[发明专利]一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法

权利要求书

1.一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置，其特征在于，该装置包括：

模型箱框架，由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体内部分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；

泥水和气压综合调控系统，由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；

渗流排液系统，由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，其中渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；

传动系统，放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；

监测系统，由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板开有预留孔，孔洞部分粘贴覆盖滤网。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微型土压力传感器和孔隙水压力传感器用来测量圆形隧道外部的土压力和隧道内部的泥水压力，高速摄像机采集开挖面前方土体的破坏形态与范围。

4.一种利用权利要求1-3中任一项所述装置的使用方法，其特征在于，该方法包括：

S1：在模型箱实验内采用砂雨法制备土样，并在土样上部加注羟丙基甲基纤维素水溶液，并向渗流管加入泥浆；

S2：将整个装置放置于离心机上，分级缓慢提高离心机离心加速度至预定离心加速度；

S3：在离心加速度增大的过程中，根据微型土压力传感器和孔隙水压力传感器来测量圆形隧道内外的压力大小，并根据测量的压力大小来改变气泵的气压大小从而平衡开挖面压力；

S4：圆形隧道内外压力平衡稳定后，缓慢后撤圆形隧道开挖面部位的挡板，使得隧道开挖面完全由泥浆压力进行支护，系统稳定后，此时的状态即为实验初始状态，记录传感器初始读数；

S5：保持离心机加速度不变，均匀缓慢地减小气泵气压大小，即减小开挖面泥水支护压力的大小，通过计算机系统高频率采集隧道开挖面的土压力与隧道内泥水压力的变化特点，得到开挖面压力变化曲线；

S6：维持半圆形隧道挡板与隧道开挖面平齐，通过计算机控制打开隧道渗流排水管上的电磁阀，让隧道开挖面外部水经开挖面挡板预留孔与连接隧道内部的渗流排水管流入模型箱设备仓的渗流液储存盒里，使隧道开挖面形成稳定的渗流场；

S7：打开高速相机，启动隧道挡板分级后撤系统，提前设定好挡板后撤速度，使得半圆形隧道内的挡板按0.2mm/min的速度缓慢均匀的后撤，在挡板后撤的过程中实时采集传感器度数，记录开挖面的土压力变化情况，同时使用高速相机记录整个后撤过程中开挖面前方土体的变化；

S8：挡板共后撤2cm，后撤完成后，慢慢降低离心机离心加速度直到停止，进行实验完成后的仪器整理工作；

S9：整理分析实验所得压力变化曲线，得到开挖面支护压力变化规律和合理支护压力的大小；采用粒子图像测速技术处理半圆形隧道实验过程中开挖面前方土体变化图片，得到高水压渗流条件下开挖面破坏形态与特征。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述S1当中的泥浆采用一种膨润土、水、甘油为1：0.4：0.5的配比配置而成。

6.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述S2当中的预定离心加速度为200倍的常重力加速度。