CN217820364U - 一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型申请属于地表变形的模型试验技术领域，具体公开了一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，包括使用管道连接的地下水循环系统、升降系统、缩尺模型系统和水渗流系统，水渗流系统位于缩尺模型系统内。本实用新型主要用于模拟地下水渗流情况下隧道施工诱发地表变形的模型试验，解决了现有技术中不能真实地模拟不同水头差作用下隧道所处地层地下水渗流情况的问题。

Description

一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置

技术领域

本实用新型属于地表变形的模型试验技术领域，具体公开了一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置。

背景技术

随着我国轨道交通建设的不断发展，地铁隧道成为了城市地下工程中的一种常见形式。当隧道在地下水含量丰富的地层中掘进时，地下水渗流与开挖扰动叠加作用，会诱发上覆地层发生变形。当隧道上方地层中存在既有地下管道时，地层变形导致既有管道周边土体与管道接触状态由密实变为松动，有可能造成既有管道破裂。管道破裂后，管道中的水渗入地层，又会加剧地层损失，最终诱发更加严重的地层变形甚至塌陷。目前已有较多学者对于上述问题进行研究，室内模型试验法是其中的一种重要研究方法。但是在有关隧道开挖诱发地层变形或者地表塌陷的研究中，许多基于模型试验的研究都忽略了地下水对地形变形的影响，这与实际工程情况不完全吻合，难以反映地下水渗流情况下隧道施工诱发地层变形的真实情况。

目前在有关隧道开挖诱发地层变形或者地表塌陷的研究中，部分学者对于研究装置的发明已有如下创新：

如中国专利公布号CN110835932A公开了一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，包括：框架、用于调节双线隧道的相对位置双线隧道位置调控单元、用于模拟双线隧道的两个隧道衬砌模型单元、用于模拟双线隧道开挖的两个隧道开挖施工模拟单元、用于模拟桩基的群桩模型单元以及用于调节第二铝板的铝板升降单元等。该发明能够实现多方位调节的双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响，还能模拟降雨条件下隧道穿越滑坡体施工对隧道及周围土体的影响，从而准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土体沉降以及深层土体位移的技术效果。

又如中国专利公布号CN109681219A公开了一种急弯曲隧道模型试验装置及方法，主要包括：沙箱，用于在内部填充模拟试验的土层，在土层表面铺设的若干沉降观测点；盾构机模拟装置，包括，不同曲率的外壳以及电机驱动系统；地表沉降监测系统，包括：激光位移传感器，以在盾构作业开挖过程中进行地表沉降数据监测、并获得土层沉降与急弯曲隧道曲率之间的对应关于、为后续现场施工提供指导。

上述试验装置均为针对隧道开挖诱发地层变形或地表塌陷的研究装置，由于试验装置未能模拟地下水渗流情况，因此该模型试验装置在进行模拟地下水渗流与隧道开挖诱发地层变形的研究时具有局限性。部分学者在进行其他隧道工程问题的模试验研究时会模拟地下水情况，这对模拟地下水环境的模型试验装置设计具有一定参考意义，目前已有如下创新：

如中国专利号CN 113203591 A公开了一种隧道模型实验装置，包括：模型箱、底部浸水增湿系统、双向加载系统和顶部加载系统。该发明通过水流或水蒸气分路转换控制组件向模型箱底部空腔内通入水蒸气以进行增湿试验。由于其能够较为全面地模拟隧道在自然地层中复杂多样的受力情况，并且考虑了地下水的影响，因此对于有关隧道模型试验的研究具有一定的参考价值。

又如中国专利号CN 109556903 A公开了一种盾构隧道纵向结构性状模型试验装置及其使用方法，模型包括：模型箱、模型隧道和地下水控制装置。该地下水控制装置位于模型箱内左侧，包括供水设备、第一管道、第二管道与第三管道，在每条管道上均设有进水阀门，通过控制各个阀门的开关来实现地下水位高度的模拟。所述模型箱内被注水后，通过在模型土上放置砝码模拟不同的局部荷载，然后通过对模型隧道的变形、土压力、孔隙水压力等进行采集。

以上专利存在如下几方面的问题：一方面，上述针对隧道开挖诱发地层变形的试验装置未能模拟地下水环境对上覆土体变形的影响，因此不能对地下水渗流与开挖扰动叠加作用下诱发上覆地层变形进行研究。同时上述试验装置也不能模拟当地层中存在既有地下管道时，由于地层变形引发的管道破裂，管道内的水渗出后加剧地层变形这一工况。另一方面，部分考虑了地下水对隧道模型影响的装置仅能模拟地下水渗流的情况，不能精确模拟不同水头差下地下水渗流对地表变形的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，以解决现有技术中不能真实地模拟不同水头差作用下隧道所处地层地下水渗流情况的问题。

为了达到上述目的，本实用新型的基础方案为：一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，包括使用管道连接的地下水循环系统、升降系统、缩尺模型系统和水渗流系统，水渗流系统位于缩尺模型系统内。

本基础方案的工作原理在于：

模型箱填筑完成后，根据预设的水头差调整升降水箱高度，模型箱两侧储水仓由于水位存在高度差可模拟真实情况的渗流场，多余水量流至回收水箱以循环使用。当地下管道模型内充满水后，保持模型试验系统处于稳定状态。随后模拟隧道开挖，并用相机拍摄地层变形。降低升降水箱至设定高度后，待升降水箱溢水口仅有少量水流出，且流量计数值呈现缓慢增长趋势，即可判定模型试验系统保持动态稳定。重复上述步骤。对试数据进行整理与分析即可得到不同工况下地下水渗流和隧道开挖诱发地表沉降变形的规律。

本基础方案的有益效果在于：

(1)该试验装置可以准确模拟不同水头差下，地下水渗流和隧道施工诱发的地层变形。模型箱内设有地下水渗流模拟系统，可以真实地模拟不同水头差作用下隧道所处地层地下水渗流情况。

(2)水循环系统可以最大程度的节约水资源，减少模型试验过程中的用水量。

进一步，水渗流系统包括隧道模型、地下管道模型、地下管道阀门，缩尺模型系统包括模型箱，模型箱内装填有围岩相似模拟材料，模型箱内设有工字梁、防水隔板、两个平行的透水过滤网，模型箱上设有进水口和储水仓溢水口，防水隔板位于防水隔板模型箱内靠近储水仓溢水口的一侧，防水隔板底端与储水仓溢水口的下部在同一高度，防水隔板与透水过滤网贴合，能使水流从隔板底部的透水过滤网流出，隧道模型、地下管道模型、地下管道阀门均位于两个透水过滤网之间，地下管道模型通过管道与地下管道阀门连接，两个平行的透水过滤网之间填充有有机玻璃板，模型箱的一侧设有相机。

进一步，升降系统包括升降水箱、固定支架、铁链和转动电机，升降水箱为顶部半开口的矩形箱体，固定支架的架身上设有刻度线，升降水箱底部设有输水口，输水口输水口通过软管与模型箱相连，升降水箱侧面下部设有入水口，入水口通过软管与水循环系统相连接，升降水箱侧面上部设有溢水口，溢水口通过软管与水循环系统连接，升降水箱正面与溢水口等高处刻有标记线，升降水箱通过软管与模型箱连接，升降水箱与模型箱之间的管道上设有流量计，升降水箱顶面与底面分别与铁链相连接，固定支架内部设有齿轮，齿轮与铁链相扣合，转动电机位于固定支架的下部，转动电机的输出轴与齿轮之间连接有转动杆。

进一步，水循环系统包括供水水箱和回收水箱，回收水箱位于储水仓溢水口的下方，供水水箱和回收水箱通过软管道连接，水水箱和回收水箱通过软管道上设有水泵、阀门，回收水箱和连接各个装置的软管,所述供水水箱在升降水箱的一侧设有输水口，供水水箱通过软管与升降水箱相连接，回收水箱的高度大于供水水箱的高度，确保模型箱中的水过滤后可通过回收软管流入供水水箱，实现水的重复利用。

附图说明

图1为本发明的整体装置正面立体示意图；

图2为本发明的整体装置后面立体示意图；

图3为本发明的正面示意图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明的PIV系统示意图；

图6为本发明所述模型箱的正面示意图；

图7为本发明所述升降水箱结构示意图；

图8为本发明所述地下管道模型结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：模型箱1、工字梁2、防水隔板3、透水过滤网4、进水口5、有机玻璃板6、隧道模型7、地下管道模型8、地下管道阀门9、储水仓溢水口10、升降水箱11、输水口111、入水口112、溢水口113、标记线114、固定支架12、铁链13、转动电机14、供水水箱15、水泵16、阀门17、流量计18、连接模型箱的软胶管19、连接溢水口的软胶管20、连接入水口的软胶管21、连接地下管道模型的软管22、回收水箱23、回收管道24、相机30。

实施例如图1-图8所示，一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，模型箱1为上端敞口的矩形箱体。矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，四个侧板均为不锈钢钢板，模型箱内装填有围岩相似模拟材料。此外模型箱内还加工有工字梁2、防水隔板3、透水过滤网4、进水口5、有机玻璃板6、隧道模型7、地下管道模型8、地下管道阀门9和储水仓溢水口10。

工字梁2设置在模型箱顶部，纵向平行设置两根，在其下方横向设置一根，充当地表加载时千斤顶的反力架。

防水隔板3与模型箱箱体所采用的材料相同，均为不锈钢材质。防水隔板3底端位于设定的低水位高度处且与透水过滤网紧密贴合，可使水流从隔板底部的透水过滤网流出。

透水过滤网4与第一侧板平行，选用不锈钢金属过滤网，确保能发挥过水、挡砂土与承受土压力的作用。

有机玻璃板6放置于第二侧板与第四侧板的侧版中部所开设的矩形空洞中，并在玻璃板中部均开设有与隧道模型相匹配的隧道轮廓孔。玻璃板板面上粘贴有PIV技术分析所用的标记点。

隧道模型7由预制的PVC管制成，放置于在有机玻璃板开设的与隧道模型相匹配的隧道轮廓孔中，隧道中安装有气囊用于模拟隧道开挖。

地下管道模型8由PVC管制成，管道后方利用软管与供水水箱相连，管道下方有预制的切口便于模拟地层变形时管道的开裂。

地下管道阀门9设于与地下管道模型相连的软管上，用于控制管道内水流量的大小。

储水仓溢水口10位于设定的下游水位高度处，其可使储水仓中多余的水能够流出以保证储水仓保持水位稳定。

升降系统包括升降水箱11、固定支架12、铁链13和转动电机14。升降水箱11为顶部半开口的矩形箱体。升降水箱底部开设有输水口111，通过软管19与模型箱相连，以实现升降水箱中的水流入模型箱。升降水箱侧面下部开设有入水口112，通过软管21与供水水箱15相连接，以实现供水水箱15中的水进入升降水箱11。升降水箱侧面上部设有溢水口113，通过软管20与供水水箱15连接，以实现经过升降水箱中的水循环使用，升降水箱正面与溢水口113等高处刻有标记线114，在进行模型试验时水位高度始终保持位于标记线处，可确保升降水箱在升降过程中的精确控制，从而准确模拟不同的水头差高度。升降水箱11顶面与底面分别与铁链13相连接。

固定支架12内部设有齿轮与铁链13相扣合，通过与转动电机14相连接的转动杆来带动齿轮转动，以此实现水箱的升降。

固定支架12的架身上设有刻度线，将升降水箱11正面的标记线114与刻度线对齐，即可测量当前模拟的水头差高度。

水循环系统包括供水水箱15、水泵16、阀门17、升降水箱11、流量计18、回收水箱23和连接各个装置的软管。供水水箱15在升降水箱11的一侧加工有输水口，通过软管21与升降水箱11相连接，在靠近供水水箱15的软管上部安装有水泵16与阀门17，通过水泵和阀门来控制使供水水箱15内的水进入升降水箱11。

升降水箱11与模型箱1通过软管19连接，软管上连接流量计18，用以测量流入模型箱内的水是否达到了稳定状态，当流量计读数均匀增长即可判定整个循环系统趋于稳定。

升降水箱与供水水箱间用软管20连接，模型箱1里流出的水过滤后可以回流到供水水箱，进行循环利用，避免造成水资源的浪费。

回收水箱23应高于供水水箱，确保模型箱中的水过滤后可通过回收软管24流入供水水箱15，实现水的重复利用。

相机30安置在模型箱1第二侧板一侧，相机与模型箱之间的距离由相机拍摄的分析区域清晰度来确定。

具体实施过程如下，使用模型试验装置进行试验时包括以下具体步骤：

(1)在模型箱内分层填筑围岩相似模拟材料并夯实，同时在模型箱第二侧板的有机玻璃板后分层铺设示踪粒子，示踪粒子在选择时应选择与围岩相似模拟材料的颜色存在明显差别的材料。填筑至设定的隧道底部高度时放入预制的隧道模型与地下管道模型，放置模型后继续分层填筑围岩相似模拟材料并夯实，当填筑至预设的孔隙水压力计与位移计位置时埋设相应的测量元件，直至填筑至设定的顶部高度时停止填筑；

(2)根据预设的水头差调整升降水箱高度，当升降水箱达到预定高度时，打开水泵与总阀门使水从供水水箱流至升降水箱，升降水箱中的水通过输水口流入模型箱左侧高水位储水仓内，同时流量计显示水流流量读数；

(3)模型箱两侧储水仓由于水位存在高度差，左侧高位储水仓中的水将流入右侧低位储水仓使模型箱内形成可模拟真实情况的渗流场，当右侧储水仓内水位高度到达溢水口高度时，多余水量将从溢水口流出至回收水箱。当回收水箱储水量达到最大时可通过回收管道输送至供水水箱，以此保持储水仓水位不变并形成水流在整个系统中的循环，以模拟地下水不间断渗流的情况；

(4)当升降水箱溢水口有水流出时，旋转总阀门使注水流速下降，等待流量计读数呈现均匀增长的趋势，此时打开地下管道阀门向地下管道模型内注水直至地下管道模型内充满水；

(5)待模型箱内地下水渗流稳定后，保持升降水箱与模型箱高水位储水仓水位持平，整个模型试验系统保持动态稳定状态；

(6)打开相机并调整其高度与焦距以便于清晰拍摄粘模型箱内土体在地下水渗流情况下的位移；在拍摄时在相机和模型箱之间设置照明灯，将相机上拍摄的数据传入到电脑进行分析；

(7)将隧道模型内气囊放气模拟隧道开挖，利用位移计测量由隧道开挖引起的地表沉降量，同时用相机拍摄隧道开挖影响区域内地层的变形；

(8)在隧道开挖和地下水渗流的影响下，地下管道周边地层发生位移。当地下管道由于土体沉降而引发预制切口破裂后，管道内水流渗出，增大了模型箱内地下水的渗流量，导致土体变形加剧，同时用相机拍摄这一工况下的地层变形情况。；

(9)缓慢降低升降水箱使水箱中溢出的水从溢水口流出至供水水箱，由于升降水箱与模型箱之间构成连通器结构，升降水箱与模型箱内水面受到大气压强的作用后始终保持相平齐，所以模型箱内的水将回流到升降水箱中再由升降水箱内溢水口流入供水水箱，模型箱内部的水经由具有过滤作用的不锈钢透水过滤网而最终回流至供水水箱，供水水箱内部的水将始终保持清澈，因此供水水箱内所储存的水可实现循环利用；

(10)将升降水箱与溢水口等高的标记线降至设定高度，静置一段时间，待升降水箱溢水口仅有少量水流出，且流量计数值呈现缓慢增长趋势，即可判定模型试验系统保持动态稳定；

(11)利用位移计测量地下水位下降后引起的地表沉降量，同时相机拍摄隧道开挖诱发地层变形的区域；

(12)重复上述步骤(9)-(11)，此过程中相机始终连续拍摄此过程中模型箱内示踪粒子的位移情况；

(13)使用PIV技术处理试验过程中拍摄的图片，可得到地下水渗流和隧道开挖诱发地表沉降变形的云图；

(14)分析整理得到的数据和云图，分析不同工况下地下水渗流和隧道开挖诱发地表沉降变形的规律。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。

Claims (4)

1.一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，其特征在于，包括使用管道连接的地下水循环系统、升降系统、缩尺模型系统和水渗流系统，水渗流系统位于缩尺模型系统内。

2.根据权利要求1所述的一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，其特征在于，水渗流系统包括隧道模型、地下管道模型、地下管道阀门，缩尺模型系统包括模型箱，模型箱内装填有围岩相似模拟材料，模型箱内设有工字梁、防水隔板、两个平行的透水过滤网，模型箱上设有进水口和储水仓溢水口，防水隔板位于防水隔板模型箱内靠近储水仓溢水口的一侧，防水隔板底端与储水仓溢水口的下部在同一高度，防水隔板与透水过滤网贴合，能使水流从隔板底部的透水过滤网流出，隧道模型、地下管道模型、地下管道阀门均位于两个透水过滤网之间，地下管道模型通过管道与地下管道阀门连接，两个平行的透水过滤网之间填充有有机玻璃板，模型箱的一侧设有相机。

3.根据权利要求2所述的一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，其特征在于，升降系统包括升降水箱、固定支架、铁链和转动电机，升降水箱为顶部半开口的矩形箱体，固定支架的架身上设有刻度线，升降水箱底部设有输水口，输水口输水口通过软管与模型箱相连，升降水箱侧面下部设有入水口，入水口通过软管与水循环系统相连接，升降水箱侧面上部设有溢水口，溢水口通过软管与水循环系统连接，升降水箱正面与溢水口等高处刻有标记线，升降水箱通过软管与模型箱连接，升降水箱与模型箱之间的管道上设有流量计，升降水箱顶面与底面分别与铁链相连接，固定支架内部设有齿轮，齿轮与铁链相扣合，转动电机位于固定支架的下部，转动电机的输出轴与齿轮之间连接有转动杆。

4.根据权利要求3所述的一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置，其特征在于，水循环系统包括供水水箱和回收水箱，回收水箱位于储水仓溢水口的下方，供水水箱和回收水箱通过软管道连接，水水箱和回收水箱通过软管道上设有水泵、阀门，回收水箱和连接各个装置的软管,所述供水水箱在升降水箱的一侧设有输水口，供水水箱通过软管与升降水箱相连接，回收水箱的高度大于供水水箱的高度，确保模型箱中的水过滤后可通过回收软管流入供水水箱，实现水的重复利用。

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