一种突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法与流程

本发明涉及一种突水突泥开挖模拟装置，尤其涉及一种用于模拟高速铁路隧道开挖过程中隐伏岩溶突水突泥灾害的装置，还涉及模拟突水突泥灾害的方法，属于高速铁路隧道工程领域。

背景技术：

中国岩溶区面积总约3.44×106km²，其中，裸露岩溶区面积为9.07×105km²。西南以云、贵、桂为主体，包括川、渝、鄂、湘部分地区，岩溶面积达5.0×105km²，贵州省面积80%以上均为可溶岩。岩溶山区高速铁路的建设与运营很大程度上受复杂地质环境和水文地质条件制约。—方面，隧道围岩中隐伏岩溶溶洞的存在，使得隧道围岩物理力学性质发生了改变，导致了隧道围岩岩层刚度和地应力场也发生变化；另一方面，由于岩溶水的存在，造成了隧道建设过程中水文地质和工程地质条件的改变，导致了岩溶渗透水压力值升高，隧道围岩强度降低。隐伏岩溶隧道在开挖过程中，岩溶溶腔中的泥水混合两相体在开挖破坏扰动和高渗透压力的双重作用下冲破隧道防突层而高压涌出，轻者会影响工程施工及运营，重者会导致重大经济损失乃至人员伤亡。

随着以上问题的日益突出，对隐伏岩溶隧道开挖突水突泥灾害的研究已经成为本领域的热点。国内外学者展开了大量的研究工作，其中物理模拟研究为最常用、最有效的手段之一。但在实际模拟过程中，由于隐伏岩溶隧道突水突泥过程的影响因素较多，相关的突水突泥物理模拟装置或多或少均存在缺陷，例如专利CN101231226B公开了一种大尺寸岩石试样高压渗透试验装置，但其只针对岩样测试；专利CN101308126A公开了一种开挖突水的模拟装置，但其最大承受水压仅为1MPa，不能满足高承压水作用下隧道突水突泥试验模拟的要求；专利CN204855131U公开了一种构造裂隙充填结构突水突泥试验装置，虽然其能模拟高承压条件下的突水突泥，但是不能实现开挖工况下的突水突泥模拟，也难以摸索出相应的突水突泥规律。由此可见，相关的隐伏岩溶隧道开挖突水突泥试验装置有待于更进一步改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的就是现有高速铁路隧道修建过程中，隐伏岩溶隧道开挖突水突泥灾害的物理模拟装置均不同程度的存在缺陷，提供一种隐伏岩溶隧道开挖突水突泥试验装置，刚度大、强度高、密封性较好、测量数据准确，能够模拟出不同位置、不同充填条件及不同压力条件下的岩溶隧道开挖过程中突水突泥的装置，具体方案如下：

一种突水突泥开挖模拟装置，包括底座、试验腔、竖直加压的加压装置和进水口，其特征在于：所述试验腔一侧设有两个开挖入口，分别位于试验腔的上下侧，通过上侧或下侧的开挖入口向内开挖隧道，试验腔内部装有岩体相似材料和岩溶溶腔，所述岩体相似材料将岩溶溶腔包围；所述试验腔设于底座上，所述加压装置设于试验腔顶部，所述试验腔上还设有进水口。

进一步地，所述加压装置包括受力部、加压传力杆和透水板，所述受力部设于加压传力杆顶部，所述加压传力杆通过密封装置与试验腔连接，所述加压传力杆底部连接透水板，所述透水板下端设有顶部透水毛毡。

进一步地，密封装置为法兰盘，所述法兰盘周围设有若干连接件，法兰盘通过若干连接件与试验腔顶部连接，法兰盘中部设有孔，所述加压传力杆穿过孔，所述孔上设有密封圈。

进一步地，所述孔有三个，且三个孔之间的连线呈三角形，所述进水口设于所述三角形旁侧。

进一步地，所述底座包括底部法兰盘和支架，试验腔设于底部法兰盘上，试验腔底部设有底部透水毛毡，底部透水毛毡与底部法兰盘接触，底部法兰盘中部设有第二进水口。

进一步地，所述开挖隧道外周设有电缆密封接头。

进一步地，岩体相似材料内部沿隧道开挖方向依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，所述隧道与第一横向监测断面和第二横向监测断面垂直，所述岩溶溶腔位于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间，以便进行数据采集和评估。

本发明涉及的一种上述的突水突泥模拟装置模拟突水突泥的方法，包括如下步骤：

（1）组装装置；

（2）将岩体相似材料铺设在试验腔内，并在岩体相似材料内部预设岩溶溶腔；

（3）沿隧道开挖方向在岩体相似材料内部依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，第一横向监测断面和第二横向监测断面与隧道垂直，所述岩溶溶腔设于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间，选取具有代表性的位置布设监测点；

（4）待模型装填完毕后，采用电子万能试验机对试验腔内的岩体相似材料施加竖向荷载至设定值；

（5）用高压水管将恒压水箱与进水口相连，并向模型内注水至设计值，采用上侧入口或下侧入口进行试验；

（6）在隧道入口处采用上下台阶法通过人工钻凿的方式进行开挖，在开挖进行完一个循环后，立即采用支护材料对隧道进行支护，同时同步进行整个过程中的数据采集，之后再进行下一循环进尺的开挖。

进一步地，所述采用上侧入口或下侧入口进行试验具体为：所述采用上侧入口或下侧入口进行试验具体为：当岩溶溶腔位于下侧时，采用上侧开挖入口进行试验，通过上侧开挖入口开挖隧道，将下侧开挖口及上部进水口关闭，水流从下部进水口中进入试验腔内；当岩溶溶腔位于上侧时，采用下侧开挖口进行试验，通过下侧开挖入口开挖隧道，将上侧开挖口及下部进水口关闭，水流从上部进水口中进入模型试验主体内。

进一步地，所述具有代表性的位置是沿监测断面开挖轮廓线外拱顶、拱脚、拱肩和拱底。

本发明的模拟隐伏岩溶隧道突水突泥开挖的装置，采用高强度的厚钢管及厚钢板作为模型试验台，模型整体刚度较高，能够保证模型试验过程中的较大压力加载；在加压传力杆与法兰盘接触部位设置密封空及密封圈，密封效果较好；在试验腔上距离上下端口150mm位置处预留两个隧道开挖口，用岩溶溶腔模拟隐伏岩溶隧道，周围装填岩体相似材料，可以实现不同位置条件下的物理环境模拟，节省成本；在隧道开挖入口的管路上设置多个电缆密封接头，既可以将传感器导线从模型中引出，也可以保证整个试验过程的密封。总的来看，本发明刚度大、强度高、密封性较好、测量数据准确，能够模拟出不同位置、不同充填条件及不同压力条件下的岩溶隧道开挖过程中突水突泥的装置，适用范围宽广。

附图说明

图1为本发明隐伏岩溶隧道突水突泥开挖模拟装置的主视图；

图2为图1的A-A＇剖面俯视图；

图3为突水突泥过程中涌水量的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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1-2所示，本实施例的突水突泥开挖模拟装置，可模拟隐伏岩溶隧道在不同工况条件下的开挖情况，包括底座4、试验腔1、加压装置3和进水口7，试验腔1一侧设有两个入口5，分别位于试验腔1的上下侧，通过上侧的开挖入口5向内开挖隧道13，试验腔内部装有岩体相似材料11和岩溶溶腔12，岩体相似材料11将岩溶溶腔包围；所述试验腔设于底座4上，加压装置3设于试验腔1顶部，所述试验腔上设有进水口7。加压装置包括受力部、加压传力杆和透水板9，受力部设于加压传力杆顶部，加压传力杆通过密封装置与试验腔1连接，加压传力杆底部连接透水板9，透水板9下端设有顶部透水毛毡14。密封装置为法兰盘2，法兰盘周围设有若干高强连接螺栓6，法兰盘通过高强连接螺栓6与试验腔1顶部螺接，法兰盘中部设有孔，加压传力杆有三根，相应地穿过三个孔，孔上设有密封圈8，三个孔之间的连线呈三角形，进水口7设于所述三角形旁侧，试验腔1底部设有底部透水毛毡15，底部透水毛毡15与底座4接触，底座中部设有第二进水口16，试验腔底部通过第二高强螺栓17与底座连接，底座包括底盘和钢支架。上侧和下侧的入口5外周设有电缆密封接头10。岩体相似材料内部沿隧道13开挖方向依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，所述岩溶溶腔12位于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间。

岩体相似材料可以根据围岩和充填物的不同物理力学性状参数，选取水泥和凡士林作为胶结剂，砂、重晶石粉和滑石粉为骨料，硅油为调节剂，通过调整相互间的相似材料配比配置普通围岩；选用石膏和凡士林作为胶结剂，石英砂和滑石粉为骨料，配以拌合水，通过调整相互间的相似材料配比配置岩溶溶腔中的充填物。

作为优选，试验腔选用圆柱形无缝钢管制作而成，可耐压10MPa以上，腔壁厚16mm，内径400mm，内净高660mm，放置于底座4的底盘上面，由钢支座支撑，试验腔上距离上下端口150mm位置处预留两个入口，两个入口向外延伸，同时在隧道开挖入口的管路上设置16个电缆密封接头10，用于将传感器导线从模型中引出；底部法兰盘上留设的进水口布置于法兰盘中部即可；加压传力杆穿过上部密封法兰盘，三角形布设，通过与之相连的透水板9向模型主体内铺设的岩体相似材料施加地应力，透水板上设置透水孔直径为5mm，在透水板与岩体相似材料接触部位放置一块透水毛毡，目的是为了将模型填筑物试样的碎渣挡在模拟装置的腔体内，同时也能使水流均匀的作用在模型填筑物上。

利用本实施例的突水突泥开挖模拟装置进行模拟的具体测试步骤如下：

（1）组装隐伏岩溶隧道突水突泥开挖模拟装置，并将开挖模拟装置置于钢支架上；

（2）将入口关闭，将岩体相似材料铺设在试验腔内，并在岩体相似材料内部预设岩溶溶腔；

（3）沿隧道开挖方向在岩体相似材料内部依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，第一横向监测断面和第二横向监测断面与隧道垂直，所述岩溶溶腔设于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间，选取沿监测断面开挖轮廓线外拱顶、拱脚、拱肩和拱底等具有代表性的位置布设监测点，以便进行数据采集；

（4）待模型装填完毕后，采用电子万能试验机通过加压装置对试验腔内的岩体相似材料施加竖向荷载至设定值；

（5）用高压水管将恒压水箱与进水口相连，并向模型内注水至设计值，所述采用上侧入口或下侧入口进行试验具体为：岩溶溶腔设于下侧，采用上侧开挖入口进行试验，通过上侧开挖入口开挖隧道，将下侧开挖口及上部进水口关闭，水流从下部进水口中进入试验腔内；

（6）在隧道入口处采用上下台阶法通过人工钻凿的方式进行开挖，在开挖进行完一个循环后，立即采用支护材料对隧道进行支护，同时同步进行整个过程中的数据采集，之后再进行下一循环进尺的开挖。具体的数据主要包括流量、水压力、变形和填充物流失量，流量采用LZ系列的金属管浮子流量计采集，压力等级为2.0MPa，量程为10-100L/h；水压力采用XHZ-701型电阻应变式微型渗压计采集，外形尺寸为Φ26*68mm，量程为0-1MPa；土压力采用DZ-I型电阻式微型土压力传感器采集，外形尺寸为Φ17*7mm，量程为0-2MPa；变形采用自制微型应变传感器进行采集；充填物流失量通过将试验中收集到的泥水混合两相流放在烤箱中烤干，分离而得。

根据采集的数据，基于隐伏岩溶隧道高渗压及高应力条件下突水突泥的模型试验结果，重点分析隐伏岩溶隧道开挖过程中围岩的涌水量、涌出物（突泥量）、渗透率系数、孔隙率、雷诺数等物理量的变化规律，如图3所示，以涌水量为例，根据突水过程中涌水量的变化，可以将突水过程划分为三个阶段，即初始渗流阶段（Ⅰ），少量充填物随水流涌出，涌水量缓慢增加；渗流突变阶段（Ⅱ），水流对充填物不断冲刷，大量的充填物迁移流失，涌水量在较短的时间内迅速增大；稳定渗流阶段（Ⅲ），水流所能携带的充填物基本冲刷殆尽，渗透性趋于稳定，涌水量基本保持不变。

通过上述分析，进一步揭示隐伏岩溶隧道开挖卸荷条件下突水突泥致灾演化触发机制及其关键控制参数的变化规律，探讨隐伏岩溶隧道防突岩体结构开挖卸荷条件下原生通道和次生通道突水突泥的致灾演化特点，提出泥水混合两相流突涌通道形成的临界水动力条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。