一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型及方法

摘要

本发明公开了一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型，包括：恒压装置、测压装置、溶腔隐伏洞模型、岩溶体模型、隧道模型；所述恒压装置通过第一导水管连接所述测压装置，所述测压装置为一容器，且所述测压装置通过第二导水管连接所述溶腔隐伏洞模型，所述溶腔隐伏洞模型位于所述岩溶体模型内，所述溶腔隐伏洞模型还连接第三导水管，所述溶腔隐伏洞模型还连接第三导水管，所述第三导水管伸出所述岩溶体模型外部；所述岩溶体模型为上部开口的透明箱体结构，所述箱体中装有岩层相似物质，所述箱体内侧表面设置有所述隧道模型，所述第一导水管上设有第一阀门，所述第二导水管上设有第二阀门。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道挖掘安全领域，特别涉及一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型及方法。

背景技术

近年来我国交通基础设施建设速度突飞猛进，截至2013年底，我国大陆上已建成隧道有7400余座，其中27%-35%隧道穿越岩溶地层，这些岩溶隧道特点是埋深深、岩溶比较发育，施工过程中经常发生突水事故，在国内外隧道特大事故中，突水事故在死亡人数和发生次数均居于前列，给隧道工程界带来的人身伤亡和经济损失极为惨重，如国外日本的青函隧道和清水隧道、前苏联北穆隧道、黎巴嫩阿瓦利隧道、法国仙尼斯峰隧道以及前苏联北穆隧道，国内的华蓥山隧道、圆梁山隧道、武隆隧道、歌乐山隧道等等。

在隧道挖掘前期，需要探测待挖掘隧道附近是否有溶腔、溶腔产生的压力，从而根据该压力判断溶腔能够影响岩层的厚度，得到准确的压力-厚度曲线是解决隧道突水问题的重要途径。

因此，急需一种操作简单、组装灵活方便、记录数据准确直观的用于测定岩溶隧道岩盘安全厚度的模型试验装置，用于预测岩溶隧道岩盘安全厚度，通过理论模型的建立及预测，对实际工程提供指导。

发明内容

为了解决这些潜在问题，本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型及方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型，包括：恒压装置、测压装置、溶腔隐伏洞模型、岩溶体模型、隧道模型；

所述恒压装置通过第一导水管连接所述测压装置，用于提供恒定的水压；所述测压装置为一容器，且所述测压装置通过第二导水管连接所述溶腔隐伏洞模型；

所述溶腔隐伏洞模型位于所述岩溶体模型内，且为可涨缩腔体结构，所述溶腔隐伏洞模型还连接第三导水管，所述第三导水管伸出所述岩溶体模型外部；

所述岩溶体模型为上部开口的透明箱体结构，所述箱体中装有岩层相似物质，用于模拟岩层，所述箱体内侧表面设置有所述隧道模型，用于模拟经过固定的隧道；

所述第一导水管上设有第一阀门，所述第二导水管上设有第二阀门。

优选的，所述恒压装置为恒压泵，用于向所述测压装置提供恒定的压力，并向所述测压装置注入一定量的水。

优选的，所述测压装置为容量瓶。

优选的，所述岩溶体模型为钢化玻璃箱体。

进一步地，所述隧道模型包括隧道壁模型、与所述隧道壁模型匹配的掌子面模型；

所述隧道壁模型为半圆柱形槽体，所述隧道壁模型紧贴并固定于所述岩溶体模型侧壁，并与所述岩溶体模型侧壁、所述掌子面结合形成所述隧道模型。

进一步地，所述掌子面模型一端固定有水平拉杆，所述水平拉杆另一端伸出所述岩溶体模型，所述岩溶体模型外表面还有定位所述水平拉杆的定位装置，拉动所述水平拉杆，模拟隧道开挖。

优选的，所述掌子面模型为半圆形有机玻璃。

优选的，所述隧道壁模型与所述掌子面模型的半径均为50mm。

本发明同时提供一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定方法，采用本发明提供的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定装置，包括以下步骤：

测定准备步骤：调整所述掌子面模型使其位于所述隧道壁模型最里端，向所述岩溶体模型内分层覆盖砂层，并将所述溶腔隐伏洞模型置于所述岩溶体模型内，设定所述恒压装置的压力为一预先设定值；

模拟挖掘步骤：通过所述水平拉杆牵引所述掌子面模型从隧道最里端向隧道外端移动一段距离，模拟隧道挖掘过程；

测量步骤：关闭所述第二阀门，打开所述第一阀门，通过所述恒压装置向所述测压装置注入一定体积的水量；待所述恒压装置中水量稳定后，关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，所述测压装置向所述溶腔隐伏洞模型注水；待所述溶腔隐伏洞模型水量稳定后，再打开所述第一阀门；

判断步骤：判断所述掌子面模型初始位置处的砂层是否恰好松动且有沙土流入隧道中，若是，则记录此时所述恒压装置的压力值、当前溶腔隐伏洞模型与隧道壁之间的最短距离、当前溶腔隐伏洞模型与隧道壁之间的位置，若否，则改变所述恒压装置的压力，依次执行所述测量步骤、所述判断步骤；

后续测量步骤：改变所述溶腔隐伏洞装置的位置，依次执行所述测量步骤、所述判断步骤，直到得到足够多的测量数据，并将所述测量数据制成压力-安全厚度关系曲线图。

进一步地，还包括数据处理步骤：引入实际测量的数据，对所述压力-安全厚度关系曲线图进行修正，得到符合实际要求的修正图。

与现有技术相比，本发明的有益效果

本发明的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型能成功模拟溶腔隐伏洞装置分别位于隧道工作面不同位置处（如顶部、侧部、前部、底部）岩溶隧道岩盘安全厚度与水压变化关系，通过理论模型的建立及预测，对实际工程提供指导。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例中的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型结构图。

图2是本发明一个具体实施例中的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型的隧道模型结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型，包括：恒压装置1、测压装置2、溶腔隐伏洞模型3、岩溶体模型4、隧道模型5；

所述恒压装置1通过第一导水管6连接所述测压装置2，用于提供恒定的水压；所述测压装置2为一容器，且所述测压装置2通过第二导水管7连接所述溶腔隐伏洞模型3；

所述溶腔隐伏洞模型3位于所述岩溶体模型4内，且为可涨缩腔体结构，所述溶腔隐伏洞模型3还连接第三导水管8，所述第三导水管8伸出所述岩溶体模型4外部；

所述岩溶体模型4为上部开口的透明箱体结构，所述箱体中装有岩层相似物质，用于模拟岩层，所述箱体内侧表面设置有所述隧道模型5，用于模拟经过固定的隧道；

所述第一导水管上设有第一阀门9，所述第二导水管上设有第二阀门10。

本发明的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型能成功模拟溶腔隐伏洞装置分别位于隧道工作面不同位置处（如顶部、侧部、前部、底部）岩溶隧道岩盘安全厚度与水压变化关系，通过理论模型的建立及预测，对实际工程提供指导。

优选的，所述恒压装置1为恒压泵，用于向所述测压装置2提供恒定的压力，并向所述测压装置注入一定量的水。

优选的，所述测压装置2为容量瓶。

优选的，所述岩溶体模型4为钢化玻璃箱体。

进一步地，所述隧道模型5包括隧道壁模型51、与所述隧道壁模型匹配的掌子面模型52；

所述隧道壁模型51为半圆柱形槽体，所述隧道壁模型51紧贴并固定于所述岩溶体模型4侧壁，并与所述岩溶体模型侧壁、所述掌子面结合形成所述隧道模型5。

进一步地，所述掌子面模型5一端固定有水平拉杆53，所述水平拉杆53另一端伸出所述岩溶体模型4，所述岩溶体模型4外表面还有定位所述水平拉杆53的定位装置54，拉动所述水平拉杆53，模拟隧道开挖。

优选的，所述掌子面模型为半圆形有机玻璃。

优选的，所述隧道壁模型与所述掌子面模型的半径均为50mm。

实施例1：

本发明实施例1的一种岩溶隧道岩盘安全厚度测定方法，使用本发明所述的岩溶隧道岩盘安全厚度测定模型，具体实施方式包括以下步骤：

测定准备步骤：调整所述掌子面模型使其位于所述隧道壁模型最里端，向所述岩溶体模型内分层覆盖砂层，并将所述溶腔隐伏洞模型置于所述岩溶体模型内，设定所述恒压装置的压力为一预先设定值；

模拟挖掘步骤：通过所述水平拉杆牵引所述掌子面模型从隧道最里端向隧道外端移动一段距离，模拟隧道挖掘过程；

这里的掌子面模型移动一段距离是为了模拟实际的隧道开挖状态，在实际挖掘隧道前后，隧道围岩的自稳能力是不同的，将掌子面移除就是为了改变在测量过程中砂层的受力，使结果更加准确。

测量步骤：关闭所述第二阀门，打开所述第一阀门，通过所述恒压装置向所述测压装置注入一定体积的水量；待所述恒压装置中水量稳定后，关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，所述测压装置向所述溶腔隐伏洞模型注水；待所述溶腔隐伏洞模型水量稳定后，再打开所述第一阀门；

在第一阀门打开，第二阀门关闭时，恒压装置与测压装置连通，测压装置内的水压即为恒压装置的压力预先设定值，在第二阀门打开，第一阀门关闭时，由于测压装置的压强大于溶腔隐伏洞模型的压强，此时测压装置中部分水量会流进溶腔隐伏洞模型，模拟实际中初始状态的隐伏洞。

判断步骤：判断所述掌子面模型初始位置处的砂层是否恰好松动且有沙土流入隧道中，若是，则记录此时所述恒压装置的压力值、当前溶腔隐伏洞模型与隧道壁之间的最短距离、当前溶腔隐伏洞模型与隧道壁之间的位置，若否，则改变所述恒压装置的压力，依次执行所述测量步骤、所述判断步骤；

由于之后又打开了第一阀门，使得恒压装置、测压装置、溶腔隐伏洞模型依次连通，溶腔隐伏洞模型的压力增大为恒压装置的压力预先设定值。位于砂层内的溶腔隐伏洞模型位于不同位置处受到砂层各个方向向内的压力值是不同的，同时又受到预先设定值向外的压力，当溶腔隐伏洞模型位于某处时，两者压力恰好平衡，即可认为此时恒压装置的压力为该位置处能承受的最大压力值，而两者恰好平衡反映在模拟装置中为掌子面模型初始位置处的砂层恰好松动且有沙土流入隧道中。

这里要说明的是，在砂层恰好松动且有沙土流入隧道时，溶腔隐伏洞模型中一般会有水从第三导水管流出，可辅助判断是否恰好平衡。

优选的，在第二阀门处安装有压力计，用于根据压力计的测量数值，判断模型当前状态是否稳定。

后续测量步骤：改变所述溶腔隐伏洞装置的位置，依次执行所述测量步骤、所述判断步骤，直到得到足够多的测量数据，并将所述测量数据制成压力-安全厚度关系曲线图。

由于本发明的装置每次只能测量一组数据，因此在测量中首先尽量选择相对重要的位置点，比如溶腔隐伏洞模型位于隧道模型的正顶部、正侧部、正前部、正底部的多个位置点的数据，同时在其他位置处也进行相应的修改。

例如，可以测量100-200组数据，讲所述数据绘制成反映压力-安全厚度关系的曲线。

当然，具体测量数据的组数是根据实际测量环境进行改变的。

值得一提的是，当溶腔隐伏洞模型位于隧道模型的其他位置处时，不仅需要记录溶腔隐伏洞模型与隧道模型的最短距离，还需要记录该最短距离所在直线与隧道所在平面的夹角，以确定准确的位置，基于此，值得一提的是，某一压力值对应的安全厚度值也将是一种函数关系。

进一步地，还包括数据处理步骤：引入实际测量的数据，对所述压力-安全厚度关系曲线图进行修正，得到符合实际要求的修正图。

在实际测量中，通过已有的经验以及一些理论算法，得到了一些较为准确的压力与安全厚度的对应关系，本发明通过对模拟结果进行相应的放大，使其在数量级上符合实际测量环境，然后提取现有的较为准确的多个点对本发明的曲线图进行修正，使其符合实际要求，应用在实际探测时，探测设备探测出存在的隐伏洞的位置坐标以及隐伏洞水的压力，然后将该压力值与本发明的压力-安全厚度关系曲线图进行比对，判断出隐伏洞周围能够进行隧道建设的安全厚度，对隧道建设起指导作用。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。