本发明属于渗流状态下隧道掘进工程，具体涉及到一种模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置及其试验方法。
背景技术：
1、隧道施工是现代交通基础建设中不可缺少的一环，隧道在掘进过程中除了受到周围岩土层的影响外，还会受到渗流的影响，在渗流状态下，隧道周围围岩较差时，极易引起隧道的突水、突泥以及坍塌等风险，处理该问题也是隧道在掘进过程中遇到的重点技术难点之一。模型箱试验是室内模拟渗流状态下隧道掘进过程中，研究隧道周围土体压力变化的有效手段，因此，正确评价和观测渗流状态下模型箱隧道周围土体压力变化对实际隧道掘进施工有着重要的科学意义和参考价值。
2、目前，模拟灾害状态下的隧道模型箱试验较为丰富，但模拟灾害状态更多的集中在地震作用、不同土质作用或含水率条件，对于渗流状态下的隧道模拟箱试验并未涉及。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，该试验系统能控制渗流速度的大小，进而实现在渗流状态下，掘进过程中隧道周围土体压力变化的模拟，真实复现自然灾害条件下隧道周围土体破坏变形情况，具有效果好和试验数据可靠的优点。同时本发明还提供了一种模拟渗流状态下隧道掘进过程中隧道周围土体压力变化的试验方法。
2、解决上述技术问题采用的技术方案是：一种模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，包括注水系统、渗流系统、岩层模拟系统、隧道系统、监测系统，所述的注水系统包括注水箱和支架，岩层模拟系统包括模型箱，模型箱内自下而上依次填充砂土层、粘土层、杂填土层，隧道系统和监测系统设置于粘土层中，监测系统设置于隧道系统周围，用于监测渗流状态下掘进过程中周围土体压力变化，渗流系统设置于粘土层和杂填土层之间，注水系统与渗流系统相连通，注水系统中的水流进入粘土层和砂土层中模拟隧道岩层渗流状态。
3、本发明的模型箱包括框架，框架顶部开口、底部设置有底板，底板上设置有渗流孔，框架四周设置有四块箱体板，其中一块箱体板上设置有至少一个模拟隧道口。
4、本发明的箱体板为透明亚克力板。
5、本发明的渗流系统包括导流管，导流管一端与注水箱相连通、另一端与设置在模型箱侧壁上的分流接头相连通，分流接头至少具有两支管，支管与分流管相连通，分流管水平铺设于粘土层上部，分流管上设置有出水孔。
6、本发明的隧道系统包括衬砌结构，衬砌结构由若干段空心圆柱形的衬砌单元首尾通过粘合剂粘结而成。
7、本发明的衬砌单元由高强石膏与水按照0.6:1的比例均匀搅拌后，倒入试验模具中养护24h成型。
8、本发明的粘土层中与模拟隧道口对应处贯穿挖设隧洞，在渗流状态下，隧道系统通过模拟隧道口逐渐推入隧洞，粘土层内隧洞周围设置有监测系统。
9、本发明的监测系统包括设置于粘土层内的土压力盒，土压力盒与外部控制器电连接。
10、本发明的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验方法，包括以下步骤：
11、步骤一、安装岩层模拟系统及渗流系统：在模型箱内依次填入砂土层、粘土层，粘土层中安装监测系统并回填，在模型箱侧壁上粘贴分流接头，分流接头与导流管和分流管分别连接，将分流管铺设在粘土层上方，回填杂填土层；
12、步骤二、安装注水系统：架设支架，注水箱设置于支架上，并与导流管连通；
13、步骤三、制作隧道系统；
14、步骤四、模拟渗流状态：通过设置于注水箱下部的出水口按比例放水至模型箱中的粘土层，通过分流管流出的水依次渗透至粘土层、砂土层，通过底板的渗流孔将水排出模型箱，当渗流孔中排出的水呈连续滴落状时达到渗流状态，关闭出水口；
15、步骤五、模拟隧道掘进过程：先用洛阳铲通过模拟隧道口沿隧道掘进方向缓慢开挖出隧洞，隧洞成型后，沿隧道掘进方向缓慢匀速地将隧道系统通过模拟隧道口推入隧洞，直到隧道系统完全进入隧洞为止；
16、步骤六、通过监测系统采集试验数据，完成试验数据采集后，抽取注水箱中的水，试验完成。
17、本发明的支架的高度为模型箱高度的十倍。
18、本发明相比于现有技术具有以下优点：
19、1、本发明能够模拟渗流状态下隧道掘进过程中隧道周围土体的压力变化，更为真实地复现自然灾害条件下隧道周围土体变形情况和破坏机制，具有效果好和试验数据可靠的优点，为实际隧道施工技术提供较为合理的技术支撑。
20、2、本发明所制作提供的隧道系统制作周期短、易于加工，能够提高试验精度；注水系统安装便捷、操作简单，能够提高试验效率。
1.一种模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：包括注水系统、渗流系统、岩层模拟系统、隧道系统、监测系统，所述的注水系统包括注水箱(1)和支架(6)，岩层模拟系统包括模型箱(5)，模型箱(5)内自下而上依次填充砂土层(12)、粘土层(7)、杂填土层(9)，隧道系统和监测系统设置于粘土层(7)中，监测系统设置于隧道系统周围，用于监测渗流状态下掘进过程中周围土体压力变化，渗流系统设置于粘土层(7)和杂填土层(9)之间，注水系统与渗流系统相连通，注水系统中的水流进入粘土层(7)和砂土层(12)中模拟隧道岩层渗流状态。
2.根据权利要求1所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的模型箱(5)包括框架(5-1)，框架(5-1)顶部开口、底部设置有底板(5-4)，底板(5-4)上设置有渗流孔(5-5)，框架(5-1)四周设置有四块箱体板(5-2)，其中一块箱体板(5-2)上设置有至少一个模拟隧道口(5-3)。
3.根据权利要求2所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的箱体板(5-2)为透明亚克力板。
4.根据权利要求1所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的渗流系统包括导流管(4)，导流管(4)一端与注水箱(1)相连通、另一端与设置在模型箱(5)侧壁上的分流接头(13)相连通，分流接头(13)至少具有两支管，支管与分流管(14)相连通，分流管(14)水平铺设于粘土层(7)上部，分流管(14)上设置有出水孔(16)。
5.根据权利要求1所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的隧道系统包括衬砌结构(11)，衬砌结构(11)由若干段空心圆柱形的衬砌单元(11-1)首尾通过粘合剂(11-2)粘结而成。
6.根据权利要求5所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的衬砌单元(11-1)由高强石膏与水按照0.6:1的比例均匀搅拌后，倒入试验模具中养护24h成型。
7.根据权利要求2所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的粘土层(7)中与模拟隧道口(5-3)对应处贯穿挖设隧洞(8)，在渗流状态下，隧道系统通过模拟隧道口(5-3)逐渐推入隧洞(8)，粘土层(7)内隧洞(8)周围设置有监测系统。
8.根据权利要求1所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验装置，其特征在于：所述的监测系统包括设置于粘土层(7)内的土压力盒(10)，土压力盒(10)与外部控制器电连接。
9.一种权利要求1的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的模拟渗流状态下隧道掘进过程的试验方法，其特征在于：所述的支架(6)的高度为模型箱(5)高度的十倍。
