一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置及方法

本发明涉及一种模拟试验装置，具体为一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置及方法，属于盾构隧道模拟试验。

背景技术：

1、纵坡盾构隧道在工程建设中十分常见，而盾构隧道突涌致灾一直是城市地铁建设和运营期间的一大难题。亟需研发相关模拟试验装置，用以研究突涌致灾机理，从而对盾构隧道突涌灾害进行防控。现有相关技术数量稀少，与本发明相关的主要是如下两个：

2、现有技术中，公告号为cn 219266282u的专利公开了一种可用于离心机试验的盾构隧道突涌致灾模拟装置，其中与本发明相关的核心技术是：采用带流失缝的圆环来模拟渗漏管片，通过拼接流失缝圆环来模拟管片上不同尺寸的突涌口，通过模拟试验前调整流失缝的位置来模拟不同位置的突涌口。该技术的缺陷是：拼接流失缝形成的突涌口尺寸、位置是固定的，无法在试验中调节大小，且突涌口的尺寸、位置无法在试验中快速准确读取；该专利模拟的是水平盾构隧道，坡度不可调。

3、公开号为cn117347088a的专利公开了一种用于模拟纵坡盾构隧道掘进试验的装置，其中与本发明相关的核心技术是：在模拟盾构隧道内部安装了坡度调节装置，可调整和读取隧道坡度。该技术的缺陷是：不具备本发明所想要实现的突涌致灾模拟功能，且坡度调节装置较为复杂，且位于隧道内部，如果借鉴该坡度调节装置，反而会影响突涌致灾模拟过程，因此必须研发新的坡度调节装置。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决现有的盾构隧道突涌致灾模拟试验技术无法模拟多种形状的突涌口，突涌口大小和位置在试验过程中无法改变以及现有的盾构隧道突涌致灾模拟试验装置无法改变隧道坡度问题而提供一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置及方法。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，包括试验箱和盾构隧道模型，试验箱的一侧面开设有圆形口，试验箱所开设的圆形口的内侧放置有盾构隧道模型，试验箱所开设的圆形口的外侧设置有滚轮面板，且滚轮面板上开设有齿条；

3、盾构隧道模型的前端连接有内端头，内端头上套设有外接头，外接头的表面设有角度刻度，内端头与外接头分别卡放在试验箱所开设圆形口的内外侧，盾构隧道模型由管片模型构成，管片模型被孔环组件分成两部分，且管片模型的两部分通过凹凸榫的方式与孔环组件相连，管片模型远离内端头的部分内表面连接有匚形的坡度调节杆。

4、作为本发明再进一步的方案：管片模型与内端头之间设置有弹性橡胶环，管片模型与内端头的连接处还设置有连接件和转轴，连接件的一端与管片模型的外壁两侧一体化固定连接，连接件的另一端通过转轴与内端头的两侧相连接，内端头一端的直径超过试验箱面板上的圆形口直径，内端头另一端带有螺纹并伸出圆形口，且内端头的另一端与外接头通过螺纹连接固定。

5、作为本发明再进一步的方案：管片模型位于试验箱内部的一端加盖封闭。

6、作为本发明再进一步的方案：管片模型的分开部位分别开设有一个管片螺纹孔，且管片螺纹孔内螺纹旋入的螺钉位于管片模型与孔环组件的对接处。

7、作为本发明再进一步的方案：孔环组件包括方孔环，方孔环的环身上开设有方孔，方孔环的环内插有方孔拉伸杆，且方孔拉伸杆穿过方孔，方孔内安放有软橡胶塞和压板，压板位于软橡胶塞的一侧，且压板与方孔拉伸杆相连接，方孔拉伸杆的杆身上还开设有突涌孔。

8、作为本发明再进一步的方案：方孔拉伸杆的杆身上表面开设有方孔尺寸刻度，且方孔拉伸杆的杆身上还开设有方孔固定孔，且方孔固定孔内开设有螺纹。

9、作为本发明再进一步的方案：孔环组件还包括圆孔环，上圆孔环的环身上开设有圆形开口，圆孔环的环内插有圆孔拉伸杆，圆孔环靠近盾构隧道模型里端的一侧为齿条形，圆形开口内设置有由固定环、虹膜瓣和驱动齿轮组成的类虹膜结构，固定环用以固定虹膜瓣的一端和连接驱动齿轮，固定环和驱动齿轮能相对转动，圆孔拉伸杆上的齿条与驱动齿轮啮合。

10、作为本发明再进一步的方案：圆孔拉伸杆的杆身上表面开设有圆孔尺寸刻度，圆孔拉伸杆上还开设有圆孔固定孔，且圆孔固定孔内开设有螺纹。

11、作为本发明再进一步的方案：坡度调节杆垂直于隧道模型轴线的部分带有坡度固定螺纹孔和坡度调节齿轮，坡度调节齿轮与滚轮面板上的齿条啮合，坡度调节杆平行于隧道模型轴线的部分带有角度仪。

12、一种纵坡盾构隧道突涌致灾的模拟试验方法，包括纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，该模拟试验方法包括以下步骤：

13、s1、确定所需模拟的突涌口是方形还是圆形，由此选用方孔环或圆孔环，组装盾构隧道模型。

14、s2、将盾构隧道模型通过内端头穿过试验箱，并与外接头旋紧，从而连接盾构隧道模型与试验箱，结合外接头上的角度刻度，调节并固定突涌口在隧道圆周内的位置，滚动坡度调节齿轮并结合角度仪，达到所需坡度并固定该坡度。

15、s3、确定突涌口的大小，拉动方孔拉伸杆或圆孔拉伸杆，结合其上方孔尺寸刻度或圆孔尺寸刻度，使突涌口尺寸达到所需大小并固定，从而开展后续试验；或在试验过程中拉动方孔拉伸杆或圆孔拉伸杆，模拟管片突涌口不断扩大的过程，观察突涌致灾的试验情况。

16、本发明的有益效果是：

17、1）确定所需模拟的突涌口是方形还是圆形，由此选用方孔环或圆孔环构成的孔环组件，组装盾构隧道模型，可以模拟方形突涌口、圆形突涌口，同时孔环组件可沿盾构隧道模型圆周旋转，配合外端头上的角度刻度，使突涌口处于所需位置，且可以快速读出突涌口所在位置的角度；

18、2）对于方孔环，设置有方孔拉伸杆，通过拉动方孔拉伸杆，带动压板压缩软橡胶塞，使方孔和突涌孔贯通形成突涌口，从而使土层突涌至盾构隧道模型内，随着方孔拉伸杆的拉动，可以改变突涌口的大小；

19、3）对于圆孔环，设置有圆孔拉伸杆，以及由固定环、虹膜瓣和驱动齿轮组成的类虹膜结构，通过拉动圆孔拉伸杆带动驱动齿轮转动，从而驱动虹膜瓣张开或闭合，由此来改变圆孔的大小，即突涌口的大小；

20、4）通过设置有拉伸杆，可以在试验中实现突涌口尺寸的渐变式变化，从而模拟实际工况中突涌口不断扩大的过程；或通过拉动拉伸杆使突涌口达到所需大小，并保持该尺寸，开展突涌口大小固定情况下的试验；且可以通过拉伸杆上的刻度快速读出突涌口尺寸大小

21、5）通过设置有坡度调节杆，模拟突涌的盾构隧道模型可以调整坡度，并能快速准确读取坡度，用以模拟实际工况中不同纵坡的盾构隧道。

技术特征：

1.一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，包括试验箱（1）和盾构隧道模型，其特征在于：所述试验箱（1）的一侧面开设有圆形口，所述试验箱（1）所开设的圆形口的内侧放置有盾构隧道模型，所述试验箱（1）所开设的圆形口的外侧设置有滚轮面板（15），且所述滚轮面板（15）上开设有齿条；

2.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述管片模型（2）与内端头（9）之间设置有弹性橡胶环（8），所述管片模型（2）与内端头（9）的连接处还设置有连接件（6）和转轴（7），所述连接件（6）的一端与管片模型（2）的外壁两侧一体化固定连接，所述连接件（6）的另一端通过转轴（7）与内端头（9）的两侧相连接，所述内端头（9）一端的直径超过试验箱（1）面板上的圆形口直径，所述内端头（9）另一端带有螺纹并伸出圆形口，且所述内端头（9）的另一端与外接头（10）通过螺纹连接固定。

3.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述管片模型（2）位于试验箱（1）内部的一端加盖封闭。

4.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述管片模型（2）的分开部位分别开设有一个管片螺纹孔（3），且所述管片螺纹孔（3）内螺纹旋入的螺钉位于管片模型（2）与孔环组件的对接处。

5.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述孔环组件包括方孔环（4），所述方孔环（4）的环身上开设有方孔（45），所述方孔环（4）的环内插有方孔拉伸杆（41），且所述方孔拉伸杆（41）穿过方孔（45），所述方孔（45）内安放有软橡胶塞（43）和压板（44），所述压板（44）位于软橡胶塞（43）的一侧，且所述压板（44）与方孔拉伸杆（41）相连接，所述方孔拉伸杆（41）的杆身上还开设有突涌孔（46）。

6.根据权利要求5所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述方孔拉伸杆（41）的杆身上表面开设有方孔尺寸刻度（47），且所述方孔拉伸杆（41）的杆身上还开设有方孔固定孔（42），且所述方孔固定孔（42）内开设有螺纹。

7.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述孔环组件还包括圆孔环（5），所述上圆孔环（5）的环身上开设有圆形开口（56），所述圆孔环（5）的环内插有圆孔拉伸杆（51），所述圆孔环（5）靠近盾构隧道模型里端的一侧为齿条形，所述圆形开口（56）内设置有由固定环（53）、虹膜瓣（55）和驱动齿轮（54）组成的类虹膜结构，所述固定环（53）用以固定虹膜瓣（55）的一端和连接驱动齿轮（54），所述固定环（53）和驱动齿轮（54）能相对转动，所述圆孔拉伸杆（51）上的齿条与驱动齿轮（54）啮合。

8.根据权利要求7所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述圆孔拉伸杆（51）的杆身上表面开设有圆孔尺寸刻度（57），所述圆孔拉伸杆（51）上还开设有圆孔固定孔（52），且所述圆孔固定孔（52）内开设有螺纹。

9.根据权利要求1所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述坡度调节杆（12）垂直于隧道模型轴线的部分带有坡度固定螺纹孔（13）和坡度调节齿轮（14），所述坡度调节齿轮（14）与滚轮面板（15）上的齿条啮合，所述坡度调节杆（12）平行于隧道模型轴线的部分带有角度仪（11）。

10.一种纵坡盾构隧道突涌致灾的模拟试验方法，包括权利要求1至权利要求任一项9所述的一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置，其特征在于：所述模拟试验方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种纵坡盾构隧道突涌致灾模拟试验装置及方法，包括试验箱和盾构隧道模型。本发明通过设置有方孔环和圆孔环构成的孔环组件，可以模拟方形突涌口、圆形突涌口，并且对于方孔环和圆孔环，分别设置有方孔拉伸杆和圆孔拉伸杆，模拟实际工况中突涌口大小的变化，能在试验中实现突涌口渐变式变化，即突涌口大小、位置可调，且能快速准确读取突涌口尺寸、位置等信息，通过设置有坡度调节杆，模拟突涌的盾构隧道模型可以调整坡度，并能快速准确读取坡度，用以模拟实际工况中不同纵坡的盾构隧道。

技术研发人员：梁宸,王迎超,郭崟,郑顺华,王英超,左亚鹏,何泉江,顾佳伟
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9