隧道突水灾害前兆信息监测模型试验系统及试验方法

摘要

本发明公开了一种隧道突水灾害前兆信息监测模型试验系统及试验方法，包括含水体构造系统、三轴加压系统和开挖掘进系统，所述三轴加压系统为含水体构造系统施加三向压力，所述开挖掘进系统设于含水体构造系统的待开挖工作面处对含水体构造系统进行定量开挖；所述含水体构造系统的试验数据由数据采集系统进行采集并由数据分析系统进行分析。本发明中设计多种灾害源水体类型，含水构造内部不同水压流量、流量，丰富了突水灾害源的形态，丰富了多种突水类型和富水形态。研究突水灾害源不同形态下，突水前兆信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道突水灾害前兆信息监测模型试验系统及试验方法。

背景技术

随着能源工程和交通工程的飞速发展，地下工程数量变得越来越多，规模也越来越大。隧道及地下工程施工过程中经常遭遇断层、溶洞、暗河等不良地质，由于水体对岩石的物理、化学作用，使得隧道围岩等级发生骤降，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，隧道内极易发生塌方和突水突泥灾害。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。因此，隧道突水突泥灾害前兆信息的判识，对于富水隧道突水突泥灾害预警至关重要，为隧道及地下工程的安全建设施工有重大意义。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补给通道定位监测的有效的技术手段。

针对以上隧道突水突泥突涌水灾害多元前兆信息的判识问题，亟需一种可全新合理的突水突泥前兆信息的采集与分析方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，针对隧道多类型突水前兆信息监测问题，提供一种隧道突水灾害前兆信息监测模型试验系统及试验方法，从而丰富富水隧道突水多元前兆信息的预测方法、技术，降低隧道突水灾害带来的损失。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

隧道突水灾害前兆信息监测模型试验系统，包括含水体构造系统、三轴加压系统和开挖掘进系统，所述三轴加压系统为含水体构造系统施加三向压力，所述开挖掘进系统设于含水体构造系统的待开挖工作面处对含水体构造系统进行定量开挖；所述含水体构造系统的试验数据由数据采集系统进行采集并由数据分析系统进行分析。

所述含水体构造系统包括试验块体，试验块体与三轴加压系统相接触；模拟富水隧道中多种类型不良含水体，其中包括：断层破碎带、含水溶洞、岩溶管道等类型，模拟多种突水类型的灾变演化过程，获取不同突水类型的前兆信息，揭示不同突水物质能量状态迁移及其临界特征。

所述试验块体包括模型试验体，所述模型试验体内布设若干含水体；含水体模拟富水隧道，模型试验体的制作可以为现浇式和预制块体砌筑。

所述模型试验体的中部设有隧道洞口，所述隧道洞口处设置数据采集系统，所述数据采集系统与数据分析系统连接。

所述模型试验体外部由框架板包覆，框架板的边角处设有导力杆；导力杆是在试验块体加压过程中的防止加压设备发生碰撞的特殊设计。

所述三轴加压系统包括试验台架，所述试验台架上支撑外部支架，所述外部支架上固定液压装置，试验块体布设在外部支架与试验台架之间；三轴液压千斤顶对试验岩石块体施加三向压力，更好的还原岩石块实际受力状态。

所述外部支架包括相垂直设置的第一倒U型结构和第二倒U型结构，所述第一倒U型结构的两侧壁和顶板上均固定液压装置，所述第二倒U型结构的两侧壁上固定液压装置，各液压装置与试验块体的外表面相接触；

所述第一倒U型结构与第二倒U型结构为一体式结构；更加方便组装，三轴加压系统一体为试验块体施加三向压力。

优选的，所述第一倒U型结构呈圆弧状；更加省料。

所述数据采集系统包括埋设在模型试验体内的微型光纤传感器、光纤监测系统、微型压力盒、应变砖和设置于模型试验体外侧的微震监测系统，数据采集系统将采集的数据传输给数据分析系统。

所述数据分析系统包括数据集成器和微震检波器，数据集成器与数据采集系统连接，数据集成器还与上位机连接，微震检波器和上位机连接；模型隧道内部的检波器捕捉来的突水前兆信息，传输给计算机后，计算机程序对信号进行甄选、分析处理。总结得出突水相关的有效前兆信息，得出各突水指标阈值。

所述试验系统还包括突水预测预警系统，所述突水预测预警系统根据数据分析系统的分析数据对突水灾害进行预测预警。

所述含水体与水压流量调节系统连接，所述水压流量调节系统包括动力装置，所述动力装置通过水泵与含水体连接，所述水压流量调节系统上还设有压力仪表和流量仪表；加压水箱内可视化仪表可显示试验中水体的流量、水压，根据试验需要对水体进行定量调控。研究灾害源含水构造不同水压、流量下的不同的突水前兆信息。

隧道突水灾害前兆信息监测模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1：通过三轴加压系统对试验块体施加设定压力，通过水压流量调节系统对含水体施加压力，记录含水体的水压力和水流量数据；

步骤2：操作开挖掘进系统，对试验块体进行定量开挖，并记录开挖掘进系统的开挖速度、除渣量和开挖时间；当挖掘至含水体处时减缓速度掘进，时时观察试验现象；

步骤3：捕捉隧道突水前兆多元信息，通过监测元件传输到数据分析系统；多元信息包括位移、应力、能量、压力；

步骤4：进行多组试验，通过多组隧道突水现象对比分析得出突水影响指标阈值，对富水隧道的突水现象定量描述，结合多元突水信息设定突水多元信息的阈值，采用人工智能方法分析得到富水隧道施工过程中突水概率。采用的人工智能方法可以为BP神经网路、灰色理论、支持向量机等。

本发明的工作原理为：

本发明通过室内模型试验的方法对富水隧道进行模拟研究，模拟岩体三向受压及富水状态，还原富水隧道岩石的实际情况，本发明中涉及的水源补给系统可以模拟灾害源多种形式下的含水构造且可以对各个指标定量调控，且发明中涉及的掘进机可对模型隧道进行精确定量开挖。布置在模型隧道中的监测元件用来捕捉隔水岩体破裂信息，富水隧道突水信息最后由计算机甄别、分析处理，对突水概率预警。本发明研究隧道多类型突水灾变演化过程，揭示突水物质能量状态迁移及其临界特征。模型试验构建多元特征信息监测系统，获取突水灾害前兆多元信息，研究不同孕灾模式突水的多场信息数据耦合方法及其临灾突变规律。挖掘多场信息的逻辑共生关系，建立多元判据预警模型，实现突水等动力灾害演化的状态辨识、多元特征信息采集及综合预测预警。本发明中涉及的隧道突水突泥突涌水灾害多元前兆信息的采集、判识试验系统及方法，能够极大的降低隧道建设施工中的风险，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。

本发明的有益效果为：

1.本发明中设计多种灾害源水体类型，含水构造内部不同水压流量、流量，丰富了突水灾害源的形态，丰富了多种突水类型和富水形态。研究突水灾害源不同形态下，突水前兆信息。

2.可控开挖掘进机对模型隧道开挖掘进，探索动力扰动诱发突水灾变演化过程，获取隔水岩体破裂的动态信息。同时，模拟开挖过程更好的还原了隧道施工，模拟富水隧道掘进过程，为现场施工提供借鉴。

3.构建多元特征信息监测系统，获取突水灾害前兆多元信息，研究不同孕灾模式突水的多场信息数据耦合方法及其临灾突变规律，为突水前兆提供理论以及技术支持。

4.挖掘多场信息的逻辑共生关系，建立多元判据预警模型，实现突水等动力灾害演化的状态辨识、多元特征信息采集及综合预测预警，建立了一套完善的突水预测预警体系。

附图说明

图1为隧道突水及其前兆多元信息监测的模型试验系统示意图；

图2为试验加压系统示意图；

图3为试验块体示意图；

图4为模型隧道开挖掘进设备示意图；

图5a为监测断面元件布设示意图；

图5b为监测布点范围示意图；

图5c为监测断面布设范围示意图。

其中：1试验块体，2开挖掘进机，3水压流量调节系统，4数据集成器，5计算机，6电动机，7水压仪表，8水位仪表，9导力杆，10隧道洞口，11钢板，12三轴加压系统，13刀盘，14电机，15千斤顶，16底板，17倒U型外部支架，18圆弧形外部支架,19千斤顶，20加压水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种隧道突水前兆信息监测的模型试验系统，试验系统包括，三轴加压系统12、含水体构造系统、水压流量调节系统3、开挖掘进系统、数据集成器4、数据分析系统、计算机5、突水预测预警系统。

三轴加压系统12：三轴液压千斤顶对试验岩石块体施加三向压力，更好的还原岩石块实际受力状态。试验台架模块化，能够拼装；内布油缸，随台架榀数相应增加或减少；试验台架的圆形设计节省钢材。三轴加压系统通过液压千斤顶为试验体施加三向轴力，为伺服控制装置。三轴加压系统12包括在试验块体1外部设置的前后方向的倒U型外部支架17和在左右方向设置的圆弧形外部支架18，倒U型外部支架17与圆弧形外部支架18在顶部连接，圆弧形外部支架18的顶部和左右两侧部均连接千斤顶19，倒U型外部支架17的前后均连接千斤顶，圆弧形外部支架18的顶部的千斤顶对应于试验块体1顶面钢板10施力，实现σ₁的加载；圆弧形外部支架18左右两侧部的千斤顶对应于试验块体1左右方向施力，实现σ₂的加载；倒U型外部支架17前后方向的千斤顶对应于试验块体1前后方向，实现σ₃的加载。

如图2所示，水压流量调节系统3包括电动机6，电动机6通过水泵与含水体连接，加压水箱20上设有水压仪表7和水位仪表8。

水压流量调节系统3：加压水箱20内可视化仪表可显示试验中水体的流量、水压，根据试验需要对水体进行定量调控。研究灾害源含水构造不同水压、流量下的不同的突水前兆信息。水压流量调节系统，包括压力仪表、流量仪表。通过调控加压电动机对试验所需 水源进行定量调节。

如图3所示，含水体构造系统：模拟富水隧道中多种类型不良含水体，其中包括：断层破碎带、含水溶洞、岩溶管道等类型，模拟多种突水类型的灾变演化过程，获取不同突水类型的前兆信息，揭示不同突水物质能量状态迁移及其临界特征。

含水体构造系统即为试验块体1，试验块体1为规格长为2.5m，宽为2m，高为2m的岩石块体，最大开挖洞口直径200mm。模型试验体的制作可以为现浇式和预制块体砌筑。试验块体1由隧道洞口10、含水体、导力杆9、钢板11组成。其中监测元件布置在隧道洞口处，含水体模拟富水隧道，导力杆则是在试验块体加压过程中的防止加压设备发生碰撞的特殊设计。

如图4所示，开挖掘进系统：精确定量的开挖掘进机对模型试验装置进行开挖掘进，更好的还原现实中隧道掘进动态过程，为现场施工提供借鉴。模拟隧道开挖掘进情况对模型试验体定量精确开挖。

开挖掘进系统即为开挖掘进机2，开挖掘进机2为适应试验系统的小型掘进机，开挖掘进机2包括底板16，底板16上设置千斤顶15，千斤顶15顶升座板，座板上设置电机14，电机14与掘进部连接，掘进部端部设置刀盘13，刀盘13在试验块体1内进行掘进。

数据采集系统，采用多种微型光纤传感器及多元信息并行采集的光纤监测系统，并配合使用突水专用微震监测系统、微型压力盒及应变砖，可实现模型应力、位移、渗压以及微震信息等多场信息的采集，由计算机程序实现信息实时自动采集。微型光纤传感器、光纤监测系统、微型压力盒和应变砖均为监测元件，监测元件在不同断面处的布设如图5a中所示，图5a中1、2、3、4、5、6、7、8点所在的位置为监测元件的布设位置。监测元件布设全范围覆盖突水区域。

图5b中给出监测元件在试验块体1内布设位置的范围图；图5c中给出监测断面1、2、3、4在隧道掘进方向上的布设图。

数据分析系统：模型隧道内部的检波器捕捉来的突水前兆信息，传输给计算机后，计算机程序对信号进行甄选、分析处理。总结得出突水相关的有效前兆信息，得出各突水指标阈值。数据分析系统，包括检波器、集成器、计算机。计算机算法对突水前兆多元信息进行甄选、分析处理，通过多组试验结果确立突水相关指标阈值。

突水预测预警系统：基于高斯过程和贝叶斯判别理论的突水前兆多元信息识别模型，通过前兆多元信息演化特征与识别模型反推突水灾害发生概率，最终对突水灾害进行预测预警。突水预测预警系统对突水影响指标进行评价，提供突水事件发生机率，为预测预警监测技术提供支持。

下面结合附图1-5，详细说明隧道突水及其前兆多元信息监测的模型试验系统及其方法步骤。

准备阶段：

依照图1隧道突水及其前兆多元信息监测的模型试验系统示意图，浇筑试验模型，其规格长为2.5m，宽为2m，高为2m的岩石块体，内置各种复杂含水体：断层破碎带、含水溶洞、岩溶管道等类型。拼装试验台架模块，内布千斤顶。按照图5a、5b、5c设计图埋设监测元件。拼装水压装置，连接监测元件与数据集成器和计算机。

试验阶段：

①通过三轴液压装置给试验块体施加所需压力，并通过外部的水压装置给试验块体内部的含水体施加压力。依照仪表读数记录水压力、水流量值，为后期数据分析做准备。

②操作隧道开挖掘进机，对模型隧道进行定量开挖。记录掘进机开挖速度、除渣量、开挖时间。当挖掘至含水体附近时缓慢掘进，时时观察试验现象，如掌子面含水情况等。

③捕捉隧道突水前兆多元信息，通过监测元件传输到数据集成器，最后到达计算机。计算机通过程序算法，对有效信息进行甄别。

④通过多组隧道突水现象总结突水影响指标阈值，对富水隧道的突水现象定量描述，结合多元突水信息设定突水多元信息的阈值，给出富水隧道施工过程中突水概率。

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。