[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

权利要求书

1.一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模型箱内并与处理系统连接，用于测量冻土的开挖面形态参数；

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。

2.根据权利要求1所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述隧道模型包括安装在冻土中的支撑段和延伸至较大孔外侧的控制段，所述支撑段外侧设置有衬砌模型槽，所述衬砌模型槽用于固化模拟隧道衬砌结构的支护模型，所述衬砌模型槽上开设有用于与支护模型分离的开口，该衬砌模型槽设有安装支座。

3.根据权利要求2所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述模型系统还包括用于支撑所述隧道模型滑动的导轨装置。

4.根据权利要求1-3之一所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述模型箱矩形箱体，该矩形箱体顶板为可打开式的背压板，使模型箱通过背压板实现开闭，所述模型箱的内壁设有隔热层。

5.根据权利要求1-3之一所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述模型箱上安装有反压装置，该反压装置包括安装在模型箱顶端的固定板，所述固定板的两端连接有锁紧拉杆。

6.根据权利要求1-3之一所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述传感系统还包括位移计、土压力盒和应变片，所述土压力盒安装在衬砌结构外层，在冻土内靠近开挖面的部位也布置有土压力盒，所述位移计安装在靠近模型箱上表面内壁的冻土表层中，且模型箱的后端面内壁冻土表层内也布置有位移计，所述应变片布置在开挖面处衬砌结构外表面。

7.根据权利要求6所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述模型箱的后端面上开设有用于安装支撑筋的较小孔，所述支撑筋连接有固定板，该支撑筋和固定板用于安装土压力盒及位移计。

8.根据权利要求7所述的用于调控冻土隧道开挖面稳定性的模拟系统，其特征在于，所述数据采集装置包括数据采集仪和应变仪，所述数据采集仪用于获取位移计测量的沉降量、温度传感器测量的测点温度和应变片测量的衬砌结构应变量，所述应变仪用于采集渗流压力测量仪测量的渗流压力和土压力盒测量的土压力，所述数据采集仪和应变仪连接至处理装置，所述处理装置为计算机系统。

9.一种用于调控冻土隧道开挖面前方围岩温度场的实验方法，其特征在于，采用如权利要求1-8之一所述的模拟系统对温度场进行调控，包括以下步骤：

a、组装模型系统，预先确定隧道模型的大小，并在模型箱上开设与隧道模型对应的较大孔，同时开设较小孔和过线孔，准备好模型箱后将其固定，并在所述模型箱内壁安装隔热层；

b、将隧道模型移动至模型箱内部，安装衬砌模型槽，并通过衬砌模型槽制作支护模型；

c、移除衬砌模型槽，并将需要分析的冻土铺设在模型箱内，同时布置传感系统；

d、将隧道模型推出，露出掌子面和衬砌结构，通入不同温度的热风；

e、通过处理系统得到冻土隧道开挖面失稳机制。

10.根据权利要求9所述的用于调控冻土隧道开挖面前方围岩温度场的实验方法，其特征在于，所述温度测量仪采用温度传感器，所述渗流压力测量仪采用渗压计，温度传感器和渗压计布置在隧道模型的多个截面上，包括开挖面附近的截面，在每个所述截面上，以隧道模型中心沿多个径向方向延伸，每个径向方向均布置多个所述温度传感器和多个所述渗压计，开挖面附近截面上的温度传感器和渗压计布置密度高于其他截面。