深埋隧道突水災(zāi)害二維物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于模擬深埋隧道突水災(zāi)害和隧道圍巖破壞失穩(wěn)的試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]深埋隧道突水災(zāi)害災(zāi)變演化機(jī)理是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研宄發(fā)展計(jì)劃(973)科技攻關(guān)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。目前，我國交通和水利工程領(lǐng)域隧道埋深顯著增加，千米埋深不斷涌現(xiàn)，錦屏二級(jí)水電站引水隧洞埋深甚至達(dá)到2525m，由此帶來的施工期災(zāi)害日趨嚴(yán)重，其中，突水是隧道掘進(jìn)過程中常見的重大地質(zhì)災(zāi)害，給工程建設(shè)帶來極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。深埋隧道突水致災(zāi)機(jī)理物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是揭示地下工程突水災(zāi)變演化與失穩(wěn)機(jī)理的重要研宄手段，從而有助于深部隧道施工中采取合理有效的防治措施以減少或避免突水災(zāi)害的發(fā)生。
[0003]《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2009年第7期和申請(qǐng)?zhí)枮?00810031466.2的發(fā)明專利介紹了一種水下開采頂板滲流突水試驗(yàn)裝置，該裝置能夠體現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力和頂部水壓力、覆蓋層自重共同作用下，水下開采頂板滲流突水。但是該裝置不能完全模擬實(shí)際開采過程，只能將將其概化為幾個(gè)重要的開采步驟進(jìn)行；該裝置只能模擬致災(zāi)水源賦存與煤層頂板的情況，而實(shí)際工程中，致災(zāi)水源構(gòu)造與隧(巷)道相對(duì)空間位置是任意的，這體現(xiàn)出該裝置的局限性。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?01110264763.3的發(fā)明專利介紹了一種用于模擬采動(dòng)煤層底板突水的試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置能夠模擬深井高水壓與底板巖性變化、底板突水全過程，從而獲得底板突水的相關(guān)數(shù)據(jù)。但是該裝置在模擬突水過程中只能模擬底板突水，同樣不能改變突水水源位置。
[0005]作者為蔚立元，2010年山東大學(xué)博士畢業(yè)論文《水下隧道圍巖穩(wěn)定性研宄及其覆蓋層厚度確定》介紹了一種自重應(yīng)力場(chǎng)流固耦合模型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可改變上覆水體高度來模擬流固耦合作用下水底隧道突涌水。但是該裝置水源壓力的大小取決于上部敞口水池與隧道的相對(duì)高度，難于獲得實(shí)際工程中高達(dá)兆帕級(jí)別的水源壓力。
[0006]《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2013年第5期和申請(qǐng)?zhí)枮?01110412569.5的發(fā)明專利介紹了一種海底隧道流固耦合模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)能模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況下滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)、可直觀觀察施工過程中海底隧道圍巖滲流特征及加載過程中圍巖破裂和突水過程。但是該試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)青島膠州灣海底隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)，在隧道突水試驗(yàn)研宄方面有其天然缺陷，如不能改變水源位置、不能改變水源儲(chǔ)水量、不能實(shí)現(xiàn)深部高地應(yīng)力和水壓力等，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)深埋巖溶隧道突水災(zāi)害的物理模擬。
[0007]由于人們認(rèn)識(shí)和技術(shù)方面的限制，隧道突水室內(nèi)模型試驗(yàn)研宄近幾年才逐漸展開，相關(guān)模型試驗(yàn)系統(tǒng)和研宄鮮有報(bào)道，目前已研發(fā)的隧道突水模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要存在以下幾種不足:水壓精確控制、水源位置可調(diào)、封水性能等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種深埋隧道突水災(zāi)害二維物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法，構(gòu)造簡單、強(qiáng)度高、剛度大、封水性能良好、能夠模擬不同埋深隧道應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)、不同應(yīng)力場(chǎng)下隧道突水征兆、突水過程圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化特征、能夠直觀的觀察隧道突水過程中圍巖破裂演化特征的二維模型試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法。
[0009]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]深埋隧道突水災(zāi)害二維物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括剛性試驗(yàn)箱、水壓伺服控制系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)、壓力傳感器和滲透壓力傳感器，所述剛性試驗(yàn)箱為上部開口的立方體結(jié)構(gòu)，其前側(cè)面為高強(qiáng)度玻璃板，所述高強(qiáng)度玻璃板上設(shè)預(yù)留隧道口，在所述剛性試驗(yàn)箱內(nèi)部鋪設(shè)有巖石相似材料，并在預(yù)定位置埋設(shè)溶洞空腔，在所述溶洞空腔和隧道周邊設(shè)置壓應(yīng)力傳感器和滲透壓力傳感器，所述溶洞空腔通過高壓水管與水壓伺服控制系統(tǒng)連通，所述剛性試驗(yàn)箱上部開口位置通過豎向加載系統(tǒng)加載至設(shè)定荷載值。其中，所述溶洞空腔的大小和位置可以改變。
[0011]進(jìn)一步的，通過所述玻璃板預(yù)留隧道口開挖隧道，在隧道上安裝位移傳感器，并在隧道圍巖防突巖體的高強(qiáng)度玻璃板相應(yīng)位置安裝超聲波探頭。
[0012]進(jìn)一步的，還包括數(shù)字照相系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)字照相系統(tǒng)設(shè)置在剛性試驗(yàn)箱外，所述壓應(yīng)力傳感器、滲透壓力傳感器、位移傳感器和超聲波探頭的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)輸入端連接。
[0013]進(jìn)一步的，所述豎向加載系統(tǒng)包括上部墊板、液壓油缸和液壓泵站，所述上部墊板下方固定設(shè)置若干液壓油缸，所述液壓油缸與液壓泵站連接。
[0014]進(jìn)一步的，所述剛性試驗(yàn)箱包括剛性試驗(yàn)架和鋼板，所述鋼板分別設(shè)置在剛性試驗(yàn)架的底面、左側(cè)面、右側(cè)面和后面，所述高強(qiáng)度玻璃板設(shè)置在剛性試驗(yàn)架的前面，在所述高強(qiáng)度玻璃板上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)置前肋板，所述前肋板與剛性試驗(yàn)架固定。
[0015]深埋隧道突水災(zāi)害二維物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，包括以下試驗(yàn)步驟:
[0016]I)組裝剛性試驗(yàn)架和鋼板成剛性試驗(yàn)箱，將高強(qiáng)度玻璃板和前肋板固定設(shè)置在剛性試驗(yàn)架上；
[0017]2)將巖石相似材料鋪設(shè)在剛性試驗(yàn)箱內(nèi)，并在巖石相似材料內(nèi)部預(yù)定位置埋設(shè)溶洞空腔，通過高壓水管連通溶洞空腔和水壓伺服控制系統(tǒng)，在溶洞空腔和隧道周邊設(shè)置壓應(yīng)力傳感器和滲透壓力傳感器；在試驗(yàn)箱外安裝數(shù)字照相系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述壓應(yīng)力傳感器和滲透壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0018]3)巖石相似材料鋪設(shè)完成后，在其上安裝豎向加載系統(tǒng)，開啟液壓泵站，通過液壓油缸對(duì)巖石相似材料施加豎向載荷至設(shè)定值；
[0019]4)向溶洞空腔內(nèi)注水，待溶洞空腔滿水后，通過水壓伺服控制系統(tǒng)對(duì)溶洞空腔加壓至設(shè)定水壓值；
[0020]5)通過玻璃板預(yù)留隧道口在巖石相似材料上進(jìn)行隧道開挖，隧道開挖完成后，在隧道上安裝位移傳感器，并在隧道圍巖防突巖體的高強(qiáng)度玻璃板相應(yīng)位置安裝超聲波探頭，所述位移傳感器和超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；
[0021]6)隧道開挖過程和突水過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字照相系統(tǒng)不間斷的采集數(shù)據(jù)和圖像，監(jiān)測(cè)隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲透壓力的變化和防突巖體漸進(jìn)破壞導(dǎo)致的聲發(fā)射信息。
[0022]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在玻璃板與整體框架結(jié)合處采用嵌入式橡膠條封水方法，封水效果良好；采用溶洞空腔模擬含水溶洞，可以調(diào)節(jié)空腔大小和位置來模擬不同工程實(shí)際情況；通過水壓伺服控制系統(tǒng)來施加水壓力，可以更精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)水壓力；豎向加載系統(tǒng)可以模擬不同埋深條件下隧道圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)；通過數(shù)字照相系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像采集，隧道圍巖的位移場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0023]圖1為剛性試驗(yàn)架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2嵌入式封水橡膠條。
[0025]圖3為高強(qiáng)鋼化玻璃結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為剛性試驗(yàn)箱上部墊板的俯視圖。
[0027]圖5為剛性試驗(yàn)箱前肋板的主視圖。
[0028]圖6為豎向加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7為水壓伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖8為深埋隧道突水致災(zāi)機(jī)理二維模型試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0032]如附圖8所示，深埋隧道突水災(zāi)害二維物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括剛性試驗(yàn)箱、水壓伺服控制系統(tǒng)8、豎向加載系統(tǒng)、壓力傳感器13和滲透壓力傳感器131。所述剛性試驗(yàn)箱為上部開口的立方體結(jié)構(gòu)，所述剛性試驗(yàn)箱包括附圖1中的剛性試驗(yàn)架和鋼板，所述鋼板分別設(shè)置在剛性試驗(yàn)架的底面、左側(cè)面、右側(cè)面和后面，附圖2中的高強(qiáng)度玻璃板設(shè)置在剛性試驗(yàn)架的前側(cè)面并與剛性試驗(yàn)架通過螺栓固定，高強(qiáng)度玻璃板與剛性試驗(yàn)架之間接縫處設(shè)置嵌入式橡膠條，可以防止漏水。在所述高強(qiáng)度玻璃板上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)置前肋板(如附圖5所示)，所述前肋板與剛性試驗(yàn)架固定，所述高強(qiáng)鋼化玻璃與肋板配合使用，增加剛性試驗(yàn)箱前面板的剛度。
[0033]所述高強(qiáng)度玻璃板上設(shè)預(yù)留隧道口 3，在所述剛性試驗(yàn)箱內(nèi)部鋪設(shè)有巖石相似材