[发明专利]用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法

说明书

本发明涉及隧道施工模型试验领域，具体涉及一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法，模拟系统包括模型系统、传感系统和处理系统，模型系统包括盛装有冻土的模型箱和隧道模型，隧道模型能插入冻土并能推出，进而露出与外界相通的模拟冻土隧道的开挖面，传感系统包括安装在模型箱冻土层中的测量设备，测量冻土的开挖面形态参数并连接处理系统，通过处理系统的数据采集装置将数据传输至处理装置，然后经过分析处理后输出处理数据，本发明模拟出冻土隧道施工的工况，并对开挖面及冻土进行形态参数测量，并经处理系统分析和处理后得出结论，揭示出开挖面失稳机制，为工程施工提供参考建议，达到避免隧道塌方、冒顶等事故发生的目的。

技术领域

本发明涉及隧道施工模型试验领域，特别涉及一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法。

背景技术

冻土在我国广泛分布，其面积约占我国陆地面积的五分之一。在这些地区修建公路和隧道，无疑是对工程师们的一项挑战。十三五期间，国家将在西部地区修建更多的高速公路、高速铁路以及城市地铁等。总结以往成功的经验并进行技术革新，成为了工程师们如今亟待解决的重要任务。

冻土对于温度变化极为敏感，多年冻土隧道围岩开挖面失稳主要是由于开挖面前方冻土在冻土围岩经洞内外热交换和洞内施工行为双重作用后，开挖面同开挖面前方冻土围岩之间产生温差，热量自发地从开挖面前方冻土围岩深处传递而产生对流换热，很快在冻土围岩内形成的融化核。融化核是造成冻土隧道开挖面失稳的“万恶之源”。因此，如果能掌握融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，就能对应采取相应措施避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生，因此，如何得到融化核的动态演变规律、开挖面的失稳机制，为冻土地区施工提供可靠的技术建议和数据支持，成为解决冻土地区施工过程中具有重要意义的目标。

现有技术中，在冻土地区进行施工时，绝大多数的工程都是因地制宜，根据工程所遇到的实际情况采取相应对策，并未形成一套有效的方法、对策，也有的工程采用有限元建立模型进行分析，但这种有限元分析方法理论性太强，并不能代替现实的冻土隧道开挖面施工工况，往往通过人为引入技术参数，参考意义和应用价值不大，因此，亟需一种实验室系统设备，该系统设备能简单操作，同时能模拟实际工程中融化核在对流换热过程中的演变过程。

发明内容

本发明的目的在于：针对在冻土施工过程中无法预先得到融化核的演变规律和隧道开挖面的失稳机制，导致施工过程时不能为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议，进而导致无法事先预防隧道塌方、冒顶等灾害事故的问题，提供一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统及实验方法，该模拟系统包括模型系统、传感系统和处理系统，通过模型系统模拟出冻土隧道施工开挖面失稳的工况，进而依靠传感系统对开挖面及冻土进行测量，得到开挖面形态参数，并利用处理系统进行分析、处理，揭示出融化核的动态演变规律和开挖面失稳机制，从而为工程施工调控开挖面稳定性提供参考和有效建议，有效避免隧道塌方、冒顶等灾害事故的发生。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，包括模型系统、传感系统和处理系统，其中：

所述模型系统包括用于盛装冻土的模型箱和隧道模型，所述模型箱上开设有安装隧道模型的较大孔，使所述隧道模型能从该较大孔内推出，进而使模拟冻土的开挖面与外界相通；

所述传感系统包括温度测量仪和渗流压力测量仪，所述温度测量仪和渗流压力测量仪安装在模型箱内并与处理系统连接，用于测量冻土开挖面的温度和渗流压力；

所述处理系统包括用于采集所述传感系统形态参数的数据采集装置，该数据采集装置连接用于储存、分析形态参数的处理装置，所述处理装置输出处理数据。