防排水系统处于围岩环境内部；隧道防排水单元包括位于承载平台8上部的环向排水管19和位于承载平台8下部的横向排水管20、纵向排水管21及中央排水沟22，环向排水管19环绕隧道衬砌并与横向排水管20连通，纵向排水管21沿隧道本体纵深布置；水流通过下漏孔流入横向排水管，最终汇聚到处于仰拱内中央位置的中央排水沟。对多场景下隧道多目标的整个模拟过程均在多场景多目标模拟箱中完成。

多场景控制单元3控制水压及循环控制单元1、加载装置6和多场景智能温控单元2的参数，实现多场景多目标模拟箱4内隧道结构和围岩环境模型在不同温度环境、水环境及荷载参数多场耦合作用下的模拟实验；多场景控制单元3采用可移动结构，是多场景多目标模拟系统的大脑，主要由主机和显示器组成，基于实验需求在控制平台下达命令，可以控制水压及循环控制单元、多场景智能温控系统和智能自动控制液压源系统，进而控制隧道所处的温度环境、水环境及施加荷载的大小，实现复杂环境多场耦合作用下隧道的模拟。

水压及循环控制单元1为多场景多目标模拟箱4提供水环境参数的模拟实验，实验用水由隧道防排水单元排出。水压及循环控制单元1主要由增压设备和水泵组成，增压设备一侧与水泵相连，另一侧连接多场景多目标模拟箱。模型实验需要水环境参与时，水泵可以从软水箱中抽取经过水循环处理系统处理后的软水实现水的循环利用，也可抽取其他水源。增压设备通过输水管道与水泵相连，可以控制水的压力，水压最大可增大至1.5Mpa，最终由输水管道将水源输送至多场景多目标模拟箱，实现过江海、富水环境、高水压环境、隧道防排水结晶作用下隧道的模拟。

多场景智能温控单元包括空气压缩机、风机、电加热及水冷直膨制冷机组，为多场景多目标模拟箱4提供温度环境参数模拟实验；所述的空气压缩机经管道连接风机并可将空气吹入电加热及水冷直膨制冷机组，加热或制冷机组由管道连接多目标模拟箱。开展隧道在不同温度环境下的模拟时，首先由空气压缩机抽取空气进行压缩，经管道连接风机将空气吹入电加热及水冷直膨制冷机组，按照实验需求完成制冷或加热，温度可以控制在-30～60℃范围内，然后将制冷或加热的空气经保温管道输入多目标模拟箱，实现对多场景(寒区隧道、高地温隧道) 的模拟。

加载装置6包括起吊设备和智能自动控制液压源系统，为多场景多目标模拟箱4提供外部荷载参数模拟实验；承载平台8上部设有相互联接的前后反力梁 27，侧梁28和顶梁29，起吊设备设置在顶梁29，起吊设备和智能自动控制液压源系统设置在顶梁29下方；

智能自动控制液压源系统包括液压泵23、液压缸24、作动器25及液压比例阀，液压泵通过液压比例阀与作动器25相联，作动器25施加载荷在隧道结构和围岩环境模型上。智能自动控制液压源系统接收到可移动多场景控制单元的命令后，液压泵开始运转，加载液压油通过系统液压泵供给，输送至液压缸，采用力传感器做反馈再经过液压阀进行稳压，液压缸与作动器由液压阀连接，各部件处于密封状态，液压油经液压阀输送给作动器对其活塞行程进行控制，最终作用于围岩，达到加载目的，最大施加荷载可达1.5MPa。其中作动器为双向、单杆、高压、耐磨、无泄漏活塞缸；液压比例阀是系统最重要元件之一，选用进口或国产最优质阀；液压泵是系统工作的心脏，选用高压低噪音液压高精度专用泵。电气控制系统包括对液压缸、液压阀等执行装置的运动分别实现以力和位移为目标参数的控制装置，对力、位移、位置、压力等参数的检测，对工作过程的控制，并完成对试验数据的获取和进行数据处理，最后以合适的方式显示和输出。控制装置主要是一个以工控触摸屏为核心的控制系统，水平和垂直向载荷均由动态测力传感器测量，保证测力的高精度，并参与控制；同时，水平和垂直向的位移和速度由高精度位移传感器测量。智能自动控制液压源系统作为加载设备承担试验工作系统的载荷施加与控制，能实现自动智能加载控制，升压平稳，精度高，可实现梯形加载和逐级卸载，实现真实模拟地应力。

二、承载平台：

承载平台是多场景多目标模拟系统的基础，为钢筋混凝土结构，用于承载各试验设备。各设备主要位于平台上部，平台下部主要包括隧底防排水系统和水循环处理系统。平台上部设有反力架，包括前后反力梁，侧梁和顶梁，三者互相连接，其中第一条顶梁与起吊设备连接，第二条顶梁与加载设备智能自动控制液压源系统连接。

三、后配套系统

后配套系统包括模型材料制备单元5及水循环处理单元9；模型材料制备单元5用于实验材料的制备及输送；所述的水循环处理单元9为水压及循环控制单元1提供净化水源。

如图4所示，水循环处理系统包括闭式冷却塔30、冷却水泵31、软水机32，原水箱33、软水箱34。原水箱33用以储存排水系统排出的原水，当水流流入原水箱33后，由冷却水泵31经连接管道将水泵入原水箱右侧的软水机32中，软水机32可去除水中的钙、镁离子，降低水质硬度，经软水机32处理后的水流在闭式冷却塔30中冷却至室温后流入位于冷却塔下方的软水箱34备用。水循环处理系统保证了模拟过程中水体的循环利用和水体的沉淀净化作用，保障了节能环保型隧道试验条件。

四、数据采集和预警单元

数据采集和预警单元用于实现实验平台的数据采集、监控及安全报警。数据采集和预警单元包括摄像头、自控单元和潜望镜型观察窗35，自控单元选用PLC 集中控制系统，满足实验平台的数据采集、监控及安全报警等功能。数据采集和预警单元设置潜望镜型加固观察窗，可根据需求扩展配置高速摄像系统，达到实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等效果，可在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程可以清晰、缓慢地呈现在我们眼前。

本发明的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台可承担隧道复杂环境多场耦合作用下隧道综合性能的模拟，该系统可进行不同温度环境不同水环境效应下隧道结构材料性能测试与试验，模拟实验方法如下：

(1)过江海、富水环境、高水压环境、隧道防排水结晶等复杂水环境下隧道性能模拟；

首先在可移动多场景控制单元下达水压控制命令，使水压及循环控制单元开始工作，水泵按平台下达的需水量抽取水源后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，通过喷头将水作用在隧道模型，实现富水环境的模拟。当需要模拟高水压环境时，经水泵抽取的水源先由增压设备控制水压，最大水压可维持在1.5MPa，然后通过输水管道将水流输送至模拟箱。若实验所需模拟水压超过1.5MPa，可控制加载设备向下加载，作动器与模拟箱上部可移动模板接触后对其施加向下的压力，上部可移动模板的下表面及与箱体接触的四周由橡胶密封圈包裹，起到密封作用。上部可移动模板在压力作用下向下移动压缩注水后的模拟箱的容积，使得水压增大，直至水压稳定在指定值后停止加载，实现高水压的模拟。过江海隧道受到富水环境和高水压环境的耦合作用，按上述富水环境及高水压环境的模拟过程，向多场景多目标模拟箱注入水源，当水源水压稳定在指定值后，压缩模拟箱的容积进一步增大水压，实现过江海隧道所处水环境的模拟。

隧道防排水结晶的模拟需先在材料制备单元配置酸氢盐、硫酸盐、磷酸盐、氯化盐以及可溶性碳酸盐和硅酸盐等溶液。例如配置Ca(HCO₃)₂溶液加入水源中，经水压与循环控制系统输入多场景多目标模拟箱，之后下渗到排水系统，使得排水系统中的水流含有Ca²⁺、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-等离子，HCO₃ ^-离子不稳定易分解形成CO₃ ^2-离子，Ca²⁺与CO₃ ^2-结合很容易形成难溶性物质碳酸钙结晶从水中析出，附着在排水管道内壁慢慢生长，最终形成碳酸钙垢，实现隧道防排水结晶模拟。

(2)高寒地区、富水环境、高地温、高地应力下等复杂环境多场耦合作用下隧道致灾机制及性能模拟；

开展高寒地区隧道冻害方面的实验研究时，需考虑温度环境与水环境耦合作用对隧道性能的影响，首先在可移动多场景控制单元下达水压控制命令，使水压及循环控制单元开始工作，水泵按平台下达的需水量抽取水源后由增压设备，增压设备最大水压可达1.5MPa，然后由输水管道输送至多场景多目标模拟箱，通过喷头将水作用在隧道模型，之后在控制平台下达温度控制命令，使多场景智能温度控制系统开始制冷并达到需求温度，系统控温范围为-30～60℃，由保温管道将制冷的空气输送至模拟箱，实现高寒地区隧道冻害的模拟。寒冷地区高地应力隧道的模拟与之类似，开展寒冷地区高地应力隧道的实验研究时，需考虑温度环境与流变荷载耦合作用对隧道性能的影响，在温控系统按平台命令温度制冷的同时，在可移动多场景控制单元输入模型所受荷载，可施加的最大荷载为 1.5MPa，智能自动控制液压源系统接收到可移动多场景控制单元的命令后，液压泵开始运转，加载液压油通过系统液压泵供给，输送至液压缸，采用力传感器做反馈再经过液压阀进行稳压，液压油经液压阀输送给作动器对其活塞行程进行控制，最终作用于围岩，达到加载目的，实现寒冷地区高地应力隧道的模拟。

(3)岩溶隧道涌水突泥机理分析及公路隧道水环境地质灾害探测与预警；

岩溶隧道涌水突泥过程模拟前需在材料制备单元制定特殊的围岩相似材料，一般选取细砂、碳酸钙和铁粉作为骨料，氯化石蜡和白水泥作为胶结剂，适量的硅油作为调节剂，并配以适量的拌合水，按照配比称取各种配料，将相似材料均匀搅拌后填入模型箱，分层摊铺夯实压密。然后将位移计、微型渗压计等监测元件按照监测方案埋入指定位置，并将连接线接入数据采集和预警单元并检查监测元件的数据连通率。上述前期准备工作做好后，按照指定工法开挖，及时采用钢筋网并喷射石膏进行支护，实时监测隧道涌水突泥过程，根据开挖过程中监测的应变、位移及渗流信息，采用模糊理论等相关的功能和手段，建立风险动态评估模型，对突水涌泥问题进行风险因素分析、风险正向预测以及风险反向诊断，评估预测隧道水环境地质灾害，并由数据采集和预警单元发出预警。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：包括承载平台(8)和设置在承载平台(8)上的多场景多目标模拟系统、后配套系统和数据采集和预警单元；

所述的多场景多目标模拟系统包括多场景多目标模拟箱(4)、水压及循环控制单元(1)、多场景智能温控单元(2)、加载装置(6)和多场景控制单元(3)；多场景控制单元(3)实现多场景多目标模拟箱(4)内隧道结构和围岩环境模型在不同温度环境、水环境及荷载参数多场耦合作用下的模拟实验；

所述的后配套系统用于模拟实验所需材料的制备及水源实现；

所述的数据采集和预警单元实现实验平台的数据采集、监控及安全报警。

2.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：所述的后配套系统包括模型制备及材料拌和单元(5)及水循环处理单元(9)；所述的模型制备及材料拌和单元(5)用于实验材料的制备及输送；所述的水循环处理单元(9)为水压及循环控制单元(1)提供净化水源。

3.根据权利要求2所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：水循环处理系统包括闭式冷却塔(30)、冷却水泵(31)、软水机(32)，原水箱(33)、软水箱(34)，原水箱(33)进水端与隧道防排水系统相联，出水端依次经过冷却水泵(31)、软水机(32)、冷却塔(30)后，输出软水至软水箱(34)进水端，软水箱(34)的出水端联接至水压及循环控制单元(1)。

4.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：多场景多目标模拟箱(4)包括箱体和设置在箱体内的隧道结构和围岩环境模型、隧道防排水单元；所述箱体的上部可移动模板(11)包裹有橡胶密封圈(10)，对箱体的上端开口进行密封，并在加载装置作用下上下移动；所述的隧道结构和围岩环境模型包括隧道的本体、衬砌、初期支护和仰拱实验模型。

5.根据权利要求4所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：隧道防排水单元包括位于承载平台(8)上部的环向排水管(19)和位于承载平台(8)下部的横向排水管(20)、纵向排水管(21)及中央排水沟(22)，环向排水管(19)环绕隧道衬砌并与横向排水管(20)连通，纵向排水管(21)沿隧道本体纵深布置；水压及循环控制单元(1)排出的水流汇聚到位于仰拱内中央位置的中央排水沟(22)。

6.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：加载装置(6)包括起吊设备和智能自动控制液压源系统，为多场景多目标模拟箱(4)提供外部荷载参数模拟实验；

承载平台(8)上部设有相互联接的前后反力梁(27)、侧梁(28)和顶梁(29)，起吊设备设置在顶梁(29)，起吊设备和智能自动控制液压源系统设置在顶梁(29)下方；所述的智能自动控制液压源系统包括液压泵(23)、液压缸(24)、作动器(25)及液压比例阀(26)，液压泵通过液压比例阀(26)与作动器(25)相联，作动器(25)施加载荷在隧道结构和围岩环境模型上。

7.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：水压及循环控制单元包括增压设备和水泵组成，增压设备一侧与水泵相连，另一侧连接多场景多目标模拟箱；水压及循环控制单元(1)为多场景多目标模拟箱(4)提供水环境参数的模拟实验。

8.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：多场景智能温控单元包括空气压缩机、风机、电加热及水冷直膨制冷机组，为多场景多目标模拟箱(4)提供温度环境参数模拟实验；所述的空气压缩机经管道连接风机并可将空气吹入电加热及水冷直膨制冷机组，加热或制冷机组由管道连接多目标模拟箱。

9.根据权利要求1所述的多场耦合作用下隧道性能综合实验平台，其特征在于：数据采集和预警单元包括摄像头、自控单元和潜望镜型观察窗(35)。

10.利用权利要求1至9任意之一多场耦合作用下隧道性能综合实验平台开展的实验方法，其特征在于：

【1】复杂水环境下隧道性能模拟，包括以下步骤：

【1.1】多场景控制单元下达水压控制命令，使水压及循环控制单元开始工作；

【1.2】水泵按平台下达的需水量抽取水源后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，通过喷头将水作用在隧道模型，实现富水环境的模拟；

【1.3】水泵抽取的水源先由增压设备控制水压，然后通过输水管道将水流输送至多场景多目标模拟箱，同时控制加载设备向下加载，使得密闭的多场景多目标模拟箱的上部模板向下移动，压缩注水后的模拟箱的容积，实现高水压的模拟；

【1.4】向多场景多目标模拟箱注入制定水压的水源后，压缩模拟箱的容积进一步增大水压，实现过江海隧道所处水环境的模拟；

【1.5】配置Ca(HCO₃)₂溶液加入水中，经水压与循环控制系统输入多场景多目标模拟箱后下渗到排水系统，使得碳酸钙结晶从水中析出，附着在排水管道内壁慢慢生长，最终形成碳酸钙垢，实现隧道防排水结晶模拟；

【2】高寒地区、富水环境、高地温、高地应力下多场耦合作用下隧道致灾机制及性能模拟，包括以下步骤：

【2.1】多场景控制单元下达水压、温度及加载控制命令，使水压及循环控制单元、多场景智能温控单元和加载装置开始工作；

【2.2】水泵按需抽取水源后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，通过喷头将水作用在隧道模型，多场景智能温控单元制冷至所需温度，并将制冷空气输送至模拟箱，实现高寒地区隧道冻害的模拟；

【2.3】多场景智能温控单元制冷至所需温度，并将制冷空气输送至模拟箱；同时液压泵开始运转，加载液压油至液压缸，液压油经液压比例阀输送给作动器，加载压力至隧道结构和围岩环境模型，实现寒冷地区高地应力隧道的模拟；

【3】岩溶隧道涌水突泥机理分析及公路隧道水环境地质灾害探测与预警，包括以下步骤：

【3.1】由模型制备及材料拌和单元制定围岩相似材料，将相似材料均匀搅拌后填入多场景多目标模拟箱内；

【3.2】将位移计、微型渗压计按照监测方案埋入多场景多目标模拟箱的指定位置，并将连接线接入数据采集和预警单元；

【3.3】多场景控制单元控制水压及循环控制单元工作，水泵按需抽水后由输水管道向多场景多目标模拟箱注水，喷洒至围岩相似材料；

【3.4】按照指定工法开挖多场景多目标模拟箱内的围岩相似材料，按照规范采用钢筋网并喷射石膏进行支护，同时实时监测隧道涌水突泥过程；

【3.5】根据开挖过程中监测的应变、位移及渗流信息，对突水涌泥问题进行风险因素分析，评估预测隧道水环境地质灾害，并由数据采集和预警单元发出预警。

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