冻融模拟隧道涌水突泥试验方法与流程

本发明涉及一种模拟隧道涌水突泥的试验方法。

背景技术：

1、随着工程技术的发展，公路铁路工程中桥隧比越来越高，“逢山开路、遇水搭桥”已成为基础建设施工的常态。涌水突泥在岩溶隧道灾害中发生频率最高，占到所统计隧道的74.5%。隧道突水突泥灾害危害性大，轻者导致工期延误和经济损失，重者造成重大人员伤亡事件。此外，隧道突水突泥破坏地下水循环系统，引起地下水枯竭、地表水渗流、植被生态破坏等一系列问题也不容忽视。因此，在隧道工程建设中，要重视涌水突泥灾害的致灾机理，无论是工程前期勘测，还是工程实施阶段，都需要理清致灾环境的变化及其影响。隧道涌水突泥灾害具有极强的突发性，在工程室外环境中又常因视角受限、准备时间不足、涌水量大等因素而研究十分困难。室内模拟试验更易于复杂变量情况下隧道涌水突泥发生过程的机理和规律的研究。

2、近年来，国内已经开展了一些模拟隧道涌水突泥的试验模型的研究。如cn104807960a。上述试验模型设计中，涌水突泥的模拟材料在试验过程中强度不发生变化，材料的流动依靠高压水流及隔板控制，事实上不能完全模拟实际涌水突泥灾害发生过程中，局部材料强度会发生变化的过程。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种更真实地模拟隧道涌水突泥的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，所采用的模型箱包括模型箱体，所述模型箱体内设置有隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型内的隧道模型和防突岩体模型，围岩模型采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口位于模型箱体的壁上，防突岩体模型采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱，开口箱的开口邻接防突岩体模型，开口箱内可填充介质，所述填充介质可施加压力于防突岩体模型，所述模型箱体内设置有温度控制装置以控制防突岩体模型的强度，所述试验方法包括以下步骤：

3、a、制作模型箱体，在模型箱体内安装温度控制装置，预制防突岩体模型，制作岩溶水压装置；

4、b、在模型箱体内制作围岩模型，并在形成围岩模型的过程中置入防突岩体模型、岩溶水压装置和用于测量岩溶水压的测压装置，并在此过程中保持防突岩体模型不融化；

5、c、向岩溶水压装置充入填充介质以调节其作用于防突岩体模型的水压荷载，调节模型箱体内的温度，使其防突岩体模型逐渐融化，模拟涌水突泥过程并记录。

6、上述方法中，隧道模型的断面形状、尺寸可根据实验设计进行变化，防突岩体模型的形状与隧道模型的断面形状相适配，防突岩体模型的厚度也可根据实验设计在很大范围内进行变化及完成相应的制作，最主要是的，防突岩体模型采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，借助于温度控制装置，可以控制防突岩体模型的强度变化，利用水的凝结温度在低温状态下制作成型相应的防突岩体模型，其在试验中逐渐升温，水逐渐融化，凝固块的强度随之削弱，开口箱内填充的填充介质可从开口突破防突岩体模型向隧道模型中涌入，较为真实的模拟了防突岩体在涌水突泥过程中的变化，从而有可能得出更为准确的实验结论。

7、进一步的是所述填充介质为水，开口箱通过水管与位于模型箱体外的外部水源箱连接，外部水源箱位于可升降底座上，通过调节开口箱内填充介质体积或外部水源箱的高度改变填充介质施加压力于防突岩体模型的压力大小，从而以较低成本实现防突岩体模型所受压力的无级调节。

8、为方便观测防突岩体模型所受到的压力变化，所述开口箱与液压管连接，液压管设于开口箱内的管端设置有过滤网，可将压力参数直观的反馈于试验者，过滤网可防止管口堵塞而影响液压传导。

9、温度控制装置包括升温装置和降温装置。为方便模型箱体内的温度控制，所述模型箱体内分层布置，底部设置有具有进、出水口的储水箱，储水箱顶部设下支撑板，下支撑板上为隧道模型装置和岩溶水压装置，围岩模型顶部设上支撑板，上支撑板以上空间作为降温装置安装空间，降温装置与储水箱作为温度控制装置使用：在置入防突岩体模型后而围岩模型成型前，利用降温装置使其模型箱体内温度低于零度，保持防突岩体模型的凝固状态，在围岩模型成型并向防突岩体模型加载设定压力后，向储水箱通入可流动的液态水，使其模型箱体内温度上升，模拟涌水突泥过程。通过降温装置保持模型制作过程中的较低温度，防止防突岩体模型中水分融化而发生软化；通过向储水箱通入冰水或热水等不同温度的水，实现温度的缓慢调控。上述设计便于模型的制作和控制，而且成本低。

10、因勿须精确控制零度以下温度，所述降温装置安装空间内安装有悬挂梁，悬挂梁上安装有与自增压液氮罐连通的蛇形冷凝管，利用液氮的流量来控制箱内温度，便捷易实现，且成本不高，悬挂梁可固定于模型箱体上，便于快捷安装降温装置。

11、所述储水箱内安装有温度传感器，温度传感器与控制终端连接，方便数据记录。

12、本发明的有益效果是：模型箱的整体结构简单、容易制作、操作方便，试验方法简便、经济、可重复。

技术特征：

1.冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是，所采用的模型箱包括模型箱体（18），所述模型箱体（18）内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型（33）内的隧道模型和防突岩体模型（21），围岩模型（33）采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口（19）位于模型箱体（18）的壁上，防突岩体模型（21）采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱（22），开口箱（22）的开口邻接防突岩体模型（21），开口箱（22）内可填充介质，所述填充介质可施加压力于防突岩体模型（21），所述试验方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是：所述填充介质为水，开口箱（22）通过水管（17）与位于模型箱体（18）外的外部水源箱（13）连接，外部水源箱（13）位于可升降底座（16）上，通过调节开口箱（22）内填充介质体积或外部水源箱（13）的高度改变填充介质施加压力于防突岩体模型（21）的压力大小。

3.如权利要求1所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是：所述开口箱（22）与液压管（25）连接，液压管（25）设于开口箱（22）内的管端设置有过滤网（24）。

4.如权利要求1、2或3所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是：所述模型箱体（18）内分层布置，底部设置有具有进、出水口的储水箱（34），储水箱（34）顶部设下支撑板（29），下支撑板（29）上为隧道模型装置和岩溶水压装置，围岩模型（33）顶部设上支撑板（8），上支撑板（8）以上空间作为降温装置安装空间，降温装置与储水箱作为温度控制装置使用：在置入防突岩体模型（21）后而围岩模型（33）成型前，利用降温装置使其模型箱体（18）内温度低于零度，保持防突岩体模型（21）的凝固状态，在围岩模型（33）成型并向防突岩体模型（21）加载设定压力后，向储水箱（34）通入可流动的液态水，使其模型箱体（18）内温度上升，模拟涌水突泥过程。

5.如权利要求4所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是：所述降温装置安装空间内安装有悬挂梁（6），悬挂梁（6）上安装有与自增压液氮罐（1）连通的蛇形冷凝管（7），以蛇形冷凝管（7）作为降温装置。

6.如权利要求4所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其特征是：所述储水箱（34）内安装有温度传感器（28），温度传感器（28）与控制终端（31）连接。

技术总结
本发明公开了一种冻融模拟隧道涌水突泥试验方法，其模型箱体内设温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型内的隧道模型和防突岩体模型，防突岩体模型采用设计配合比的水‑沙‑石‑泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱，开口箱内可填充有介质，填充介质可施加压力于防突岩体模型，试验方法包括在模型箱体内制作围岩模型，并在形成围岩模型的过程中置入防突岩体模型、岩溶水压装置和用于测量岩溶水压的测压装置，向岩溶水压装置充入填充介质以调节其作用于防突岩体模型的水压荷载，调节箱内温度使防突岩体模型逐渐融化，模拟涌水突泥过程并记录。模型箱结构简单、易制作、操作方便，试验方法简便、经济、可重复。

技术研发人员：李宗治,景岗山,肖双清,韩波,李兴春,巨广宏,陈正锋,叶飞,董洪凯,符文熹
受保护的技术使用者：中铁十二局集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12