隧道穿越双断层的实验方法及实验装置与流程

1.本发明属于隧道模拟实验装置技术领域，更具体地说，是涉及一种隧道穿越双断层的实验方法及实验装置。


背景技术：

2.随着我国国民收入的不断增加，人们对出行的便利性以及区域的连通性有了更高层次的要求，这也促进了我国交通基础设施建设的飞速发展。交通设施的建成不仅可以将不同地域居民空间上的距离拉近，更是经济往来、文化交流的关键纽带，尤其是对于偏远地区而言，交通的畅通无疑是打破壁垒最好的解决方法。
3.如今，海底隧道越来越多的出现在交通领域中。海底隧道的施工不仅要求隧道能够安全平稳的穿越断层的围岩破碎带，还要便于满足防渗要求。因此在修建时，隧道穿越断层的某一位置易出现裂缝的预判就尤为重要。现有的实验装置以及实验方法难以有效模拟海底隧道的实际环境，难以提供准确的实验参数，所以不能针对性的进行预判及修补、加固，不利于保证隧道的运营安全。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种隧道穿越双断层的实验方法及实验装置，能够精准的模拟海底隧道的外周环境，提供精准的实验参数，有助于提前预判隧道的薄弱点，提高了隧道的安全性。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种隧道穿越双断层的实验方法，包括以下步骤：
6.安装驱动模拟件至模拟箱的底部，并使驱动模拟件顶撑于模拟箱底部的受力板上；
7.安装两个第一断层板壳至模拟箱内，填充土至模拟箱的下部，并填充断层料至第一断层板壳内，从土层中抽取拆除第一断层板壳；
8.将安装有传感器的隧道模型放置到土层上，并安装两个第二断层板至隧道模型的上部外周，向模拟箱内填土至没过隧道模型，并填充断层料至第二断层板壳内，从土层中抽取拆除第二断层板壳；
9.向模拟箱内注水，并使水没过土层；
10.安装模拟箱的密封顶板，利用充水加压件向模拟箱内充水加压至预设压力；
11.启动驱动模拟件，监测传感器的压力值。
12.在一种可能的实现方式中，向模拟箱内注水步骤后，向水中加入颜料以观察隧道模型的渗漏情况及隧道模型的衬砌围岩变形情况。
13.在一种可能的实现方式中，安装驱动模拟件至模拟箱的底部步骤前，在驱动模拟件的驱动端安装施力球，在受力板的底面上设置滑动导轨，滑动导轨上设有用于限位施力球移动方向的第一滑槽和第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽纵横交错设置。
14.在一种可能的实现方式中，第一断层板壳和第二断层板的倾角分别与预设角度相等，且第一断层板壳和第二断层板上下对应设置。
15.在一种可能的实现方式中，安装模拟箱的密封顶板步骤后，检测模拟箱的内部密封性。
16.在一种可能的实现方式中，安装驱动模拟件至模拟箱的底部步骤前，安装基础施力板至模拟箱的下方，再安装驱动模拟件至基础施力板上。
17.在一种可能的实现方式中，利用充水加压件向模拟箱内充水加压至预设压力步骤前，连接充水加压件的供水管至模拟箱的进水嘴上，并利用锁定卡将供水管锁定在进水嘴上。
18.本发明还提供了一种隧道穿越双断层实验装置，适用于上述隧道穿越双断层的实验方法，隧道穿越双断层实验装置包括：
19.模拟箱，用于填充土层和水，模拟箱的上口设有的密封顶板、下口设有受力板；
20.隧道模型，设置于模拟箱内，且与两端分别与模拟箱相连，隧道模型内设有若干个传感器；
21.两个第一断层板壳，分别沿上下方向贯通设置以容纳断层料，第一断层板壳适于设置于隧道模型的下部以成型下部断层；
22.两个第二断层板壳，分别沿上下方向贯通设置以容纳断层料，第一断层板壳适于设置于隧道模型的外侧及上部以成型上部断层；
23.驱动模拟件，设置于模拟箱的下方，且位于两个第一断层板壳之间，用于上下移动以带动受力板升降；
24.充水加压件，连接于密封顶板上，用于向模拟箱内充水加压。
25.一些实施例中，驱动模拟件的驱动端设有施力球，受力板上设有滑动导轨，滑动导轨上设有开口向下、且适于容纳施力球的第一滑槽和第二滑槽，第一滑槽的走向垂直于第二滑槽的走向设置，施力球能够与第一滑槽或第二滑槽滑动配合。
26.一些实施例中，模拟箱靠近隧道模型两端的两侧板分别为钢化玻璃板，钢化玻璃板上设有刻度网格。
27.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，本技术实施例所示的方案，向第一断层板和第二断层板中填入断层料以配合土层模拟双断层结构，借助驱动模拟件对受力板的顶推作用模拟断层破碎带的错动或者海底地震时的作用场景，充水加压件使模拟箱内部压力增大以准确模仿海底隧道的受力状态，上述实验方法可精准地模拟隧道模型受断层与海水综合作用的使用场景，达到准确监测隧道模型受力状况的效果，有助于提高监测精度，可在实际施工过程中对隧道易破坏的位置进行预判，通过加固周围围岩，提前预修补等措施减少海水的渗漏，有助于解决隧道穿越断层时的失稳问题，提高了施工的安全性及经济性。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例提供的隧道穿越双断层的实验装置的主视剖视结构示意图；
30.图2为本发明实施例图1中ⅰ的局部放大结构示意图；
31.图3为本发明实施例图1中a-a的剖视结构示意图；
32.图4为本发明实施例图1的右视结构示意图；
33.图5为本发明实施例图1中受力板的仰视结构示意图；
34.图6为本发明实施例图5中b-b的剖视结构示意图
35.图7为本发明实施例图1中第一断层板壳、第二断层板壳以及隧道模型的俯视结构示意图；
36.图8为本发明实施例图7中c-c的剖视结构示意图。
37.其中，图中各附图标记：
38.1、模拟箱；11、密封顶板；12、受力板；121、密封条；13、滑动导轨；14、第一滑槽；15、第二滑槽；16、钢化玻璃板；2、隧道模型；21、密封环；31、第一断层板壳；32、第二断层板壳；4、驱动模拟件；41、施力球；5、充水加压件；51、储水装置；52、供水管；53、压力表；6、基础施力板；61、滑套；62、液压油缸；63、铰接杆。
具体实施方式
39.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者若干个该特征。在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
41.请一并参阅图1至图8，现对本发明提供的隧道穿越双断层的实验方法及实验装置进行说明。隧道穿越双断层的实验方法，包括以下步骤：
42.安装驱动模拟件4至模拟箱1的底部，并使驱动模拟件4顶撑于模拟箱1底部的受力板12上；
43.安装两个第一断层板壳31至模拟箱1内，填充土至模拟箱1的下部，并填充断层料至第一断层板壳31内，从土层中抽取拆除第一断层板壳31；
44.将安装有传感器的隧道模型2放置到土层上，并安装两个第二断层板壳32至隧道模型2的上部外周，向模拟箱1内填土至没过隧道模型2，并填充断层料至第二断层板壳32内，从土层中抽取拆除第二断层板壳32；
45.向模拟箱1内注水，并使水没过土层；
46.安装模拟箱1的密封顶板11，利用充水加压件5向模拟箱1内充水加压至预设压力；
47.启动驱动模拟件4，监测传感器的压力值。
48.本实施例提供的隧道穿越双断层的实验方法，与现有技术相比，本实施例提供的隧道穿越双断层的实验方法，向第一断层板壳31和第二断层板中填入断层料以配合土层模拟双断层结构，借助驱动模拟件4对受力板12的顶推作用模拟断层破碎带的错动或者海底地震时的作用场景，充水加压件5使模拟箱1内部压力增大以准确模仿海底隧道的受力状态，上述实验方法可精准地模拟隧道模型2受断层与海水综合作用的使用场景，达到准确监测隧道模型2受力状况的效果，有助于提高监测精度，可在实际施工过程中对隧道易破坏的位置进行预判，通过加固周围围岩，提前预修补等措施减少海水的渗漏，有助于解决隧道穿越断层时的失稳问题，提高了施工的安全性及经济性。
49.在一种可能的实现方式中，向模拟箱1内注水步骤后，向水中加入颜料以观察隧道模型2的渗漏情况及隧道模型2的衬砌围岩变形情况。在模拟箱1内填入土层并加水，使隧道模型2的使用环境满足海底承压的真实场景，此时隧道模型2的上部和下部均有土层，土层的上方分布有水层，向水中加入颜料，颜料可在水中扩散使水具有颜色，实验过程中可设定不同的工况，针对性的监测海水沿断层渗漏的情况，以及隧道模型2的渗漏情况及隧道模型2的衬砌围岩变形情况、渗水量的多少，具有颜色的水使得观测过程更为直观和便利。
50.在一种可能的实现方式中，安装驱动模拟件4至模拟箱1的底部步骤前，在驱动模拟件4的驱动端安装施力球41，在受力板12的底面上设置滑动导轨13，滑动导轨13上设有用于限位施力球41移动方向的第一滑槽14和第二滑槽15，第一滑槽14和第二滑槽15纵横交错设置。
51.由于受力板12在实验过程中受力板12的板面上不同点位的升降情况不同，对应的施力球41与受力板12的相对位置也会发生错动，为了真实客观的展示受力板12的位置变化、避免施力球41对上述错动造成干扰，在受力板12底面上设置了第一滑槽14和第二滑槽15，通过施力球41与第一滑槽14或第二滑槽15的滑动配合作用，配合受力板12进行不同角度的位置变化，真实模拟隧道模型2的受力状态，提高监测的精准度。
52.在一种可能的实现方式中，第一断层板壳31和第二断层板的倾角分别与预设角度相等，且第一断层板壳31和第二断层板上下对应设置。
53.向模拟箱1内填充土时，土质情况要与实际环境一致，根据实际地质勘探结果，将与实际环境配比一致的土填入模拟箱1中。设置在隧道模型2外周的第一断层板壳31和第二断层板壳32用于填充断层料以模拟土层内的双断层。断层料可根据实际情况选择细沙等强度较小的材质。第一断层板壳31和第二断层板壳32具有同样的倾斜角度，以使填充的断层料的角度与实际断层状态一致。在向模拟箱1中填土时，应保持第一断层板壳31和第二断层板壳32的倾角稳定。另外填土过程中，要保证填土充分，避免局部角点位置填土不足造成对监测结果的影响，实现了实际工况的有效模拟，提高了后续对隧道模型2监测的精准度，便于更为精确的预判施工处置措施。
54.在一种可能的实现方式中，安装模拟箱1的密封顶板11步骤后，检测模拟箱1的内部密封性。利用充水加压件5向模拟箱1内供入水，实现海水压力状态的有效模拟。由于上述充水加压过程与实际海水重力压力作用的条件不同，所以需要保证模拟箱1的整体密封性能，否则水的泄漏会造成压力值的减小，进而影响隧道模型2的承压状态。
55.具体的，模拟箱1的三个侧壁上设有相互连通的滑道，滑道在水平面上的投影为u型。密封顶板11的三个对应的侧边分别设有密封条121，密封顶板11的两相对侧边缘与滑道
滑动配合，当密封顶板11完全封堵于模拟箱1的上口时，密封顶板11远离闭合滑动方向的侧面上设置有能够贴合于模拟箱1外侧壁上的密封条121，保证密封顶板11与模拟箱1之间完全密封的状态，避免造成压力的泄漏。
56.在一种可能的实现方式中，安装驱动模拟件4至模拟箱1的底部步骤前，安装基础施力板6至模拟箱1的下方，再安装驱动模拟件4至基础施力板6上。
57.基础施力板6用于承托驱动模拟件4，驱动模拟件4采用液压缸或丝杠等能够提供轴向顶撑力的构件，基础施力板6位于初始位置时板面沿水平方向设置，此时驱动模拟件4对受力板12可施加向上的顶撑力。
58.当模拟地震等复杂地质状况时，受力板12受到的力则存在多个方向的可能，此时基础施力板6的板面发生位置变化，带动驱动模拟件4发生轴向位置的变动，进而使受力板12受到不同方向的力的作用，便于真实模拟各种不同地质状况下隧道模型2的受力状态。
59.对于基础施力板6的驱动可以在其下部不同位置设置多个起升件，对其进行顶升，使其发生板面位置变化。还可以在述模拟箱1底部的四个支腿上分别设置四个滑套61将基础施力板6设置在四个滑套61的中间位置，且利用铰接杆63连接基础施力板6的外周和四个滑套61。需要基础施力板6带动驱动模拟件4运动时，则利用液压油缸62驱动滑套61沿支腿上下移动，滑套61的上移量不同则基础施力板6的板面不同点位起伏状态不同(可使基础施力板6的板面与水平面之间产生一定夹角)，进而带动驱动模拟件4发生轴向位置的变化，实现对受力板12不同方向的力的驱动作用，便于准确模拟土层的受力状况，提高模拟以及监测的精准度。
60.进一步的，可设置控制器进行液压油缸62的驱动，通过预设程序模拟断层破碎带的错动或者海底地震时的作用场景，使监测结果与实际情境更为贴合，提高模拟的精准度。
61.另外，还可以将驱动模拟件4和基础施力板6替换为作动器，利用电脑设备输入地震波等参数，并将上述参数传输给作动器，控制作动器模拟断层破碎带的错动或者海底地震时的作用场景，保证良好的模拟效果，提高监测的精准度。
62.在一种可能的实现方式中，利用充水加压件5向模拟箱1内充水加压至预设压力步骤前，连接充水加压件5的供水管52至模拟箱1的进水嘴上，并利用锁定卡将供水管52锁定在进水嘴上。
63.为了提高充水加压件5向模拟箱1内充水加压的速度，既要保持模拟箱1内的密封，又要避免充水加压件5与模拟箱1之间连接位置的水的泄漏。在模拟箱1的密封顶板11上设置了进水嘴，便于快速连接供水管52，锁定卡的设置可以保证供水管52与进水嘴之间的密封性能，避免加水过程中出现水的泄漏，提高操作效率。
64.供水管52与储水装置51相连，通过水泵将水供入模拟箱1内，实现充水加压操作。供水管52上设有压力表53，用于实时监测模拟箱1内压力的大小，以调节充水加压件5的充水情况。
65.基于同一发明构思，请参阅图1至图8，本技术实施例还提供一种隧道穿越双断层实验装置，适用于上述隧道穿越双断层的实验方法，隧道穿越双断层实验装置包括模拟箱1、隧道模型2、两个第一断层板壳31、两个第二断层板壳32、驱动模拟件4以及充水加压件5；模拟箱1用于填充土层和水，模拟箱1的上口设有的密封顶板11、下口设有受力板12；隧道模型2设置于模拟箱1内，且与两端分别与模拟箱1相连，隧道模型2内设有若干个传感器；两个
第一断层板壳31分别沿上下方向贯通设置以容纳断层料，第一断层板壳31适于设置于隧道模型2的下部以成型下部断层；两个第二断层板壳32分别沿上下方向贯通设置以容纳断层料，第一断层板壳31适于设置于隧道模型2的外侧及上部以成型上部断层；驱动模拟件4设置于模拟箱1的下方，且位于两个第一断层板壳31之间，用于上下移动以带动受力板12升降；充水加压件5连接于密封顶板11上，用于向模拟箱1内充水加压。
66.设置在模拟箱1内的两组第一断层板壳31和第二断层板壳32能够配合形成双断层结构，利用驱动模拟件4对受力板12进行顶推，模拟断层破碎带的错动或者海底地震时的作用场景，充水加压件5向模拟箱1内加水实现加压作用，达到准确模仿海底隧道受力状态的效果，上述装置可精准地模拟隧道模型2受断层作用与海水作用的场景，实现隧道模型2受力状况的准确监测，有助于提高监测精度，便于预先进行补强处理，保证了施工的安全性，提高了施工的经济性。
67.模拟箱1的两相对侧壁上设有安装孔，用于安装隧道模型2，隧道模型2与安装孔的内壁之间设有密封环21，以保证二者之间的密封性能。
68.一些可能的实现方式中，参见图1、图4、图5和图6，为了便于对受力板12提供不同角度的力的作用，驱动模拟件4的驱动端设有施力球41，受力板12上设有滑动导轨13，滑动导轨13上设有开口向下、且适于容纳施力球41的第一滑槽14和第二滑槽15，第一滑槽14的走向垂直于第二滑槽15的走向设置，施力球41能够与第一滑槽14或第二滑槽15滑动配合。
69.由于受力板12在实验过程中受力板12面上不同点位的升降情况不同，对应的施力球41与受力板12的相对位置也会发生错动，为了真实客观的展示受力板12的位置变化、避免施力球41对上述错动造成干扰，在受力板12底面上设置了滑动导轨13，滑动导轨13上设置了纵横交错的第一滑槽14和第二滑槽15，便于施力球41与第一滑槽14或第二滑槽15的滑动配合作用，对受力板12的不同点位进行不同角度的力的施加，真实模拟隧道模型2的受力状态，提高监测的精准度。
70.一些实施例中，上述特征模拟箱1采用如图4所示结构。参见图4，模拟箱1靠近隧道模型2两端的两侧板分别为钢化玻璃板16，钢化玻璃板16上设有刻度网格。
71.为了便于观察模拟箱1内的变化情况，模拟箱1与隧道模型2两端相邻的两个侧板采用透明材质的钢化玻璃板16，可直观反映内部土层、水、围岩和衬砌结构的变化情况。钢化玻璃板16的结构强度抵抗模拟箱1内的压力状态。
72.钢化玻璃板16上的刻度网格便于观测模拟箱1内部衬砌和围岩的变形量大小。受力板12的外周包覆有一定厚度的密封条121，当受力板12发生位置变化时，密封条121能够紧密贴合在模拟箱1的内壁上，使受力板12与模拟箱1的内壁之间保持密封，避免水以及水的泄漏，保证模拟箱1内部状态的稳定。
73.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。