一种硐室群模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及围岩施工技术领域，具体涉及一种硐室群模型试验装置及试验方法。

背景技术

硐室模型围岩是指硐室周围，由于人工硐室的开挖而引起一定范围内应力、应变重新调整达到新的平衡状态的岩体。硐室开挖后，模型围岩应力、应变演变规律直接关系硐室模型围岩的稳定性。传统岩土工程的设计和施工是根据施工经验来进行。当开挖活动是在小规模范围和接近地表的深度上进行时，经验类比法往往是有效的。但是随着开挖规模的不断加大和不断向深部地层发展，经验类比法越来越失去作用。硐室的高地应力、复杂地质条件极易诱发坍塌、失稳、岩爆或者其它破坏形式。因此，研制特种试验设备，剖析复杂条件下硐室开挖过程中或温湿度变化后模型围岩应力、应变演变规律异常重要，相关结论可为硐室设计和施工提供科学的决策依据，也能为硐室模型围岩地质灾害防治提供理论基础。

目前，针对硐室模型围岩应力监测，都是在硐室开挖完成后，将光弹应力计、钢弦压力盒粘结在模型围岩壁上或者将锚杆测力计送入钻孔内锚固或者是将压力枕(囊)放入凿好的模型围岩壁狭缝中，并紧密接触，从而获得硐室开挖后模型围岩的应力大小与分布情况。

现有的硐室群模型试验装置未能有效的测得开挖中围岩应力、应变规律，特别是复杂应力条件下的硐室开挖。所以说目前亟须需要开发一种硐室群模型试验装置，能够更为精准的模拟岩土体硐室开挖过程与并实时监测模型围岩应力、应变规律的试验装置，用以克服以上问题。

发明内容

(一)本发明所要解决的问题是：现有的硐室群模型试验装置未能有效的测得开挖中围岩应力、应变规律，特别是复杂应力条件下的硐室开挖。

(二)技术方案

一种硐室群模型试验装置，包括模型围岩结构、加载系统、冻融系统和数据采集系统；

所述模型围岩结构包括顶部开口的箱体和设置于所述箱体内的模型围岩，所述模型围岩内通过衬砌薄铁皮搭建形成有硐室和井筒，所述衬砌薄铁皮用于形成所述硐室和所述井筒的断面形状，所述硐室和所述井筒相互垂直且相连通；

所述硐室和所述井筒内的均填充有混合料，所述混合料中的含水率为20％-25％，所述混合料被冻结时，用于支撑所述硐室和所述井筒；所述混合料从冻结状态到融化状态时，用于模拟所述硐室和所述井筒内的开挖状态；

所述冻融系统用于冻结或融化填充于所述硐室和所述井筒内的所述混合料；

所述数据采集系统包括温度测量组件、应变监测组件和位移监测组件，所述温度测量组件用于测量所述井筒和所述硐室内的温度，所述应变监测组件测量所述井筒内壁与所述硐室内壁上的应变信息，所述位移监测组件用于测量所述模型围岩内的竖向位移信息；

所述加载系统用于朝所述模型围岩的施加压力以调节所述模型围岩受到的预应力。

根据本发明的一个实施例，所述冻融系统包括制冷加热器、分流器、合流器和冻融管机构；

所述冻融管机构包括多个第一竖向冻融管和多个第一水平冻融管，所述第一竖向冻融管和多个第一水平冻融管一一对应，多个所述第一竖向冻融管沿着所述井筒的轴线方向设置于所述井筒内，多个所述第一水平冻融管沿着所述硐室的深度方向设置于所述硐室内；

每个所述第一水平冻融管的侧壁上均开设有水口，一个所述第一竖向冻融管的一端和与之对应的所述水平冻融管上的所述水口相连通；所述分流器具有多个出水口和至少一个进水口，所述制冷加热器的出液口与所述分流器的进水口之间通过管道相连通，每个所述第一竖向冻融管的一端均与一个所述分流器的出水口通过管道相连通；

所述合流器具有多个进水口和至少一个出水口，每个所述第一水平冻融管的两端分别与所述合流器上的两个所述进水口通过管道相连通，所述合流器的出水口与所述制冷加热器的进液口相连通。

根据本发明的一个实施例，所述冻融管机构还包括多个第二竖向冻融管、第三竖向冻融管、第二水平冻融管和第三水平冻融管，所述第二竖向冻融管与所述第二水平冻融管一一对应，所述第三竖向冻融管和所述第三水平冻融管一一对应；

多个所述第二竖向冻融管和所述第三竖向冻融管沿着所述井筒的轴线方向设置于所述井筒内；

多个所述第二水平冻融管和所述第三水平冻融管沿着所述硐室的深度方向设置于所述硐室内，所述第二水平冻融管的一端靠近所述硐室的中间位置，其另一端从所述硐室的第一端伸出，所述第三水平冻融管的一端靠近所述硐室的中间位置，其另一端从所述硐室的另一端伸出；

每个所述第二竖向冻融管和与之对应的所述第二水平冻融管靠近所述硐室中间位置的一端相连通，所述第二水平冻融管的另一端与所述合流器上的所述进水口通过管道相连通；

每个所述第三竖向冻融管和与之对应的所述第三水平冻融管靠近所述硐室中间位置的一端相连通，所述第三水平冻融管的另一端与所述合流器上的所述进水口通过管道相连通。

根据本发明的一个实施例，所述冻融管机构还包括第一固定架，所述第一固定架包括至少一个钢制内圆环和至少一个第一钢筋，所述第一竖向冻融管、第二竖向冻融管和第三竖向冻融管绕着所述钢制内圆环的轴线均匀焊接于所述钢制内圆环上，所述第一钢筋焊接于所述钢制内圆环的内壁之间，且所述第一钢筋与所述钢制内圆环的轴线相交。

根据本发明的一个实施例，所述冻融管机构还包括两个第二固定架，所述第二固定架包括立板和支座，所述立板固定于所述支座上，所述立板的外形与所述硐室的外形相同；

每个所述立板上均开设有多个第一插孔和第二插孔；所述第一水平冻融管的两端分别插入到两个所述立板上的所述第一插孔中；所述第二水平冻融管插入到一个所述立板上的所述第二插孔中，所述第三水平冻融管插入到另一个所述立板上的所述第二插孔中。

根据本发明的一个实施例，所述箱体具有用于容纳所述模型围岩的腔体，所述箱体具有顶面、正面和背面，所述箱体的顶面上开设有多个通孔；

所述箱体的正面和背面上分别开设有多个孔体，所述箱体的正面上的所述孔体和所述背面上的所述孔体一一对应。

根据本发明的一个实施例，所述温度测量组件包括多个热电偶串、数据采集仪和数据处理器，所述井筒和所述硐室的内壁上均安装有至少一个热电偶串，所述热电偶串与所述数据采集仪电连接，所述数据采集仪与所述数据处理器电连接。

根据本发明的一个实施例，所述应变监测组件包括多个应变片、应变仪和数据处理器，所述井筒和所述硐室的内壁上均安装有至少一个应变片，所述应变片与所述应变仪电连接，所述数据处理器与所述应变仪电连接。

根据本发明的一个实施例，所述加载组件包括反力架和至少一个千斤顶，所述模型围岩设置于所述反力架的下方，所述千斤顶安装在所述反力架上，且所述千斤顶位于所述反力架和所述模型围岩之间。

一种硐室群模型试验方法，使用了上述的一种硐室群模型试验装置，包括如下步骤：

利用制冷加热器冻结填充于硐室和井筒内的混合料，并根据温度测量组件测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器的制冷温度；

开启加载系统，加载系统按照设定的预应力朝模型围岩的顶部施加压力；

利用制冷加热器融化填充于硐室和井筒内的混合料，并根据温度测量组件测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器的制热温度；

利用应变监测组件测量井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮的应变信息，利用位移监测组件测量模型围岩内的竖向位移信息；

根据测量的井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮的应变信息以及位移监测组件测量模型围岩内的竖向位移信息调整井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮的厚度。

(三)本发明的有益效果：

本发明提供的一种硐室群模型试验装置，包括模型围岩结构、加载系统、冻融系统和数据采集系统；模型围岩结构包括顶部开口的箱体和设置于箱体内的模型围岩，模型围岩内通过衬砌薄铁皮搭建形成有硐室和井筒，衬砌薄铁皮用于形成硐室和井筒的断面形状，硐室和井筒相互垂直且相连通；硐室和井筒内的均填充有混合料，混合料中的含水率为20％-25％，混合料被冻结时，用于支撑硐室和井筒；混合料从冻结状态到融化状态时，用于模拟硐室和井筒内的开挖状态；冻融系统用于冻结或融化填充于硐室和井筒内的混合料；数据采集系统包括温度测量组件、应变监测组件和位移监测组件，温度测量组件用于测量井筒和硐室内的温度，应变监测组件测量井筒内壁与硐室内壁上的应变信息，位移监测组件用于测量模型围岩内的竖向位移信息；加载系统用于朝模型围岩的施加压力以调节模型围岩受到的预应力。

先堆砌并夯实一部分模型围岩，当模型围岩的达到一定高度后，在模型围岩上安装硐室内的衬砌薄铁皮，接着在硐室用的衬砌薄铁皮上安装好井筒内的衬砌薄铁皮，之后在硐室内的衬砌薄铁皮内部以及井筒内的衬砌薄铁皮内部搭建组装好冻融系统用的冻融管，接着在硐室内的衬砌薄铁皮内部以及井筒内的衬砌薄铁皮内部安装应变监测组件中的应变片以及温度测量组件中的热电偶串，之后朝硐室内的衬砌薄铁皮内部以及井筒内的衬砌薄铁皮内部填充混合料。然后利用冻融系统冻结填充于硐室和井筒内的混合料。接着继续堆砌模型围岩，并在堆砌的过程中放置位移监测组件，之后接着堆砌直至模型围岩成型。这样整个硐室群模型试验装置基本搭建完毕。

然后开启加载系统，加载系统按照设定的预应力朝模型围岩的顶部施加压力，以模仿模型围岩受到的地下预应力。之后利用冻融系统融化填充于硐室和井筒内的混合料，使得混合物与井筒的内壁以及硐室的内壁相脱离，从而模仿开挖情况。在这个过程中可根据温度测量组件测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器的制热温度。

同时，利用应变监测组件测量井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮的应变信息，利用位移监测组件测量模型围岩内的竖向位移信息。根据测量的井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮的应变信息以及位移监测组件测量模型围岩内的竖向位移信息得到硐室和井筒的应变规律以及模型围岩的位移规律。

这样能够更为精准的模拟岩土体硐室开挖过程，并实时监测硐室和井筒的应力、应变规律，从而能有效的模拟开挖时岩土体的真实受力情况，特别是复杂应力条件下的硐室开挖。

一种硐室群模型试验方法，采用本方法一方面为以后模拟硐室群试验中硐室开挖方法提供了一个新思路，为以后进一步推广和应用硐室相关模拟实验提供一定的参考依据，另一方面也可对开挖后硐室的稳定性进行分析，从而合理选择硐室位置，对硐室群的设计提供一定理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的结构图；

图2为本发明实施例提供的箱体的结构图；

图3为本发明实施例提供的上盖板的结构图；

图4为本发明实施例提供的前盖板的结构图；

图5为本发明实施例提供的围岩的截面图；

图6为本发明实施例提供的第一固定架和衬砌薄铁皮的结构图；

图7为本发明实施例提供的第二固定架和衬砌薄铁皮的结构图；

图8为本发明实施例提供的第二固定架的结构图；

图9为本发明实施例提供的井筒断面的示意图；

图10为本发明实施例提供的硐室的断面示意图；

图11为本发明实施例提供的分流器的剖视图；

图12为本发明实施例提供的分流器的俯视图。

图标：2-箱体；21-刻度线；211-横向加劲肋；212-竖向加劲肋；22-上盖板；221-第一过线孔；222-第二过线孔；223-第三过线孔；224-通孔；23-前盖板；231-第一抽取孔；232-孔体；241-第二抽取孔；3-制冷加热器；31-制冷加热器出液管；32-分流器；33-分流器出液管；34-合流器进液管；35-合流器；36-制冷加热器进液管；37-第二竖向冻融管；38-第一水平冻融管；39-第二水平冻融管；4-温度测量组件；5-应变监测组件；6-位移监测组件；7-钢制内圆环；71-第一钢筋；8-立板；81-支座；82-第二钢筋；83-加强肋；9-保温层；10-衬砌薄铁皮；101-温度测点；102-混合测点；11-反力架；12-承压板；13-螺杆；14-螺栓；15-千斤顶；25-位移测杆。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1-图12所示，本发明的一个实施例提供了一种硐室群模型试验装置，包括模型围岩结构、加载系统、冻融系统和数据采集系统；模型围岩结构包括顶部开口的箱体2和设置于箱体2内的模型围岩，模型围岩内通过衬砌薄铁皮10搭建形成有硐室和井筒，衬砌薄铁皮10用于形成硐室和井筒的断面形状，硐室和井筒相互垂直且相连通；硐室和井筒内的均填充有混合料，混合料中的含水率为20％-25％，混合料被冻结时，用于支撑硐室和井筒；混合料从冻结状态到融化状态时，用于模拟硐室和井筒内的开挖状态；冻融系统用于冻结或融化填充于硐室和井筒内的混合料；数据采集系统包括温度测量组件4、应变监测组件5和位移监测组件6，温度测量组件4用于测量井筒和硐室内的温度，应变监测组件5测量井筒内壁与硐室内壁上的应变信息，位移监测组件6用于测量模型围岩内的竖向位移信息；加载系统用于朝模型围岩的施加压力以调节模型围岩受到的预应力。

本申请中，先堆砌并夯实一部分模型围岩，当模型围岩的达到一定高度后，在模型围岩上安装硐室内的衬砌薄铁皮10，接着在硐室用的衬砌薄铁皮10上安装好井筒内的衬砌薄铁皮10，之后在硐室内的衬砌薄铁皮10内部以及井筒内的衬砌薄铁皮10内部搭建组装好冻融系统用的冻融管，接着在硐室内的衬砌薄铁皮10内部以及井筒内的衬砌薄铁皮10内部安装应变监测组件5中的应变片以及温度测量组件4中的热电偶串，之后朝硐室内的衬砌薄铁皮10内部以及井筒内的衬砌薄铁皮10内部填充混合料。然后利用冻融系统冻结填充于硐室和井筒内的混合料。接着继续堆砌模型围岩，并在堆砌的过程中放置位移监测组件6，之后接着堆砌直至模型围岩成型。这样整个硐室群模型试验装置基本搭建完毕。

然后开启加载系统，加载系统按照设定的预应力朝模型围岩的顶部施加压力，以模仿模型围岩受到的地下预应力。之后利用冻融系统融化填充于硐室和井筒内的混合料，使得混合物与井筒的内壁以及硐室的内壁相脱离，从而模仿开挖情况。在这个过程中可根据温度测量组件4测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器3的制热温度。

同时，利用应变监测组件5测量井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮10的应变信息，利用位移监测组件6测量模型围岩内的竖向位移信息。根据测量的井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮10的应变信息以及位移监测组件6测量模型围岩内的竖向位移信息得到硐室和井筒的应变规律以及模型围岩的位移规律。

这样能够更为精准的模拟岩土体硐室开挖过程，并实时监测硐室和井筒的应力、应变规律，从而能有效的模拟开挖时岩土体的真实受力情况，特别是复杂应力条件下的硐室开挖。

作为优选的实施例，如图2所示，模型围岩呈矩形块状，其具有相对的正面、背面、左侧面、右侧面、顶面和底面。其中硐室从模型围岩的正面贯通至模型围岩的背面，且硐室靠近模型围岩的底部，井筒从模型围岩的顶面延伸至硐室内，井筒和硐室相垂直且相连通。

作为优选的实施例，如图1、图5、图6和图7所示，冻融系统包括制冷加热器3、分流器32、合流器35和冻融管机构。

其中，冻融管机构包括八个第一竖向冻融管和八个第一水平冻融管38，第一竖向冻融管和八个第一水平冻融管38一一对应。八个第一竖向冻融管的长度长于井筒的深度，第一竖向冻融管沿着井筒的轴线方向伸入到井筒内，第一竖向冻融管的顶端从井筒的顶端开口伸出，第一竖向冻融管的底端伸入到硐室内。

进一步的，八个第一水平冻融管38沿着硐室的深度方向伸入到硐室内，第一水平冻融管38的长度大于硐室的深度，第一水平冻融管38的一端从硐室的前端开口伸出，第一水平冻融管38的另一端从硐室的后端伸出。

如图5所示，而在每个第一水平冻融管38的侧壁上均开设有水口，第一竖向冻融管的底端和与之对应的第一水平冻融管38上的水口相连通。即第一竖向冻融管和第一水平冻融管38之间形成倒立的T字型管。此时第一竖向冻融管的顶端开口为进水口，而第一水平冻融管38的两端均为出水口。

在本实施例中，如图1和图12所示，分流器32具有八个出水口和一个进水口，制冷加热器3的出液口与分流器32的进水口之间通过制冷加热器出液管31相连通，出水口和第一竖向冻融管一一对应，分流器32的八个出水口上分别连接有一个分流器出液管33，八个分流器出液管33分别与八个第一竖向冻融管的顶端相连通。

在本实施例中，如图1所示，合流器35具有十六个进水口和一个出水口，制冷加热器3的进液口连接有制冷加热器进液管36，制冷加热器进液管36的另一端与合流器35的出水口相连接。每个第一水平冻融管38的两端分别连接一个合流器进液管34，共计16个合流器进液管34，合流器进液管34与合流器35上的十六个进水口一一对应，每个合流器进液管34的另一端与合流器35上的一个进水口相连通。

当需要冻结混合料时，制冷加热器3流出低温度盐水，低温度盐水通过制冷加热器出液管31流入到分流器32中，分流器32将低温度盐水分别注入到八个第一竖向冻融管中，低温度盐水从第一竖向冻融管的顶端进入从其底端流出到与其对应的第一水平冻融管38的内部，之后低温度盐水从第一水平冻融管38两端的两个合流器进液管34流入到合流器35内，然后低温度盐水从合流器35的出水口流入到制冷加热器进液管36中，最终流回到制冷加热器3内，从而完成一个循环。由于八个第一竖向冻融管和八个第一水平冻融管38均被包裹在混合物的内部，因此当低温度盐水在第一竖向冻融管和第一水平冻融管38内流动循环时，会冻结混合料。

当需要融化混合料时，制冷加热器3流出高温度盐水，高温度盐水通过制冷加热器出液管31流入到分流器32中，分流器32将高温度盐水分别注入到八个第一竖向冻融管中，高温度盐水从第一竖向冻融管的顶端进入从其底端流出到与其对应的第一水平冻融管38的内部，之后高温度盐水从第一水平冻融管38两端的两个合流器进液管34流入到合流器35内，然后高温度盐水从合流器35的出水口流入到制冷加热器进液管36中，最终流回到制冷加热器3内，从而完成一个循环，以此融化填充于硐室和井筒内的混合物。

需要知道是，混合料为高含水冻结泥和砂混合料，高含水冻结泥和砂混合料为水、泥和砂的混合物。其中，含水率为20％-25％。在低温时(零下)，高含水冻结泥和砂混合料中的水会冻结成冰，而在高温时，高含水冻结泥和砂混合料中的冰会融化。这样通过升高高含水冻结泥和砂混合料的温度使高含水冻结泥和砂混合料中的冰融化使得高含水冻结泥和砂混合料脱落而模拟开挖模型围岩。此外，高含水冻结泥和砂混合料需要根据开挖模型围岩的物理性质如强度、泊松比来模拟。

模型围岩是石膏、水泥、砂等材料制成，在制作时，需要根据土及岩层的强度、泊松比、内聚力来模拟岩土。

需要注意的是，如图6和图7所示，硐室和井筒内均设有衬砌薄铁皮10，衬砌薄铁皮10的内壁上设有保温层9，以降低温度的流失速率。具体的，如图6所示，井筒内的衬砌薄铁皮10成圆管状。如图7所示，硐室内的衬砌薄铁皮10与硐室的外形结构相同。衬砌薄铁皮10的厚度为2mm-3mm，其具有一定的强度，可起到支撑硐室和井筒的作用，同时其还具有形变能力，以方便应变监测组件5测量硐室和井筒内的应变信息。当混合料被冻结时，衬砌薄铁皮10用于支撑硐室和井筒，当混合料从冻结状态到融化状态时，衬砌薄铁皮10用于模拟硐室和井筒内的开挖状态。

作为优选的实施例，如图5、图6和图7所示，冻融管机构还包括五个第二竖向冻融管37、五个第三竖向冻融管、五个第二水平冻融管39和五个第三水平冻融管。其中，第二竖向冻融管37与第二水平冻融管39一一对应，第三竖向冻融管和第三水平冻融管一一对应。

如图6所示，五个第二竖向冻融管37和五个第三竖向冻融管的长度相同，五个第二竖向冻融管37和五个第三竖向冻融管的长度均长于井筒的深度，五个第二竖向冻融管37和五个第三竖向冻融管沿着井筒的轴线方向伸入到井筒内，五个第二竖向冻融管37和五个第三竖向冻融管的顶端从井筒的顶端开口伸出，五个第二竖向冻融管37和五个第三竖向冻融管的底端伸入到硐室内。

如图5所示，五个第二水平冻融管39和五个第三水平冻融管的长度相同，其长度略大于硐室深度的一半，第二水平冻融管39和第三水平冻融管沿着硐室的深度方向设置于硐室内，第二水平冻融管39的一端靠近硐室的中间位置，其另一端从硐室的前面伸出，第三水平冻融管的一端靠近硐室的中间位置，其另一端从硐室的背面伸出。即第二水平冻融管39和第三水平冻融管关于硐室的中部对称设置，而井筒位于硐室中部的正上方。

进一步的，每个第二竖向冻融管37的底端和与之对应的第二水平冻融管39靠近硐室中间位置的一端相连通。每个第三竖向冻融管的底端和与之对应的第三水平冻融管靠近硐室中间位置的一端相连通。

需要说明的是，在本实施例中，分流器32如图12所示，分流器32上设有十八个出水口，分流器32的八个出水口上分别连接有一个分流器出液管33，八个分流器出液管33分别与八个第一竖向冻融管的顶端相连通。而其中五个出水口上分别连接一个分流器出液管33，这个五个分流器出液管33分别与五个第二竖向冻融管37的顶端相连通。剩余的五个出水口上也分别连接一个分流器出液管33，这五个分流器出液管33分别与五个第三竖向冻融管的顶端相连通。

这样分流器32通过八个分流器出液管33将低温盐水或高温盐水输送到八个第一竖向冻融管内。分流器32通过另外的五个分流器出液管33将低温盐水或高温盐水输送到第二竖向冻融管37内。分流器32通过最后的五个分流器出液管33将低温盐水或高温盐水输送到第三竖向冻融管内。

此外，在本实施例中，合流器35上的进水口设置有26个，每个第一水平冻融管38的两端分别连接一个合流器进液管34，共计16个合流器进液管34，这16个合流器进液管34分别与合流器35上的16个进水口分别相连通。

五个第二水平冻融管39靠近硐室中部位置的一端与五个第二竖向冻融管37的底端相连接，五个第二水平冻融管39的另一端分别连接有一个合流器进液管34，共计五个合流器进液管34，这五个合流器进液管34的一端与合流器35上的五个进水口分别相连通。

五个第三水平冻融管靠近硐室中部位置的一端与分别五个第三竖向冻融管的底端相连接，五个第二水平冻融管39的另一端分别连接有一个合流器进液管34，共计五个合流器进液管34，这五个合流器进液管34的一端与合流器35上的五个进水口分别相连通。

制冷加热器3流出低温度盐水或高温度盐水，低温度盐水或高温度盐水通过制冷加热器出液管31流入到分流器32中，分流器32将低温度盐水或高温度盐水同时注入到与第一竖向冻融管相连接的八个分流器出液管33中、与第二竖向冻融管37相连接的五个分流器出液管33中以及与第三竖向冻融管相连接的五个分流器出液管33中。接着，与第一竖向冻融管相连接的八个分流器出液管33将低温度盐水或高温度盐水输送至八个第一竖向冻融管内，第二竖向冻融管37相连接的五个分流器出液管33将低温度盐水或高温度盐水输送至第二竖向冻融管37内，与第三竖向冻融管相连接的五个分流器出液管33将低温度盐水或高温度盐水输送至第三竖向冻融管内，之后，八个第一竖向冻融管内的低温度盐水或高温度盐水被输送至八个第一水平冻融管38内，五个第二竖向冻融管37内的低温度盐水或高温度盐水被输送至五个第二水平冻融管39内，五个第三竖向冻融管内的低温度盐水或高温度盐水被输送至五个第三水平冻融管内，接着八个第一水平冻融管38内的低温度盐水或高温度盐水通过第一水平冻融管38两端的合流器进液管34流入合流器35内，五个第二水平冻融管39内的低温度盐水或高温度盐水从第二水平冻融管39一端的合流器进液管34流入到合流器35内，五个第三水平冻融管内的低温度盐水或高温度盐水从第三水平冻融管一端的合流器进液管34流入到合流器35内。最后汇入到合流器35内的低温度盐水或高温度盐水从合流器35的出水口流入到制冷加热器进液管36中，最终流回到制冷加热器3内，从而完成一个循环。

由于竖向的冻融管和水平的冻融管的数量增多，使得冻融管能充分的与混合物接触，以增加冻结以及融化时的效率，大大缩短冻结以及融化所需的时间。

作为优选的实施例，在本实施例中，如图6所示，井筒内壁设有呈圆管状的衬砌薄铁皮10，在井筒内安装有第一固定架，第一固定架用于固定竖向的冻融管。具体的，第一固定架包括钢制内圆环7，钢制内圆环7的直径小于井筒内衬砌薄铁皮10的直径，第一竖向冻融管、第二竖向冻融管37和第三竖向冻融管绕着钢制内圆环7的轴线均匀焊接于钢制内圆环7上。

可选的，钢制内圆环7设置有三个，三个钢制内圆环7同轴设置，且高度依次降低。第一竖向冻融管、第二竖向冻融管37和第三竖向冻融管同时与三个钢制内圆环7相焊接。这样能较好的形成一个较为稳定的整体结构，第一竖向冻融管、第二竖向冻融管37和第三竖向冻融管被稳定的固定在一起。

可选的，如图6，在每个钢制内圆环7内均焊接有第一钢筋71，第一钢筋71设置有一个，第一钢筋71焊接于钢制内圆环7的内壁之间，且第一钢筋71的长度与钢制内圆环7的直径相同。第一钢筋71起到撑住钢制内圆环7外形结构的作用，以使得在冻结或融化混合物时，钢制内圆环7能保持稳定而不严重变形。

可选的，第一钢筋71可设置两个或三个。以此更好的稳定钢制内圆环7。

作为优选的实施例，如图7所示，在硐室内壁上设有衬砌薄铁皮10，衬砌薄铁皮10的外形与硐室的外形保持相同，在硐室内安装有两个用于固定水平的冻融管的第二固定架。如图8所示，第二固定架包括立板8和支座81，立板8固定于支座81上，立板8的外形与硐室的外形相同，在两个立板8之间焊接有第二钢筋82。

进一步的，在每个立板8的下半部分开设有八个供第一水平冻融管38插入的第一插孔，在每个立板8上的上半部分开设有五个第二插孔。即每个立板8上分别开设有八个第一插孔和五个第二插孔，共计13个插孔。

其中，八个第一水平冻融管38的两端分别插入到两个立板8上的八个第一插孔中，而五个第二水平冻融管39插入到一个立板8上的五个第二插孔中，五个第三水平冻融管插入到另一个立板8上的五个第二插孔中。

可选的，立板8的底端焊接在支座81的上表面，同时在支座81的上表面和立板8之间焊接有加强肋83，以加强支座81和立板8的连接稳定性，提高结构强度。

作为优选的实施例，如图2所示，硐室群模型试验装置还包括箱体2，箱体2用于放置模型围岩，箱体2包括前盖板23、后盖板、左侧板、右侧板、上盖板22和底板，其中，前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板焊接在底板上，上盖板22主要起盖合作用，上盖板22是单独可拿出的。

进一步的，在前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板上均焊接有至少两个竖向加劲肋212，且在前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板上均设有横向加劲肋211，具体的，前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板上的横向加劲肋211与其上的竖向加劲肋212相焊接，同时，前盖板23上的横向加劲肋211的左端与左侧板上的横向加劲肋211相焊接，其右端与右侧板上的横向加劲肋211相焊接，而后盖板上的横向加劲肋211的两端分别与左侧板和后侧板上的横向加劲肋211相焊接。即前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板上的横向加劲肋211依次连接形成矩形框架结构。这样利用横向加劲肋211勒住箱体2的前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板，提高箱体2的稳定性。

作为优选的实施例，如图3所示，上盖板22上开设有18个通孔224，这18个通孔224是供8个第一竖向冻融管、5个第二竖向冻融管37和5个第三竖向冻融管穿过的。

如图4所示，在前盖板23上开设有13个孔体232，这13个孔体232中，有八个孔体232是供八个第一水平冻融管38的前端穿过的，剩余的五个孔体232是供五个第二水平冻融管39穿过的。后盖板与前盖板23完全相同，在后盖板上也开设有13个孔体232，其中有八个孔体232是供八个第一水平冻融管38的后端穿过的，剩余的五个孔体232是供五个第三水平冻融管穿过的。

作为优选的实施例，在前盖板23上还开设有第一抽取孔231，第一抽取孔231是正对着硐室的，当混合物融化后，通过第一抽取孔231抽取硐室内的融化后的混合物，以清理混合物。

可选的，在后盖板上开设有第二抽取孔241，这样可同时利用第一抽取孔231或第二抽取孔241抽取融化后的混合物，以提高抽取效率。

作为优选的实施例，温度测量组件4包括多个热电偶串、数据采集仪和数据处理器，在热电偶串上有两个温度测点，如图9所示，在模拟井筒断面上布置4个热点偶串。4个热点偶串之间通过数据线相连接。

如图10所示，在模拟硐室断面上布置8个热点偶串，热电偶串形成一个温度测试水平面。8个热点偶串之间通过数据线相连接。

其中，数据采集仪与模拟井筒内的四个热电偶串信号连接；数据采集仪与模拟硐室内的八个热电偶串信号连接，数据处理器与数据采集仪信号连接，用于分析处理温度信息。

在冻结或融化填充于硐室和井筒内的混合物时，井筒内的四个热电偶串测得井筒内的温度并将温度数据传输到数据采集仪内，而硐室内的八个热电偶串测得硐室内的温度并将温度数据传输到数据采集仪内，数据采集仪将井筒内的温度数据以及硐室内的温度数据传输到数据处理器内，数据处理器分析并处理温度信息。

可选的，如图9所示，在模拟井筒断面上的四个热电偶串绕着井筒内的衬砌薄铁皮10的轴线均匀分布，均匀分布的四个热电偶串能更加精准的测量出井筒内的温度。例如，井筒内的实际温度值等于四个热电偶串测得的温度值的平均数。

可选的，如图10所示，模拟硐室断面上的八个热电偶串中，有一个热电偶串设置在硐室断面的顶点处，两个热电偶串分别设置在两侧直墙的中间位置，两个热电偶串分别设置在两侧的直墙与拱的连接处，剩余的三个热电偶串均匀分布在底面。采用均匀分布的方式，在硐室内壁上的每个重点位置均设置了热电偶串，这样计算得出的实际温度值更加精确。具体的，实际的温度值，为这八个热电偶串测得的温度值的平均数。

作为优选的实施例，应变监测组件5用于采集井壁与硐室壁表面的应变信息，应变监测组件5包括多个应变片、应变仪和数据处理器。

如图9所示，在模拟井筒断面上均匀布置四个测点，每个测点处均布置了竖向和环向应变片，共计八个应变片。其中的，竖向应变片沿着井筒的轴线方向设置，环形应变片沿着井筒的环向设置，即每个测点处的竖向应变片和环向应变片的布置方向是相垂直的。

在硐室断面上布置5个监测点，每个监测点布置有一个应变片，共计5个应变片，具体的，这五个应变片的布置方向是沿着硐室的深度方向设置的。5个监测点中，有一个监测点设置在硐室断面的顶点处，两个监测点分别设置在两侧直墙的中间位置，剩下的两个监测点分别设置在两侧的直墙与拱的连接处。

总共13个应变片均与应变仪电连接，数据处理器与应变仪电连接，用于处理测得的应变信息。

需要知道的是，热电偶串和应变片均安装在井筒内的衬砌薄铁皮10以及硐室内的衬砌薄铁皮10上。如图9所示，井筒内的衬砌薄铁皮10的断面上均匀分别有四个混合测点102，每个混合测点102包括一个竖向应变片、一个环向应变片和一个热电偶串。

如图10所示，硐室内的衬砌薄铁皮10上的断面上包括五个混合测点102和三个温度测点101，五个混合测点102包括一个应变片和一个热电偶串。三个温度测点101包括一个热电偶串。

作为优选的实施例，如图1和图5所示，位移监测组件6用于采集模拟围岩的竖向位移信息，位移监测组件6包括位移测杆25和数据处理器；其中位移测杆25埋设在模拟硐室的上方，共两根。位移测杆25和数据处理器信号连接。

作为优选的实施例，如图3所示，在上盖板22上还开设有第一过线孔221、第二过线孔222和第三过线孔223。其中第一过线孔221用于供温度测量组件4中热电偶串与数据采集仪之间的信号线穿过。第二过线孔222用于供应变监测组件5中应变片和应变仪之间的信号线穿过。第三过线孔223用于供位移监测组件6中位移测杆25和数据处理器之间的信号线穿过。

优选的，如图1所示，加载组件包括反力架11和两个千斤顶15，反力架11顶部的下表面固定安装两个千斤顶15，围岩设置于反力架11的下方。

具体的，反力架11包括顶板和多个螺杆13，顶板的四角处分别安装两个螺杆13，螺杆13顶部从顶板穿过，螺杆13和顶板之间通过螺母14相固定。两个千斤顶15安装在顶板的下表面。

可选的，在顶板的下表面通过螺栓固定安装有一个承压板12，两个千斤顶15的顶端均固定安装在承压板12上，每个千斤顶15的底端均固定安装有一个承压板12。

上述已经说明了上盖板22是活动的，当朝模型围岩施加预应力时，两个千斤顶15伸长以带动千斤顶15上的承压板12下移并作用到上盖板22上，上盖板22朝模型围岩的顶部施加朝下的压力。

实施例二：

一种硐室群模型试验方法，包括如下步骤：

第一步，在底面上放置箱体2的底板，之后搭建安装箱体2的前盖板23、左侧板、后盖板和右侧板，并将前盖板23、左侧板、后盖板和右侧板分别与箱体2的底板相焊接。最后将多个竖向加劲肋212焊接到前盖板23、左侧板、后盖板和右侧板上，然后将前盖板23、后盖板、左侧板和右侧板上的横向加劲肋211依次连接形成矩形框架结构。

第二步，将石膏、水泥、砂等材料混合形成围岩建造材料，之后利用围岩建造材料在底板上堆砌建造模型围岩，当模型围岩建造到一定高度时，暂停堆砌。然后在该部分的模型围岩的上表面安装硐室内的衬砌薄铁皮10，之后在硐室内的衬砌薄铁皮10上连接安装井筒内的衬砌薄铁皮10。

第三步，在硐室内的衬砌薄铁皮10的内壁上安装热电偶串和应变片，接着在井筒的衬砌薄铁皮10的内壁上安装热电偶和应变片，将连接热电偶和连接应变片的信号线从井筒的衬砌薄铁皮10中拉出。

第四步，将两个第二固定架进行连接并放入到硐室内的衬砌薄铁皮10的腔体中，之后将八个第一水平冻融管38的两端分别插入到两个立板8上的八个第一插孔中，将五个第二水平冻融管39插入到一个立板8上的五个第二插孔中，再将五个第三水平冻融管插入到另一个立板8上的五个第二插孔中。

注意需要将八个第一水平冻融管38的两端分别从前盖板23和后盖板上的孔体232中穿过，将五个第二水平冻融管39的一端从前盖板23的孔体232中穿过，将五个第三水平冻融管的一端从后盖板的孔体232中穿过，

第五步，将8个第一竖向冻融管、5个第二竖向冻融管37和5个第三竖向冻融管绕着钢制内圆环7的轴线均匀焊接于钢制内圆环7上，并在钢制内圆环7上焊接第一钢筋71，形成一个整体结构，然后将该整体结构放入到井筒内的衬砌薄铁皮10腔体中。

第六步，将8个第一竖向冻融管的底端分别与八个第一水平冻融管38相连通，将5个第二竖向冻融管37的底端分别与五个第二水平冻融管39的内端相连通，再将5个第三竖向冻融管的底端分别与5个第三水平冻融管的内端相连通。

第七步，将8个第一竖向冻融管顶端、5个第二竖向冻融管37顶端和5个第三竖向冻融管的顶端与分流器32分别通过分流器出液管33相连通，接着将8个第一水平冻融管38的两端、5个第二水平冻融管39的外端和5个第三水平冻融管的外端通过合流器进液管34与合流器35相连通。并将分流器32和制冷加热器3的出液口通过制冷加热器出液管31相连通，再将合流器35和制冷加热器3的进液口之间通过制冷加热器进液管36相连通。

第八步，第十步，朝井筒内的衬砌薄铁皮10的腔体内以及硐室内的衬砌薄铁皮10的腔体内灌入高含水冻结泥和砂混合料。

第九步，利用制冷加热器3冻结填充于硐室和井筒内的高含水冻结泥和砂混合料。

第十步，继续堆砌建造模型围岩，当模型围岩完全淹没硐室的衬砌薄铁皮10时，在围岩上放置两个位移测杆25，之后继续堆砌建造围岩，直至围岩完全成型。

第十一步，将第一竖向冻融管、第二竖向冻融管37、第三竖向冻融管和分流器32相断开，之后将上盖板22盖合到箱体2的顶端开口处，并注意将8个第一竖向冻融管顶端、5个第二竖向冻融管37顶端和5个第三竖向冻融管顶端从上盖板22上的通孔224中穿出，并将热电偶串与数据采集仪之间的信号线从第一过线孔221中穿出，将应变片和应变仪之间的信号线从第二过线孔222中穿出。然后将位移测杆25和数据处理器之间的信号线从第三过线孔223中穿出，将连接热电偶、连接应变片和连接位移测杆25的信号线分别与数据采集仪、应变仪和位移测杆25的数据处理器进行连接。最后再次将第一竖向冻融管37、第二竖向冻融管、第三竖向冻融管分别与分流器32相连接。

第十二步，搭建反力架11和千斤顶15。至此试验装置搭建完毕。

第十三步，利用制冷加热器3冻结填充于硐室和井筒内的混合料，并根据温度测量组件4测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器3的制冷温度。

第十四步，开启千斤顶15，千斤顶15按照设定的预应力朝上盖板22施加压力以作用到围岩上。

第十五步，利用制冷加热器3融化填充于硐室和井筒内的混合料，并根据温度测量组件4测量的井筒和硐室内的温度调节制冷加热器3的制热温度；

利用应变监测组件5测量井筒内壁与硐室内壁上的衬砌薄铁皮10的应变信息，利用位移监测组件6测量围岩内的竖向位移信息，并进行记录。

这样可对开挖后硐室的稳定性进行分析，从而合理选择硐室位置，对硐室群的设计提供一定理论依据。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。