[实用新型]大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置。

背景技术

隧道建设中不良地质体超前预报是保证安全施工的重要环节，是国内外工程地质和隧道工程界十分关注而又没有得到很好解决的难题。由于物探的多解性，单一预报方法对不良地质体预报的准确度并不十分可靠，同时不同的方法对不同的地质缺陷预报效果也不尽相同。因此开展地震波法、电磁法、电阻率法等方法的隧道施工期综合超前地质预报研究具有十分重要的意义。

模型试验是研究隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地质体超前地质预报的一种十分有效的手段。为开展隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地质体综合超前地质预报研究，在山东大学修建了16m（长）×7.6m（宽）×6m（高）的比例尺为6:1的大比例尺多功能隧道超前地质预报物理模型试验装置。该物理模型试验装置旨在对不同的含水构造进行多地球物理场的超前探测物理模拟。在该模型试验中，溶洞、暗河等各种不良地质体的布置是十分重要的工作。

相关学者在模型试验含水体和含水构造方面开展了相应的研究与应用。李利平、许振浩等用可溶岩盐预制成预定形状并在岩盐外套上不透水树脂来模拟隧道突水突泥过程中的隐伏水体或充水岩溶管道装置、无充填型溶洞或岩溶管道装置。郭如军等在岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体预报模型试验中以一直径20cm贯通孔长流水模拟隧道施工掌子面前方含水体。张庆松等在矿井含水构造附近采动岩体的温度响应特征相似模拟试验中采用内置0.30m×0.30m×0.15m带壳不透水体来模拟含水体。刘斌、李术才等在隧道含水构造直流电阻率法超前探测模型试验中采用砖砌矩形含水体模拟隧道掌子面前方的含水体。这些方法针对于各自问题解决了其含水体模拟的问题。

上述方法针对于各自问题解决了其含水体模拟的问题，但综合超前地质预报模拟中含水构造仍存在下列问题需要解决：

第一，在综合超前预报含水构造需要考虑地震法、电磁法、电阻率法等关于弹性波场、电场的多场要求。含水构造的模拟需要水的参与，根据本大型模拟实验平台相似比（6:1）的要求，电场关于电阻率的要求（10-200Ωm）容易满足，但是水的弹性波场关于弹性波速的要求（500m/s）需要解决，因此含水构造中水的波速可控是一需要解决的难题。

第二，水的状态，包括水的流速以及水的流向对于电法的激发极化效应有较大影响，因此含水构造中水的流量以及水的流速是又一需解决的关键问题。

第三，由于综合超前预报需要模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体及其组合，因此，含水构造如何快速方便模拟多种不良地质体也是需要解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是为实现上述功能，提供一种大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，该装置能够在大型物理模拟实验中，灵活快速布置，满足地震波场、电磁波场以及电场的多元地球物理场的要求，模拟暗河、溶洞、断裂带等多种不良地质体以及水的流量和流向可控。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

大型隧道超前预报模型试验的含水构造装置，包括：自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，所述含水构造外壳的两侧分别安装有进水管和出水管，所述进水管上设有进水流量控制装置，所述出水管上设有出水流量控制装置，所述进水管的一端与水箱连接，所述进水管和所述出水管位于含水构造外壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口；所述含水构造外壳还与基于气动搅拌的水波速可控装置连接。

所述进水管和出水管分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳上，所述进水管和出水管位于含水构造外壳内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。

所述水波速可控装置包括计算机，所述计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，所述空气压缩机与插入含水构造外壳的多孔排管一端连接，所述多孔排管的另外一端有若干平行的管道，所述声发射换能器位于含水构造外壳的内部。

所述进水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与进水流量计连接，所述进水流量计与计算机连接，所述进水流量计安装在进水管内。

所述出水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与出水流量计连接，所述出水流量计与计算机连接，所述出水流量计安装在出水管内。

所述水的流向控制装置为三通道电磁阀，所述三通道电磁阀与计算机连接。