[发明专利]隧道开挖突涌水模拟装置及模拟方法

权利要求书

1.一种隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

试验箱，所述试验箱包括地层区与海水区，所述海水区填充有水，且所述试验箱的侧壁预设有与所述地层区连通的隧道开挖孔；

基岩模拟地层，所述基岩模拟地层设置于所述地层区内，且所述基岩模拟地层具有与所述隧道开挖孔连接的隧道开挖区域，且所述基岩模拟地层的顶面为凹面；

软岩模拟地层，所述软岩模拟地层设置于所述基岩模拟地层的上方；

多个监测元件，多个所述监测元件埋设于所述基岩模拟地层与所述软岩模拟地层，且多个所述监测元件环绕所述隧道开挖区域设置；以及

潮汐模拟组件，所述潮汐模拟组件设置于所述海水区，以带动所述海水区的部分水向所述地层区往复流动,从而模拟潮汐过程；

所述潮汐模拟组件包括：

固定支架，所述固定支架与所述试验箱固定连接；

转子，所述转子可转动地连接于所述固定支架；

第一叶片与第二叶片，所述第二叶片与所述第一叶片沿所述转子的周向间隔设置，且所述第二叶片的长度大于所述第一叶片的长度；以及

驱动组件，所述驱动组件与所述转子传动连接；

其中，在所述转子转动过程中，所述第一叶片与所述第二叶片的至少部分均可浸入所述海水区的水中，以带动所述海水区的部分水向所述地层区往复流动。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述第一叶片包括多个，多个所述第一叶片沿所述转子的圆周方向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，多个所述第一叶片与所述第二叶片沿所述转子的圆周方向均匀间隔设置。

4.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述基岩模拟地层的顶面为一弧形下凹面，且所述弧形下凹面的靠近所述海水区的一端高于所述弧形下凹面的中部。

5.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述基岩模拟地层采用第一围岩相似材料制成，第一围岩相似材料包括河砂、石英砂、水泥以及粉煤灰，其中河砂、石英砂、水泥以及粉煤灰的重量比为1:0.7～0.8:0.5～0.6:0.15～0.2；以及

所述软岩模拟地层采用第二围岩相似材料制成，所述第二围岩相似材料包括河砂、黏土、水泥以及石膏，其中河砂、黏土、水泥以及石膏的重量比为1:0.4～0.5:0.12～0.15:0.1～0.2。

6.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述监测元件包括地层内部位移监测元件、地层内部应力监测元件与孔隙水压力监测元件。

7.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

摄像机，所述摄像机设置于所述试验箱外，且正对所述隧道开挖孔设置；以及

采集监测器，所述采集监测器与多个所述监测元件以及摄像机通信连接。

8.根据权利要求1所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

废液导向槽，所述废液导向槽固定设置于试验箱的外侧壁，且所述废液导向槽位于所述隧道开挖孔开挖断面的下方；以及

废液收集器，所述废液收集器与所述废液导向槽连通。

9.一种隧道开挖突涌水模拟方法，使用如权利要求1至8任一项所述的隧道开挖突涌水模拟装置，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：

在试样箱内设置初期支护，所述初期支护将所述试验箱分隔出地层区与海水区；

配置第一围岩相似材料；

向地层区内填充第一围岩相似材料，并在预设的第一隧道开挖相邻区域预埋多个监测元件，其中第一隧道开挖相邻区域在试样箱的侧壁上的投影环绕所述试验箱上的隧道开挖孔；

对第一围岩相似材料进行养护处理，形成顶面为凹面的基岩模拟地层；

配置第二围岩相似材料；

在基岩模拟地层的上方的地层区内填充第二围岩相似材料，并在预设的第二隧道开挖相邻区域内预埋多个监测元件，其中所述第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域相邻，第一隧道开挖相邻区域与第二隧道开挖相邻区域内的多个监测元件在试样箱的侧壁上的投影环绕所述隧道开挖孔；

待所述第二围岩相似材料养护成型，形成所述软岩模拟地层；

撤销所述初期支护，在所述海水区填充水，从而在试验箱内形成近海富水区复合地层模拟结构；

在海水区内加装潮汐模拟组件，模拟潮汐过程；

在试验箱的隧道开挖孔处利用掏槽工具模拟隧道开挖，并使用摄像机与采集监测器进行数据采集。