WO2022088454A1 - 模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统及方法 - Google Patents

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WO2022088454A1
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test
seepage
water
box
pressure
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PCT/CN2020/138899
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李术才
薛翊国
李志强
公惠民
周炳桦
马啸寅
孔凡猛
傅康
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山东大学
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/40—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for geology

Definitions

  • the invention relates to the field of geotechnical engineering, in particular to a test system and method for simulating changes in tunnel excavation seepage under complex geological conditions.
  • geological exploration work in the early stage of construction is difficult to find out the hydrogeological conditions along the tunnel, resulting in many geological disasters during the tunnel construction, such as rock bursts, landslides, gas outbursts, water and mud inrush, etc.
  • geological disasters during the tunnel construction such as rock bursts, landslides, gas outbursts, water and mud inrush, etc.
  • water and mud inrush disaster is one of the main geological disasters in tunnel construction.
  • a test system for simulating seepage changes in tunnel excavation under complex geological conditions including a test box, a ground stress loading unit is set on the top of the test box, test materials can be set inside the test box, and holes are set on each side of the circumference of the test box, some of which are used for In the simulation of tunnel excavation, some holes are set with plugs or hollow plugs, which can simulate different geological water-bearing structures.
  • a water tank is set on the side of the test box, and the test box is set with a water inlet connected to the water tank; hollow plugs and the water adding tanks are respectively connected with the osmotic pressure loading unit.
  • the top cover of the test box is installed on the top of the box.
  • the top cover of the test box has a circular through hole, and non-through bolt holes are set around the circular through hole in the top cover of the test box to fix the ground stress loading unit.
  • the bottom of the box is installed Removable baffle. The setting of the detachable baffle is conducive to cleaning materials after the test is completed.
  • the top cover of the test chamber and the detachable baffle are both sealed and connected to the box body, which can be sealed by bolts.
  • the box is provided with a plurality of sensor holes for the extraction of a plurality of sensor wires set in the test material in the test box, and the sensor wires pass through in turn
  • the sensor hole, annular rubber gasket, and hollow screw are led out of the test box.
  • the in-situ stress loading unit includes a jack, the jack is fixed on the top of the test box, and the top of the jack is provided with a displacement meter, and the displacement meter is used for monitoring
  • the displacement of the jack during the in-situ stress loading process can indirectly reflect the vertical deformation of the test material in the box during the application of the in-situ stress.
  • the pressure plate is set on the top of the test material in the test box, the pressure plate is set under the top cover of the test box, and the loading end of the jack passes through the test
  • the top cover of the box is in contact with the pressure plate, and a plurality of hemispherical bearing structures are arranged on the upper surface of the pressure plate.
  • the hydraulic loading device includes a water storage tank and an air tank, the air tank is connected to the water storage tank, and the water storage tank is connected to the described water storage tank through a water outlet pipeline.
  • the hollow plug and/or the described water tank are respectively connected;
  • Multi-layer osmotic pressure sensors are embedded along the different heights of the test chamber specimens according to the test requirements to monitor the seepage pressure at different positions, and multi-layer pressure sensors are embedded along the different heights of the test chamber specimens according to the test requirements to monitor the in-situ stress at different positions.
  • the control unit is also separately connected with the ground stress loading unit and the osmotic pressure loading unit.
  • the present invention also provides a test method for a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage flow under complex geological conditions, including the following contents:
  • holes are set on the side of the test box to realize multi-angle excavation of the tunnel, and with the hollow plug, the simulation of single or multiple geological water-bearing structures (karst caves) can be realized; by changing the excavation method and the geological water-bearing structure
  • the location and burial depth of the structure can simulate the influence laws of tunnel excavation and different spatial locations of geological water-bearing structures.
  • the setting of the detachable baffle plate can facilitate the cleaning of the test materials in the test chamber after the test is completed, and the setting of the top cover of the test chamber can facilitate the ground stress loading unit to apply the ground stress to the test chamber.
  • the present invention sets a plurality of sensor holes through the box body, and cooperates with hollow screws and annular rubber sheets to realize the sealing of various types of sensors when entering and leaving the box body.
  • the sealing of the sensor wire through the box can be achieved by squeezing the annular rubber gasket during the screwing process of the hollow screw.
  • the present invention can not only block the holes of the test box, but also communicate with the osmotic pressure loading unit by setting the hollow plug, so as to supply water to the test material in the box, and realize the simulation of various forms of water-containing structures.
  • water inlet holes are arranged on three sides of the box through the setting of the water tank, so that the groundwater can be uniformly loaded and a seepage field consistent with the actual deep geological conditions can be formed.
  • the present invention adjusts the connection mode of the water outlet pipelines between the hydraulic loading devices through the arrangement of multiple groups of hydraulic loading devices, which can not only realize the independent loading of each side of the test box, but also realize the simultaneous loading of multiple sides.
  • FIG. 2 is a schematic diagram 1 of a test chamber in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage flow under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • Fig. 6(a) is a schematic diagram of a box in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage flow under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a plug in a test system for simulating changes in seepage flow in tunnel excavation under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a hollow screw in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an in-situ stress loading unit in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a data acquisition unit in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage flow under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • FIG. 14( a ) is a schematic diagram of a box in a simulation implementation in a test system for simulating changes in tunnel excavation seepage flow under complex geological conditions according to one or more embodiments of the present invention.
  • Fig. 14(b) is a schematic diagram of the arrangement of section a of Fig. 14(a).
  • Terminology explanation part the terms "installation”, “connection”, “connection”, “fixation” and other terms in the present invention should be understood in a broad sense, for example, it may be a fixed connection, a detachable connection, or an integrated; It can be a mechanical connection, it can also be an electrical connection, it can be a direct connection, it can also be indirectly connected through an intermediate medium, it can be an internal connection between two elements, or an interaction relationship between two elements, for those of ordinary skill in the art. , the specific meanings of the above terms in the present invention can be understood according to specific situations.
  • a test system for simulating seepage changes in tunnel excavation under complex geological conditions includes a test box 1 , an in-situ stress loading unit 2 , a seepage loading unit 3 , and data Collection unit 4.
  • the test box includes a box body, and the top of the box body is provided with a test box top cover, wherein the test box 1 is placed on the base 10, and the base 10 is equipped with a movable ladder, which is convenient for the experimenter to operate and pass the test after the test.
  • the detachable baffle 6 is arranged at the bottom of the test box. After the test, the test material is removed downward by opening the detachable baffle 6.
  • a circular top cover hole 14 is arranged in the middle of the top cover 5 of the test box, and evenly arranged non-through bolt holes 11 are arranged around the top cover hole, and the non-through bolt holes 11 are used for the ground stress loading unit. 2 is fixed with the test box top cover 5 bolts. After the test box top cover 5 is connected with the box body, the reaction force frame of the test system can be formed. The through-bolt holes 12 evenly arranged around the test box top cover are used.
  • a rubber groove 13 is provided around the top cover of the test box on the inner side of the through bolt hole 12. The rubber groove can be provided with a sealing strip. The sealing strip is a rubber ring.
  • the test chamber top cover 5 can be sealed by providing a squeeze through the bolts.
  • the detachable baffle 6 in the test box uses the hinge structure 15 to control the opening and closing of the cave door, which is convenient for cleaning and slag of the test material after the test is completed.
  • the detachable baffle 6 has the top of the test box.
  • the same rubber groove and through bolt holes of the cover 5 are also fixed to the box body 7 by bolts, and a sealing strip is provided through the rubber groove to seal the test box.
  • FIG. 6(a) and 6(b) there are circular holes in the center of the four sides of the box, specifically the box hole 18, which can realize multi-angle excavation of the tunnel, and cooperate with plugs. 8 and the hollow plug 9, which can realize the simulation of single or multiple geological water-bearing structures (karst caves).
  • the front box holes are used as tunnel excavation holes, and the box holes 18 on both sides are blocked with plugs 8, and the back
  • the hole in the box is connected to the hollow plug 9 to simulate a water-containing structure.
  • the plug 8 is a conventional plug, and a sealing ring is arranged between the plug 8 and the box to form a structure similar to a mechanical flange.
  • the extrusion can effectively block the hole in the box where the plug is located.
  • bolt holes that do not penetrate the box body are annularly arranged around the box body hole 18 in the center of the four sides of the box body, and the plug 8 and the hollow plug 9 are fixed on the box body 7 by bolts, so as to realize the sealing of the box body 7 .
  • an annular rubber is arranged between the two, and the four box holes 18 are sealed by extrusion.
  • a row of sensor holes 19 is drilled in the upper part of the box body 7, the rubber gasket is arranged on the outside of the sensor hole, the center of the rubber gasket is provided with an opening, and one end of the hollow screw is connected with the sensor hole with the rubber gasket, so that the sensor lines are arranged in sequence Passing through the sensor hole 19 , the rubber gasket and the hollow screw 24 , screwing the hollow screw on the box body and squeezing the rubber gasket can realize the sealing of the sensor line passing through the box body 7 .
  • the rectangular water tank 20 can store a certain amount of fluid, and the fluid enters the test material through the evenly arranged water inlet holes 21 to achieve uniform loading of groundwater and form a groundwater seepage field consistent with the actual geological conditions.
  • the loading device 3 performs loading, water enters the box 7 through the water inlet 22 , and the internal air is discharged through the air outlet 23 .
  • the plug is a cylinder, the outer diameter of the plug is increased, and an annular plate with a diameter larger than the cylinder of the plug is set where the diameter of the plug becomes smaller, and the annular plate is provided with multiple bolt holes for the same box. body connection.
  • the front section of the hollow plug 9 is a conical structure
  • the middle part is a cylindrical structure with an O-shaped rubber ring 39
  • a through hole 38 is provided in the middle of the hollow plug.
  • Coarse-grained materials such as sand are arranged around the conical structure, and the water pressure can be uniformly loaded into the water-containing structure through the coarse-grained structure.
  • the O-shaped rubber ring can be used to spread the glue around the center, which can be realized by the O-shaped rubber ring 39.
  • an annular plate with a size larger than the cylindrical structure is arranged between the cylindrical structure of the hollow plug and the rear section, and the annular plate is used for connection with the box body.
  • the hollow screw is a structural member that penetrates through the middle in the axial direction, and the diameter of the hollow screw is reduced relative to the other end of the head, so that it is convenient to pass through the sensor hole and connect at the same time.
  • the ground stress loading unit 2 includes a hydraulic station 27 , a jack 25 , and a pressure feeding plate 28 .
  • the loading of ground stress is mainly realized by the hydraulic station 27.
  • the jack 25 is fixed on the top cover 5 of the test box through the top cover round hole by high-strength bolts, which is convenient for disassembly and replacement.
  • the stroke of the jack 25 is controlled by an oil pressure control pipeline.
  • the top of the jack 25 is provided with a displacement gauge 26, which is used to monitor the displacement of the jack 25 during the ground stress loading process, which can indirectly reflect the vertical deformation of the test material of the model soil during the test.
  • the sealed loading end of the jack 25 and the pressure supply plate 28 are sealed in the box body 7 to realize loading in water.
  • the sealing of the upper end of the test box is realized by the top cover 5 and the box body 7 of the test box. way to prevent seal failure induced by loading displacement in the design.
  • the osmotic loading unit 3 includes an air storage tank 32 , a water inlet pipeline 31 and a hydraulic loading device 29 .
  • the water pressure loading device 29 includes a magnetic flowmeter 30, a pressure gauge 34 and a water storage tank 33.
  • the osmotic pressure loading unit 3 can be controlled manually or automatically by a microcomputer, and the water pressure value of the water pump during the test is automatically recorded. Export with normal external storage.
  • the hydraulic loading device 29 uses two water storage tanks 33 connected in series for loading. By adjusting the water inlet pipeline 31, alternate loading of the two water tanks 33, supplementary water volume and continuous loading of water pressure can be achieved.
  • Each hydraulic loading device Both are equipped with a magnetic flow meter 30 and a pressure gauge 34 to record the flow and pressure of the water pressure.
  • the water inlet pipe is set with switches, and the air inlet pipe and the gas outlet pipe of the gas storage tank are respectively set with switches, and each switch is separately connected to the controller.
  • the controller can be a PLC controller or other types of controllers.
  • the magnetic flowmeter 30 and the pressure gauge 34 are separately connected.
  • the data acquisition unit 4 includes a testing system 35 , an osmotic pressure sensor 36 and a pressure sensor 37 .
  • the osmotic pressure sensor 36 and the pressure sensor 37 are separately connected to the control unit of the test system.
  • the control unit can be a computer, and the controller of the osmotic pressure loading unit is connected to the control unit.
  • the control unit is also connected to the osmotic pressure loading unit and the ground stress loading unit. Connect separately; the pressure sensor and the osmotic pressure sensor are respectively installed inside the test material according to the test requirements, and the lines of the pressure sensor and the osmotic pressure sensor enter and exit the box 7 through the hollow screw 24.
  • a plurality of osmotic pressure sensors are arranged in section a, at least two pressure sensors are arranged in section b, and a plurality of pressure sensors are arranged in the transverse centerline of section a
  • osmotic pressure sensor multiple osmotic pressure sensors are set on the vertical center line, and four osmotic pressure sensors are set on the circle with the center of the box as the center (the osmotic pressure sensor is also set at the center of the circle), and the radius is set; section b
  • Two pressure sensors are arranged on the middle transverse centerline, the pressure sensor 36 is used to monitor the loading condition of the in-situ stress, and the seepage pressure sensor 37 is used to monitor the change of the seepage pressure in the model body.
  • the water pressure is provided by the osmotic pressure loading unit 3 on one side, and the water pressure is applied into the interior of the test material through the rectangular water filling tank 20 and the water inlet hole 21 .
  • Different seepage pressures are provided by the seepage pressure loading unit 3 , and the distribution law of the seepage field of surrounding rock under the action of different seepage pressures is analyzed through the data collected by the seepage pressure sensor 37 .
  • osmotic pressure sensors 37 and pressure sensors 36 are arranged alternately up and down.
  • the water pressure is simulated by inserting the hollow plugs 9 into the left and rear box holes 18.
  • the water pressure of the water-containing structure is provided by the osmotic pressure loading unit 3, and the tunnel excavation is realized through the front box holes 18.

Abstract

公开了一种模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，该系统包括试验箱（1），试验箱（1）顶部设置地应力加载单元（2），试验箱（1）内部可设置试件，且试验箱（1）周向各侧面分别设置孔洞（18），其中部分孔洞（18）作为隧道开挖孔洞的模拟，部分孔洞（18）处设置堵头（8）或中空堵头（9），且试验箱（1）的侧部设置加水箱（20），加水箱（20）与箱体设置的进水孔（21）连通，中空堵头（9）、加水箱（20）分别与渗压加载单元（3）连通。还公开了一种模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验方法。该系统可模拟不同"高地应力、高水压"条件下复杂地质条件下隧道开挖，研究开挖扰动和高压渗流作用下隔水岩体内地下水渗流场的变化情况，进而对突水突泥灾害进行评价，为工程防灾减灾提供依据。

Description

模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统及方法 技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其是模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着国家经济的迅猛发展，我国已成为世界上隧道修建速度最快、规模最大、难度最高的国家。2019年交通运输行业发展统计公报显示，截止2020年5月12号，全国公路隧道19,067处、1,896.66万米，其中特长隧道1,175处、521.75万米，长隧道4,784处、826.31万米。为了优化国家交通网络和维护国家安全统一，国家重大工程建设重心向地形地质条件极端复杂的西南山区与强岩溶地区转移，这些隧道工程普遍具有埋深大、洞线长、水文地质条件复杂等显著特点。加之施工前期的地质勘查工作难以查清隧洞沿线的水文地质条件，导致在隧道施工中将面临诸多地质灾害，如岩爆、塌方、瓦斯突出、突水突泥等。其中突水突泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一。
突水突泥灾害严重的隧道往往处于高地压、高水压和高埋深的复杂地质环境中。施工活动不可避免地破坏围岩原有应力场，造成含水结构与隧道主体之间岩体的损伤劣化，降低岩体的物理力学性质、诱发次生裂隙及既有裂隙贯通和扩展，极大地提高了岩体的渗透性能，导致含水结构的赋存和运移状态发生变化；另一方面，岩体渗流场的改变反过来又会以孔隙水压力(如水力劈裂)和水物理化学作用(如冲刷运移、软化等)等形式作用于岩体，进一步促进岩体损伤破裂的发展。在隧道掘进中，上述耦合效应不断发展演化，最终当隔水岩体中形成了直接沟通含水结构和掌子面的贯通“突水通道”时，就诱发了隧道内的突水灾害。
发明人发现，在隔水岩体破坏诱发的突涌水灾害中，无论是突涌水致灾机理还是超前预报、预测理论、评估预警和灾害治理的研究，都涉及隧道突水隔水岩体渐进破坏过程中应力-渗流现象，由于隧道地质条件越来越复杂，实际的应力-渗流现象是无法直接观测研究的，而通过模拟试验，可对应力-渗流现象进行深入了解，现有技术中对隧道开挖渗流变化的试验装置存在试验功能单一、水压加载形式单一、试验箱体密封性差等方面有着明显的局限性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，可模拟不同“高地应力、高水压”条件下复杂地质条件下隧道开挖，研究开挖扰动和高压渗流作用下隔水岩体内地下水渗流场的变化情况，进而对突水突泥灾害进行评价，为工程防灾减灾提供依据。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，包括试验箱，试验箱顶部设置地应力加载单元，试验箱内部可设置试验材料，且试验箱周向各侧面分别设置孔洞，其中部分孔洞用于模拟隧道开挖，部分孔洞处设置堵头或中空堵头，可模拟不同的地质含水结构，在试验箱的侧部设置加水箱，试验箱设置与加水箱连通的进水孔；中空堵头、加水箱分别与渗压加载单元连通。
上述的试验系统，试验材料为可模拟岩土体材料的相似材料，试验箱用于容纳试验材料和加入试验箱内的水体，地应力加载单元从上方竖向向试验箱施加压力，用于模拟实际地质情况中的地应力，通过设置进水孔的加水箱向试验箱内供水可模拟含不良含水地质构造复杂地层的原始渗流场，通过渗压加载单元的设置及试验箱周向设置的孔洞，配合堵头和中空堵头及开挖工具，可模拟含不良含水地质构造复杂地层中隧道开挖作用下隧道围岩渗流演化规律，从而实现高地应力和高水压联合作用下隧道开挖及其诱发突水灾害相关试验。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述试验箱包括箱体，箱体具有设定的高度，且箱体通过底座支撑，所述孔洞设于箱体环向四个侧面形成箱体孔洞；
箱体顶部安装试验箱顶盖，试验箱顶盖开有圆形通孔，且在试验箱顶盖圆形通孔的周围设置非贯通螺栓孔，用于固定地应力加载单元，箱体底部安装可拆卸式挡板，可拆卸式挡板的设置有利于试验完成后进行清料，试验箱顶盖和可拆卸式挡板均与箱体密封连接，可通过螺栓密封连接。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述箱体设置多个传感器孔，用于试验箱内试验材料内设置的多个传感器导线的引出，传感器线依次穿过传感器孔、环形橡胶垫片、中空螺丝导出试验箱外。通过中空螺丝旋进过程中挤压环形橡胶垫片可实现传感器线引出箱体过程中的密封。
在所述箱体的外部固定所述的加水箱，加水箱设于箱体周向的三个侧面，加水箱与 箱体具有共有面，所述进水孔均匀设于加水箱与箱体的共有面；加水箱上部设置排气孔、下部设置进水口，进水孔低于试验材料的高度设置，箱体外设置加水箱可以储存设定量的流体，通过进水口注入流体后，在设定压力的作用下储存的流体通过均匀布置的进水孔进入试验箱内的试验材料，通过均匀布置的进水孔可实现试验材料内流体的均匀加载，进而模拟与实际地质情况相符的地下水渗流场。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述中空堵头的前段为锥形结构，中部为附有橡胶圈的圆柱形结构，橡胶圈为O型，中空堵头内部中心设置贯通孔。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述地应力加载单元包括千斤顶，千斤顶固定于所述试验箱的顶部，且千斤顶的顶端设置位移计，位移计用于监测地应力加载过程中千斤顶的位移，可以间接的反映施加地应力过程中箱体内试验材料的竖向变形情况。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述试验箱内试验材料的顶部上设置给压板，给压板设于试验箱顶盖的下方，千斤顶的加载端穿过试验箱顶盖与给压板接触，给压板上表面设置多个半球形的承力结构，半球形承力结构保证千斤顶加载至给压板过程中地应力的垂直加载。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述渗压加载单元包括水压加载装置，水压加载装置能够与所述的中空堵头和\或所述的加水箱分别连通；
水压加载装置设置流量计和压力计，流量计用于确认进入试验箱内流体的流量，压力计获取流体进入试验箱的压力，流量计为磁流量计；
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，所述水压加载装置包括储水罐和气罐，气罐与储水罐连接，储水罐通过出水管路与所述的中空堵头和\或所述的加水箱分别连通；
水压加载装置可设置多组，每一组设置两个储水罐，每一组水压加载装置均与所述试验箱每一侧面所述的中空堵头和\或加水箱连通，通过调节出水管路可实现三组水压加载装置集体或独立供水，通过调控出水管路开关或改变管路接口可实现试验箱多种加水模式，例如，两组水压加载装置连接两个侧面的加水箱可模拟地下水的渗流场，一组水压加载装置连接后侧面的中空堵头，可实现深埋隧道正前方含不良地质结构的模拟。
如上所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，还包括数据采集单元，数据采集单元包括设于所述箱体试件内的渗压传感器，和设于箱体内的压力传感器， 渗压传感器、压力传感器分别与控制单元连接；
沿着试验箱试件的不同高度依据试验需求埋设多层渗压传感器来监测不同位置的渗压，沿着试验箱试件的不同高度依据试验需求埋设多层压力传感器来监测不同位置的地应力；控制单元还与所述地应力加载单元和所述渗压加载单元分别单独连接。
第二方面，本发明还提供了模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统的试验方法，包括如下内容：
在箱体内试验材料的不同截面设置渗压传感器和\或压力传感器，压力传感器用于监测地应力的加载情况，渗压传感器用于监测试验箱内渗流压力的变化；水压由渗压加载单元在试验箱的一侧提供；通过渗压加载单元提供不同的渗流压力，通过渗压传感器的采集的数据来分析不同渗流压力作用下围岩渗流场分布规律；
渗压传感器及压力传感器均设置于箱体截面水平中心线及向上的位置处。
或者，在试验材料不同断面设置渗压传感器和压力传感器，压力传感器用来监测地应力的加载情况，渗压传感器用来监测模型体内渗流压力的变化；通过将中空堵头插入试验箱部分孔洞来模拟含水结构，含水结构的水压由渗压加载单元提供；通过正面的孔洞来实现隧道开挖；通过分析渗压传感器和压力传感器采集的数据来分析隧道开挖过程中围岩的应力-渗流演化规律。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过整体试验系统的给出，试验箱用于容纳试验材料和加入试验箱内的水体，地应力加载单元从上方向试验箱施加压力，用于模拟实际地质情况中的地应力，通过加水箱向试验箱内供水模拟含不良含水地质构造复杂地层的原始渗流场，通过渗压加载单元配合中空堵头，模拟复杂地层中不良含水地质构造，从而实现高地应力和高水压联合作用下隧道开挖及诱发突水灾害的试验；本发明在模拟水电、交通、能源和矿山等深部工程突水突泥灾害的防控防治方面具有广泛的应用前景。
2)本发明通过试验箱箱体侧面设置孔洞，以实现隧道多角度的开挖，配合中空堵头，可实现单个、多个地质含水结构(溶洞)的模拟；通过改变开挖方式及地质含水结构的位置、埋入深度，可以模拟隧道开挖及地质含水结构不同空间位置间的影响规律。
3)本发明通过可拆卸式挡板的设置，可便于在试验结束后对试验箱内试验材料进行清料，通过试验箱顶盖的设置，可便于地应力加载单元向试验箱施加地应力。
4)本发明通过箱体设置多个传感器孔，配合中空螺丝及环形橡胶片可实现各类型传感器进出箱体时的密封，各类型传感器线依次穿过箱体传感器孔、环形橡胶垫片、中 空螺丝，通过中空螺丝旋进过程中挤压环形橡胶垫片可实现传感器线穿过箱体的密封。
5)本发明通过设置中空堵头，不仅可实现对试验箱孔洞的封堵，而且可与渗压加载单元连通，从而向箱体内试验材料进行供水，实现多种形式含水构造的模拟。
6)本发明通过加水箱的设置，在箱体的三处侧面均布置进水孔，这样可实现地下水的均匀加载，形成与实际深部地质情况相符的渗流场。
7)本发明通过给压板设于试验箱内，千斤顶密封的加载端和给压板密封于箱体之中，实现水中加载，模型上端的密封由试验箱顶盖和箱体实现，水中加载的特殊方式可以防止加载位移诱发的密封失效。
8)本发明通过多组水压加载装置的设置，调节水压加载装置间出水管路的连接方式，既可实现试验箱每一侧面的单独加载，也可实现多侧面的同时加载。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统的立体图。
图2是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中试验箱的示意图一。
图3是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中试验箱的示意图二。
图4是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中试验箱顶盖示意图。
图5是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中可拆卸式挡板示意图。
图6(a)是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中箱体示意图。
图6(b)是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中箱体侧视图。
图7是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中堵头示意图。
图8是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的 试验系统中中空堵头示意图。
图9是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中中空螺丝示意图。
图10是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中地应力加载单元的示意图。
图11是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中渗压加载单元立体图。
图12是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中渗压加载单元侧视图。
图13是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中数据采集单元示意图。
图14(a)是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中一种模拟实施中箱体示意图。
图14(b)是图14(a)截面a布置的示意图。
图14(c)是图14(a)截面b布置的示意图。
图15(a)是本发明根据一个或多个实施方式的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统中另一种模拟实施中箱体示意图。
图15(b)是图15(a)断面a布置的示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1、试验箱，2、地应力加载单元，3、渗压加载单元，4、数据采集单元，5、试验箱顶盖，6、可拆卸式挡板，7、箱体，8、堵头，9、中空堵头，10、底座，11、非贯通螺栓孔，12、贯通螺栓孔，13、橡胶槽，14、顶盖圆孔，15、铰链，16、翼板，17、腹板，18、箱体孔洞，19、传感器孔，20、矩形加水箱，21、进水孔，22、进水口，23、出气孔，24、中空螺丝，25、千斤顶，26、位移计，27、液压站，28、给压板，29、水压加载装置，30、磁流量计，31、进水管路，32、气罐，33、储水罐，34、压力计，35、静态应变测试系统，36、压力传感器，37、渗压传感器，38、贯通孔，39、O型橡胶圈。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中没有专门针对隧道开挖渗流变化试验装置的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，包括试验箱1，地应力加载单元2，渗压加载单元3，及数据采集单元4。
参考图2和图3所示，试验箱包括箱体，箱体顶部设置试验箱顶盖，其中试验箱1放置在底座10上，底座10配有活动梯，方便实验人员操作及试验后通过可拆卸式挡板6设置于试验箱的底部，试验结束后，通过打开可拆卸式挡板6向下清除试验材料。
参考图4所示，试验箱顶盖5中部设置有圆形的顶盖孔洞14，在顶盖孔洞周围设有均匀布置的非贯通螺栓孔11，通过非贯通螺栓孔11用于地应力加载单元2的固定，与试验箱顶盖5螺栓结合后，试验箱顶盖5与箱体连接后，便可形成试验系统的反力架，试验箱顶盖的周围均匀布置的贯通螺栓孔12，用于试验箱顶盖5与箱体7的连接，在试验箱顶盖周围在贯通螺栓孔12的内侧设有橡胶槽13，橡胶槽可设置密封条，密封条为橡胶圈，添加橡胶圈后，通过螺栓提供挤压可以密封试验箱顶盖5。
参考图5所示，试验箱中的可拆卸式挡板6，使用铰链结构15来控制洞门的开闭，便于完成试验后试验材料的清理出渣，可拆卸式挡板6具有试验箱顶盖5相同的橡胶槽 和贯通的螺栓孔，同样是通过螺栓与箱体7固定在一起，通过橡胶槽设置密封条进行试验箱的密封。
为了减少模型试验中边界效应的影响，以及实现试验中均匀施加高压水的设想，箱体7整体结构设计为立方体，具有设定的高度，箱体内设置可填充设定高度的试验材料，试验材料为人工配制的满足设定相似比的用于模拟岩土体材料的相似材料，试验箱中箱体7的上部和下部都设有伸出的翼板16，翼板16与箱体之间设有均匀布置的多个腹板17以增强翼板的强度，翼板上均匀布置螺栓孔12，实现箱体7和试验箱顶盖5、可拆卸式挡板6的连接。
参考图6(a)和6(b)所示，在箱体的四个侧面的中心分别设有圆形的孔洞，具体为箱体孔洞18，可以实现隧道多角度的开挖，配合堵头8和中空堵头9，可以实现单个、多个地质含水结构(溶洞)的模拟，例如，将正面箱体孔洞作为隧道开挖孔，将两边的箱体孔洞18使用堵头8堵住，后面的箱体孔洞连接中空堵头9可以模拟含水结构。通过改变开挖方式及地质含水结构的位置、埋入深度，可以模拟隧道开挖及地质含水结构不同空间位置间的影响规律。
其中，堵头8为常规堵头，堵头8与箱体之间设置密封圈，形成类似于机械法兰的结构，通过在箱体和堵头间添加环形橡胶垫，通过拧紧螺栓对堵头的挤压能够有效封堵堵头所在位置处的箱体孔洞。
进一步，箱体的四个侧面中心的箱体孔洞18周围环形设置不穿透箱体的螺栓孔，通过螺栓将堵头8、中空堵头9固定在箱体7上，实现箱体7的密封。同时，在二者之间设置环形橡胶，通过挤压实现四个箱体孔洞18的密封。
在箱体7的上部钻取一排传感器孔19，橡胶垫片设于传感器孔的外侧，橡胶垫片中心设置开孔，中空螺丝的一端搭配橡胶垫片与传感器孔连接，这样将传感器线条依次穿过传感器孔19、橡胶垫片和中空螺丝24，将中空螺丝拧在箱体上挤压橡胶垫片即可实现传感器线条穿出箱体7的密封。
在箱体7其中三个被加水箱20覆盖的面上设有均匀布置的进水孔21，进水孔沿着箱体的高度设置多层，但进水孔高度低于填入的试验材料高度，加水箱的面积大于进水孔的布置范围，在箱体外部焊接矩形加水箱20，加水箱20上部设置出气孔23、下部设置进水口22，进水口外接球阀可控制水的加载。矩形加水箱20可以储存一定量的流体，流体通过均匀布置的进水孔21进入试验材料内部，实现地下水的均匀加载，形成与实际地质情况相符的地下水渗流场，实际操作过程中，通过渗压加载装置3进行加载，水 通过进水口22进入箱体7内，内部空气通过出气孔23排出。
参考图7所示，堵头为圆柱体，堵头的外侧直径增大，在堵头直径变小处设置直径大于堵头圆柱体的环形板，环形板设置多个螺栓孔，用于同箱体的连接。
参考图8所示，中空堵头9前段为锥形结构，中部为附有O型橡胶圈39的圆柱形结构，中空堵头中间设置贯通孔38。在锥形结构周围设置粗粒材料如砂粒，水压透过粗粒结构可以均匀的加载在含水结构中，可以以O型橡胶圈抹胶中心在附近抹胶，通过O型橡胶圈39可以实现箱体7和中空堵头9间的密封，中空堵头圆柱形结构与后段之间设置尺寸大于圆柱形结构的环形板，该环形板用于同箱体的连接。
参考图9所示，中空螺丝为轴向中部贯通的结构件，且中空螺丝相对于其头部的另一端缩径，便于穿过传感器孔同时进行连接。
参考图10所示，地应力加载单元2包括液压站27、千斤顶25、给压板28。地应力的加载主要由液压站27来实现，由高强螺栓将千斤顶25透过顶盖圆孔固定在试验箱顶盖5上，利于拆卸和更换，千斤顶25的行程由一个油压控制管道控制。千斤顶25的顶端设置有位移计26，用于监测地应力加载过程中千斤顶25的位移，可以间接的反映模型土体在试验过程中试验材料竖向变形情况。给压板28上部设置多个半球形的承力结构，当千斤顶25加载至给压板28时，半球形承力结构保证千斤顶加载至给压板过程中地应力的垂直加载。这样，试验箱顶盖5、箱体7及千斤顶25三者通过螺栓连接后形成反力架。
为了保证试验箱的密封，千斤顶25密封的加载端和给压板28密封于箱体7之中，实现水中加载，试验箱上端的密封由试验箱顶盖5和箱体7实现，水中加载的特殊方式可防止设计中加载位移诱发的密封失效。
参考图11和图12所示，渗压加载单元3包括储气罐32、进水管路31及水压加载装置29。水压加载装置29包括磁流量计30、压力计34和储水罐33，渗压加载单元3既能手动控制，也可由微电脑自动控制，且自动记录试验过程中水泵水压值，试验结束后用普通外部存储器导出。水压加载装置29使用两个串联的储水罐33进行加载，通过调节进水管路31，可以实现两个水罐33的交替加载，补充水量以及水压的持续加载，每个水压加载装置都配有磁流量计30和压力计34，来记录水压的流量和压力。
储水罐设置进水管路用于进水，其出水管路与加水箱的进水口22和含水堵头9分别单独连通，储气罐与储水罐连接，用于向储水罐内流体施加压力，使得储水罐排出流体，磁流量计30设置于储水罐的出水管路，用于获取施加流量的体积，压力计34设置 于储水罐的出水管路，用于监测水压压力，压力计即为水压压力传感器。
整个渗压加载单元3设置三套独立的水压加载装置29，配合箱体7，可实现地下水在箱体7中三面、均匀的加载。三套水压加载装置29通过进水管路31合为一个大型供水装置，另外，通过调控各管路的开关可实现三面水压同时加载和和单面单独加载。
为了实现自动控制，进水管路设置开关，储气罐的进气管和出气管分别设置开关，各个开关均与控制器分别单独连接，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器，控制器与磁流量计30和压力计34分别单独连接。
参考图13所示，数据采集单元4，包括测试系统35、渗压传感器36、压力传感器37。渗压传感器36、压力传感器37分别与测试系统的控制单元单独连接，控制单元可为计算机，且渗压加载单元的控制器与控制单元连接，控制单元还与渗压加载单元、地应力加载单元分别单独连接；压力传感器和渗压传感器按试验需要分别安装在试验材料内部，压力传感器和渗压传感器的线路通过中空螺丝24进出箱体7。
本装置可实现的模拟实例一：
参考图14(a)-图14(c)所示，模拟不同渗流压力作用下围岩渗流场。在箱体不同截面设置压力传感器36和\或渗压传感器37，比如在截面a中设置多个渗压传感器，在截面b中设置至少两个压力传感器，在截面a的横向中心线设置多个渗压传感器，在竖向中心线设置多个渗压传感器，且有四个渗压传感器设于以箱体中心为圆心(圆心处同样设置渗压传感器)，设定半径的圆上；截面b中横向中心线设置两个压力传感器，压力传感器36用来监测地应力的加载情况，渗压传感器37用来监测模型体内渗流压力的变化。
水压由渗压加载单元3在一侧提供，水压通过矩形加水箱20和进水孔21施加进入试验材料内部。通过渗压加载单元3提供不同的渗流压力，通过渗压传感器37的采集的数据来分析不同渗流压力作用下围岩渗流场分布规律。
本装置可实现的模拟实例二：
如图15(a)和图15(b)所示，模拟隧道开挖过程中围岩渗流演化。在试验材料不同断面设置上下交错布置的渗压传感器37和压力传感器36，压力传感器36用来监测地应力的加载情况，渗压传感器37用来监测模型体内渗流压力的变化。水压通过将中空堵头9插入左边和后边箱体孔洞18来模拟含水结构，含水结构的水压由渗压加载单元3提供，通过正面的箱体孔洞18来实现隧道开挖。通过分析渗压传感器37和压力传感器的采集的数据来分析隧道开挖过程中围岩的应力-渗流演化规律。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，包括试验箱，试验箱顶部设置地应力加载单元，试验箱内部可设置试验材料，且试验箱周向各侧面分别设置孔洞，其中部分孔洞作为隧道开挖孔洞的模拟，部分孔洞处设置堵头或中空堵头，且试验箱的侧部设置加水箱，试验箱设置与加水箱连通的进水孔，中空堵头、加水箱分别与渗压加载单元连通。
  2. 根据权利要求1所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述试验箱包括箱体，箱体具有设定的高度，且箱体通过底座支撑，所述孔洞设于箱体侧面形成箱体孔洞；
    箱体顶部安装试验箱顶盖，箱体底部安装可拆卸式挡板，试验箱顶盖和可拆卸式挡板均与箱体密封连接。
  3. 根据权利要求2所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述箱体设置多个传感器孔。
  4. 根据权利要求2所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，在所述箱体外部固定所述的加水箱，加水箱与箱体具有共有面，所述进水孔均匀设于加水箱与箱体的共有面，加水箱上部设置排气孔、下部设置进水口。
  5. 根据权利要求1所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述中空堵头的前段为锥形结构，中部为附有橡胶圈的圆柱形结构，中空堵头内部中心设置贯通孔。
  6. 根据权利要求2所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述地应力加载单元包括千斤顶，千斤顶固定于所述试验箱的顶部，且千斤顶的顶端设置位移计；
    所述试验箱内试验材料的顶部上设置给压板，给压板设于试验箱顶盖的下方，给压板上表面设置多个半球形的承力结构，千斤顶的加载端穿过所述试验箱顶盖与给压板接触。
  7. 根据权利要求4所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述渗压加载单元包括水压加载装置，水压加载装置能够与所述的中空堵头和\或所述的加水箱分别连通；
    水压加载装置设置流量计和压力计。
  8. 根据权利要求7所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，所述水压加载装置包括储水罐和气罐，气罐与储水罐连接，储水罐通过出水 管路与所述的中空堵头和\或所述的加水箱分别连通；
    水压加载装置可设置多组，每一组设置两个储水罐，每一组水压加载装置均与所述试验箱每一侧面所述的中空堵头和\或加水箱连通。
  9. 根据权利要求1所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统，其特征在于，还包括数据采集单元，数据采集单元包括设于所述箱体试件内的渗压传感器，和设于箱体内的压力传感器，渗压传感器、压力传感器分别与控制单元连接；
    沿着试验箱试件的不同高度依据试验需求埋设多层渗压传感器来监测不同位置的渗压；沿着试验箱试件的不同高度依据试验需求埋设多层压力传感器来监测不同位置的地应力；
    控制单元还与所述地应力加载单元和所述渗压加载单元分别单独连接。
  10. 根据权利要求9所述的模拟复杂地质条件下隧道开挖渗流变化的试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下内容：
    在箱体内试验材料的不同截面设置渗压传感器和\或压力传感器，压力传感器用于监测地应力的加载情况，渗压传感器用于监测试验箱内渗流压力的变化；水压由渗压加载单元在试验箱的一侧提供；通过渗压加载单元提供不同的渗流压力，通过渗压传感器的采集的数据来分析不同渗流压力作用下围岩渗流场分布规律；
    或者，在试验材料不同断面设置渗压传感器和压力传感器，压力传感器用来监测地应力的加载情况，渗压传感器用来监测模型体内渗流压力的变化；通过将中空堵头插入试验箱部分孔洞来模拟含水结构，含水结构的水压由渗压加载单元提供；通过正面的孔洞来实现隧道开挖；通过分析渗压传感器和压力传感器采集的数据来分析隧道开挖过程中围岩的应力-渗流演化规律。
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