一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模型试验装置

摘要

本发明公开了一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模型试验装置，它包括隧道围岩、主隧道模型、模型试验外壳、含水地质构造装置、数控自动化施工装置，以及主控室；该模型试验装置是一种大比例尺的，满足地震波法、电磁法与直流电法探测的综合地球物理超前探测模型试验装置，利用该地球物理超前探测模型试验装置，可研究隧道掌子面前方存在的含水地质构造装置的地球物理响应特征，并对含水地质构造装置的多种地球物理超前探测的正反演方法进行验证，研究某些地球物理探测方法结果与涌水量的关系，为实际工程中含水地质构造装置的超前预报和涌水量预测奠定试验基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球物理超前探测模型试验装置，尤其涉及一种隧道施工大型综合地球 物理超前探测模型试验装置。

背景技术

进入21世纪，全世界基础设施建设迎来了“地下空间”开发的高潮，作为地下工程的主要 结构形式，隧道建设规模和数量越来越多。隧道主要分为公路铁路交通隧道、水利输调水隧 道、市政管线隧道、矿山隧道等。对于在复杂地质条件下修建的隧道工程，由于在前期地质 勘查阶段难以查清线路区域的地质情况，导致在施工中经常发生突水突泥、塔防、大变形等 地质灾害，严重影响了施工安全。例如：日本青函海底隧道于1969年与1976年两度因突水 事故而淹没，33人丧生，1300多人伤残，工期被延误2年多；中国圆梁山隧道在建设的过 程中，共发生大规模突泥突石、涌水涌沙71次，严重威胁了施工安全，延误了工期。因此， 十分有必要对隧道掌子面前方的地质情况实施超前探测，探明溶洞、暗河、断层等可能诱发 地质灾害的地质构造。

隧道超前地质预报是利用钻探和地球物理探测等手段，探测隧道开挖面前方的地质情况， 在施工前掌握前方的岩隧道围岩结构与性质，以及溶洞、暗河、断层等不良地质构造的情况， 为进一步的施工提供指导，以避免施突水突泥、塌方、大变形等地质灾害，保证施工的安全。 在隧道施工期超前地质预报的研究和实践中，人们发现由于地球物理反演解译的多解性和探 测环境的复杂性导致单一方法的探测效果不理想，经常出现定性判断不准确，定位精度低等 问题，导致误报、漏报或错报，给施工安全造成严重隐患。为了提高超前地质预报的可靠性 与准确性，人们往往将多种预报方法互相结合，实施综合超前地质预报，各种预报结果相互 验证，相互补充，可有效的改善探测效果。

为了揭示典型不良地质的地球物理响应特征，建立隧洞前方不良地质三维定位与水量估 算定量识别方法，研发新型物理探测技术，验证探测效果，评价装备性能，建立一种隧道施 工大型综合地球物理超前探测模型试验装置是非常重要的。地球物理探测模型试验可构建已 知的地质条件，模拟真实的探测环境和探测对象，对于验证探测性能效果具有十分重要的作 用。

地球物理探测的物理模型试验是指将介质体的物理原型遵循物理的和几何的相似准则， 依照一定的比例因子在试验室内建造相似模型，以模拟实际地质条件中和真实的探测环境。 通过对模型中的地球物理场的观测，建立起介质的模型结构、构造、物理性质及其变化规律 与地球物理场的特征及其变化之间的关系。利用这一关系，就可以根据介质体的物理原型上 观测到的地球物理场对物理原型进行研究和探测。地球物理探测试验是固体地球物理和勘探 地球物理的基础理论和方法技术研究的重要途径和手段。

就目前模型试验的发展来看，现有的模型试验存在探测手段单一、规模与比例尺小、模 拟地质类型单一、材料不可重复等局限性，例如：文献《采空区二维超声波物理模型实验研 究》，赵家福，吉林大学学报，文中的模型试验装置只是针对于地震法，且其模型是由一个 80cm×20cm×0.3cm的有机玻璃板和水槽组成，比例尺过小；文献《隧道全空间瞬变电磁响 应的物理模拟》，漆泰岳，现代隧道技术，文中的模型试验只是针对于瞬变电磁法，其模型尺 寸为4m×2m×1.5m，且其内部材料固定，可模拟地质类型单一。

根据对已有技术的调研，我们认为对于隧道施工综合超前地质预报物理模拟技术及装备 而言，面临的主要问题如下：①由于需要实现地震波法、电磁法与直流电法三种探测方法的 相似性物理模拟，每种探测方法的相似性原理彼此不同，对试验材料的参数要求也彼此不同， 很难找到一种能够同时满足三种探测方法的相似材料；②为了真实的模拟实际地质条件和探 测环境，并能满足地震波场、电磁场与直流电场传播的边界要求，要求物理模型试验装置的 尺寸和规模比例尺大；③实际施工中存在着溶洞、暗河、断层等多种含水地质构造装置，为 了分类研究典型含水地质构造装置的地球物理响应与探测识别效果，要求物理模型试验中可 模拟不同类型的含水地质构造装置；④由于物理模型试验的成本较高，若仅能模拟单一的地 质情况，地质异常体和相似材料不可更换与重复利用，则大大增加了研究成本，因此要求实 现不同类型异常体的快速布置，以模拟不同的地质情况；⑤现有物理模型试验装置基本只是 针对某一种探测手段设计，然而地球物理探测具有多解性和探测环境复杂性的特点，要求物 理试验装置具有地震波法、电磁法与直流电法等多种探测方法，并将这些探测手段的结果进 行对比验证，但是各种探测手段的观测系统在物理模型中如何布置，彼此不干扰，是一个难 题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模 型试验装置，该装置能够满足集成激发极化法、瞬变电磁法、地震法、钻孔雷达法、电阻率 CT法的探测要求，实现多元地球物理综合探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模型试验装置，它包括隧道围岩、主隧道模型、 模型试验外壳、含水地质构造装置、数控自动化施工装置、水平探测钻孔和主控室；隧道围 岩填充于模型试验外壳内，模型试验主隧道模型位于模型试验外壳的前方正中间位置，含水 地质构造装置安置在主隧道模型前方，数控自动化施工装置安装在模型试验外壳的顶部，水 平探测钻孔设置于模型试验装置内部，主控室位于模型试验外壳外部，与含水地质构造装置 和数控自动化施工装置通信。

所述隧道围岩，用于模拟实际隧道施工中的隧道围岩情况，它是一种同时满足地震波场、 电磁场与直流电场探测所需电阻率和波速要求的相似材料，所述相似材料由下列组分按如下 质量份混合压实而成：

土    100份

水泥  4-20份

石子  10-25份，

其中土的含水率控制在8%～16%，整个相似材料压实度控制在0.75～0.95；所述土与石 子为相似材料的骨料，水泥为胶结剂，石子为3～4目，水泥以干粉直接掺入；所述相似材料 的波速为230～1260m/s,电阻率为20～340Ωm。

一种上述隧道围岩的制备方法，按以下步骤进行：

（1）按照所需材料电阻率、波速参数，按照波速与电阻率与含水率、压实度关系曲线， 按数值找出合适的含水率与压实度；

（2）现挖地下土样若干，通过烘干、日照或加水方法，使土体含水率达到预定含水率， 砾石通过筛子筛选出3～4目粒径石子若干；

（3）分别称取各原材料放入搅拌机中，充分拌合；

（4）将混合材料放入模型中，分层堆料，进行人工夯实，达到预定压实度。

所述主隧道模型包括连接的隧道模型掌子面和隧道模型腔体，隧道模型腔体和隧道模型 掌子面成为一个整体；所述隧道模型腔体分为内外两层，内层包括壳体和位于壳体内部用于 约束壳体径向变形的环形内加强肋，外层设有位于壳体外部分别用于约束隧道模型腔体径向 和轴向变形的环形外加强肋和轴向外加强肋；所述隧道模型掌子面上分别布置有电极安装孔、 电磁法线圈支架、钻孔雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔，所述隧道模型掌子面上布置 有地震波法激发测点和接收测点，所述隧道模型腔体内层壳体的横截面是由五心圆的六段圆 弧构成的对称结构，整个横截面呈上窄下宽、周边圆滑的卵石形状。

所述钻孔雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔分别位于隧道模型掌子面两侧底脚，两 者均为圆筒状，尺寸相同。

所述电极安装孔为圆筒状，电极安装孔按照直流电法或者激发极化法测线布置的要求在 隧道模型掌子面上预留，电极根据实际需要安装在电极安装孔中。

所述电磁法线圈支架按照瞬变电磁法线圈布置的要求在隧道模型掌子面上预留四个支架， 所述四个支架构成矩形。

所述模型试验外壳为钢筋混凝土结构，整个模型试验装置的几何因素比值G为6，所述 几何因素比值是原型几何尺寸与模型几何尺寸之比。

所述含水地质构造装置，包括自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳、进水管、出水 管、进水流量控制装置、出水流量控制装置、水箱和水波速可控装置，其中，进水管和出水 管分别装设于含水构造外壳的两侧，进水流量控制装置固定于进水管上，出水流量控制装置 设置在出水管上，所述进水管的一端与水箱连接，所述进水管和所述出水管位于含水构造外 壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口；所述含水构造外壳还与基于气 动喷粉的水波速可控装置连接。

所述进水管和出水管分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳上，所述进水管和 出水管位于含水构造外壳内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。

所述水波速可控装置包括计算机，所述计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接， 所述空气压缩机与插入含水构造外壳的多孔排管一端连接，所述多孔排管的另外一端有若干 平行的管道，所述声发射换能器位于含水构造外壳的内部。

所述进水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控 制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与进水流量计连接，所述 进水流量计与计算机连接，所述进水流量计安装在进水管内。

所述出水流量控制装置，包括流量控制器，所述流量控制器与计算机连接，所述流量控 制器还与变频器连接，所述变频器与变频电机连接，所述变频电机与出水流量计连接，所述 出水流量计与计算机连接，所述出水流量计安装在出水管内。

所述水的流向控制装置为三通道电磁阀，所述三通道电磁阀与计算机连接。

所述含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料模铸而成。所述含水构造外 壳的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥1份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25 份，水0.3-0.75份质量配合比模铸而成。

所述含水构造装置所采用的制造方法，步骤如下：

步骤（1）：浇筑含水构造外壳：根据要制作的含水构造类型和形状选择合适的刚模具和 模板，在刚模具内将FRP筋按照设定的间距布置绑扎；按照设定渗透系数要求，选择配合比， 将水泥、水渣和石子先在搅拌机搅拌均匀，然后加入水，再搅拌均匀；然后倒入刚模具和模 板内，并震动捣实，浇筑成型；设定时间过后脱模，按照混凝土养护规定养护若干天；

步骤（2）：安装基于气动搅拌的水波速可控装置：将过量塑料粉通过空气压缩机加入到 含水构造外壳内的水中制成悬浊液，声发射换能器按照固定距离固定好，将多孔排管固定好， 将计算机分别与空气压缩机和声发射换能器连接，将空气压缩机与多孔排管连接；

步骤（3）：安装进出水流量控制装置和水的流向控制装置：将流量控制器分别与两个变 频器连接，将两个变频器分别与变频电机连接，将变频电机分别与进水流量计和出水流量计 连接；水的流向控制装置与计算机连接好，水的流向控制装置安装在含水构造外壳的两端； 将进水管和出水管分别与含水构造外壳连接好；

步骤（4）：含水构造装置吊装与埋设：在设定长宽高的多功能隧道超前地质预报物理模 型试验装置上按照指定位置使用旋挖装置将填挖好的模型开挖到合适深度，将含水构造装置 用行吊吊到开挖好的位置，将挖开的围岩相似材料埋上，夯实；

步骤（5）：通过计算机设定水的弹性波波速、水的流量及流向，控制相应装置进行工作。

所述步骤（1）中含水构造外壳浇筑时，首先，需要在含水构造外壳两侧预留两个直径 3cm的洞，分别作为进出水和口水管安装的位置；同时需要在外壳预留一个直径2cm的洞， 作为含水构造内的多孔排管连接管安装的位置；还需要在含水构造外壳预留0.2×0.2m的方形 孔，并制作适合其大小的盖，该方形孔作为填充固体填充材料时使用，填充完后，用螺栓将 制作好的盖固定到外壳上，将预留的方形孔封上。

所述数控自动化施工装置，包括固定在模型试验外壳顶端的水平导轨，在水平导轨上沿 导轨方向移动的双梁门式吊车，安装在双梁门式吊车上的360°可旋转取土装置和异常体搬运 装置，以及用于实现测距、反馈和实时显示功能的综合数控操作系统；双梁门式吊车沿水平 导轨移动，360°可旋转取土装置沿双梁门式吊车移动或者垂直向下移动。

所述双梁门式吊车由全门式主梁和固定在全门式主梁两端的腿部支撑组成，所述主梁为 双梁结构，主梁上设计有小车轨道，主梁的每根单梁均设计为箱型梁结构。

所述腿部支撑包括两条斜腿、底部的端梁和行走机构，两条斜腿组成A型支架，两条斜 腿通过底部的端梁与行走机构连接。

所述行走机构两侧设计有防止吊车脱离轨道的钢板卡扣。

所述360°可旋转取土装置包括四轮小车、旋转机构、导向杆、抓斗以及主液压系统；

所述四轮小车在全门式主梁的小车轨道上移动，导向杆通过设置在四轮小车上的导向杆 孔与四轮小车连接，导向杆通过旋转机构与抓斗连接，导向杆可伸缩，主液压系统用于驱动 抓斗的旋转与正常工作以及驱动导向杆的伸缩。

所述异常体搬运装置包括吊葫芦以及与吊葫芦连接的行走部件，所述行走部件沿双梁门 式吊车主梁的其中一个单梁移动。

所述综合数控操作系统能够实现测距、反馈功能以及实时显示整个装置的工作状态，所 述综合数控操作系统设计有自动控制与手动控制两种模式。

所述水平探测钻孔，共有3对，其中1对钻孔位于主隧道掌子面前方，用于瞬变电磁法 超前探头的安置、电阻率CT法电极的安装和钻孔雷达法天线的递送，另外2对安装有测量 电极的钻孔贯穿整个模型试验装置，分别位于模型试验装置的左上和右上、左下和右下，用 于电阻率CT法与钻孔雷达法的探测。

所述主控室，用于控制与显示试验中每一个操作，与含水地质构造装置和数控自动化施 工装置通信。

一种使用上述探测模型试验装置的综合地球物理超前探测方法为：

整个探测步骤如下：

（1）预埋地质异常体：在确定好预埋地质异常体在模型试验中的三维位置后，利用自数 控自动化施工装置，在隧道围岩中进行快速三维定位挖掘，将含水地质构造装置搬运并埋设 到主隧道模型前方的预定位置中，将隧道围岩回填并夯实；

（2）探测装置的连接与探测试验，具体包括：

1）探测方法选择及其设备连接；根据试验需要选择探测方法，如：激发极化法、瞬变电 磁法、地震法、钻孔雷达法、电阻率CT法，并将其配套探测设备连接好，供地球物理超前 探测试验使用；

2）电极与水平探测钻孔的选择；根据选择好的探测方法，选择对应方法需使用的电极或 者水平探测钻孔，其中：激发极化法需使用主隧道掌子面上和隧道腔体上布设的电极，钻孔 雷达法和电阻率CT法需根据预埋的含水地质构造装置的三维位置，选择任意2个钻孔，保 证含水地质构造装置在水平探测钻孔之间；

3）探测及其探测结果验证；通过探测设备与电极或者钻孔的配合使用，进行各种地球物 理超前探测，并将采集到的探测数据进行地球物理反演处理，得到含水地质构造装置的响应 结果，从而得到探测到的含水地质构造装置三维位置、大小等信息，并与实际埋设的含水地 质构造装置三维位置、大小等信息进行验证，判断各种探测方法的准确性。

本发明的有益效果：

1.本发明提出了一种比例尺超大的集成激发极化法、瞬变电磁法、地震法、钻孔雷达法、 电阻率CT法的综合地球物理超前探测模型试验装置，整个模型试验装置合理地设计了隧道 围岩、主隧道模型、模型试验外壳、含水地质构造装置、数控自动化施工装置，以及主控室， 实现了多元地球物理综合探测；

2.本发明提出了一种同时满足地震波场、电磁场与直流电场多场相似要求的相似材料， 它是由粉质粘土、水泥和碎石组成，通过控制含水率和压实度，满足地震波场、电磁场与直 流电场探测方法所需电阻率200Ωm和波速1000m/s的要求，从而能更精确的模拟实际地质 情况；

3.本发明提出了一种可控参数的含水地质构造装置，含水地质构造装置包括基于气动搅 拌装置的水速可控装置、水的流量及流向控制系统及自由模铸的渗透系数可控的含水地质构 造装置外壳，它实现了对水体波速的可控调节，以及对水体流量及流向的控制，满足地震法、 电磁法、直流电法的多元地球物理场要求，实现了对动水的流量及流向的控制，通过水量的 控制可实现对不良地质体不同充水状态的模拟，通过流向的控制解决了激发极化法对动水模 拟的要求；通过自由模铸不同形状可模拟暗河、溶洞、断裂带多种不良地质体及其组合；

4.本发明提出了一种用于大型地球物理探测试验的数控自动化施工装置，它包括双梁门 式吊车、水平导轨、360°可旋转取土装置、地质异常体搬运装置、主液压系统，以及综合测 距与反馈及实时显示数控操作系统，该装置不仅实现了在大型地球物理探测试验隧道围岩中 的全自动快速三维精确定位挖掘技术，实现了模型试验中材料、地质异常体可更换可重复， 而且具有能耗小，效率高，可操作性强，安全性高特点；

5.整个模型装置预留有多种超前探测设备安放的空间以及设计线路，可以方便快捷的安 装和拆卸电极、布置仪器，能够满足激发极化法、瞬变电磁法、地震法、钻孔雷达法、电阻 率CT法多种超前预报方法装置布设的要求。

附图说明

图1是本发明大型综合地球物理超前探测模型试验装置示意图；

图2是本发明主隧道模型整体结构剖切面示意图；

图3是本发明含水地质构造装置示意图；

图4是本发明数控自动化施工装置示意图；

图5是本发明探测钻孔的三维分布示意图；

图6是本发明主隧道模型掌子面用于激发极化法或直流电法超前预报电极安装示意图。

其中，1、隧道围岩；2、主隧道模型；3、模型试验外壳；4、含水地质构造装置；5、 数控自动化施工装置；6、主控室；7、隧道模型腔体；8、隧道模型掌子面；9、壳体；10、 环形内加强肋；11、环形外加强肋；12、轴向外加强肋；13、出水流量控制装置；14、进水 流量控制装置；15、水箱；16、空气压缩机；17、计算机；18、三通道电磁阀；19、出水管； 20、多孔排管；21、声发射换能器；22、进水管；23、电缆；24、双梁门式吊车；25、水平 导轨；26、360°可旋转取土装置；27、异常体搬运装置；28、导线；29、电极；30、水平 探测钻孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模型试验装置，它包括隧道围岩 1、主隧道模型2、模型试验外壳3、含水地质构造装置4、数控自动化施工装置5、水平探 测钻孔30和主控室6；隧道围岩1填充于模型试验外壳3内，主隧道模型2位于模型试验外 壳3的前方正中间位置，含水地质构造装置4安置在主隧道模型2前方，数控自动化施工装 置5安装在模型试验外壳3的顶部，水平探测钻孔30设置于模型试验装置内部，主控室6 位于模型试验外壳3外部，与模型试验主隧道模型2、含水地质构造装置4和数控自动化施 工装置5通信。

一种隧道围岩1，在模型试验装置中，它的作用是模拟实际隧道施工中的隧道围岩1情 况，它是一种能同时满足地震波场、电磁场与直流电场探测所需电阻率和波速要求，结构简 单、操作方便的地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料。

相似材料是由土、水泥和碎石，经混合均匀制备而成，它由以下重量份原料组成：粉质 粘土100份，水泥12份，碎石20份。

上述隧道围岩相似材料的制备方法，按以下步骤进行：

（1）按照所需材料电阻率、波速参数，按照波速与电阻率与含水率、压实度关系，找出 合适的含水率12%与压实度0.85；

（2）现挖地下土样若干，通过烘干、日照或加水方法，使土体含水率达到预定含水率 12%，砾石通过筛子筛选出3～4目粒径石子若干；

（3）分别称取各原材料放入搅拌机中，其中粉质粘土100份，水泥12份，碎石20份， 充分拌合；

（4）将混合材料放入模型中，分层堆料，进行人工夯实，达到预定压实度0.85。

测得隧道围岩相似材料电阻率为200Ωm，波速为1000m/s，能同时满足地震波场、电磁 场与直流电场探测所需电阻率和波速要求，从而能更精确的模拟实际地质情况。

如图2所示，一种主隧道模型2，由隧道模型腔体7和隧道模型掌子面8两部分构成。 其中，隧道模型腔体7分为内外两层：内层为：“环肋卵石壳”结构，包括壳体9和环形内加 强肋10；外层为“空间钢网格”结构，包括环形外加强肋11和轴向外加强肋12。隧道模型 掌子面8上设有电极4安装孔、电磁法线圈支架、钻孔雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置 孔，并刻有详细的标记用于记录地震波法激发点和接收点的位置。

“环肋卵石壳”结构由壳体9和环形内加强肋10两部分构成。所述壳体9的横截面是 由五心圆的六段圆弧构成的对称结构，壳体9内部空间上下垂直距离约为2.0m，左右水平距 离约为1.7m，壳体9壁厚约3cm，整个截面形状类似卵石，上尖下宽，周边圆滑，该结构强 度高、刚度大、稳定性好，比普通的隧道模型结构能承受更大的顶部荷载和侧向荷载。所述 环形内加强肋10位于壳体9内部，约束壳体9的径向变形，对壳体9起整体加强作用，呈 内环形布置，肋与肋之间间隔1m，每根加强肋宽度约为10cm，高度约为5cm。壳体9和环 形内加强肋10在制作时整体浇筑，成为一体。

“空间钢网格”结构位于壳体9外部，由环形外加强肋11和轴向外加强肋12两部分构 成。所述环形外加强肋11宽度约为2cm，高度约为10cm，肋与肋之间间隔20cm；轴向外 加强肋12宽度约为2cm，高度约为10cm，沿壳体9外表面轴向通长分布，共8段；环形外 加强肋11和轴向外加强肋12共同构成“空间钢网格”结构，该结构可大大增强隧道模型承载 外压的能力、减小隧道模型的径向压缩和轴向不均匀变形，在制作时整体浇筑，成为一体。

如图6所示，电极4安装孔按照直流电法、激发极化法测线布置的要求在隧道模型掌子 面8上预留，在掌子面上从上到下总共有排孔（从上到下顺序依次为1、2、3、4、5），各排 间距0.4m，每一排相邻两孔中心间距为0.15m，其中第1、5排各有6个孔，第2、3、4排 各有10个孔，共计42个孔；每个电极4安装孔为圆筒状，开口直径3cm，筒壁母线长10cm， 便于安放供电和测量电极4。

电磁法线圈支架按照瞬变电磁法线圈布置的要求由在隧道模型掌子面8上预留的四个支 架构成，四个支架连线恰好形成一个矩形，超前预报人员可利用四个支架快速便捷地完成发 射线圈的布置。

钻孔雷达探测孔和瞬变电磁超前探头安置孔分别位于隧道模型两侧底脚，均为圆筒状， 开口直径0.2m，筒壁母线长1m；由于两个孔的尺寸相同、位置相当，在实际探测时钻孔雷 达天线或瞬变电磁超前探头安放到其中任何一个孔中都是可以的。需要指出的是，当钻孔雷 达天线或瞬变电磁超前探头需要安放到更深的位置时，只须在每个孔口外接一根口径相同、 长度足够的PE管或PVC管即可。

详细的标记是在隧道模型掌子面上利用直尺精确标定的地震波法超前探测用到的激发测 点和接收测点，按照地震波法测线布置的要求，在隧道模型掌子面8上布置一条垂直测线和 一条水平测线，其中垂直测线上有20个测点，测点间距0.1m，水平测线上有16个测点，测 点间距0.1m。

隧道模型掌子面8壁厚为5cm，掌子面截面与所述壳体9尺寸完全相同，在制作时二者 浇筑成为一个整体。

可实现多地球物理场超前探测的隧道模型试验装置完全由GFRP复合材料缠绕浇筑而成， 质轻高强，缠绕一次成型、整体浇筑，模型表面光滑、材料内部密度均匀性好，制作完成后 具有较强的电磁波透射性能，而且不会产生任何的电磁干扰，可为超前预报人员在模型内部 开展试验和多元地球物理仪器测试提供一个理想的试验平台。

在进行激发极化法或直流电法超前预报之前，只需将供电电极4、测量电极插入隧道模 型掌子面8上的电极4安装孔，用铁锤轻轻敲击，使电极4与掌子面前方岩土体良好接触， 然后将电极4通过导线28连接到电缆23上，便可以开始电法超前预报的工作。

在进行瞬变电磁法超前预报之前，将发射线圈缠绕固定在隧道模型掌子面8上的四个电 磁法线圈支架上，接收线圈可以在发射线圈内部任意移动、瞬变电磁超前探测探头可以在瞬 变电磁超前探头安置孔当中任意移动来采集信号。

在进行钻孔雷达法超前预报之前，只须将钻孔雷达天线放入钻孔雷达探测孔中，连接好 仪器，钻孔雷达天线在孔内任意移动便可以采集前方岩土体反射回来的信号。

在进行地震波法超前预报工作时，利用激震锤在隧道模型掌子面8上做好的标记上进行 敲击，将检波器放在标记的其他位置上进行信号采集。

一种模型试验外壳3，它是由钢筋混凝土结构组成，整个模型的尺寸是17m（长）×7.6m （宽）×6m（高），整个模型试验装置的几何因素比值G为6（原型几何尺寸与模型几何尺寸 之比），其外墙厚度为0.4m，为了抵抗墙体所受弯矩，在底部连接处采用0.7m厚加筋混凝土 施做底板，且墙体上预留有主隧道和探测钻孔。从主隧道模型2和模型试验外壳3的尺寸看 来，该模型试验装置是一种大比例尺的模型试验平台，能更接近实际探测条件，能够更真实 的反映探测规律。

如图3所示，含水地质构造装置4，包括自由模铸的渗透系数可控的含水构造外壳，含 水构造外壳的两侧分别安装有进水管22和出水管19，进水管22上设有进水流量控制装置 14，出水管19上设有出水流量控制装置13，进水管22的一端与水箱15连接，进水管22 和出水管19位于含水构造外壳内的部分分别设有若干个形成多个水道的进水口和出水口；含 水构造外壳还与基于气动喷粉的水波速可控装置连接。

进水管22和出水管19分别通过水的流向控制装置连接到含水构造外壳上，进水管22 和出水管19位于含水构造外壳内部的部分通过水的流向控制装置分别分为若干方向的管道。

水波速可控装置包括计算机17，计算机17分别与空气压缩机16和声发射换能器21连 接，空气压缩机16与插入含水构造外壳的多孔排管20一端连接，多孔排管20的另外一端 有若干平行的管道，声发射换能器21位于含水构造外壳的内部。

进水流量控制装置14，包括流量控制器，流量控制器与计算机17连接，流量控制器还 与变频器连接，变频器与变频电机连接，变频电机与进水流量计连接，进水流量计与计算机 17连接，进水流量计安装在进水管22内。

出水流量控制装置13，包括流量控制器，流量控制器与计算机17连接，流量控制器还 与变频器连接，变频器与变频电机连接，变频电机与出水流量计连接，出水流量计与计算机 17连接，出水流量计安装在出水管19内。

水的流向控制装置为三通道电磁阀18，三通道电磁阀18与计算机17连接。

含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料模铸而成。含水构造外壳的材料 包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥1份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水 0.3-0.75份质量配合比模铸而成。

含水地质构造装置4所采用的制造方法，步骤如下：

步骤（1）：浇筑含水构造外壳：根据要制作的含水地质构造装置类型和形状选择合适的 刚模具和模板，在刚模具内将FRP筋按照设定的间距布置绑扎；按照设定渗透系数要求，选 择配合比，将水泥、水渣和石子先在搅拌机搅拌均匀，然后加入水，再搅拌均匀；然后倒入 刚模具和模板内，并震动捣实，浇筑成型；设定时间过后脱模，按照混凝土养护规定养护若 干天；

步骤（2）：安装基于气动喷粉装置的水波速可控装置：将过量塑料粉通过空气压缩机16 加入到含水构造外壳内的水中制成悬浊液，声发射换能器21按照固定距离固定好，将多孔排 管20固定好，将计算机17分别与空气压缩机16和声发射换能器21连接，将空气压缩机 16与多孔排管20连接；

步骤（3）：安装进出水流量控制装置13和水的流向控制装置：将流量控制器分别与两 个变频器连接，将两个变频器分别与变频电机连接，将变频电机分别与进水流量计和出水流 量计连接；水的流向控制装置与计算机17连接好，水的流向控制装置安装在含水构造外壳的 两端；将进水管22和出水管19分别与含水构造外壳连接好；

步骤（4）：含水地质构造装置吊装与埋设：在设定长宽高的多功能隧道超前地质预报物 理模型试验装置上按照指定位置使用旋挖装置将填挖好的模型开挖到合适深度，将含水地质 构造装置用行吊吊到开挖好的位置，将挖开的围岩相似材料埋上，夯实；

步骤（5）：通过计算机17设定水的弹性波波速、水的流量及流向，控制相应装置进行 工作。

步骤（1）中含水构造外壳浇筑时，首先，需要在含水构造外壳两侧预留两个直径3cm 的洞，分别作为进出水和口水管安装的位置；同时需要在外壳预留一个直径2cm的洞，作为 含水地质构造装置内的多孔排管20连接管安装的位置；还需要在含水构造外壳预留0.2×0.2m 的方形孔，并制作适合其大小的盖，该方形孔作为填充固体填充材料时使用，填充完后，用 螺栓将制作好的盖固定到外壳上，将预留的方形孔封上。

基于气动喷粉的水波速可控装置的工作原理是，由于水的波速比预期要高，因此采用塑 料粉悬浊液对其波速进行可控调节。塑料粉悬浊液中，塑料粉的含量会对波速有影响，含量 越高，波速越低；塑料粉在塑料粉悬浊液中的含量是通过空气压缩机16的功率来控制，功率 高时，多孔排管20产生的均匀气泡多，在悬浊液中吹起的塑料粉越多，悬浊液中塑料粉的含 量也就越高。因此，波速可控采用反馈调节：在水中加入过量的塑料粉，电脑控制空气压缩 机16以200KW的功率工作，在多孔排管20中产生均匀气泡，使塑料粉在水里保持悬浊； 同时声发射探头工作，测试悬浊液的弹性波波速，并实时反馈给计算机17，当波速比预计值 高或者低时，计算机17调整空气压缩机16的工作功率（50-370KW），减少或增加水中塑料 粉的含量，使波速升高或降低，实现水的波速实时可控调节。

进水流量控制装置14和出水流量控制装置13的工作原理：通过计算机17控制流量控 制器，流量控制器分别通过进水端和出水端的变频器控制变频电机，控制进出水量，进出水 流量计对进出水量向计算机17进行实时反馈，流量控制器根据计算机17接收到的反馈信息 对变频器进行实时控制，同时流量控制器显示实时流量和总体水量。

含水构造外壳采用渗透性好的可控渗透系数的透水材料通过类似于混凝土浇筑的方式模 铸而成。外壳形状采用木模板模铸而成，能自由模铸不同的形状，根据需模拟的暗河、溶洞、 断裂带不同地质体的形状选择不同的木模板形状，能模拟暗河、溶洞、断裂带等不同地质体。

如图4所示，数控自动化施工装置5，包括固定在模型试验边墙顶端的水平导轨25，在 水平导轨25上沿导轨方向移动的双梁门式吊车24，安装在双梁门式吊车24上的360°可旋 转取土装置26和异常体搬运装置27，以及用于实现测距、反馈和实时显示功能的综合数控 操作系统。

双梁门式吊车24沿水平导轨25移动，360°可旋转取土装置26沿双梁门式吊车24移 动或者垂直向下移动。双梁门式吊车24由全门式主梁和固定在全门式主梁两端的腿部支撑组 成，主梁为双梁结构，主梁上设计有小车轨道，主梁的每根单梁均设计为箱型梁结构。

腿部支撑包括两条斜腿、底部的端梁和行走机构，两条斜腿组成A型支架，两条斜腿通 过底部的端梁与行走机构连接。行走机构两侧设计有防止吊车脱离轨道的钢板卡扣。

360°可旋转取土装置26包括四轮小车、旋转机构、导向杆、抓斗以及主液压系统，所 述四轮小车在全门式主梁的小车轨道上移动，导向杆通过设置在四轮小车上的导向杆孔与四 轮小车连接，导向杆通过旋转机构与抓斗连接，主液压系统用于驱动抓斗的旋转与正常工作 以及驱动导向杆的伸缩；该取土装置解决了深部挖土及取土的难题，同时也解决了土在模型 顶部的搬运问题，以及土回填的问题，加上该抓斗可360°旋转，可完成不同走向的异常体埋 设。

异常体搬运装置27包括一个吊葫芦，以及吊葫芦的行走部件，该装置安装在主梁上其中 的一个单梁上，沿该单梁行走，平时不用的时候会退至梁的一侧，工作的时候可根据需要移 动至指定位置吊起异常体，并可完成异常体的搬运、埋设、取出动作。

综合数控操作系统能够实现测距、反馈功能以及实时显示整个装置的工作状态，综合数 控操作系统设计有自动控制与手动控制两种模式。

确定预埋异常体在模型土体中的三维坐标（X，Y，Z）后，双梁门式吊车24沿水平导轨 25移动到坐标X，360°可旋转取土装置26沿双梁门式吊车24移动到坐标Y，360°可旋转 取土装置26垂直向下移动至坐标Z。

如图5所示，水平探测钻孔30，共有3对，其中1对钻孔位于主隧道掌子面8前方，用 于瞬变电磁法超前探头的安置、电阻率CT法电极的安装和钻孔雷达法天线的递送，另外2 对安装有电极的钻孔贯穿整个模型试验装置，分别位于模型试验装置的左上和右上、左下和 右下，用于电阻率CT法与钻孔雷达法的探测。

钻孔雷达法的探测：其具体探测试验步骤为：

1：预埋地质异常体。在确定好预埋地质异常体在模型试验中的三维位置后，利用自动化 施工装置，首先在模型试验隧道围岩中进行快速三维定位挖掘，然后将含水构造搬运并埋设 到预定位置中，最后将隧道围岩材料回填并夯实。

2：探测装置的连接与试验。

（1）选择水平探测钻孔：根据预埋的含水构造三维位置，选择任意2个钻孔，保证含水 地质构造装置在2个水平探测钻孔之间，供跨孔雷达法探测。

（2）设备的连接：连接好雷达主机、笔记本、2个钻孔雷达天线、电源及其它配套探测 设备。

（3）探测及其探测结果验证。

首先，把一个钻孔雷达天线作为接收天线，并递送到其中一个水平探测钻孔最深部，另 外一个钻孔雷达天线作为发射天线，也递送到另外一个水平探测钻孔最深部。

接着，利用笔记本控制雷达主机进行第一次雷达数据采集，然后把发射天线往钻孔外移 动探测间距m，接收天线不动，再进行第二次雷达数据采集，接着再把发射天线每次往外移 动探测间距m，直至移动到远离探测区域，进行第三次、第四次......第n次探测，n、m均 为自然数。

同样，再把2个钻孔雷达天线递送到原水平探测钻孔的最深部，原发射天线作为接收天 线不动，原接收天线作为发射天线同理进行n次雷达数据采集。

最后，将采集到的雷达数据进行地球物理反演处理，得到含水地质构造装置的雷达探测 响应波形图，从而得到探测区域含水地质构造装置的位置大小等信息，并与实际情况进行对 比验证。

实施例2：

一种隧道施工大型综合地球物理超前探测模型试验装置，它包括隧道围岩1、主隧道模 型2、模型试验外壳3、含水地质构造装置4、数控自动化施工装置5、水平探测钻孔30和 主控室6；隧道围岩1填充于模型试验外壳3内，主隧道模型2位于模型试验外壳3的前方 正中间位置，含水地质构造装置4安置在主隧道模型2前方，数控自动化施工装置5安装在 模型试验外壳3的顶部，水平探测钻孔30设置于模型试验装置内部，主控室6位于模型试 验外壳3外部，与模型试验主隧道模型2、含水地质构造装置4和数控自动化施工装置5通 信。

隧道围岩的配比、其他装置的布设及制备方法引用实施例1。

激发极化法：其具体探测试验步骤为：

1：预埋地质异常体。在确定好预埋地质异常体在模型试验中的三维位置后，利用自动化 施工装置，首先在模型试验隧道围岩中进行快速三维定位挖掘，然后将含水构造搬运并埋设 到预定位置中，最后将隧道围岩材料回填并夯实。

2：探测装置的连接与试验。

（1）选择探测电极；激发极化法需要利用隧道模型掌子面8上的5排电极和隧道腔体 上距隧道模型掌子面0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m处预设的 探测电极。

（2）设备的连接；连接激发极化法主机、电源，并将用到的所有探测电极与主机相连。

（3）探测及其探测结果验证。

首先，由隧道腔体上距隧道模型掌子面0.5m处的探测电极作为供电电极，掌子面上的5 排电极作为接收电极，从第一排到第五排依次接收信号，进行第一次探测；

同理，由隧道腔体上距隧道模型掌子面1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、 5.5m处的探测电极作为供电电极，隧道模型掌子面8上的5排电极作为接收电极，从第一排 到第五排依次接收信号，进行第2、3、......、11次探测；

最后，将采集到的探测数据进行地球物理反演处理，得到含水地质构造装置的响应结果， 从而得到探测到的含水地质构造装置三维位置、大小等信息，并与实际情况进行对比验证。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。