一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置

摘要

本发明公开了一种隧道开挖岩溶突水试验方法，包括配料、填料、埋设元件、埋设水箱、注水及监测、开挖及监测等步骤。本发明还公开了一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座上的模型架、预制水箱、水压加载机构、应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构、声发射场监测机构、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、光纤解调仪以及计算机。本发明同时能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律，具有适用范围广、可靠度高、采集数据丰富、试验精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置，属于试验模型领域。

背景技术

目前，我国经济建设的发展越来越迅速，对基础设施建设的要求不断的提高，在交通设施建设，水利水电工程建设中，深埋长大山岭隧道不断增加。我国碳酸盐岩分布广泛，按可溶岩地层的分布面积计算约占国土面积的1/3，岩溶深埋长隧道工程由于埋深大、洞身长、地质条件复杂，在修建过程中，将会遇到一系列特殊的灾害地质问题，如塌方、突水、突泥(沙)等问题。其中以隧道突水最为常见，危害性也最大，往往给工程施工带来很大危害，造成大量围岩失稳，隧道报废或人身伤亡事故。因此，加强隧道突水的研究，建立有效的预防措施保障隧道施工及隧道运营安全，具有重要的意义。

隧道突涌水的分析首先是从定性研究开始的，最早的分析只是通过查明隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖的水文地质及工程地质条件，确定地下水的富集带或富集区以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水突涌水通道，判断是否发生突涌水。

通过模型试验来研究隧道岩溶突水前兆多场信息的变化目前研究不多，一般模型试验只能研究隧道岩溶突水前一两个场的信息变化，不能研究不同的含水体位置、不同水压情况下，隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。一般模型试验主要有利用岩体温度法预测隧道掌子面前方含水体的模型试验，郭如军(2008)从岩体温度影响因素及岩体温度场出发，通过室内模型试验研究，分析了岩体温度与隧道施工掌子面前方含水体的关系及隧道施工掌子面前方含水体的预报原理和可行性。目前对隧道岩溶突水形成过程中围岩应力场、温度场、渗流场、声发射场等的变化演化规律尚未形成清楚的认识。

研究隧道岩溶突水前兆信息的变化规律，进而实现对隧道岩溶突水的预测预报，应当研究多场信息的变化，从多场信息的变化中分析各场的相关性，找到突水前兆信息的主要变化规律，应当考虑含水体位置、水压的大小对隧道开挖诱发突水前兆多场信息变化规律的影响，综合考虑多种因素从而提高预测预报的精度。为了提高监测数据的可靠性及精度应当选用采样率高的监测仪器，实现对试验的实时监测从而捕捉到突水前信息的变化规律。传统的监测元件不具有防水的功能，且采样率低不能实现对试验的实时监测。通过模型试验研究隧道岩溶突水前兆信息的变化规律，应当考虑选择的监测元件有防水的功能，使其在遇水的情况下仍能够发挥正常的监测功能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种隧道开挖岩溶突水试验方法，以及其监测装置，本发明能够考虑不同的含水体位置、不同水压情况下，隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律，能够同时实现对模型试验中应力场、变形场、温度场、渗流场、声发射场的实时监测，采集数据丰富，试验精度高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种隧道开挖岩溶突水试验方法，包括以下步骤：

1)配料：配置模型试验相似材料：利用相似比要求配置试验用模型材料，模型材料应当满足几何、运动、动力、弹性模量、泊松比、强度等相似要求。

2)填料：将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型架中，模型架四周涂胶以防止试验中水从四周渗出。

3)埋设元件：在指定位置处埋设监测元件，将测线引出并与监测仪器相连，检查元件是否功能正常，对于不能正常工作的元件应重新埋设。

4)埋设水箱：将水箱按指定位置置于模型架中，并将水压加载机构引出。

5)注水及监测：同时启动各监测仪器，待10分钟后开始缓慢注水，使水位达到指定的高度，使用连通管保持现有水位高度；连续采集12～16小时，直至水体在模型中渗透达到稳定状态；渗透达到稳定状态的标准为仪器监测到的指标不随时间发生明显变化。

6)开挖及监测：在模型正前方及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，待10分钟后开始隧道开挖；使用摄像机拍摄开挖全过程，使用摄像头拍摄每一步开挖后隧道内的场景，人工记录试验过程中水位的变化；分步开挖直至隧道发生突水现象；

7)改变水箱的位置、水压力大小，重复步骤(3)～(6)。

8)通过以上步骤得到的信息，得出不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。

本发明能够实现对模型试验中应力场、变形场、温度场、渗流场、声发射场的实时监测，采集数据丰富试验精度高。

一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座上的模型架、预制水箱、水压加载机构、应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构、声发射场监测机构、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、光纤解调仪以及计算机；其中，预制水箱位于模型架的内部，水压加载机构位于模型架的顶部；应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构及渗流场监测机构均位于模型架的内部，各监测机构通过光纤解调仪与计算机相连；声发射场监测机构位于模型架表面，并通过前置放大器与声发射主机相连；模型表面位移变形观测机构装设于模型架的正前方，并与计算机相连；模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构装设于模型隧道的正前方，并与计算机相连。

所述水压加载机构为带刻度的水位管，通过调节水管内的水位高度来改变水压的大小。

所述应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构分别为光纤应力传感器、位移传感器、温度传感器、渗压传感器。

所述声发射场监测机构为声发射探头。

所述模型表面位移变形观测机构包括摄像头及数码摄像机三角架，其装设于模型架的正前方，摄像头与计算机相连。

所述模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构包括摄像机及数码摄像机三角架，其装设于模型隧道的正前方，摄像机与计算机相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出通过模型试验来研究隧道岩溶突水前兆多场信息的变化，同时能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。一般模型试验只能研究隧道岩溶突水前一两个场的信息变化，不能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律；本发明采集数据丰富、试验精度高。本发明提出了相应的试验装置，该装置和其他装置相比，采样率高，能够实现对试验的实时监测，选择的监测元件有防水的功能，使其在遇水的情况下仍能够发挥正常的监测功能。本发明具有适用范围广、可靠度高、采集数据丰富、试验精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的试验方法的流程图；

图2为本发明的监测装置的正面结构示意图；

图3为本发明的监测装置的侧面结构示意图；

图4为水体位于隧道顶部的模型试验结构示意图；

图5为水体位于隧道侧部的模型试验结构示意图。

其中，1、基座；2、模型架；3、隧道；4、预制水箱；5、水位管；6、水体 7、光纤应力传感器；8、光纤位移传感器；9、光纤温度传感器；10、光纤渗压传感器；11、声发射探头；12、摄像机；13、三角架；14、光纤解调仪；15、计算机；16、前置放大器；17、声发射主机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座1上的模型架2、预制水箱4、水位管5(带刻度)、光纤应力传感器7、位移传感器8、温度传感器9、渗压传感器10、声发射探头11、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、光纤解调仪14以及计算机15，如图1、图2、图3、图4、图5所示，其中，预制水箱4位于模型架2的内部，水位管5位于模型架2的顶部；光纤应力传感器7、位移传感器8、温度传感器9及渗压传感器10均位于模型架2的内部，各传感器通过光纤解调仪14与计算机15相连；声发射探头11位于模型架表面，并通过前置放大器16与声发射主机17相连；模型表面位移变形观测机构装设于模型架2的正前方，并与计算机15相连；模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构装设于模型隧道的正前方，并与计算机15相连。

所述模型表面位移变形观测机构包括摄像机12及三角架13，其装设于模型架2的正前方，摄像头与计算机15相连。

所述模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构包括摄像机12及三角架13，其装设于模型隧道3的正前方，摄像机与计算机15相连。

实施例：进行隧道开挖岩溶突水试验，步骤如下：

1)配料：配置模型试验相似材料：利用相似比要求配置试验用模型材料，模型材料应当满足几何、运动、动力、弹性模量、泊松比、强度等相似要求。

2)填料：将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型架中，模型架四周涂胶以防止试验中水从四周渗出。

3)埋设元件：在指定位置处埋设监测元件，将测线引出并与监测仪器相连，检查元件是否功能正常，对于不能正常工作的元件应重新埋设。

4)埋设水箱：将水箱按指定位置置于模型架中，并将水压加载机构引出。

5)注水及监测：同时启动各监测仪器，待10分钟后开始缓慢注水，使水位达到指定的高度，使用连通管保持现有水位高度；连续采集12～16小时，直至水体在模型中渗透达到稳定状态；渗透达到稳定状态的标准为仪器监测到的指标不随时间发生明显变化。

6)开挖及监测：在模型正前方及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，待10分钟后开始隧道开挖；使用摄像机拍摄开挖全过程，使用摄像头拍摄每一步开挖后隧道内的场景，人工记录试验过程中水位的变化；分步开挖直至隧道发生突水现象；

7)改变水箱的位置、水压力大小，重复步骤(3)～(6)。

8)通过以上步骤得到的信息，得出不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。

本隧道开挖岩溶突水试验，确定几何相似比为C＝100，模型箱尺寸为1500mm×500mm×1800mm，开挖位置在模型箱下部三分之一的位置。按照实际隧道尺寸为宽130mm高为100mm左右，采用分步开挖。根据原岩力学参数得到模型力学参数如表1，根据经验，采用砂、石蜡作为原料来制作模型。

表1模型试验的主要力学参数表

试验结果及其分析：

通过隧道岩溶突水模型试验可以得到如下几个基本结果：

一、模型试验中，开挖扰动对各个场的影响较大，应力场、变形场、温度场、渗流场、声发射场监测数据均有较明显的变化。

二、本试验监测点为对称布置，相同高度的监测点数据相近又有不同。数据相近验证了结果的可靠，数据不同左侧监测点比右侧监测点声发射数据较大，分析认为这说明水体是从先从左侧渗入，此结论可从其它监测参数如温度、电阻率分析中得到验证，说明本发明的方法和使用的装置能够监测到水沿裂隙的入渗过程。

三、开挖导致隧道突水前兆信息明显，所选择的监测仪器能够捕捉到隧道岩溶突水前兆多场信息的变化。

四、隧道涌水前存在明显的声发射事件、能量激增现象，开挖过程中隔水层有裂隙产生，裂隙经历延伸、扩展过程最后贯通至隧道顶部，发生涌水现象。

试验结论：

通过设计模型试验方案，选择合理的监测仪器，开展了隧道开挖岩溶突水模型试验研究，总结了隧道开挖岩溶突水前兆多场信息的变化规律，基本结论如下：

一、研究隧道岩溶突水前兆信息的变化规律，进而实现对隧道岩溶突水的预测预报，应当研究多场信息的变化，从多场信息的变化中分析各场的相关性，找到突水前兆信息的主要变化规律。

二、采用本试验装置和方法能够给隧道岩溶突水的预测预报提供试验基础，为工程实践提供预测依据。

三、本发明使用的模型，能够模拟完成不同的含水体位置、不同水压情况下，隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。

四、本试验采用的监测仪器采样率高，能够实现对试验的实时监测，选择的监测元件有防水的功能，使其在遇水的情况下仍能够发挥正常的监测功能，本发明适用范围广采集数据丰富试验精度高。