隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统及方法，包括模型隧道，所述模型隧道内部布设多种预置突水补给通道，预置突水补给通道通过管路与水源补给系统连接；所述模型隧道内布设监测元件，监测元件与监测系统连接，监测系统将获得的监测信号传输给信息处理系统，信息处理系统得出预置突水补给通道对应的特征信号及对应的空间展布。本发明能够对富水隧道突涌水灾害源强补给通道进行定位监测及空间展布呈现，为隧道安全施工提供依据，降低突涌水灾害发生的机率。
【专利说明】
隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种隧道及地下工程施工过程中突涌水灾害源强补给通道定位监测模型试验系统及方法。【背景技术】
[0002]隧道建设过程中，突涌水灾害频繁发生。由于水体对岩石的物理、化学作用，使得岩石强度发生骤降。当隧道施工至含水体所处区域时，原支护设计难以维持围岩稳定性，隧道内极易发生突涌水灾害;加上突涌水灾害源附近水体会沿着岩石间的缝隙进行补给，水体会沿补给通道源源不断的流向灾害源，最后涌入隧道中，遂发生大范围突涌水灾害。隧道突涌水灾害会造成工期延误、机械设备损坏、投资费用增加，同时对现场施工人员的生命安全构成巨大威胁。
[0003]突涌水灾害源的强补给通道定位监测，对于富水隧道施工建设至关重要。然而，目前国内外的专家学者对于富水隧道动力灾变力学机制不清楚，并缺乏有效描述突水动力灾变演化过程的分析方法，尚未能提出对于突涌水灾害源强补给通道定位监测的有效的技术手段。
[0004]针对以上突涌水灾害源补给通道定位与空间展布问题，亟需一种可全新合理的补给通道定位的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统及方法，本发明通过室内试验的方法对强补给通道定位进行研究， 发明中模型还原了富水隧道情形，是一种监测突涌水灾害源强补给通道水声与激荡信号的室内模型试验系统。对灾害源强补给通道内的水声与水流激荡信号进行收集、分析处理，得出水流通道识别依据与空间定位。本发明中涉及的突涌水灾害源强补给通道定位新方法， 能够对灾害源动储量进行估算，极大的降低施工风险，为安全施工提供有力的依据和保障， 有效避免在隧道施工过程中发生突涌水灾害。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0007]隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统，包括模型隧道，所述模型隧道内部布设多种预置突水补给通道，预置突水补给通道通过管路与水源补给系统连接;所述模型隧道内布设监测元件，监测元件与监测系统连接，监测系统将获得的监测信号传输给信息处理系统，信息处理系统得出预置突水补给通道对应的特征信号及对应的空间展布。 通过在模型隧道内设置多种形式的预置突水补给通道，并设置监测元件，可以检测试验过程中预置突水补给通道内的水声与水流激荡信号。监测元件包括水声信号监测元件和微震信号监测元件。
[0008]所述模型隧道的一侧设有隧道洞口，模型隧道的另一侧为未开挖区域;设置隧道洞口模拟实际隧道的开挖洞口，未开挖区域模拟实际隧道中的待开挖区域。
[0009]所述预置突水补给通道设置于模型隧道的未开挖区域内；在未开挖区域设置预置突水补给通道，模拟前方未开挖区域内可能的突涌水灾害。
[0010]所述预置突水补给通道包括依次布设在模型隧道内的管状的第一突水补给通道、 带状的第二突水补给通道和第三突水补给通道;隧道中最典型的补给通道包括管状的、带状的、带有溶洞的，因此在模型隧道内设置三种形式的补给通道以模拟实际隧道中的通道形式。[〇〇11]所述第一突水补给通道包括交错设置的若干水平管状补给通道、若干轴向管状补给通道和若干径向管状补给通道;在模型隧道内三维方向上均设置管状补给通道，使补给通道更全面覆盖模型隧道，更好的模拟隧道中的水流通道。
[0012]所述水平管状补给通道、轴向管状补给通道和径向管状补给通道均由两根及以上水流管道交叉形成;模拟水流流向多个方向的通道，更符合实际中水流通道情况。
[0013]所述第二突水补给通道包括轴向带状补给通道和径向带状补给通道，所述轴向带状补给通道和径向带状补给通道均沿模型隧道的径向设置;模拟水流形式为带状的多个方向的通道，更准确模拟实际中带状水流通道情况。
[0014]所述第三突水补给通道包括管状补给通道，所述管状补给通道与溶洞模型连通以模拟隧道突水;将管状补给通道和溶洞模拟结合，模拟实际中突水的情况，预测突水灾害。
[0015]所述水源补给系统包括压力水箱，所述压力水箱通过注水管与预置突水补给通道连接，预置突水补给通道通过回流管连接回压力水箱，所述压力水箱上还设有压力仪表和水位仪表;通过水源补给系统为预置突水补给通道供给水，水经流预置突水补给通道后回流至水箱，形成水流回路，持续进行模拟。
[0016]所述模型隧道内在隧道洞口和未开挖区域之间设有隔水岩体;在隧道洞口和未开挖区域之间设置隔水岩体，避免水流由未开挖区域内流出隧道洞口。[〇〇17]优选的，所述模型隧道外部设有防噪窗，模型隧道底部置于减震底盘上;所述减震底盘包括顶部支架和底部底座，支架和底座之间连接有多个减震弹簧;设置防噪窗、减震弹簧，均可以有效的屏蔽外界噪音，在采集信息时，可以减小外界噪音对试验的影响，提高试验精度。
[0018]所述预置突水补给通道与水源补给系统之间的注水管上设有流量仪表;显示试验过程中的流量。
[0019]所述监测系统包括声信号监测装置和微震监测装置，所述声信号监测装置与设于模型隧道内的水声信号监测元件通信，所述微震监测装置与设于模型隧道内的微震信号监测元件通信；声信号监测装置和微震监测装置均为监测元件，对补给通道水声与激荡信号进行监测。模型隧道中布置可接收水声信号、微震信号的监测元件，用来捕捉来自隔水岩体后方突水通道内水声撞击信号，信号通过电缆线传输给数据集成器。
[0020]所述声信号监测装置为声波探测器或声发射仪。
[0021]隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验方法，包括以下步骤:
[0022]步骤1:按设定要求制作预置突水补给通道；
[0023]步骤2:将预置突水补给通道布设在模型隧道中，并在模型隧道中布置监测元件；
[0024]步骤3:调节水源补给系统，给模型隧道的预置突水补给通道供给设定压力和流量的水流；
[0025]步骤4:水流在预置突水补给通道中流动的过程中，监测元件将监测信号经由监测系统传输给信息处理系统；[〇〇26]步骤5:信息处理系统甄别预置突水补给通道内有效的监测信号，并对有效的监测信号进行反演处理，得出预置突水补给通道对应的特征信号以及对应的空间展布。[〇〇27]所述步骤1的具体步骤为:[〇〇28]按照设定要求的预置突水补给通道的形式，将易溶于水的固体材料充填于模板箱内；[〇〇29]将按照设定配比搅拌好的石料、混凝土充填于模板箱内，分层振荡捣实；[〇〇3〇]待石料、混凝土凝固后，用水清理掉固体材料。
[0031]本发明的工作原理为:
[0032]本发明通过室内试验的方法对强补给通道定位进行研究，模型还原了富水隧道情形。对灾害源强补给通道内的水声与水流激荡信号进行收集、分析处理，得出水流通道识别依据与空间定位。本发明中涉及的突涌水灾害源强补给通道定位新方法，能够对灾害源动储量进行估算，极大的降低施工风险，为安全施工提供有力的依据和保障，有效避免在隧道施工过程中发生突涌水灾害。[〇〇33]本发明的有益效果是:
[0034](1)提出了一种用来突涌水灾害源补给通道水声与激荡信号定位监测试验系统。
[0035](2)可以实现突涌水灾害源补给通道空间定位。
[0036](3)得出了不同形式下突涌水灾害源补给通道水声与激荡信号。
[0037](4)提出了一种可以用于隧道探突涌水灾害源补给通道的新方法，降低了隧道突涌水灾害发生机率和施工风险，为突涌水灾害源补给通道空间定位提供了依据。
[0038](5)该方法为室内模型试验，环境适应性强；可以模拟多种隧道实际工况，适应面广。
[0039](6)本发明能够对富水隧道突涌水灾害源强补给通道进行定位监测及空间展布呈现，为隧道安全施工提供依据，降低突涌水灾害发生的机率。【附图说明】
[0040]图1为模型试验模型隧道混凝土块体效果示意图；
[0041]图2为突涌水灾害源补给通道水声与激荡信号定位监测模型试验系统示意图； [〇〇42]图3a为管状补给通道示意图；[〇〇43]图3b为带状补给通道示意图；
[0044]图3c为带有溶洞补给通道示意图；
[0045]图4为水源补给系统示意图；[0〇46]图5为减震底盘不意图；
[0047]其中:1隧道洞口，2防噪窗，3隔水岩体，4流量仪表，5数据集成器，6计算机，7减震弹簧，8补给通道，9回收漏斗，10压力水箱，11模型隧道，12支架，13水平管状补给通道，14轴向管状补给通道，15径向管状补给通道，16轴向带状补给通道，17径向带状补给通道，18溶洞模型，19电动机，20压力仪表，21水位仪表，22底座。【具体实施方式】
[0048]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0049]如图1-图2所示，突涌水灾害源补给通道水声与激荡信号定位监测的室内模型试验系统，包括模型隧道11、预置突水补给通道、水源补给系统、监测系统、信息处理系统。
[0050]模型隧道11设置于支架12上，支架12底部由减震弹簧7进行减震，模型隧道11设置隧道洞口 1。模型隧道11外部设置防噪窗2,通过底盘弹簧装置以及防噪窗的装置，均可以有效的屏蔽外界噪音。[0051 ] 模型隧道11规格为宽度2m，高度为2cm，长度为6m的混凝土石块，洞口深度0.5m，洞口直径50 cm，隔水岩体长度1.5m，补给通道所占据长度为4m。[〇〇52]模型隧道11的一侧设有隧道洞口 1，模型隧道11的另一侧为未开挖区域;补给通道 8设置于模型隧道11的未开挖区域内；模型隧道11内在隧道洞口 1和未开挖区域之间设有隔水岩体，避免水流由未开挖区域内流出隧道洞口。[〇〇53]在模型隧道11内设置预置突水补给通道8:补给通道8的管道先用易溶于水的固体材料(盐)进行充填，待试验模型主体成型后用热水冲净管道内的固体材料，即得到突水补给通道。按照突水补给通道的设计形式，把易溶于水的固体材料固定到模板箱体中的恰当位置，然后将按照配比搅拌好的石料、混凝土放入模板箱中，分层振荡捣实。待石料、混凝土凝固之后，用热水冲走混凝土块中的固体材料。
[0054]模型隧道11上在补给通道8与压力水箱10之间的管路上设置流量仪表4,模型隧道 11下部设置回收漏斗9,可以回收试验过程中的突涌水。
[0055]在模型隧道11内设置监测元件，监测元件与数据集成器5连接，数据集成器5将接收的信号传输给计算机6进行后续分析处理。[〇〇56]如图3a_3c所示，预置突水补给通道布设形式:突水补给通道预置于模型隧道掌子面后方未开挖部分，其包括:带状通道、管状通道、溶洞水体。管状通道设置为水平向通道、 径向通道、轴向通道三种形式，即水平管状补给通道13、轴向管状补给通道14、径向管状补给通道15。带状通道设置为径向通道、轴向通道两种形式，即轴向带状补给通道16和径向带状补给通道17。溶洞水体设置为管道与溶洞模型18连接模拟突水情况。
[0057]预置突水补给通道主要布设原则:管状与带状并存，可以模拟不同截面形状的水流补给通道。在保证布设通道长度的情况下，设计垂直面和水平面的水流补给通道，可以实现水流的空间网状流动。带状通道布设分为径向和轴向两种，可以实现不同角度的面状信号。补给通道与溶洞的联通，模拟岩溶隧道突水情形。
[0058]预置补给通道的固体材料易溶于水，可用工业盐代替。
[0059]如图4所示，水源补给系统。水源补给系统可以实现水体在试验装置中的循环流动，其所包含的加压设备、流量控制设备。通过可视化仪表显示数据对试验所需水流量、水压进行定量调控，丰富含水体不同形态。水源补给系统含有控制阀门调节压力和流量，并为试验提供水动力循环。
[0060]水源补给系统包括压力水箱10,压力水箱10与电动机19连接，压力水箱10上设置压力仪表20和水位仪表21，压力水箱10通过管路与补给通道8连通，补给通道8回连至加压水箱，形成循环水路。[0061 ]如图5所示，在支架12底部设置减震弹簧7，减震弹簧7底部放置在底座22上。试验过程中信号采集至关重要，而有效信息在后期信息处理中必不可少。因此采集信息时，要注意减小外界噪音对试验的影响，提高试验精度。
[0062]监测系统:试验监测采用可听声波探测仪、微震监测设备或声发射仪对补给通道水声与激荡信号进行监测。可听声波探测仪主要用来可听声波的探测;微震监测设备或声发射仪则对不可听波段的信号进行监测。模型隧道中布置可接收水声信号、微震信号的监测元件，用来捕捉来自隔水岩体后方突水通道内水声撞击信号，信号通过电缆线传输给数据集成器。
[0063]监测系统包括的监测元件放置在隧道洞口 1附近，也可以贴在隧道洞壁或钻孔打入围岩内部。[〇〇64]信息处理系统:信息处理系统执行补给通道内的水声激荡信号分析处理任务，对来自检波器捕捉到的水声信号通过计算机程序有效信息进行甄别，并对信息进行反演处理，得出各个突水补给通道所对应的特征信号以及对应的空间展布，最后通过计算机程序实现水流补给通道空间展布的描绘。所述信息处理系统最终实现水声激荡信号甄别，反演处理得出各个特征补给通道一一对应的特征信号以及对应的空间展布。
[0065]结合附图1-图2,以突涌水灾害源补给通道水声与激荡信号定位监测模型试验系统为例，详细说明模型试验中突涌水灾害源补给通道定位监测方法。[〇〇66]试验装置准备阶段:
[0067]首先，预置补给通道。按照补给通道8的设计样式把易溶于水的固体材料固定到模板箱体中的恰当位置，然后把按照配比搅拌好的石料、混凝土放入模板箱中，分层振荡捣实。待石料、混凝土凝固之后，用热水冲走混凝土块中的固体材料。然后，在模型试验中添加监测元件。隧道洞口 1处布置可接收水声信号的监测元件，用来捕捉来自隔水岩体3后方补给通道内的水声撞击信号。[〇〇68]试验阶段:
[0069]压力水箱10内的电动机给水体加压，调节控制阀门、流量阀门调节出试验所需的特定压力、流量的水流。压力水箱外接注水管和回流管，压力将水体压入补给通道，流经补给通道的水体最后流回压力水箱，通过压力水箱再次施压实现水循环流通。期间监测元件捕捉到的水声激荡信号通过电缆线传输给数据集成器5,与数据集成器相连接的计算机6进行处理分析，甄别来补给通道内有效的水声激荡信号，并对信息进行反演处理，得出各个特征补给通道一一对应的特征信号以及对应的空间展布，最后由程序实现水流补给通道空间展布的描绘。
[0070]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。
【主权项】
1.隧道突涌水灾害源强补给通道定位监测试验系统，其特征是，包括模型隧道，所述模 型隧道内部布设多种预置突水补给通道，预置突水补给通道通过管路与水源补给系统连 接;所述模型隧道内布设监测元件，监测元件与监测系统连接，监测系统将获得的监测信号 传输给信息处理系统，信息处理系统得出预置突水补给通道对应的特征信号及对应的空间 展布。2.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述模型隧道的一侧设有隧道洞口，模型 隧道的另一侧为未开挖区域;所述预置突水补给通道设置于模型隧道的未开挖区域内；所 述模型隧道内在隧道洞口和未开挖区域之间设有隔水岩体。3.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述预置突水补给通道包括依次布设在模 型隧道内的管状的第一突水补给通道、带状的第二突水补给通道和第三突水补给通道。4.如权利要求3所述的试验系统，其特征是，所述第一突水补给通道包括交错设置的若 干水平管状补给通道、若干轴向管状补给通道和若干径向管状补给通道;所述水平管状补 给通道、轴向管状补给通道和径向管状补给通道均由两根及以上水流管道交叉形成。5.如权利要求3所述的试验系统，其特征是，所述第二突水补给通道包括轴向带状补给 通道和径向带状补给通道，所述轴向带状补给通道和径向带状补给通道均沿模型隧道的径 向设置;所述第三突水补给通道包括管状补给通道，所述管状补给通道与溶洞模型连通以 模拟隧道突水。6.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述水源补给系统包括压力水箱，所述压 力水箱通过注水管与预置突水补给通道连接，预置突水补给通道通过回流管连接回压力水 箱，所述压力水箱上还设有压力仪表和水位仪表。7.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述监测系统包括声信号监测装置和微震 监测装置，所述声信号监测装置与设于模型隧道内的水声信号监测元件通信，所述微震监 测装置与设于模型隧道内的微震信号监测元件通信;所述声信号监测装置为声波探测器或 声发射仪。8.如权利要求1或6所述的试验系统，其特征是，所述模型隧道外部设有防噪窗，模型隧 道底部置于减震底盘上;所述减震底盘包括顶部支架和底部底座，支架和底座之间连接有 多个减震弹簧;所述预置突水补给通道与水源补给系统之间的注水管上设有流量仪表。9.利用权利要求1-8任一项所述的试验系统的试验方法，其特征是，包括以下步骤:步骤1:按设定要求制作预置突水补给通道；步骤2:将预置突水补给通道布设在模型隧道中，并在模型隧道中布置监测元件；步骤3:调节水源补给系统，给模型隧道的预置突水补给通道供给设定压力和流量的水 流；步骤4:水流在预置突水补给通道中流动的过程中，监测元件将监测信号经由监测系统 传输给信息处理系统；步骤5:信息处理系统甄别预置突水补给通道内有效的监测信号，并对有效的监测信号 进行反演处理，得出预置突水补给通道对应的特征信号以及对应的空间展布。10.如权利要求9所述的试验方法，其特征是，所述步骤1的具体步骤为:按照设定要求的预置突水补给通道的形式，将易溶于水的固体材料充填于模板箱内；将按照设定配比搅拌好的石料、混凝土充填于模板箱内，分层振荡捣实；待石料、混凝土凝固后，用水清理掉固体材料。
【文档编号】G01V11/00GK105954811SQ201610285355
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】张乾青, 成帅, 袁永才, 陈迪杨, 谭英华, 柳尚, 刘善伟, 张健
【申请人】山东大学