CN116256219B - 一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隧道淹没‑抽排水过程模拟加载装置及试验方法，包括模型箱，模型箱外设置有加载系统，模型箱内设置有隧道模型；加载系统、模型箱和隧道模型分别与水箱连通；加载系统包括第一加载板和两个第二加载板，第一加载板内设置有降雨组件，降雨组件与水箱连通；模型箱内填充有模拟围岩，模拟围岩内设置有若干岩溶管道，岩溶管道的顶端伸出模拟围岩并与降雨组件连通，岩溶管道的底端与隧道模型连通；隧道模型内与水箱之间设置有排水组件。本发明能够实现隧道淹没‑抽排水全过程模拟，同时对抽排水速率进行精确控制，还可同时考虑降雨条件与隧道所处真实地应力，进而对隧道结构在淹没‑抽排水过程中的受力机制与变形破坏模型进行研究。

Description

一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置及试验方法

技术领域

本发明属于隧道模型试验技术领域，尤其涉及一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置及试验方法。

背景技术

富水岩溶隧道工程是我国交通路网建设中常见的地貌，由于地质条件的复杂性，地质勘查范围以及勘测技术的局限性等，隧道纵向地质条件难以完全准确掌握，隧道施工过程中难免揭露地下暗河、溶腔溶洞、断层破碎带以及贯通管道等。而雨季施工过程中，容易引发涌水淹没事故，造成施工中断，危害施工人员的人身安全，严重影响隧道施工进度。隧道后期抽排水过程中，隧道衬砌结构发生了局部掉块、裂缝、整体式垮落等不同形态的结构破坏模式，造成了严重的经济损失，同时也产生了不良的社会影响。

为此，亟需对隧道涌水-淹没事故发生后，隧道结构的受力机制与变形破坏模式，以及隧道抽排水过程中结构特性开展相关研究，进而指导当前工程施工或为未来类似工程提供参考或借鉴。

物理模型试验作为富水岩溶隧道相关问题研究的主要技术手段之一，但是目前公开的技术中均未公开隧道淹没-抽排水全过程的物理模型试验装置及相应方法，也未公开抽排水速率精确控制装置，同时未对降雨条件与隧道所处真实地应力同时模拟。

因此，亟需设计一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置及试验方法来解决上述的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，包括模型箱，所述模型箱外设置有加载系统，所述模型箱内设置有隧道模型；所述加载系统、所述模型箱和所述隧道模型分别与水箱连通；

所述加载系统包括第一加载板和两个第二加载板，两所述第二加载板对称抵接在所述模型箱的两侧，所述第一加载板抵接在所述模型箱的顶端，所述第一加载板内设置有降雨组件，所述降雨组件与所述水箱连通；

所述模型箱内填充有模拟围岩，所述模拟围岩内设置有若干岩溶管道，所述岩溶管道的顶端伸出所述模拟围岩并与所述降雨组件连通，所述岩溶管道的底端与所述隧道模型连通；

所述隧道模型内与所述水箱之间设置有排水组件。

优选的，所述模型箱包括若干模型侧板和模型顶板，若干所述模型侧板首尾粘合固接成方框，所述模型顶板分别与若干所述模型侧板的上下端面粘合固接；所述第一加载板与顶部的所述模型顶板抵接，两所述第二加载板对称抵接在两对称设置的模型侧板上；与所述隧道模型走向垂直的两所述模型侧板透明设置。

优选的，所述降雨组件包括嵌设在所述第一加载板内的布水管，所述布水管的一端伸出所述第一加载板，所述布水管位于所述第一加载板内的一端与开设在所述第一加载板内的若干降雨孔连通，若干所述降雨孔的底端贯穿所述第一加载板的底端并与所述岩溶管道连通；所述布水管与所述水箱之间固接并连通有降雨管，所述降雨管上固定安装有第一水泵，所述降雨管上设置有第一压力表和第一流量计。

优选的，所述排水组件包括设置在所述隧道模型内的若干排水口，所述排水口固接并连通有排水管，所述排水管能伸出所述隧道模型并与所述水箱连通；所述排水管上设置有第二水泵，所述排水管上设置有第二压力表和第二流量计。

优选的，所述隧道模型的一端与任一透明的所述模型侧板抵接，所述隧道模型的另一端设置有防突层，所述岩溶管道与所述防突层远离所述隧道模型的一端抵接。

优选的，与所述第二加载板抵接的所述模型侧板上贯穿开设有若干进水孔，所述进水孔固接并连通有进水管，所述进水管与所述水箱固接并连通；所述进水管上设置有第三水泵、第三压力表和第三流量计。

一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，包括以下步骤：

S1、组装试验装置；选择隧道模型并安装在模型箱内，然后将第一加载板和第二加载板分别抵接在模型箱上，最后分别将隧道模型、降雨组件和模型箱与水箱连通；

S2、布置测量装置；测量隧道模型结构的应变和应力数据；

S3、模拟地下水；向模拟箱内注入水来模拟地下水；

S4、模拟降雨与双向加载，不模拟排水；启动降雨组件和加载系统，观测对模拟隧道的影响；

S5、模拟降雨与双向加载，同时模拟排水；同时启动降雨组件和加载系统，同时启动排水组件，观测对模拟隧道的影响；

S6、整理试验数据；分别整理步骤S4和步骤S5的试验数据；

S7、清理试验装置。

优选的，S2中，隧道模型的表面布置光线传感器，同时利用数码相机与模拟隧道对应，拍摄模拟隧道的变形。

优选的，S4包括：

S4.1、注入模拟地下水；

S4.2、关闭排水组件；

S4.3、启动加载系统和降雨组件；

S4.4、记录试验数据。

优选的，S5包括：

S5.1、注入模拟地下水；

S5.2、启动排水组件；

S5.3、启动加载系统和降雨组件；

S5.4、记录试验数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明在模型箱内设置模拟围岩，模拟围岩内设置有模拟隧道，通过加载系统对模型箱进行加载，同时第一加载板内设置有降雨组件，使得降雨模拟同时还可以实现地应力加载，更加符合工程实际情况；岩溶管道模拟地下裂隙在雨水作用下将雨水渗入隧道内的过程，结合排水组件可模拟隧道掌子面淹没-抽排水全过程中，隧道结构的受力特征以及围岩变形规律。

本发明能够实现隧道淹没-抽排水全过程模拟，同时对抽排水速率进行精确控制，还可同时考虑降雨条件与隧道所处真实地应力，进而对隧道结构在淹没-抽排水过程中的受力机制与变形破坏模型进行研究。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图3为本发明降雨孔布置图；

图中：1、模型箱；2、隧道模型；3、水箱；4、第一加载板；5、第二加载板；6、模拟围岩；7、岩溶管道；8、模型侧板；9、模型顶板；10、布水管；11、降雨孔；12、降雨管；13、第一水泵；14、第一压力表；15、第一流量计；16、排水口；17、排水管；18、第二水泵；19、第二压力表；20、第二流量计；21、防突层；22、进水孔；23、进水管；24、第三水泵；25、第三压力表；26、第三流量计；27、光线传感器；28、数码相机；29、底座。

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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3所示，本实施例提供一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，包括模型箱1，模型箱1外设置有加载系统，模型箱1内设置有隧道模型2；加载系统、模型箱1和隧道模型2分别与水箱3连通；

加载系统包括第一加载板4和两个第二加载板5，两第二加载板5对称抵接在模型箱1的两侧，第一加载板4抵接在模型箱1的顶端，第一加载板4内设置有降雨组件，降雨组件与水箱3连通；

模型箱1内填充有模拟围岩6，模拟围岩6内设置有若干岩溶管道7，岩溶管道7的顶端伸出模拟围岩6并与降雨组件连通，岩溶管道7的底端与隧道模型2连通；

隧道模型2内与水箱3之间设置有排水组件。

本发明在模型箱1内设置模拟围岩6，模拟围岩6内设置有模拟隧道，通过加载系统对模型箱1进行加载，同时第一加载板4内设置有降雨组件，使得降雨模拟同时还可以实现地应力加载，更加符合工程实际情况；岩溶管道7模拟地下裂隙在雨水作用下将雨水渗入隧道内的过程，结合排水组件可模拟隧道掌子面淹没-抽排水全过程中，隧道结构的受力特征以及围岩变形规律。

进一步优化方案，模型箱1包括若干模型侧板8和模型顶板9，若干模型侧板8首尾粘合固接成方框，模型顶板9分别与若干模型侧板8的上下端面粘合固接；第一加载板4与顶部的模型顶板9抵接，两第二加载板5对称抵接在两对称设置的模型侧板8上；与隧道模型2走向垂直的两模型侧板8透明设置。本实施例中，模型侧板8共有四块，模型顶板9设置两块，围成立方体；第一加载板4抵接在模拟顶板上，进行纵向的加载，同时两侧的两个第二加载板5从两侧进行加载，模拟地应力；前侧的模拟侧板使用钢化玻璃或者亚克力等高强度的透明材料制作，模拟隧道的一端抵在前侧的模拟侧板上，方便进行观察。

进一步优化方案，降雨组件包括嵌设在第一加载板4内的布水管10，布水管10的一端伸出第一加载板4，布水管10位于第一加载板4内的一端与开设在第一加载板4内的若干降雨孔11连通，若干降雨孔11的底端贯穿第一加载板4的底端并与岩溶管道7连通；布水管10与水箱3之间固接并连通有降雨管12，降雨管12上固定安装有第一水泵13，降雨管12上设置有第一压力表14和第一流量计15。第一水泵13将水箱3内的水通过降雨管12泵入布水管10内，布水管10的水从降雨孔11落到模拟顶板上，从而模拟降雨；第一压力表14和第一流量计15可测量模拟降雨的压力和降雨量。

进一步优化方案，排水组件包括设置在隧道模型2内的若干排水口16，排水口16固接并连通有排水管17，排水管17能伸出隧道模型2并与水箱3连通；排水管17上设置有第二水泵18，排水管17上设置有第二压力表19和第二流量计20。进入模拟隧道内的水从排水口16进入排水管17，方便排水；第二水泵18提供排水的动力，同时可控制排水的速度效率；第二压力表19和第二流量计20可显示排水压力和排水流量。

进一步优化方案，隧道模型2的一端与任一透明的模型侧板8抵接，隧道模型2的另一端设置有防突层21，岩溶管道7与防突层21远离隧道模型2的一端抵接。岩溶管道7抵接在防突层21上，在降雨时，雨水和地下水进入岩溶管道7，压力大于防突层21的阻力时，水涌入模拟隧道内，模拟进水淹没隧道的情况。

进一步优化方案，与第二加载板5抵接的模型侧板8上贯穿开设有若干进水孔22，进水孔22固接并连通有进水管23，进水管23与水箱3固接并连通；进水管23上设置有第三水泵24、第三压力表25和第三流量计26。第三水泵24将水箱3的水从进水管23和进水孔22泵入模型箱1内的模拟围岩6内，模拟苏在地的地下水的情况。

一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，包括以下步骤：

S1、组装试验装置；选择隧道模型2并安装在模型箱1内，然后将第一加载板4和第二加载板5分别抵接在模型箱1上，最后分别将隧道模型2、降雨组件和模型箱1与水箱3连通；根据工程实例或科学问题，选择物理相似模型试验的相似比；根据相似比，确定隧道模型2尺寸，为了最大程度降低模型边界效应对试验结果的影响，隧道左右两侧以及顶部模型取3倍隧道宽度，底部模型取1.5倍隧道宽度；根据隧道模型2尺寸并制备隧道结构模型，同时在隧道模型2外表面布置光线传感器27来获取隧道结构应变或应力数据；将隧道模型2放入模型箱1内，使模型箱1的一端抵住透明的模型侧板8，据相似材料配比配置围岩材料，并从模型箱1底部开始分层铺设，每层厚度不能超过20.0cm，铺设后分层夯实；当模型箱1内部围岩材料铺设到隧道预设拱底位置时，放置并固定隧道结构模型，并保证光线传感器27未破坏或位置偏移；最后在模型侧板8外表面与隧道模型2内表面增设橡胶圈以及防漏胶水来保证其密封性；同时将进水管23、排水管17和降雨管12连接到适当的位置，关闭各个水管上的开关；

S2、布置测量装置；测量隧道模型2结构的应变和应力数据；在模拟隧道前固定放置数码相机28，使数码相机28的镜头对准模拟隧道，并设置拍摄间隔；

S3、模拟地下水；向模拟箱内注入水来模拟地下水；打开进水管23上的开关和第三水泵24，通过进水孔22向模型箱1内部注水来模拟隧址区的地下水情况，当地下水水位达到预设位置时，关闭第三水泵24及进水管23上的开关；

S4、模拟降雨与双向加载，不模拟排水；启动降雨组件和加载系统，观测对模拟隧道的影响；打开第一水泵13，同时设定进水压力和进水流量，但保持降雨管12上的开关关闭；设定加载系统的参数启动加载，然后开启降雨管12上的开关，模拟降雨和地应力的耦合；观察模拟隧道的变形情况，整个试验过程中，要始终保证数码相机28保持开启状态，并位置固定不变，拍摄光线传感器27的位置偏移；试验完毕后，关闭电源，关停第一水泵13和降雨管12上的开关；

S5、模拟降雨与双向加载，同时模拟排水；同时启动降雨组件和加载系统，同时启动排水组件，观测对模拟隧道的影响；打开第一水泵13，同时设定进水压力和进水流量，但保持降雨管12上的开关关闭；设定加载系统的参数启动加载，然后开启降雨管12上的开关，模拟降雨和地应力的耦合；模型持续双轴加载，降雨持续进行，当岩溶管道7内部的水量或水压超过防突面所能承受的最大压力时，掌子面即发生突涌水，降雨持续进行，突涌水事故逐渐发展为隧道淹没；由于隧道出口被透明的模型侧板8封堵，故可以保证地下水存储到隧道内部，进而探究隧道在淹没后，结构的变形受力特征以及典型破坏模式；当模型隧道淹没后，打开与排水孔连接的排水管17上的开关，启动第二水泵18，可以模拟模型隧道抽排水过程，根据排水孔打开的数量多少可以来模拟不同排水速率下隧道结构的变形受力特征；观察模拟隧道的变形情况，整个试验过程中，要始终保证数码相机28保持开启状态，并位置固定不变，拍摄光线传感器27的位置偏移；试验完毕后，关闭电源，关停第一水泵13和第二水泵18，同时关闭降雨管12和排水管17上的开关；

S6、整理试验数据；分别整理步骤S4和步骤S5的试验数据；整理数码相机28拍摄的照片，观察和记录模拟隧道的变形情况；

S7、清理试验装置；清理模拟隧道2内部残余水以及水箱3内部的生活用水，清理相似材料，清洁实验室卫生，试验结束。

进一步优化方案，S2中，隧道模型2的表面布置光线传感器27，同时利用数码相机28与模拟隧道对应，拍摄模拟隧道的变形。当采用位移光线传感器27时，需要在隧道模型2内外表面均布置传感器，然后采用下面的公式来获取隧道结构轴力和弯矩值；

其中，N和M分别代表隧道模型2的轴力与弯矩，E代表弹模，ε_内与ε_外分别代表隧道模型2内表面与外表面的应变，b代表隧道模型2的长度，一般取单位长度，h代隧道模型2的表宽度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，其特征在于：包括模型箱（1），所述模型箱（1）外设置有加载系统，所述模型箱（1）内设置有隧道模型（2）；所述加载系统、所述模型箱（1）和所述隧道模型（2）分别与水箱（3）连通；

所述加载系统包括第一加载板（4）和两个第二加载板（5），两所述第二加载板（5）对称抵接在所述模型箱（1）的两侧，所述第一加载板（4）抵接在所述模型箱（1）的顶端，所述第一加载板（4）内设置有降雨组件，所述降雨组件与所述水箱（3）连通；

所述模型箱（1）内填充有模拟围岩（6），所述模拟围岩（6）内设置有若干岩溶管道（7），所述岩溶管道（7）的顶端伸出所述模拟围岩（6）并与所述降雨组件连通，所述岩溶管道（7）的底端与所述隧道模型（2）连通；

所述隧道模型（2）内与所述水箱（3）之间设置有排水组件；

所述模型箱（1）包括若干模型侧板（8）和模型顶板（9），若干所述模型侧板（8）首尾粘合固接成方框，所述模型顶板（9）分别与若干所述模型侧板（8）的上下端面粘合固接；所述第一加载板（4）与顶部的所述模型顶板（9）抵接，两所述第二加载板（5）对称抵接在两对称设置的模型侧板（8）上；与所述隧道模型（2）走向垂直的两所述模型侧板（8）透明设置；

所述隧道模型（2）的一端与任一透明的所述模型侧板（8）抵接，所述隧道模型（2）的另一端设置有防突层（21），所述岩溶管道（7）与所述防突层（21）远离所述隧道模型（2）的一端抵接；

所述降雨组件包括嵌设在所述第一加载板（4）内的布水管（10），所述布水管（10）的一端伸出所述第一加载板（4），所述布水管（10）位于所述第一加载板（4）内的一端与开设在所述第一加载板（4）内的若干降雨孔（11）连通，若干所述降雨孔（11）的底端贯穿所述第一加载板（4）的底端并与所述岩溶管道（7）连通；所述布水管（10）与所述水箱（3）之间固接并连通有降雨管（12），所述降雨管（12）上固定安装有第一水泵（13），所述降雨管（12）上设置有第一压力表（14）和第一流量计（15）。

2.根据权利要求1所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，其特征在于：所述排水组件包括设置在所述隧道模型（2）内的若干排水口（16），所述排水口（16）固接并连通有排水管（17），所述排水管（17）能伸出所述隧道模型（2）并与所述水箱（3）连通；所述排水管（17）上设置有第二水泵（18），所述排水管（17）上设置有第二压力表（19）和第二流量计（20）。

3.根据权利要求1所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，其特征在于：与所述第二加载板（5）抵接的所述模型侧板（8）上贯穿开设有若干进水孔（22），所述进水孔（22）固接并连通有进水管（23），所述进水管（23）与所述水箱（3）固接并连通；所述进水管（23）上设置有第三水泵（24）、第三压力表（25）和第三流量计（26）。

4.一种隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，根据权利要求1-3任意一项所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装试验装置；选择隧道模型（2）并安装在模型箱（1）内，然后将第一加载板（4）和第二加载板（5）分别抵接在模型箱（1）上，最后分别将隧道模型（2）、降雨组件和模型箱（1）与水箱（3）连通；

S2、布置测量装置；测量隧道模型（2）结构的应变和应力数据；

S3、模拟地下水；向模拟箱内注入水来模拟地下水；

S4、模拟降雨与双向加载，不模拟排水；启动降雨组件和加载系统，观测对模拟隧道的影响；

S5、模拟降雨与双向加载，同时模拟排水；同时启动降雨组件和加载系统，同时启动排水组件，观测对模拟隧道的影响；

S6、整理试验数据；分别整理步骤S4和步骤S5的试验数据；

S7、清理试验装置。

5.根据权利要求4所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，其特征在于：S2中，隧道模型（2）的表面布置光线传感器（27），同时利用数码相机（28）与模拟隧道对应，拍摄模拟隧道的变形。

6.根据权利要求4所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，其特征在于：S4包括：

S4.1、注入模拟地下水；

S4.2、关闭排水组件；

S4.3、启动加载系统和降雨组件；

S4.4、记录试验数据。

7.根据权利要求4所述的隧道淹没-抽排水过程模拟加载试验方法，其特征在于：S5包括：

S5.1、注入模拟地下水；

S5.2、启动排水组件；

S5.3、启动加载系统和降雨组件；

S5.4、记录试验数据。