隧道环境模拟模型及方法与流程

1.本技术涉及隧道缩尺试验技术领域，特别是涉及一种隧道环境模拟模型及方法。


背景技术：

2.地铁联络通道是将枢纽内的车站与车站、车站与线路及线路与线路连接起来的隧道，能够保证枢纽车站区域具有及机动性，使线路之间、线路和车站之间形成必要的便捷和救援通道。在《地铁设计规范》(gb50157-2013)中明确要求紧邻的两联络通道距离应在600m以内。而根据地铁隧道设计经验，联络通道之间的距离常常控制在200m～400m之间。因此，可以确定地铁区间隧道内必将涉及导联络通道施工。
3.但是，在地铁联络通道施工过程中，其保护措施往往不如修建主隧道时完备。并且，由于联络通道处隧道断面突变，受力情况复杂，当联络通道修建在城市建筑密集、车流量大、来往行人多的区域，特别是隧道埋深较浅、地下水丰富的软弱土层时，易产生涌水塌方，稍有不慎就有可能引发连续性的灾害事故。联络通道的施工已然成为整个地铁建设的关键工序和风险控制点。
4.软弱富水地层包含土的种类较多。普遍工程性质相对较差，具有天然含水量大、渗透率低、承载能力低、可压缩性高、抗剪强度低、受施工扰动影响大等特点。现有地铁联络通道施工方法主要包括明挖法、注浆加固法、冷冻法、机械法等。但是，考虑到地况、地质、埋深、环保等因素，明挖法已经不能很好地协调施工需求和市民日常活动之间的平衡关系；考虑到隧道内空间尺寸和施工技术成熟度，机械法施工体系复杂并且受限于空间效应，在匹配施工需求和质量效益优化方面存在进步空间；考虑到地下水动态成因、地质条件和分布的复杂性，注浆加固法难以达到预期止水加固效果，容易出现漏水和漏沙问题；考虑到施工成本、规范性设计和土层施工后的时间效应，冷冻法现阶段依然存在过于依赖经验、施工主动控制保守和无法规避的冻涨融沉。
5.针对上述的现有技术中存在的地铁联络通道施工方法平衡度低、受限于空间效应、易产生渗漏及无法规避冻涨融沉等的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.本公开提供了一种隧道环境模拟模型及方法，以至少解决现有技术中存在的地铁联络通道施工方法平衡度低、受限于空间效应、易产生渗漏及无法规避冻涨融沉等的技术问题。
7.根据本技术的一个方面，提供了一种隧道环境模拟模型，与控制系统电连接，包括：
8.架体；
9.隧道模拟机构，可拆卸地设于所述架体内，且与所述架体密封连接；所述隧道模拟组件包括隧道模拟组件及填充在所述隧道模拟组件外围的土层组件；
10.气体输送机构，至少部分设置在所述架体内，并向所述土层组件、及所述土层组件
和架体形成的密封腔体内输送气体；
11.液体输送机构，与所述架体连通，以向所述土层组件内输送液体；以及
12.检测机构，设置在所述架体内，且自靠近所述隧道模拟机构的一侧向远离所述模拟隧道机构的一侧分布，以检测所述架体内的压强。
13.可选地，所述隧道模拟组件包括两个与所述架体密封连接的抵靠板、及连接两个所述抵靠板且与所述架体围设成腔体的钢丝网层；
14.所述架体上设置有孔洞及与所述孔洞对接以将所述孔洞密封的挡板，所述抵靠板与所述孔洞对接，以使得所述孔洞与所述腔体连通。
15.可选地，所述架体上设置有与所述密封腔体连通的连通部，所述连通部设置在所述架体远离所述隧道模拟机构的一侧；
16.所述气体输送机构包括气泵、与所述气泵对接的第一输送管及第二输送管，至少部分所述第一输送管穿过所述架体以设置在所述架体内，且位于所述钢丝网层和所述土层组件之间，所述第二输送管与所述连通部连通；
17.其中，位于所述架体内的第一输送管上设置有多个气口。
18.可选地，所述气体输送机构还包括连通所述气泵、第一输送管和第二输送管的换向阀。
19.可选地，所述土层组件外侧的架体上设置有接口部；
20.所述液体输送机构包括蠕动泵及连通所述蠕动泵和所述接口部的输液管。
21.可选地，于所述架体的高度方向上，所述隧道模拟组件设置于所述架体的底部。
22.可选地，所述架体包括围设成本体的四个侧板、与所述四个侧板固定连接的底板、与所述四个侧板可拆卸连接的顶板、及设置在所述顶板和所述四个侧板之间的密封件；
23.所述四个侧板的至少一个上设置有观察窗。
24.根据本技术的另一个方面，提供了一种隧道环境模拟方法，采用如上所述隧道环境模拟模型，包括：
25.向所述架体内充填气体；
26.将所述土层组件夯实填充于所述隧道模拟组件的外围，并启动所述液体输送机构，以向所述隧道模拟机构的土层组件内输送液体，以使得液体溶解所述土层组件内的气体，直至所述液体的液面高于所述土层组件的高度，关闭所述液体输送机构；
27.切换所述气体输送机构的气体输送方向，以向所述土层组件内输送气体，并监测所述检测机构的数据及所述隧道模拟组件内的渗水流量，直至所述气体输送机构的输出压力保持恒定。
28.可选地，所述方法还包括：
29.在监测到所述隧道模拟组件内有渗流水时，启动所述液体输送机构以补充流失的所述渗流水。
30.可选地，所述方法还包括：
31.在向所述架体内充填气体之前，需检测所述架体内的气密性，以保持所述架体内的密封性完好。
32.本公开的隧道模拟模型及方法，由于采用架体、设置在架体内隧道模拟机构、向架体内输送气体和液体的气体输送机构和液体输送机构、及检测架体内气压的检测机构来合
理模拟隧道环境和施工条件，其中，土层组件在架体内充填有气体时填充在隧道模拟组件的外围，并在土层组件填充过程中，启动液体输送机构向土层组件内输送液体以使得液体将土层组件内的气体溶解，直至土层组件填筑至预设高度且液体高于土层组件的上表面，然后再开启气体输送机构向架体内输送气体，直至输送气体机构的输出压力稳定，因此可验证“以气封水”在隧道施工中的可实施性，方便快捷。
33.根据下文结合附图对本技术的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
34.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
35.图1是根据本技术一个实施例的隧道环境模拟模型的结构示意图；
36.图2是图1所示的架体的爆炸示意图；
37.图3是图1所示的连接顶板与四个侧板的连接机构的结构示意图；
38.图4是图1所示的顶板的结构示意图；
39.图5是图1所示的右侧板的部分结构示意图；
40.图6是图1所示的右侧板的另一部分结构示意图；
41.图7是图1所示的前侧板的部分结构示意图；
42.图8是图1所示的底板的部分结构示意图；
43.图9是图2所示的隧道模拟组件的结构示意图；
44.图10是图1所示的气体输送机构的部分结构示意图；
45.图11是图1所示的液体输送机构的结构示意图；
46.图12是本技术的隧道环境模拟模型的检测机构的分布示意图；
47.图13是本技术的隧道环境模拟模型的检测机构的另一分布示意图；
48.图14是根据本技术一个实施例的隧道环境模拟方法的流程图。
具体实施方式
49.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
50.为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
51.需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的
过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
52.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
53.图1是根据本技术一个实施例的隧道环境模拟模型的结构示意图。隧道环境模拟模型与控制系统电连接，以便于通过操作控制系统控制隧道环境模拟模型的启闭和监测隧道环境模拟模型的运行参数。
54.其中，结合图11，控制系统包括动力控制柜、水压计7、气压计6、数据采集仪、a/d转换电路及pc/plc，各个部件之间电性连接，以共同构成数据监控网络。
55.本技术的对到环境模拟模型至少包括架体1、隧道模拟机构、气体输送机构2、液体输送机构3及检测机构8，水压计7与液体护送机构连接以检测所输送的水的压强，气压计6与气体输送机构2连接以检测所输送的气体压强。
56.隧道模拟机构可拆卸地设置于架体1内，至少部分气体输送机构2设置在架体1内，并向架体1内输送气体，液体输送机构3与架体1连通以向架体1内输送液体，而检测机构8则设置在架体1内，且自靠近隧道模拟机构的一侧向远离模拟隧道机构的一侧分布，以检测架体1内的压强。
57.图2是图1中所示的隧道环境模拟模型的架体1的结构示意图。具体的，架体1包括围设成本体的四个侧板、与四个侧板固定连接的底板12、及与四个侧板可拆卸连接的顶板11。在本实施例中，四个侧板、底板12和顶板11皆采用方形钢管焊接呈网格钢架后，再同钢板焊接为一体，以使得架体1能够承受试验所设定的压强工况。在其他实施例中，侧板、底板12和顶板11的制作材料也可为其他，例如多个工字钢焊接后再与钢板焊接等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
58.为了更好的区分四个侧板，该是个侧板被分别称为左侧板14、右侧板13、前侧板15及后侧板16，其中，左侧板14和右侧板13为相对设置且结构相同的两个侧板，前侧板15和右侧板13为相对设置且结构大致相同的两个侧板。
59.呈上述，四个侧板与底板12之间固定连接。因此，在本实施例中，左侧板14、右侧板13、前侧板15、后侧板16及底板12之间皆通过焊接形成一体。同时，顶板11与四个侧板之间可拆卸连接，因此，顶板11与四个侧板之间采用连接机构5实现连接。
60.请结合图3，在本实施例中，连接机构5包括设置在顶板11和侧板的其中一个上的拉紧夹具51、及设置在顶板11和侧板的另一个上的拉紧夹具钩52，拉紧夹具51和拉紧夹具钩52相互配合以实现锁紧。在其他实施例中，连接机构5也可为其他，例如卡槽和卡块的配合，只需实现锁紧的目的即可，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
61.并且，为了保证顶板11与四个侧板之间的密封性，架体1还包括设置在顶板11和四个侧板之间的密封件，该密封件用以放置气体和液体自顶板11和四个侧板之间的缝隙中进入至架体1内或流出至架体1外。在本实施例中，该密封件为密封条。
62.请结合图4，顶板11上还设置有吊耳111，吊耳111与起吊机构对接配合，以将顶板11吊起，从而将隧道模拟机构安装与架体1内，或将隧道模拟机构从架体1内拆卸。
63.为了能够密切观察架体1内部情况，四个侧板的至少一个上设置有观察窗，用于观察顶板11与四个侧板之间密封连接后，试验实施过程中架体1内部的情况。在本实施例中，该观察窗设置有一个，且设置在前侧板15上。因此，前侧板15与后侧板16之间的结构略有差别，其余结构相同。在其他实施例中，观察窗的个数也可为二个、三个或四个，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
64.其中，观察窗为透明玻璃，透明玻璃通过紧固件与前侧板15固定连接，同时玻璃与前侧板15之间设置有密封胶圈以保证架体1内的密封性。
65.底板12的尺寸长度大于顶板11的尺寸长度。这样设置的目的在于：便于放置部分气体输送机构2和液体输送机构3，以使得隧道环境模拟模型整体的结构更为紧凑。
66.请结合图5，并且，底板12的下边焊接有多个均匀分布的支撑脚121，用于支撑隧道环境模拟模型摆放在试验场地。同时，支撑脚121将底板12与地面之间分离，可为叉车、货叉将隧道环境模拟模型乘梯移运时提供空间。
67.,9是图1所示的隧道环境模拟模型的隧道模拟机构的示意性结构图。隧道模拟机构可拆卸地设于所述架体1内，以便于在试验开始之前，验证架体1内部的密封性是否完好。因此，当隧道模拟机构安装于架体1内时，其与架体1密封连接。
68.在本实施例中，于架体1的高度方向上，隧道模拟组件设置于架体1的底部。这样设置的目的在于：以便于更好的验证试验中在调试各参数的时候，隧道模拟组件内部渗漏水的情况。
69.隧道模拟组件包括隧道模拟组件及填充在隧道模拟组件外围的土层组件，土层组件填充于隧道模拟组件的外围时，需要完全夯实，以贴合实际图层情况。
70.隧道模拟组件包括两个与架体1密封连接的抵靠板41、及连接两个抵靠板41且与架体1围设成腔体43的钢丝网层42，钢丝网层42包括钢丝网，钢丝网与两个抵靠板41焊接呈一个整体。
71.钢丝网层42还包括与钢丝网层42浇注的水泥浆液或膨润土，以模拟注浆层，从而承载上覆的水土压力。在本实施例中，该注浆层的厚度为40mm。在其他实施例中，注浆层的厚度也可为其他，例如50mm等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
72.请结合图7，在试验前或试验过程中，会存在液体经过注浆层渗漏至隧道内的情况。因此，架体1上设置有孔洞及与孔洞对接以将孔洞密封的挡板151，抵靠板41与孔洞对接，以使得孔洞与腔体43连通。将挡板151打开以使得腔体43内的液体能够流出至架体1外。
73.抵靠板41的半圆内弧与孔洞重合，进而使得孔洞与腔体43密封连通。挡板151与架体1之间也通过紧固件153实现连接，该连接件153为螺纹杆及与螺纹杆螺啮合的螺母。
74.挡板15上还设置有通孔152，该通孔152为检测机构接口，以使得设置在腔体43内的检测机构闯过通孔152能够与控制系统电性连接。
75.挡板151与孔洞之间还设置有半圆密封胶圈，以存留试验过程中土样渗流至腔体43内的孔隙水。
76.挡板151下方距离底板12一个钢板厚度(10mm)的位置处，还设置阀门接口以连接阀门154，用于试验完成后的装置排水。
77.图10是图1所示的隧道环境模拟模型的气体输送机构2的部分结构图。再具体结合图1，气体输送机构2包括气泵23、与气泵23对接的第一输送管21及第二输送管22。在本实施
例中，至少部分第一输送管21穿过架体1以设置在架体1内，且位于钢丝网层42和土层组件之间，以向土层组件内输送气体。
78.其中，位于架体1内的第一输送管21上设置有多个气口。多个气口均匀分布在第一输送管21上，并且，多个气口沿第一输送管21的长度方向分布。相应的，架体1上穿越填料函接头，第一输送管21与填料函接头对接。
79.在本实施例中，第一输送管21设置有多个，多个第一输送管21均匀分布在隧道模拟组件的外围。为了将气泵23输出的气体均匀输送至多个第一输送管21内，气体输送机构2还包括连接气泵23和多个第一输送管21的气体分流器。气压计6与气体分流器连接，以实时检测所输送的气体的压强。
80.第二输送管22则与架体1连通。具体的，架体1上设置有与密封腔体连通的连通部131，连通部131设置在架体1远离隧道模拟机构的一侧；第二输送管22与连通部131连通。
81.气体输送机构2还包括连通气泵23、第一输送管21和第二输送管22的换向阀25，该换向阀25将气泵23输出的气体换向输入至第一输送管21或第二输送管22内。
82.在本实施例中，气泵23所输送的气体为二氧化碳。
83.图11是图1所示的隧道环境模拟模型的液体输送机构3的示意性结构图。液体输送机构3包括蠕动泵31及与蠕动泵31连接的输液管32。
84.在本实施例中，蠕动泵31设置在底座上。并且，架体1上设置有接口部132，该接口部132设置在左侧板14和右侧板13上，输液管32的另一端连接接口部132。其中，接口部132设置在土层组件外围的机体上，以使得液体输送机构3将液体输送至土层组件内。
85.水压计7设置在输送管上，以实时检测所输送的液体的压强。
86.图12是图1所示的隧道环境模拟模型的检测机构8的分布示意图。检测机构8包括多个检测件，该检测件用以检测架体1内的压强，故，在本实施例中，检测件为压强传感器81。
87.请结合图13，在本实施例中，压强传感器81可布置在注浆层横截面的拱脚、拱肩及拱顶5个方位上。为了监测土层组件厚度方向上的物理状态变化情况，压强传感器81位置参考4-4测点布置图。为了监测隧道模拟组件长度方向上的土层组件的物理状态变化情况，压强传感器81位置参考1-1、2-2和3-3测点布置图。因为试验装置较为对称，因此压强传感器81集中布置在隧道环境模拟模型整体的1/4空间。压强传感器81靠近隧道模拟组件布置时会相对密集。
88.综上所述：通过采用架体1、设置在架体1内隧道模拟机构、向架体1内输送气体和液体的气体输送机构2和液体输送机构3、及检测架体1内气压的检测机构8来合理模拟隧道环境和施工条件，其中，土层组件在架体1内充填有气体时填充在隧道模拟组件的外围，并在土层组件填充过程中，启动液体输送机构3向土层组件内输送液体以使得液体将土层组件内的气体溶解，直至土层组件填筑至预设高度且液体高于土层组件的上表面，然后再开启气体输送机构2向架体1内输送气体，直至输送气体机构的输出压力稳定，因此可验证“以气封水”的可实施性，方便快捷。
89.图14是根据本技术一个实施例的隧道环境模拟方法的流程图。具体的，本技术中的一种隧道环境模拟方法，至少包括：
90.步骤1401，向架体1内充填气体。在该步骤中，应该视为隧道模拟组件与架体1密封
组装完成，土层组件还未设置，此时的架体1内为架体1内除却隧道模拟组件背部之外的全部容置空间。
91.步骤1402，将土层组件夯实填充于隧道模拟组件的外围，并启动液体输送机构3，以向隧道模拟机构的土层组件内输送液体，以使得液体溶解土层组件内的气体，直至液体的液面高于土层组件的高度，关闭液体输送机构3。
92.具体的，土层组件在制备过程中，需依次开启气体输送机构2，以向架体1内充填气体，并填入10cm厚度的图样。夯实土样后，开启液体输送组件，由下至上注水，以使得液体最大限度的充填土样颗粒之间的空隙。重复上述步骤，直至土样填筑至预设高度。
93.继续输送液体，以使得液体的液面高于土层组件后，将顶板11与四个侧板密封盖合。
94.步骤1403，切换气体输送机构2方向，以向土层组件内输送气体，并监测检测机构8的数据及隧道模拟组件内的渗水流量，直至气体输送机构2的输出压力保持恒定。
95.其中，在向土层组件内输送气体时，应保持缓慢线性或阶梯加载气压工况，维持气泵23输出压力恒定。在监测到隧道模拟组件内有渗流水时，启动液体输送机构3以补充流失的渗流水。
96.当隧道模拟组件内部的渗流水的水量、压力传感器、水压计7和气压计6的数据稳定后且持续一端时间，重复上述步骤，以进行下一个气压工况的加载。
97.在多次工况循环后，在观察到土层组件的结构被气体击穿后终止试验，以分析实验数据。
98.值得注意的是，在向架体1内充填气体之前，需检测架体1内的气密性，以保持架体1内的密封性完好。
99.检测方法可包括：将架体1上的孔洞封堵完毕，并将顶板11与侧板之间密封盖合后，向架体1内输送气体，并在架体1内的气压达到预设值后关闭气体输送机构2。监测架体1内部气压内部变化情况，若在一段时间内(30min)后气压稳定，则表示架体1内的气密性良好，以进行下一步试验。若气压不稳定，则表示存在气体泄露情况。借助肥皂液检测泄漏位置，修复泄漏点，继续重复气密性检测步骤，合格后方可进行下一步试验。
100.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
101.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下
方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
102.在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
103.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。