[发明专利]一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及隧道地球物理超前预报和模型试验技术的领域，尤其涉及一种可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置。

背景技术

近年来，在交通、水电等领域修建的长大隧道（洞）工程越来越多，面临的地质条件日益复杂，在隧道开挖施工过程中，如果不能预先探明隧道开挖前方的地质情况，往往会出现无法预料的工程地质灾害，如突水、突泥、坍塌等，为隧道施工带来了巨大的安全问题与经济损失，并极易诱发次生地质灾害和生态环境问题。所以，为了降低隧道施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用地球物理超前预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

如何探明隧道掌子面前方的不良地质情况和提前规避突水突泥、塌方等地质灾害，是隧道施工中首要的技术难题之一。目前，国内外在隧道超前地质预报理论、技术与仪器研发方面取得了重要进展和良好的实际应用效果。但是，至今尚没有十分有效的超前地质预报地球物理探测技术和仪器，无法准确揭示不良地质的地球物理响应并实施准确定量预报，导致隧道施工面临着极高的灾害事故风险。为了提高地球物理仪器探测和解译不良地质的效果，常用来对实际隧道工程状况进行研究的主要手段有工程实际探测、数值模拟和模型试验。工程实际探测是在隧道洞内布置测线进行超前探测的方法，是最直接的研究方法，但由于事先并不能确定前方不良地质体的位置和规模，且容易受到实际探测目标体复杂多样性的干扰（如遭遇断层破碎带、裂隙发育带、软弱地层、溶洞、暗河等），难以取得理想的探测效果，耗资巨大，且对仪器和解译水平的提高程度有限。数值模拟方法是一种从实际研究对象抽象出数值模型进行研究的方法，花费少且快捷，但是数值模拟往往对模型进行简化，只能得到一般规律，而不同类型、形态、规模、位置等的不良地质体的地球物理响应特征较为复杂，这就造成数值计算的结果与实际存在较大的出入。模型试验是指在实验室条件下，用不同比尺的模型对实际工况进行研究的重要科学方法，其优势在于可再现原型的各种现象与过程，可人为控制试验条件与参量，缩短研究周期。为了更好的了解不同类型、不同空间分布状态的不良地质灾害体的地球物理响应特征情况，就需要开展一系列的物理模型试验，而一个好的物理模型试验装置往往能起到事半功倍的效果。

为了更好地模拟实际工程情况，传统的隧道超前地质预报模型试验都是将隧道模型埋置于岩土体中，但目前隧道模型试验装置存在明显的弱点：①隧道模型比尺小，洞内探测空间狭小，而现有的地球物理探测设备普遍体积较大，导致人员无法携带设备在隧道模型掌子面上任意布置测线，数据采集困难；②装置布置形式单一，小比尺的隧道模型仅能够实现单一地球物理探测装置的布置，如激发极化法小比尺隧道模型、全空间瞬变电磁隧道模型等，无法应用其他地球物理手段进行探测和对比验证，试验的可重复性差；③在隧道模型材料的选取上，金属材料强度高但具有较强的电磁干扰，普通非金属材料难以承受周围较大的岩土体压力，且手工施作非常困难，因此急需一种较为理想的既能抗电磁干扰且能承受较大外压的材料来制作隧道模型。

隧道模型试验装置平台作为掌握与应用超前地质预报地球物理仪器新技术的重要载体，其作用已为广大科技工作者所共识。发达国家和地区，常常将最先进的地球物理探测设备与装置首先投入隧道模型试验平台中进行检验、测试和完善。因此，开发一个可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，对隧道超前预报地球物理仪器和技术的进步具有重要的作用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置，包括：隧道模型腔体和隧道模型掌子面，隧道模型腔体和隧道模型掌子面成为一个整体；所述隧道模型腔体分为内外两层，内层包括壳体和位于壳体内部用于约束壳体径向变形的加强元件一，外层设有位于壳体外部用于约束隧道模型腔体径向和轴向变形的加强元件二；所述隧道模型掌子面上分别布置有电极安装孔、电磁法线圈支架、井中雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔，所述隧道模型掌子面上布置有地震波法激发测点和接收测点。

所述隧道模型掌子面截面与壳体尺寸完全相同，在制作时二者浇筑成为一个整体。

所述隧道模型腔体内层和外层浇筑成一个整体。

所述隧道模型腔体内层壳体的横截面是由五心圆的六段圆弧构成的对称结构，整个横截面呈上窄下宽、周边圆滑的卵石形状。