一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置及方法

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体为一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置及方法。


背景技术：

2.随着我国交通网络建设的进一步深化，近年来，在建隧道的数量迅猛增长，且隧道长度及深度也在不断增加。通常隧道施工环境是相对封闭的状态，隧道内空气质量及温湿度等环境因素的变化时刻影响施工人员的身心健康，尤其当隧道穿越储气层时，大量有害气体(如：so2，h2s，co等)涌入隧道，严重威胁现场施工人员的生命安全。
3.通常地层中的岩土体均处于一定的应力场中，同时，对于深部岩土体多伴有较高温度场，隧道开挖过程中岩层气体随裂隙在应力及温度影响下向隧道空间运移。针对不同裂隙特征及环境影响，裂隙岩体中气体运移规律主要有达西流动与非达西流动两种。不同渗流模型其换热过程也不尽相同，不同类型气体受换热影响运移规律也会产生显著差异。尤其对于水溶性气体，其溶解度受温度影响明显，因此，高温高湿环境下其在岩层-隧道内的运移规律也更为复杂。
4.公开号为cn212027767u提供的一种孔内可视性气体检测装置，此现有技术通过抽取孔内气体，通过综合检测分析工作面超前段(钻孔深度)范围内的气体的种类以及混合后的平均气体浓度，但是无法反映隧道开挖卸荷及高地温耦合影响下有害气体自岩层内向隧道空间的宏观运移规律。现有模型试验虽然考虑了不同温度及压力条件下隧道内有害气体的运移，但是气体种类相对单一，且未考虑水溶性有害气体在高湿高温环境条件下的运移及释放规律。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，包括试验箱，所述试验箱上设有用于施加应地压力的加压板，其中：
8.所述试验装置还包括水蒸气生产组件，其中水蒸气生产组件与混合罐连通，混合罐的内部设有加热电阻丝，而混合罐还与有害气体储存罐连通，试验箱内布置有进气板，其中进气板与混合罐连通，那么进入进气板的蒸汽和有害气体混合物能够在试验箱内扩散，试验箱内部还布置有传感器组件。
9.优选的，所述水蒸气生产组件由储水罐和电加热板组成，其中储水罐与混合罐连通，电加热板与储水罐接触并对储水罐进行加热。
10.优选的，所述进气板内部为空腔结构的薄壁空心板，其中进气板上设有通气孔，进
气板通过连通管与混合罐连通。
11.优选的，所述传感器组件由有害气体检测传感器、温度传感器和湿度传感器组成。
12.优选的，所述试验箱呈敞开状的顶部设有橡胶垫，其中加压板作用于橡胶垫上。
13.优选的，所述试验装置还包括废气收集系统，其中废气收集系统由与试验箱连通的废气收集罐和风机组成。
14.优选的，所述试验箱内还设有制冷棒和电加热组件。
15.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验方法，包括以下步骤：
16.s1，在试验箱内分层分部填筑岩土材料，首先填筑掌子面前方裂隙发育区岩土体，填筑过程中在预定裂隙位置放置高透气性的进气板，进气板可根据预制裂隙形式加工成任意形状，以保证裂隙在模型制作过程中始终保持贯通状态，接着填筑隧道位置岩土体，并安装隧道内害气体检测传感器、温度传感器和湿度传感器；
17.s2，隧道模型筑造完成之后在试验箱的顶部盖上橡胶垫，并将混合罐与连通管连通、制冷棒插至巷道、废气收集罐和风机与试验箱连通；
18.s3，启动加压板至预定压力，并保持加压板伺服状态，以完成不同地应力条件的模拟；
19.s4，向模型箱内电加热组件通电，并调整隧道内制冷棒至预设温度，监测模型岩体温度与隧道内温度变化，直至稳定且达到设计温度；
20.s5，打开有害气体储存罐的阀门，加热储水罐，通过真空泵输送有害气体及水蒸气进入混合罐内，接通混合罐内加热电阻丝，直至达到预定压强、温度及湿度；
21.s6，打开混合罐与连通管之间的阀门以及废气收集罐与试验箱的阀门，记录隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐中有害气体浓度及温湿度随时间的变化数据，完成有害气体隧道内渗流试验的数据采集；
22.s7，打开风机，记录通风后隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐排出量及温湿度变化数据，完成隧道通风效果测试；
23.s8，试验完成后，关闭有害气体储存罐阀门和混合罐与连通管之间的阀门，那么风机向封闭状态下的试验箱通入正压，即可将试验箱内的气体压出，进而试验箱内有害气体至废气收集罐，直至监测浓度符合相关标准。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)通过有害气体与水蒸气混合，实现了对隧道掌子面裂隙岩体水-气-热-力四相耦合的渗流模型试验，可通过控制不同气体类型、渗流压力、环境湿度、围岩隧道空间温度来模拟复杂条件下隧道内水、气运移，进而探究高温高地应力复杂地质条件下水、气渗流传热规律。
26.(2)本发明中岩土体裂隙通过高透气性进气板预制，克服了以往分层填筑方法预制裂隙无法控制裂隙渗透效果的缺陷，同时也克服了预制板制作裂隙中存在的岩土体固结后预制板不易拔出，且拔出过程易对岩土体造成扰动等问题。此外，该方法还可制作常规方法无法完成的内置裂隙，丰富了模型试验预制裂隙类型，提高了裂隙制作精度。
附图说明
27.图1为本发明整体结构的示意图；
28.图2为本发明中进气板的三维示意图；
29.图中：1试验箱、2加压板、3储水罐、4电加热板、5混合罐、6加热电阻丝、7有害气体储存罐、8进气板、9制冷棒、100害气体检测传感器、101温度传感器、102湿度传感器、103废气收集罐、104风机、11橡胶垫、81连通管、82通气孔。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
31.实施例：
32.请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：
33.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，包括试验箱1，其中：
34.试验装置还包括水蒸气生产组件，其中水蒸气生产组件与混合罐5连通，进而通过水蒸气生产组件产生的水蒸气会进入混合罐5，混合罐5的内部设有加热电阻丝6，而混合罐5还与有害气体储存罐7连通，那么有害气体与水蒸气会在混合罐5聚集并且由加热电阻丝6加热至实验所需温度梯度，试验箱1内布置有进气板8，进气板8内部为空腔结构的薄壁空心板，其中进气板8上设有通气孔82，进气板8通过连通管81与混合罐5连通，那么进入进气板8的蒸汽和有害气体混合物能够在试验箱1内迅速扩散，并且进气板8也能作为构建裂隙发育区的介质，便于实验模型的构建，以及进气板8具备弹性形变的能力，试验箱1内部还布置有传感器组件，传感器组件由有害气体检测传感器100、温度传感器101和湿度传感器102组成，用于检测试验箱1内部的有害气体含量、温度以及湿度。
35.作为优选的实施例，水蒸气生产组件由储水罐3和电加热板4组成，其中储水罐3与混合罐5连通，电加热板4与储水罐3接触并对储水罐3进行加热，其中储水罐3用于储存液体，而电加热板4持续加热就能将储水罐3内的液体转换成蒸汽，进而通入混合罐5。
36.作为优选的实施例，试验箱1呈敞开状的顶部设有橡胶垫11，其中加压板2作用于橡胶垫11上，而加压板2能够在竖直方向上对试验箱1内的围岩施加压力，进而构建不同的应力，而橡胶垫11的设置能够保证试验箱1敞口部分的密封，而加压板2则由加压装置驱动。
37.作为优选的实施例，为了便于构建岩土实验模型，因此试验箱1可由箱板相互对接组成。
38.作为优选的实施例，试验装置还包括废气收集系统，其中废气收集系统由与试验箱1连通的废气收集罐103和风机104组成。
39.作为优选的实施例，试验箱1内还设有制冷棒9和电加热组件，进而对试验箱1内部的实验温度进行调控，实现多种温度梯度的实验条件。
40.作为优选的实施例，混合罐5和害气体储存罐7之间、储水罐3和混合罐5之间、混合罐5和连通管81之间、废气收集罐103和试验箱1之间、风机104与试验箱1之间均设有阀门，进而通过开关阀门实现上述连通状态的通断。
41.作为优选的实施例，在实验的过程中需要分析废气收集罐103内收集的气体，由于废气收集罐103内的气体不需要实时检测，因此可以间隔的从废气收集罐103内抽出气体检
测，或者在废气收集罐103内布置有害气体检测传感器100、温度传感器101和湿度传感器102进行实时检测，上述两种检测方案是根据具体实验需求进行选择的。
42.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验方法，包括以下步骤：
43.s1，在试验箱1内分层分部填筑岩土材料，首先填筑掌子面前方裂隙发育区岩土体，填筑过程中在预定裂隙位置放置高透气性的进气板8，进气板8可根据预制裂隙形式加工成任意形状，以保证裂隙在模型制作过程中始终保持贯通状态，接着填筑隧道位置岩土体，并安装隧道内害气体检测传感器100、温度传感器101和湿度传感器102；
44.s2，隧道模型筑造完成之后在试验箱1的顶部盖上橡胶垫11，并将混合罐5与连通管81连通、制冷棒9插至巷道、废气收集罐103和风机104与试验箱1连通，其中各连通部件之间均为密封连接，放置气体出现泄漏的情况；
45.s3，启动加压装置，那么加压板2至预定压力，并保持加压板2伺服状态，以完成不同地应力条件的模拟；
46.s4，向模型箱内电加热组件通电，并调整隧道内制冷棒9至预设温度，监测模型岩体温度与隧道内温度变化，直至稳定且达到设计温度；
47.s5，打开有害气体储存罐7的阀门，加热储水罐3，通过真空泵输送有害气体及水蒸气进入混合罐5内，接通混合罐5内加热电阻丝6，直至达到预定压强、温度及湿度；
48.s6，打开混合罐5与连通管81之间的阀门以及废气收集罐103与试验箱1之间的阀门，记录隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐103中有害气体浓度及温湿度随时间的变化数据，完成有害气体隧道内渗流试验的数据采集，由于有害气体和水蒸气通过进气板8扩散，进而气体快速的扩散至实验围岩的各个位置，加速了实验进程；
49.s7，打开风机104，记录通风后隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐103排出量及温湿度变化数据，完成隧道通风效果测试；
50.s8，试验完成后，关闭有害气体储存罐7阀门和混合罐5与连通管81之间的阀门，那么风机104向封闭状态下的试验箱1通入正压，即可将试验箱1内的气体压出，进而试验箱1内有害气体至废气收集罐103，直至监测浓度符合相关标准。
51.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，包括试验箱(1)，所述试验箱(1)上设有用于施加应地压力的加压板(2)，其特征在于：所述试验装置还包括水蒸气生产组件，其中水蒸气生产组件与混合罐(5)连通，混合罐(5)的内部设有加热电阻丝(6)，而混合罐(5)还与有害气体储存罐(7)连通，试验箱(1)内布置有进气板(8)，其中进气板(8)与混合罐(5)连通，那么进入进气板(8)的蒸汽和有害气体混合物能够在试验箱(1)内扩散，试验箱(1)内部还布置有传感器组件。2.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述水蒸气生产组件由储水罐(3)和电加热板(4)组成，其中储水罐(3)与混合罐(5)连通，电加热板(4)与储水罐(3)接触并对储水罐(3)进行加热。3.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述进气板(8)内部为空腔结构的薄壁空心板，其中进气板(8)上设有通气孔(82)，进气板(8)通过连通管(81)与混合罐(5)连通。4.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述传感器组件由有害气体检测传感器(100)、温度传感器(101)和湿度传感器(102)组成。5.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述试验箱(1)呈敞开状的顶部设有橡胶垫(11)，其中加压板(2)作用于橡胶垫(11)上。6.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括废气收集系统，其中废气收集系统由与试验箱(1)连通的废气收集罐(103)和风机(104)组成。7.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置，其特征在于：所述试验箱(1)内还设有制冷棒(9)和电加热组件。8.一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，在试验箱(1)内分层分部填筑岩土材料，首先填筑掌子面前方裂隙发育区岩土体，填筑过程中在预定裂隙位置放置高透气性的进气板(8)，进气板(8)可根据预制裂隙形式加工成任意形状，以保证裂隙在模型制作过程中始终保持贯通状态，接着填筑隧道位置岩土体，并安装隧道内害气体检测传感器(100)、温度传感器(101)和湿度传感器(102)；s2，隧道模型筑造完成之后在试验箱(1)的顶部盖上橡胶垫(11)，并将混合罐(5)与连通管(81)连通、制冷棒(9)插至巷道、废气收集罐(103)和风机(104)与试验箱(1)连通；s3，启动加压板(2)至预定压力，并保持加压板(2)伺服状态，以完成不同地应力条件的模拟；s4，向模型箱内电加热组件通电，并调整隧道内制冷棒(9)至预设温度，监测模型岩体温度与隧道内温度变化，直至稳定且达到设计温度；s5，打开有害气体储存罐(7)的阀门，加热储水罐(3)，通过真空泵输送有害气体及水蒸气进入混合罐(5)内，接通混合罐(5)内加热电阻丝(6)，直至达到预定压强、温度及湿度；s6，打开混合罐(5)与连通管(81)之间的阀门以及废气收集罐(103)与试验箱(1)的阀门，记录隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐(103)中有
害气体浓度及温湿度随时间的变化数据，完成有害气体隧道内渗流试验的数据采集；s7，打开风机(104)，记录通风后隧道内不同位置有害气体浓度及温湿度变化数据，同时记录废气收集罐(103)排出量及温湿度变化数据，完成隧道通风效果测试；s8，试验完成后，关闭有害气体储存罐(7)阀门和混合罐(5)与连通管(81)之间的阀门，那么风机(104)向封闭状态下的试验箱(1)通入正压，即可将试验箱(1)内的气体压出，进而试验箱(1)内有害气体至废气收集罐(103)，直至监测浓度符合相关标准。

技术总结
本发明提供一种裂隙岩体隧道掌子面水-气-热-力耦合渗流试验装置及方法，包括试验箱，试验箱上设有用于施加应地压力的加压板，试验装置还包括水蒸气生产组件，其中水蒸气生产组件与混合罐连通，混合罐还与有害气体储存罐连通，试验箱内布置有进气板，其中进气板与混合罐连通，那么进入进气板的蒸汽和有害气体混合物能够在试验箱内扩散，试验箱内部还布置有传感器组件。通过有害气体与水蒸气混合，实现了对隧道掌子面裂隙岩体水、气、固、热四相耦合的渗流模型试验，可通过控制不同气体类型、渗流压力、环境湿度、围岩隧道空间温度来模拟复杂条件下隧道内水、气运移，进而探究高温高地应力复杂地质条件下水、气渗流传热规律。气渗流传热规律。气渗流传热规律。


技术研发人员：刘新荣 张吉禄 周小涵 吴涛 王
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/23