CN110865176A - 隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道突水突泥开挖模拟装置，包括模型架、地应力加载***、水压加载***和信息监测***，模型架内部中空且上端开口，模型架内部设有岩体模型体，岩体模型体包括正常岩体和断层岩体，断层岩体两侧均为正常岩体，模型架的侧壁上设有隧道开挖口，地应力加载***用于对岩体模型体提供向下的压力，水压加载***用于向岩体模型体提供水压，信息监测***包括监测元件和数据采集***，正常岩体和断层岩体内沿与隧道垂直的方向设有横向监测断面，监测元件埋设在横向监测断面上以监测隧道开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化。本发明还提供了利用上述装置模拟突水突泥灾害的方法。可以精确的模拟隧道突水突泥变化。

Description

隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法

技术领域

本发明涉及隧道施工测试与试验技术领域，具体涉及一种隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟索道突水突泥灾害的方法。

背景技术

隧道突水突泥是一种复杂的动力灾害现象，已经是隧道施工最具危害性的地质灾害之一，同时还能诱导其他灾害的发生，比如引起围岩的变形、失稳甚至塌方，地表塌陷，地表建筑物破坏，地表水枯竭等，因此鉴于其严重的危害性，早在20世纪50年代就开始重视突水突泥地质灾害的防治技术的研究。

隧道施工通常会在在断层带岩体，裂隙发育带，胶结性差，以富水高压、松散破碎为主，含水体内介质强度极低，隧道围岩在受到开挖扰动后，出现应力释放以及地下水渗流路径改变等现象，在满足灾害启动条件后，隧道就会发生突水突泥。由于断层破碎带复杂的构造成因及赋存条件，理论研究及数值模拟有其自身的局限性，而现场试验对于数据的采集存在较大困难且严重威胁试验人员的人身安全，因此难以取得进展。地质模型试验作为一种重要的研究手段，能够全面、真实的反映地质灾害与洞室的空间关系，准确模拟隧道、巷道等地下工程的施工过程，获得岩体介质的变形破坏特征，在解决地下工程灾害问题时具有不可替代的重要作用，能够真实准确的再现突水突泥灾变演化过程，试验结果较数值模拟更为接近实际工程，使人们能够直观的得到围岩的受力特征以及变形规律，为研究突水突泥致灾机理奠定基础。

现有技术中朱维申等研制了三维模型试验台架装置，实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载，研究了围岩破坏的发展过程，张强勇等研制出一种高地应力真三维记载地质力学模型实验***，并有效模拟出深部巷道围岩分区破裂的非线性变形破坏现象，姜耀东等研制一种新型真三轴巷道平面模型试验台，开展大量复杂条件下巷道稳定性的模型试验；刘爱华等研制了深部开采承压突水机制相似物理模型试验***，实现深部采矿时复杂盈利、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程；李术才等研制了大比尺三维模型试验***，真实模拟了隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程；高魁等建立了煤与瓦斯突出试验平台，进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验，研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律。

然而，针对断层破碎带隧道突水突泥灾害相关地质力学模型试验的研究相对匮乏，使用上述模型试验进行突水突泥灾害研究主要存在以下问题：模型尺寸较小，无法进行大比尺试验，存在明显的边界效应；多集中在地应力作用下隧道开挖过程中围岩的稳定性研究，未考虑断层破碎带岩体在地下水与开挖扰动综合作用下的突变演化过程；对断层破碎带充填介质相似材料的技术较少，目前的流-固耦合相似材料大多仅考虑密度、尺寸等物理指标，同时满足固体力学性质及渗透性的相似材料极少，更少有同时将正常岩体与断层岩体两种不同特性的相似材料应用于同一试验中。

发明内容

本发明为解决上述技术问题是提供了一种隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种隧道突水突泥开挖模拟装置，包括模型架、地应力加载***、水压加载***和信息监测***，所述模型架内部中空且上端开口，所述模型架内部设有岩体模型体，所述岩体模型体包括正常岩体和断层岩体，且所述断层岩体的两侧均为正常岩体，所述模型架的侧壁上设有隧道开挖口，且由该隧道开挖口深挖的隧道贯穿所述断层岩体和所述正常岩体，所述断层岩体的断层与所述隧道轴线之间形成夹角，且该夹角的角度为20～90°，所述地应力加载***用于向所述岩体模型体提供向下的压力，所述水压加载***用于向所述岩体模型体提供向下的水压，所述信息检测***包括相互电连接的监测元件和数据采集***，所述正常岩体和所述断层岩体内沿与所述隧道垂直的方向设有横向监测断面，所述监测元件埋设在所述横向监测断面上以检测所述隧道开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述正常岩体和断层岩体分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5:1，灰水比1.5:1，土晶比2:1，骨胶比10:1，砂灰比12:1，水胶比0.8:1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1:1，水膏比0.8:1，灰土比2.2:1，骨胶比3.5:1，水油比3.5:1，砂膏比0.3:1。

进一步，所述监测元件包括位移传感器、土压传感器、渗压传感器和应变砖传感器，其分别埋设在所述横向监测断面的隧道的拱顶、拱肩、拱腰及拱底。

进一步，所述横向监测断面沿隧道开挖方向设置多个，每个所述横向检测断面分别在隧道洞周、一倍洞径、二倍洞径和三倍洞径的位置布置四环监测点，每环所述监测点上均设有所述监测元件。

进一步，所述隧道开挖口设置有两个，两个所述隧道开挖口水平间隔设置在所述模型架的侧壁上。

进一步，所述隧道突水突泥开挖模拟装置还包括含水体，其设置在所述断层岩体内且位于两条所述隧道之间，所述含水体内沿断层走向布置两根供水管路与外部所述水压加载装置连通。

本发明还提供了利用上述隧道突水突泥开挖模拟装置模拟突水突泥灾害的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定正常岩体和断层岩体的相似材料；

步骤二、岩体模型体制作；

步骤三、将监测元件埋设在所述横向监测断面上；

步骤四、隧道开挖及支护；

步骤五、数据采集及试验结果分析。

进一步，所述正常岩体和断层岩体分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5:1，灰水比1.5:1，土晶比2:1，骨胶比10:1，砂灰比12:1，水胶比0.8:1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1:1，水膏比0.8:1，灰土比2.2:1，骨胶比3.5:1，水油比3.5:1，砂膏比0.3:1。

进一步，所述步骤四中采用超短台阶法进行开挖，具体步骤为：上下台阶开挖，初次支护，前两榀二次衬砌施作，继续开挖，第三榀二次衬砌施作，剩余段开挖及初次支护。

进一步，所述试验结果分析包括观察突水突泥过程、检测渗压变化、涌出物变化、应力应变变化和位移变化。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的隧道突水突泥开挖模拟装置在高地应力及高水压作用下具备较好的稳定性及密封性，可进行大比例试验，能够模拟不同地质条件下的实验过程且能够在试验过程中随时调整地应力及水压，对不同类型试验具有较好的适应性，能够检测隧道挖开过程中的土压力、渗透压力、应变以及位移参数的变化，配以适用于流-固耦和模型试验的断层岩体相似材料以及正常岩体相似材料，围绕断层破碎带隧道在开挖过程中，尤其是在断层处的临灾破坏基质开展试验研究，通过监测信息探明在地下水持续作用下渗流压力、涌出物质量、应力应变以及围岩变形等参数的动态变化规律。

(2)通过大量材料配比以及相关参数测试，获得了物理力学性能及水理特性满足模型试验要求的正常岩体相似材料和断层岩体相似材料，并进行试验还原隧道灾害发生过程。

(3)采用本发明的模拟突水突泥灾害的方法，可以分析突水突泥灾变过程中，隧道围岩的位移、涌出物以及应力变化等参数的明显的阶段性特征，可以反映灾害的形成、发展以及致灾的演化过程，为隧道及类似工程的灾害预警提供一定的指导作用。

附图说明

图1为根据本发明实施例的隧道突水突泥开挖模拟装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的岩体模型体的横剖图；

图3为根据本发明实施例的横向监测断面及监测元件埋设位点示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、模型架，2、地应力加载***，3、供水水箱，4、隧道开挖口，5、正常岩体，6、断层岩体，7、隧道，8、反力梁，9、液压千斤顶，10、横向监测断面一，11、横向监测断面二，12、横向监测断面三，13、横向监测断面四，14、横向监测断面五。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-2所示，本发明提供了一种隧道突水突泥开挖模拟装置，包括模型架1、地应力加载***2、水压加载***和信息监测***，所述模型架1内部中空且上端开口，所述模型架1内部设有岩体模型体，所述岩体模型体包括正常岩体5和断层岩体6，且所述断层岩体6的两侧均为正常岩体5，所述模型架1的侧壁上设有隧道开挖口4，且由该隧道开挖口4深挖的隧道7贯穿断层岩体6和正常岩体5，所述断层岩体6的断层与所述隧道7轴线之间形成夹角，且该夹角为20～90°，所述地应力加载***2设置在所述模型架1的上方用于对所述岩体模型体提供向下的压力，所述水压加载***通过出水管与所述岩体模型体顶部连接用于向所述岩体模型体提供向下的水压，所述信息监测***包括相互电连接的监测元件和数据采集***，所述正常岩体5和所述断层岩体6内沿与所述隧道7垂直的方向设有横向监测断面，所述监测元件埋设在所述横向监测断面上以监测所述隧道7开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化，所述数据采集***用于对所述监测元件进行数据采集。

正常岩体5和断层岩体6分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5:1，灰水比1.5:1，土晶比2:1，骨胶比10:1，砂灰比12:1，水胶比0.8:1，其中土砂比为土和砂的比例，灰水比为水泥和水的比例，土晶比为土和重晶石粉的比例，骨胶比为骨料和胶结剂的比例，砂灰比为砂和水泥的比例，水胶比为水和乳胶粉的比例，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1:1，水膏比0.8:1，灰土比2.2:1，骨胶比3.5:1，水油比3.5:1，砂膏比0.3:1，其中砂土比为砂和土的比例，水膏比为水和骨料以及胶结剂形成膏体的比例，灰土比为煤粉灰和土的比例，骨胶比为骨料和胶结剂的比例，水油比为水和石蜡油的比例，砂膏比为砂和骨料以及胶结剂形成膏体的比例。

监测元件包括位移传感器、土压传感器、渗压传感器和应变砖传感器，其分别埋设在所述横向监测断面的隧道7拱顶、拱肩、拱腰以及拱底。

横向监测断面沿隧道7开挖方向设置多个，每个所述横向检测断面分别在隧道7洞周、一倍洞径、二倍洞径和三倍洞径的位置布置四环监测点，每环所述监测点上均设有所述监测元件。

隧道开挖口4设置有两个，两个所述隧道开挖口4水平间隔设置在所述模型架1的侧壁上。

隧道突水突泥开挖模拟装置还包括含水体，其设置在所述断层岩体6内且位于两条所述隧道7之间，所述含水体内沿断层走向布置两根供水管路与外部所述水压加载装置连通。

模型架1的主体材料为钢筋混凝土材料，由钢筋混凝土框架和钢制密封板组成，两侧分别设置若干引线及带阀门的排水气孔，隧道开挖口4由高强钢化玻璃挡土板及可拆卸钢隔板组成，改变钢隔板的组合方式可以进行不同比尺的模型试验，钢隔板之间使用高强螺栓进行连接。模型架1的上方水平间隔设有多道反力梁8，反力梁8可以采用箱型式加载反力梁8，为了使反力梁8、腔体及基础形成合力的受力体系，在基础和墙体内设置工字钢梁、柱，与反力梁8组成封闭成环的加载***。模型架1墙体尺寸以及厚度可以自行设置，在本发明的实施例中，模型架1内部空间尺寸设为：长*宽*高＝8m*4.5m*5m，模型架1墙体的厚度为500mm，基础采用500mm厚的平板式筏板基础，在墙体内部涂抹聚氨酯进行防水，工序为：水泥砂浆找平层1.5cm，聚氨酯2cm，水泥砂浆面层2cm。

地应力加载***2可以采用液压加载控制***，地应力加载***2包括液压控制站、液压千斤顶9、高压油泵、油箱、分油器和液压传感器组成，每道反力梁8下设置多个液压千斤顶9，用于对岩体模型体提供轴向压力。

水压加载***包括供水水箱3，将供水水箱3设置在高处提供需要的水压，根据需要设置供水水箱3的高度以及储水量，本实施例中将供水水箱3设置在7m高的钢架上，供水水箱3的储水量为12立方米，尺寸为长*宽*高＝3m*2m*2m，在供水水箱31.5m高度处设置带有阀门的溢流管，根据试验水位高度调整阀门，保证试验所需水压，试验时使用液位传感器及光柱水位显示器对供水箱内水位变化情况进行观测。

数据采集***包括静态电阻应变器和检测软件。

利用本发明的隧道突水突泥开挖模拟装置和模拟突水突泥灾害的方法对某省高速段某双向分离式隧道7进行模拟，双向分离式隧道7分别为左洞和右洞，该隧道7开挖断面高度为9.06米，宽度为12.6米，单洞长约2.6km，隧道7平均埋深180m，地下水位距离隧道7拱顶150米，岩体松散破碎，隧址区地层岩性种类多，地下水丰富，水力联系路径复杂，区域内主要接受大气降水的补给，降水渗入断层破碎带内补给地下水后，受地形地貌及岩体裂隙发育控制，隧道7施工至F2断层时发生大规模塌方，突水突泥灾害，F2断层地表穿经ZK91+350部位，走向SSE，与隧道7轴线45度相交，倾向E，倾角为84度，宽度为15-35m，查明延伸长度520m，带内岩体以断层泥为主，含水率高，地表表现形式为沟谷，在地质探查过程中发现双向隧道7的左洞右侧存在不良地质含水体，含水体内介质强度极低，正常围岩段则主要以泥岩、页岩为主，具有较好的导水能力，遇水不崩解。

本实施例中选取左洞ZK91+510-ZK91+600为模型试验段，其中断层段为ZK91+540-ZK91+564，断层岩体6两侧为正常岩体5，为减小边界效应对试验结果的影响，试验选取相似比尺为1:20，根据相似原理，除了几何尺寸外，还要求模型的应力状态、边界条件以及相似材料的物理特性及水理特性均遵循相似规律。

根据量纲分析法及弹性力学基本方程并结合流-固耦合理论，试验采用的几何相似比为1/20，材料重度、粘聚力以及内摩擦角的相似比为1/1，抗压强度，弹性模量，渗透系数的相似比均为1/20，为最大限度利用模型架1内部空间，选择试验原型尺寸为：长*宽*高＝160m*90m*180m，根据相似比尺，隧道开挖口4及隧道7洞口的尺寸为：高*宽＝0.45m*0.63m，隧道7形式为曲墙式，岩体模型体隧道7上覆盖岩体厚度应为9m，实际厚度为2.9m，不足部分的地应力由地应力加载***2进行补偿，根据相似比，水压加载***的供水水箱3的水位高度为7.5m。

本发明的实施例还提供了利用上述隧道突水突泥开挖模拟装置模拟突水突泥灾害的方法，具体步骤如下：

步骤一、确定正常岩体5和断层岩体6的相似材料；

对于断层破碎带隧道7流-固耦合相似模拟试验，模拟的难点在于对于相似材料的控制，其直接影响试验结果的真实性。为了实现大规模突水突泥，试验的正常岩体相似材料需具备在承压水作用下发生渗水同时能够维持自身强度的特性，而断层岩体相似材料则要求在地下水作用下发生软化崩解，需要控制相似材料的渗透系数和抗压强度。

正常岩体5原状的密度为2.43～2.56g/cm³，抗压强度为15～20MPa，弹性模量为3～5GPa，渗透系数为4.86*10^-3～1.02*10^-2cm/s，黏聚力为113.62～171.74/KPa，内摩擦角为34～39度。

正常岩体相似材料的密度为2.43～2.56/cm³，抗压强度为0.75～1MPa，弹性模量为0.15～0.25GPa，渗透系数为2.43*10^-4～5.1*10^-3cm/s，黏聚力为113.62～171.74/KPa，内摩擦角为34～39度。

断层岩体6原状的密度为1.94～2.05g/cm³，抗压强度为6～10MPa，弹性模量为0.8-1.0GPa，渗透系数为4.95*10^-4～2.18*10^-3cm/s，黏聚力为105.03～145.5/kPa，内摩擦角为36-42度。

断层岩体相似材料的密度为1.94～2.05g/cm³，抗压强度为0.3～0.5MPa，弹性模量为0.04-0.05GPa，渗透系数为2.475*10^-5～1.09*10^-4cm/s，黏聚力为105.03～145.5/kPa，内摩擦角为36-42度。

正常岩体5材料通过大量配比实验选定胶结剂为水泥和乳胶粉，其中乳胶粉也作为一种调节剂，砂、土和重晶石粉为骨料，实现正常岩体相似材料遇水不崩解的性质，配比为：土砂比1.5:1，灰水比1.5:1，土晶比2:1，骨胶比10:1，砂灰比12:1，水胶比0.8:1。

断层岩体相似材料选定石蜡油作为胶结剂，砂、土及煤粉灰为骨料，配以拌合水，实现断层岩体相似材料遇水缓慢崩解弱化的性质，配比为：砂土比3.1:1，水膏比0.8:1，灰土比2.2:1，骨胶比3.5:1，水油比3.5:1，砂膏比0.3:1。

可以通过改变材料中的一种或几种组分含量来控制相似材料的某项指标，对于断层岩体相似材料，单轴抗压强度和渗透系数主要由石蜡油来调节和控制，黏聚力主要由煤粉灰控制，对于正常岩体相似材料，单轴抗压强度及弹性模量受胶结剂中水泥、乳胶粉含量的影响，黏聚力主要由乳胶粉和砂土比控制。

先采用上述材料及配比制作标准试件，支座结束后常温室内干燥条件下养护7d后，进行室内试验以检测相似材料的室内试验参数是否满足试验要求。

步骤二、岩体模型体制作

设置F2断层与隧道7轴线的角度为85度，倾角为90度，断层宽度为1.2m，正常岩体5与断层岩体6的布置设置为图2所示。

按照正常岩体相似材料和断层岩体相似材料的配比制作材料，岩体模型体的填充采用分层填筑、逐层夯实的方式进行，填筑过程中严格控制相似材料的密度。对于不良地质含水体的模拟，材料填筑过程中，在两条隧道7之间即双向隧道7的左右洞中间的预定位置埋设尺寸为长*宽*高＝350mm*300mm*400mm的含水体，含水体内部用粗砂进行填充，其满足含水体高压、富水、无自稳能力、水源补给充足的要求，并设置若干填充粗砂钢管作为导水裂隙及通道，材料填至模型架14m高度处，沿断层走向布置两根直径200mm的供水管路与供水水箱3连接。

步骤三、将监测元件埋设在所述横向监测断面上

在材料填筑过程中，在设计位置埋设监测元件，并通过引线孔将其集中连接至电阻应变仪，本实施例中沿隧道7开挖方向设置5个横向监测断面，分别为横向监测断面一10、横向监测断面二11、横向监测断面三12、横向监测断面四13和横向监测断面五14，每个横向监测断面上分别在洞周(DJ0)、一倍洞径(DJ1)、二倍洞径(DJ2)和三倍洞径(DJ3)位置布置四环监测点，并在左右洞的中间位置布置电阻应变仪。

埋设监测元件和电阻应变仪与材料填筑同时进行，分别在隧道7拱顶、拱肩、拱腰以及拱底位置埋设位移传感器、土压传感器、渗压传感器以及应变砖传感器，具体监测断面以及监测元件埋设点如图3所示。

岩体模型体制作结束后，进行岩体模型体顶部的密封，根据试验设计参数，使用液压控制站对岩体模型体剂型加载，同时开启水压加载***向岩体模型体内冲水，使岩体模型体的填充材料在保水保压状态下养护10d，地应力与水位高度基本稳定至与实际工程相同的初始状态后进行隧道开挖、支护及数据采集工作。

步骤四、隧道开挖及支护

本实施例以双向隧道7中的左洞为研究对象，模拟突水突泥过程，开挖过程中主要监测突水突泥过程、监测渗压变化、涌出物变化、应力应变变化和位移变化。实际工程中隧道7开挖至F2断层破碎带边界处发生突水突泥灾害，已开挖的正常围岩段已施作衬砌，因此，此次模拟突水突泥过程的试验中在正常围岩开挖段也设置了支护结构。按照隧道7实际开挖方法及进度，根据相似原理对岩体模型体进行开挖，开挖采用超短台阶法开挖，步骤为：上下台阶开挖，初次支护，前两榀二次衬砌施作，继续开挖，第三榀二次衬砌施作，剩余段开挖及初次支护。具体步骤：上台阶高度为25.7cm，下台阶高度为19.3cm，台阶长度为40cm，相当于现场进尺1m，开挖后当上台阶开挖至50cm后进行下台阶的开挖，直至揭露断层。下台阶开挖至20cm处开始施作初次支护，且每开挖30cm进行一次支护，直至断层边界处，钢筋网片结构形状与隧道7开挖轮廓线一致，网片安装完毕后使用石膏及时初喷，厚度约为1cm。下台阶开挖至60cm时，开始施作前两榀二次衬砌，每榀长度为25cm，开挖至90cm时进行第三榀的施作。

开挖过程中不断向供水水箱3内供水，以保持水位高度不变，当开挖面完全揭露断层后，停止开挖，观察隧道7围岩变化情况以及其他数据，直到断层围岩失稳发生突水突泥。

步骤五、数据采集及试验结果分析

(1)突水突泥过程：在本实施例中，在隧道7开挖初期的正常岩体5段，拱顶有少量水渗出，并未形成较大导水通道且基本无固体颗粒物涌出，初期支护施作结束后渗水消失，掌子面局部出现湿润现象，开挖面揭露断层约30分钟后，拱顶及掌子面渗水量呈缓慢增加的趋势，拱顶偏右位置出现股状涌水点，初始水量约为0.42L/m，在地下水的持续作用下，该出水点范围不断增加，断层内泥化岩体被地下水流携带而出，水质较为浑浊，掌子面开始出现泥化并掉块，随后发生小股涌泥塌方，并造成断层岩体6破坏范围的扩大，最终引发大规模突水突泥，随着断层岩体6即破碎带内储存水体的快速流出，突水突泥量迅速衰减直至消失。

(2)渗压变化：a、随着隧道7开挖面的不断推进，水力路径发生改变，各监测断面渗流压力均缓慢上升，越靠近断层渗压值越大，其中横向监测断面一10变化幅度最大，开挖面通过监测断面时各监测点未出现激变，表明正常围岩段的开挖对地下水渗流路径的改变是缓慢的，未发生突发性破坏；b、开挖面通过横向监测断面后，前面监测点有所响应，后面横向监测断面的监测点仍较为平缓，表明掌子面越接近断层，渗压的改变越为明显，突水突泥灾害对远离断层岩体6的正常围岩基本无影响；c、记录断层后渗流压力共经历上升期-平稳期-波动期三个阶段，上升期由于地下水对断层破碎带岩体流变性能的影响作用，断层岩体6产生物理软化，孔隙率增大，造成围岩渗流压力逐渐增大，随着地下水的持续作用，约12min后岩体弱化范围开始扩大，渗流压力变化较为平缓，此阶段为平稳期，揭露断层约31min后，掌子面开始出现泥化、掉块现象，前面的断面渗压出现明显震荡，说明岩体结构性在发生变化，当断层岩体6弱化严重，失去承载能力，渗流发生突变，压力迅速上升后突跳式下降，最终趋于稳定，形成稳定渗流场。

(3)涌出物变化：揭露断层后对涌出物15s采集一次，a、监测初期，随着渗流压力的增加，弱化岩土体被地下水携带而出，隧道7围岩孔隙率逐渐增大，涌出物质量呈上升趋势，约10min后涌出量较为稳定，分析认为这与渗流压力的稳定是相关的，突水突泥时涌出物质量达到峰值，表明水力梯度越大，对突水突泥影响越大；b、突水突泥灾害发生之前，涌出物质量明显减少，此时隧道7围岩结构性已破坏，岩土体被压实，介质孔隙率变小，土体颗粒的运移作用受到阻碍，导致涌出物减少；c、当地下水继续渗透软化围岩，伴随着渗透压的降低，隧道7掌子面发生破坏，大量地下水及固体物质涌出隧道7，涌出物骤然增加形成突水突泥灾害，灾害发生后泥水质量迅速降低并趋于稳定，此时，涌出物的变化与断层破碎带岩体的遇水崩解性及渗流压力大小紧密相关。

(4)应力应变变化：断层破碎带岩石的结构性及稳定性通过结构破坏、弱化后强度变化的大小反映出来，因此，可通过开挖过程中的应力应变变化规律分析岩体的变化特性，整体上断层岩体6的应变随压力增大而增加，越靠近开挖轮廓线应变值越大，其总应变能就越大。断层破碎带岩石越靠近开挖轮廓线应变受应力变化影响越明显，断层破碎带岩体所受应力越大，在扰动作用下失稳破坏所需要的时间越少，应变能越大的岩体，其发生破坏引发突水突泥的可能性越大，说明不同应力状态的岩体具有不同的稳定状态。断层破碎带岩体松散破碎，隧道7围岩稳定性差，尤其在断层中设置了不良地质含水体，加速了该区域岩体的弱化及变性，因此，隧道7揭露断层破碎带停止开挖静置一定时间后，在地应力及地下水的联合作用下，低稳定状态的掩体会失稳并诱发突水突泥灾害，这也是造成试验中突水突泥口位于隧道7拱顶右侧的主要原因。

(5)位移变化：选取隧道7围岩拱顶位移进行分析，随着开挖面的不断推进，各断面检测点位移缓慢增长，靠近断层带位移增长速率较快，变形值大，表现为隧道7拱顶的持续沉降，在开挖面通过中部断面后，拱顶沉降出现小幅波动后继续增长，灾害发生前各监测点均保持缓慢增长，发生突水突泥灾害时，横向监测断面洞周及3倍洞径拱顶位移发生跳跃式激增，而后部断面相应监测点的位移则表现平稳，无论实在正常围岩开挖过程中还是揭露断层后，断层岩体6的位移幅度均大于正常岩体5围岩断面，且越靠近断层岩体6及隧道7开挖轮廓线位移沉降值越大，突水突泥结束后，围岩重新达到相对稳定状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的隧道突水突泥开挖模拟装置在高地应力及高水压作用下具备较好的稳定性及密封性，可进行大比例试验，能够模拟不同地质条件下的实验过程且能够在试验过程中随时调整地应力及水压，对不同类型试验具有较好的适应性，能够检测隧道7挖开过程中的土压力、渗透压力、应变以及位移参数的变化，配以适用于流-固耦和模型试验的断层岩体相似材料以及正常岩体相似材料，围绕断层破碎带隧道7在开挖过程中，尤其是在断层处的临灾破坏基质开展试验研究，通过监测信息探明在地下水持续作用下渗流压力、涌出物质量、应力应变以及围岩变形等参数的动态变化规律。

(2)通过大量材料配比以及相关参数测试，获得了物理力学性能及水理特性满足模型试验要求的正常岩体相似材料和断层岩体相似材料，并进行试验还原隧道7灾害发生过程。

(3)采用本发明的模拟突水突泥灾害的方法，可以分析突水突泥灾变过程中，隧道7围岩的位移、涌出物以及应力变化等参数的明显的阶段性特征，可以反映灾害的形成、发展以及致灾的演化过程，为隧道7及类似工程的灾害预警提供一定的指导作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，包括模型架(1)、地应力加载***(2)、水压加载***和信息监测***，所述模型架(1)内部中空且上端开口，所述模型架(1)内部设有岩体模型体，所述岩体模型体包括正常岩体(5)和断层岩体(6)，且所述断层岩体(6)的两侧均为正常岩体(5)，所述模型架(1)的侧壁上设有隧道开挖口(4)，且由该隧道开挖口(4)深挖的隧道(7)贯穿断层岩体(6)和正常岩体(5)，所述断层岩体(6)的断层与所述隧道(7)轴线之间形成夹角，且该夹角为20～90°，所述地应力加载***(2)用于对所述岩体模型体提供向下的压力，所述水压加载***用于向所述岩体模型体提供向下的水压，所述信息监测***包括相互电连接的监测元件和数据采集***，所述正常岩体(5)和所述断层岩体(6)内沿与所述隧道(7)垂直的方向设有横向监测断面，所述监测元件埋设在所述横向监测断面上以监测所述隧道(7)开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化。

2.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述正常岩体(5)和断层岩体(6)分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5：1，灰水比1.5：1，土晶比2：1，骨胶比10：1，砂灰比12：1，水胶比0.8：1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1：1，水膏比0.8：1，灰土比2.2：1，骨胶比3.5：1，水油比3.5：1，砂膏比0.3：1。

3.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述监测元件包括位移传感器、土压传感器、渗压传感器和应变砖传感器，其分别埋设在所述横向监测断面的隧道(7)的拱顶、拱肩、拱腰以及拱底。

4.根据权利要求3所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述横向监测断面沿所述隧道(7)开挖方向设置多个，每个所述横向监测断面分别在所述隧道(7)洞周、一倍洞径、二倍洞径和三倍洞径的位置布置四环监测点，每环所述监测点上均设有所述监测元件。

5.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述隧道开挖口(4)设置有两个，两个所述隧道开挖口(4)水平间隔设置在所述模型架(1)的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，还包括含水体，其设置在所述断层岩体(6)内且位于两条所述隧道(7)之间，所述含水体内沿断层走向布置两根供水管路与外部所述水压加载装置连通。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的装置模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定正常岩体(5)和断层岩体(6)的相似材料；

步骤二、岩体模型体制作；

步骤三、将监测元件埋设在所述横向监测断面上；

步骤四、隧道(7)开挖及支护；

步骤五、数据采集及试验结果分析。

8.根据权利要求7所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述正常岩体(5)和所述断层岩体(6)分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5：1，灰水比1.5：1，土晶比2：1，骨胶比10：1，砂灰比12：1，水胶比0.8：1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1：1，水膏比0.8：1，灰土比2.2：1，骨胶比3.5：1，水油比3.5：1，砂膏比0.3：1。

9.根据权利要求7所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述步骤四中采用超短台阶法进行开挖，具体步骤为：上下台阶开挖，初次支护，前两榀二次衬砌施作，继续开挖，第三榀二次衬砌施作，剩余段开挖及初次支护。

10.根据权利要求9所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述试验结果分析包括观察突水突泥过程、监测渗压变化、涌出物变化、应力应变变化和位移变化。

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