專利名稱：：一種隧道開挖巖溶突水監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種隧道開挖巖溶突監(jiān)測裝置，屬于試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖I(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：目前，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展越來越迅速，對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求不斷的提高，在交通設(shè)施建設(shè)，水利水電工程建設(shè)中，深埋長大山嶺隧道不斷增加。我國碳酸鹽巖分布廣泛，按可溶巖地層的分布面積計(jì)算約占國土面積的1/3，巖溶深埋長隧道工程由于埋深大、洞身長、地質(zhì)條件復(fù)雜，在修建過程中，將會(huì)遇到一系列特殊的災(zāi)害地質(zhì)問題，如塌方、突水、突泥(沙)等問題。其中以隧道突水最為常見，危害性也最大，往往給工程施工帶來很大危害，造成大量圍巖失穩(wěn)，隧道報(bào)廢或人身傷亡事故。因此，加強(qiáng)隧道突水的研究，建立有效的預(yù)防措施保障隧道施工及隧道運(yùn)營安全，具有重要的意義。隧道突涌水的分析首先是從定性研究開始的，最早的分析只是通過查明隧道含水圍巖中地下水的分布及賦存規(guī)律，分析隧道開挖的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，確定地下水的富集帶或富集區(qū)以及斷裂構(gòu)造帶、裂隙密集帶等可能的地下水突涌水通道，判斷是否發(fā)生突涌水。通過模型試驗(yàn)來研究隧道巖溶突水前兆多場信息的變化目前研究不多，一般模型試驗(yàn)只能研究隧道巖溶突水前一兩個(gè)場的信息變化，不能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下，隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律。一般模型試驗(yàn)主要有利用巖體溫度法預(yù)測隧道掌子面前方含水體的模型試驗(yàn)，郭如軍(2008)從巖體溫度影響因素及巖體溫度場出發(fā)，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，分析了巖體溫度與隧道施工掌子面前方含水體的關(guān)系及隧道施工掌子面前方含水體的預(yù)報(bào)原理和可行性。目前對隧道巖溶突水形成過程中圍巖應(yīng)力場、溫度場、滲流場、聲發(fā)射場等的變化演化規(guī)律尚未形成清楚的認(rèn)識(shí)。研究隧道巖溶突水前兆信息的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對隧道巖溶突水的預(yù)測預(yù)報(bào)，應(yīng)當(dāng)研究多場信息的變化，從多場信息的變化中分析各場的相關(guān)性，找到突水前兆信息的主要變化規(guī)律，應(yīng)當(dāng)考慮含水體位置、水壓的大小對隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息變化規(guī)律的影響，綜合考慮多種因素從而提高預(yù)測預(yù)報(bào)的精度。為了提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性及精度應(yīng)當(dāng)選用采樣率高的監(jiān)測儀器，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測從而捕捉到突水前信息的變化規(guī)律。傳統(tǒng)的監(jiān)測元件不具有防水的功能，且采樣率低不能實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過模型試驗(yàn)研究隧道巖溶突水前兆信息的變化規(guī)律，應(yīng)當(dāng)考慮選擇的監(jiān)測元件有防水的功能，使其在遇水的情況下仍能夠發(fā)揮正常的監(jiān)測功能。
實(shí)用新型內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供了一種隧道開挖巖溶突水監(jiān)測裝置，本實(shí)用新型能夠考慮不同的含水體位置、不同水壓情況下，隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對模型試驗(yàn)中應(yīng)力場、變形場、溫度場、滲流場、聲發(fā)射場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)豐富，試驗(yàn)精度高。[0007]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的—種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其包括固定于基座上的模型架、預(yù)制水箱、水壓加載機(jī)構(gòu)、應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)、模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)、光纖解調(diào)儀以及計(jì)算機(jī)；其中，預(yù)制水箱位于模型架的內(nèi)部，水壓加載機(jī)構(gòu)位于模型架的頂部；應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)及滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)均位于模型架的內(nèi)部，各監(jiān)測機(jī)構(gòu)通過光纖解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)位于模型架表面，并通過前置放大器與聲發(fā)射主機(jī)相連；模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型架的正前方，并與計(jì)算機(jī)相連；模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型隧道的正前方，并與計(jì)算機(jī)相連。所述水壓加載機(jī)構(gòu)為帶刻度的水位管，通過調(diào)節(jié)水管內(nèi)的水位高度來改變水壓的大小。所述應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)分別為光纖應(yīng)力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、滲壓傳感器。所述聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)為聲發(fā)射探頭。所述模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)包括攝像頭及數(shù)碼攝像機(jī)三角架，其裝設(shè)于模型架的正前方，攝像頭與計(jì)算機(jī)相連。所述模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)包括攝像機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)三角架，其裝設(shè)于模型隧道的正前方，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連?！N隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)方法，包括以下步驟1)配料配置模型試驗(yàn)相似材料利用相似比要求配置試驗(yàn)用模型材料，模型材料應(yīng)當(dāng)滿足幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度等相似要求。2)填料將配置好的試驗(yàn)材料按照實(shí)際相對位置放置于模型架中，模型架四周涂膠以防止試驗(yàn)中水從四周滲出。3)埋設(shè)元件在指定位置處埋設(shè)監(jiān)測元件，將測線引出并與監(jiān)測儀器相連，檢查元件是否功能正常，對于不能正常工作的元件應(yīng)重新埋設(shè)。4)埋設(shè)水箱將水箱按指定位置置于模型架中，并將水壓加載機(jī)構(gòu)引出。5)注水及監(jiān)測同時(shí)啟動(dòng)各監(jiān)測儀器，待10分鐘后開始緩慢注水，使水位達(dá)到指定的高度，使用連通管保持現(xiàn)有水位高度；連續(xù)采集1216小時(shí)，直至水體在模型中滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為儀器監(jiān)測到的指標(biāo)不隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。6)開挖及監(jiān)測在模型正前方及正后方打開攝像機(jī)、攝像頭進(jìn)行錄像，待10分鐘后開始隧道開挖；使用攝像機(jī)拍攝開挖全過程，使用攝像頭拍攝每一步開挖后隧道內(nèi)的場景，人工記錄試驗(yàn)過程中水位的變化；分步開挖直至隧道發(fā)生突水現(xiàn)象；7)改變水箱的位置、水壓力大小，重復(fù)步驟(3)(6)。8)通過以上步驟得到的信息，得出不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對模型試驗(yàn)中應(yīng)力場、變形場、溫度場、滲流場、聲發(fā)射場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)豐富試驗(yàn)精度高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型提出通過模型試驗(yàn)來研究隧道巖溶突水前兆多場信息的變化，同時(shí)能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律。一般模型試驗(yàn)只能研究隧道巖溶突水前一兩個(gè)場的信息變化，不能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律；本實(shí)用新型采集數(shù)據(jù)豐富、試驗(yàn)精度高。本實(shí)用新型提出了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，該裝置和其他裝置相比，采樣率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，選擇的監(jiān)測元件有防水的功能，使其在遇水的情況下仍能夠發(fā)揮正常的監(jiān)測功能。本實(shí)用新型具有適用范圍廣、可靠度高、采集數(shù)據(jù)豐富、試驗(yàn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。圖1為本實(shí)用新型使用時(shí)的試驗(yàn)方法流程圖；圖2為本實(shí)用新型的監(jiān)測裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的監(jiān)測裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為水體位于隧道頂部的模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為水體位于隧道側(cè)部的模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1、基座；2、模型架；3、隧道；4、預(yù)制水箱；5、水位管；6、水體7、光纖應(yīng)力傳感器；8、光纖位移傳感器；9、光纖溫度傳感器；10、光纖滲壓傳感器；11、聲發(fā)射探頭；12、攝像機(jī)；13、三角架；14、光纖解調(diào)儀；15、計(jì)算機(jī)；16、前置放大器；17、聲發(fā)射主機(jī)。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明—種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其包括固定于基座1上的模型架2、預(yù)制水箱4、水位管5(帶刻度)、光纖應(yīng)力傳感器7、位移傳感器8、溫度傳感器9、滲壓傳感器10、聲發(fā)射探頭11、模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)、模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)、光纖解調(diào)儀14以及計(jì)算機(jī)15，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，其中，預(yù)制水箱4位于模型架2的內(nèi)部，水位管5位于模型架2的頂部；光纖應(yīng)力傳感器7、位移傳感器8、溫度傳感器9及滲壓傳感器10均位于模型架2的內(nèi)部，各傳感器通過光纖解調(diào)儀14與計(jì)算機(jī)15相連；聲發(fā)射探頭11位于模型架表面，并通過前置放大器16與聲發(fā)射主機(jī)17相連；模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型架2的正前方，并與計(jì)算機(jī)15相連；模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型隧道的正前方，并與計(jì)算機(jī)15相連。所述模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)包括攝像機(jī)12及三角架13，其裝設(shè)于模型架2的正前方，攝像頭與計(jì)算機(jī)15相連。所述模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)包括攝像機(jī)12及三角架13，其裝設(shè)于模型隧道3的正前方，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)15相連。實(shí)施例進(jìn)行隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)，步驟如下1)配料配置模型試驗(yàn)相似材料利用相似比要求配置試驗(yàn)用模型材料，模型材料應(yīng)當(dāng)滿足幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度等相似要求。2)填料將配置好的試驗(yàn)材料按照實(shí)際相對位置放置于模型架中，模型架四周涂膠以防止試驗(yàn)中水從四周滲出。3)埋設(shè)元件在指定位置處埋設(shè)監(jiān)測元件，將測線引出并與監(jiān)測儀器相連，檢查元件是否功能正常，對于不能正常工作的元件應(yīng)重新埋設(shè)。4)埋設(shè)水箱將水箱按指定位置置于模型架中，并將水壓加載機(jī)構(gòu)引出。5)注水及監(jiān)測同時(shí)啟動(dòng)各監(jiān)測儀器，待10分鐘后開始緩慢注水，使水位達(dá)到指定的高度，使用連通管保持現(xiàn)有水位高度；連續(xù)采集1216小時(shí)，直至水體在模型中滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為儀器監(jiān)測到的指標(biāo)不隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。6)開挖及監(jiān)測在模型正前方及正后方打開攝像機(jī)、攝像頭進(jìn)行錄像，待10分鐘后開始隧道開挖；使用攝像機(jī)拍攝開挖全過程，使用攝像頭拍攝每一步開挖后隧道內(nèi)的場景，人工記錄試驗(yàn)過程中水位的變化；分步開挖直至隧道發(fā)生突水現(xiàn)象；7)改變水箱的位置、水壓力大小，重復(fù)步驟(3)(6)。8)通過以上步驟得到的信息，得出不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律。本隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)，確定幾何相似比為C=100，模型箱尺寸為1500mmX500mmX1800mm，開挖位置在模型箱下部三分之一的位置。按照實(shí)際隧道尺寸為寬130mm高為100mm左右，采用分步開挖。根據(jù)原巖力學(xué)參數(shù)得到模型力學(xué)參數(shù)如表1，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用砂、石蠟作為原料來制作模型。表l模型試驗(yàn)的主要力學(xué)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>試驗(yàn)結(jié)果及其分析通過隧道巖溶突水模型試驗(yàn)可以得到如下幾個(gè)基本結(jié)果—、模型試驗(yàn)中，開挖擾動(dòng)對各個(gè)場的影響較大，應(yīng)力場、變形場、溫度場、滲流場、聲發(fā)射場監(jiān)測數(shù)據(jù)均有較明顯的變化。二、本試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)為對稱布置，相同高度的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)相近又有不同。數(shù)據(jù)相近驗(yàn)證了結(jié)果的可靠，數(shù)據(jù)不同左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)比右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)聲發(fā)射數(shù)據(jù)較大，分析認(rèn)為這說明水體是從先從左側(cè)滲入，此結(jié)論可從其它監(jiān)測參數(shù)如溫度、電阻率分析中得到驗(yàn)證，說明本實(shí)用新型的方法和使用的裝置能夠監(jiān)測到水沿裂隙的入滲過程。三、開挖導(dǎo)致隧道突水前兆信息明顯，所選擇的監(jiān)測儀器能夠捕捉到隧道巖溶突水前兆多場信息的變化。四、隧道涌水前存在明顯的聲發(fā)射事件、能量激增現(xiàn)象，開挖過程中隔水層有裂隙產(chǎn)生，裂隙經(jīng)歷延伸、擴(kuò)展過程最后貫通至隧道頂部，發(fā)生涌水現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論通過設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)方案，選擇合理的監(jiān)測儀器，開展了隧道開挖巖溶突水模型試驗(yàn)研究，總結(jié)了隧道開挖巖溶突水前兆多場信息的變化規(guī)律，基本結(jié)論如下—、研究隧道巖溶突水前兆信息的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對隧道巖溶突水的預(yù)測預(yù)報(bào)，應(yīng)當(dāng)研究多場信息的變化，從多場信息的變化中分析各場的相關(guān)性，找到突水前兆信息的主要變化規(guī)律。二、采用本試驗(yàn)裝置和方法能夠給隧道巖溶突水的預(yù)測預(yù)報(bào)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，為工程實(shí)踐提供預(yù)測依據(jù)。三、本實(shí)用新型使用的模型，能夠模擬完成不同的含水體位置、不同水壓情況下，隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律。四、本試驗(yàn)采用的監(jiān)測儀器采樣率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，選擇的監(jiān)測元件有防水的功能，使其在遇水的情況下仍能夠發(fā)揮正常的監(jiān)測功能，本實(shí)用新型適用范圍廣采集數(shù)據(jù)豐富試驗(yàn)精度高。權(quán)利要求一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于包括固定于基座上的模型架、預(yù)制水箱、水壓加載機(jī)構(gòu)、應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)、模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)、光纖解調(diào)儀以及計(jì)算機(jī)；其中，預(yù)制水箱位于模型架的內(nèi)部，水壓加載機(jī)構(gòu)位于模型架的頂部；應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)及滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)均位于模型架的內(nèi)部，各監(jiān)測機(jī)構(gòu)通過光纖解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)位于模型架表面，并通過前置放大器與聲發(fā)射主機(jī)相連；模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型架的正前方，并與計(jì)算機(jī)相連；模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)裝設(shè)于模型隧道的正前方，并與計(jì)算機(jī)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于所述水壓加載機(jī)構(gòu)為帶刻度的水位管。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于所述應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)分別為光纖應(yīng)力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、滲壓傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于所述聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)為聲發(fā)射探頭。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于所述模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)包括攝像頭及數(shù)碼攝像機(jī)三角架，其裝設(shè)于模型架的正前方，攝像頭與計(jì)算機(jī)相連。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其特征在于所述模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)包括攝像機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)三角架，其裝設(shè)于模型隧道的正前方，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于隧道開挖巖溶突水試驗(yàn)的監(jiān)測裝置，其包括固定于基座上的模型架、預(yù)制水箱、水壓加載機(jī)構(gòu)、應(yīng)力場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、變形場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、溫度場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、滲流場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、聲發(fā)射場監(jiān)測機(jī)構(gòu)、模型表面位移變形觀測機(jī)構(gòu)、模型開挖后隧道內(nèi)的變形與突水觀測機(jī)構(gòu)、光纖解調(diào)儀以及計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型同時(shí)能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發(fā)突水前兆多場信息的變化規(guī)律，具有適用范圍廣、可靠度高、采集數(shù)據(jù)豐富、試驗(yàn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號G05B19/048GK201464860SQ20092003088公開日2010年5月12日申請日期2009年8月5日優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日發(fā)明者馮現(xiàn)大,李利平,李國瑩,李術(shù)才,李樹忱申請人:山東大學(xué)