CN105319154B - 地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法，装置包括介质充填室、加载活塞箱、加载系统和注水系统；介质充填室侧壁的下方设有预留洞口；介质充填室内的顶部设有加载活塞箱，加载活塞箱的顶部设有进水口、底部设有若干渗水孔，加载活塞箱的顶部设有加载系统，进水口与注水系统管路连接。本发明试验装置的小体量充填及可重复操作性，为通过大量试验研究不同地压、水压条件下隧道的渗透破坏形式提供了可能，实现了小型隧道渗透失稳模型试验在压力水环境下地应力的稳定、长效加载，保证了模型试验开展条件与模拟工程条件的一致性，可准确用于隧道、矿山的复杂地质条件的模拟，为渗透失稳机理研究提供了有力保障。

Description

地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法，是一种用于模拟隧道、矿山等地下工程在不同地应力和水压力条件下渗透失稳过程的试验装置。

背景技术

近年来，我国隧道、矿山等地下工程建设蓬勃发展。然而，在建设过程中，地下工程结构在地应力和地下水压力的共同作用下，极易发生渗透失稳，导致突水突泥事故的发生。据不完全统计，突水突泥事故发生频率排在地下工程事故的第二位，造成了大量的人员伤亡和经济损失，同时，对地下工程结构的建设、运营安全和长期稳定性构成极大威胁。

渗透失稳作为隧道突水、突泥发生的直接原因和重要破坏特征，一直是学术界和工程界普遍关注的关键问题。以往针对该问题研究大多基于数值模拟方法，并取得了一定的进展，但由于工程介质的多样性、地质条件的复杂性以及参数选取的局限性，数值模拟结果对于工程实践的指导性不强。模型试验是另外一种研究渗透失稳机理的重要方法，它能够较为全面、可靠地模拟复杂的地质构造和地质条件，可为建立新的理论和数学模型提供分析依据。目前国内外多家单位已开展了隧道渗透失稳模型试验，存在以下缺点：

1、为了真实有效的模拟初始地压和水压，导致所采用的试验装置通常尺寸较大，试验中面临模型填筑规模大、试验操作复杂、试验周期长、经费需求高、试验重复性差等问题。

2、以往试验装置无法对地压、水压进行梯度调控，难以系统地研究渗透失稳机理。

3、试验装置尺寸过大，导致介质取样困难，无法对隧道围岩渗透破坏形式进行微观研究，导致研究结果无法直接运用于工程实践，对渗透失稳机理的认识仍然滞后。

4、传统的试验装置在模拟水压时普遍采用人工降水模拟系统，即在模型的上方设置若干水管，并在水管上设有若干孔洞，通过水管洒水的方式来模拟降水。这种试验方式只能模拟潜水情况，而无法模拟承压水，无法实现对模型水压的控制。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置，包括介质充填室、加载活塞箱、加载系统和注水系统；所述介质充填室侧壁的下方设有预留洞口；所述介质充填室内的顶部设有加载活塞箱，所述加载活塞箱的顶部设有进水口、底部设有若干渗水孔，所述加载活塞箱的顶部设有所述加载系统，所述进水口与所述注水系统管路连接。

所述加载系统通过所述加载活塞箱实现对所述介质充填室内的模型体进行加载，通过控制注水系统对所述加载活塞箱的注水压力来模拟水压。通过预留洞口，实现隧道开挖的模拟。

传统的模型试验装置的介质充填室中，通过顶部加压系统来模拟地压。但是加载系统与模型体的顶部、介质充填室侧壁接触处难以密封，导致水从裂隙处渗出，难以进行试验需求水压的模拟，且水压无法有效调控，较难在小尺寸下实现大水头的模拟。

本发明巧妙的将加载活塞设计成具有渗水功能的水箱：具有一定厚度的活塞箱结构能有效的保证加载系统与模型的顶部、介质充填室侧壁接触处的密封，避免水从顶部的裂隙处渗出，可以模拟承压水的情况，解决了密闭式充填方式与模型加水的两难问题，从而使地压和水压可控的模型试验装置的小型化成为可能。进而可以解决传统试验中模型填筑规模大、试验操作复杂、试验周期长、经费需求高、试验重复性差等问题。

进一步的，模型试验装置包括水平放置的第一承压板、第二承压板和第三承压板，所述加载系统设于所述第一承压板与所述第二承压板之间，所述介质充填室设于所述第二承压板与所述第三承压板之间，所述第一承压板和第二承压板之间、所述第二承压板和第三承压板之间依次通过连接杆固定连接，所述第二承压板上设有与所述进水口连通的过孔。

进一步的，所述加载系统包括液压油缸和传动杆，所述第一承压板的底面与所述液压油缸的底座固定连接，所述第二承压板上设有用以所述传动杆通过的孔洞；所述液压油缸的传动杆下穿所述第二承压板压在所述加载活塞箱的上方。

液压油缸通过高压管与外部液压控制台相连，实时控制压力。

进一步的，所述液压油缸通过垫块连接所述传动杆。

进一步的，所述第二承压板上设有围护所述传动杆的圆柱垫块，所述圆柱垫块的内径与所述孔洞的直径相同。

进一步的，所述孔洞内侧设有若干环形密封槽，所述环形密封槽内设有密封圈。

进一步的，所述第一承压板、所述第二承压板和所述第三承压板均为圆形板件，所述介质充填室的侧壁为圆筒体结构，所述侧壁由两个半圆筒体通过紧固装置拼接而成。

圆筒体结构通过两个半圆筒体拼接而成，便于模型材料的取样，避免取样过程中的扰动，有利于对隧道围岩渗透破坏形式进行微观研究。

进一步的，所述第二承压板的下表面和所述第三承压板的上表面的相应位置设有用以配合固定所述介质充填室的环形槽，所述环形槽内设有橡胶密封垫。

进一步的，所述介质充填室的侧壁上设有若干引线孔，所述引线孔内侧设有传感器固定装置。

进一步的，所述渗水孔沿所述加载活塞箱的底部均匀布置；所述加载活塞箱的外侧壁上设有若干水平布置的活塞密封槽，所述活塞密封槽内设有弹性密封圈。

地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置及试验方法，包括以下步骤：

步骤1：组装介质充填室，将预留洞口密封后，向所述介质充填室中充填模型材料，根据实际工程的地质条件，在所述模型材料中预制相应的裂隙和破碎带，埋设相应的传感器；

步骤2：将加载活塞箱置入所述介质充填室顶部，固定第二承压板、第三承压板和液压油缸；

步骤3：利用液压油缸通过所述加载活塞箱向模型施加地压，达到设计要求后，根据试验方案通过进水孔向加载活塞箱内注入设计水压地下水，直至达到设计要求，加水时保证所述介质充填室侧壁的密封性；

步骤4：通过所述预留洞口开挖所述模型来模拟隧道开挖，记录开挖过程中的相关数据，达到突水、突泥后关闭试验系统。

试验完成后，通过打开介质充填室，可以取出渗透失稳固体，放入养护实验室养护，可以开展后续的相关研究。

本发明的有益效果是：

1、实现了隧道渗透失稳模型试验中地压及水压的独立加载，并能通过液压控制系统保证加载的稳定，确保试验开展条件更加贴近真实工况；

2、可用来模拟孕含不同不良地质构造的多种类介质渗透失稳试验；

3、采用双开式介质充填室更易于模型试验体的取出，有利于研究渗透失稳介质细部破坏形式，避免了顶出式脱模的繁琐及对试验体的破坏；

4、装置采用高强螺栓、承压板并配合使用密封圈，提高了试验装置的密封性，可靠性高；

5、被注岩体内部可预置多种检测元件，实时采集渗透失稳过程中岩土体内部物理场的变化规律，增强了该试验的科学价值；

6、试验装置体型小，操作简便，可循环使用，解决了大型模型试验短期无法多次试验的缺陷，降低了试验成本。

本发明试验装置的小体量充填及可重复操作性，为通过大量试验研究不同地压、水压条件下隧道的渗透破坏形式提供了可能，实现了小型隧道渗透失稳模型试验在压力水环境下地应力的稳定、长效加载，保证了模型试验开展条件与模拟工程条件的一致性，可准确用于隧道、矿山的复杂地质条件的模拟，为渗透失稳机理研究提供了有力保障。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明第一高强承压板俯视图；

图3是本发明第二高强承压板俯视图；

图4是本发明第三高强承压板俯视图

图5是本发明介质充填室断面图；

图6是本发明加载活塞箱俯视图。

其中，1-1第一高强承压板、1-2固定孔I、1-3紧固螺丝I、1-4液压油缸固定孔、2-1第二高强承压板、2-2圆柱垫块、2-3中心孔、2-4密封槽I、2-5橡胶密封圈I、2-6固定孔II、2-7固定孔III、2-8紧固螺丝II、2-9环形槽I、2-10橡胶密封垫II、3-1第三高强承压板、3-2固定孔IV、3-3环形槽II、3-4橡胶密封垫III、4-1液压油缸、4-2垫块、4-3传动杆、5-1介质充填室、5-2紧固孔、5-3紧固螺丝III、5-4引线孔、5-5传感器固定装置、5-6预留洞口、6-1加载活塞箱、6-2上部密封板I、6-3下部密封板II、6-4进水口、6-5渗水孔、6-6密封槽II、6-7橡胶密封圈IV。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，第一高强承压板1-1由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm(即直径780mm，高25mm)圆盘。承压板Φ600mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔I 1-2，使紧固螺杆I 1-3穿过。紧固螺杆I为4根Φ16mm高强螺杆，连接第一高强承压板1-1、第二高强承压板2-1。所述的第一高强承压板下方Φ120mm圆周上均布4个Φ4mm液压油缸固定孔1-4，固定液压油缸。

如图1、图3所示，第二高强承压板2-1由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘，上表面焊接Φ90*30mm圆柱垫块2-2。第二高强承压板及垫块钻设Φ50mm中心孔2-3，孔壁加工3个Φ60*50*5mm的密封槽I 2-4，内置橡胶密封圈I 2-5。第二高强承压板Φ600mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔II 2-6，使紧固螺丝I 1-3穿过。第二高强承压板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔III 2-7，使紧固螺丝II 2-8穿过。紧固螺杆II为4根Φ16mm高强螺杆，连接第二高强承压板2-1、第三高强承压板3-1。第二高强承压板下表面加工Φ500*450*5mm的环形槽I 2-9，内置橡胶密封垫II 2-10。

如图1、图4所示，第三高强承压板3-1由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘。第三高强承压板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔IV 3-2，使紧固螺丝II 2-8穿过。第三高强承压板上表面加工Φ500*450*5mm的环形槽II 3-3，内置橡胶密封垫III 3-4。

如图1所示，轴向加载系统包括液压油缸4-1、垫块4-2、传动杆4-3。液压油缸通过垫块连接传动杆。传动杆下穿第二高强承压板2-1压在加载活塞箱6-1上方。液压油缸通过高压管与外部液压控制台相连，实时控制压力。

如图1、图5所示，介质充填室5-1由高强度合金钢材料预加工成2个Φ500*460*500mm的半圆筒，每个半圆筒两侧壁处预制紧固条，每侧预留4个Φ20mm紧固孔5-2，通过紧固螺丝III 5-3保证密封。所述的介质充填室侧壁径向钻设6个Φ4mm引线孔5-4，使传感器引线穿过，并与传感器固定装置5-5相连。介质充填室侧壁径向钻设1个Φ80mm圆洞，为预留洞口5-6。所述的介质充填室顶、底部分别安置在环形槽I 2-9,环形槽II 3-3中，通过紧固螺丝II 2-8和橡胶密封垫II 2-10、橡胶密封垫III 3-4保证密封性。

如图1、图6所示，加载活塞箱6-1包括活塞箱侧壁、上部密封板I 6-2、下部密封板II6-3，由高强度合金钢材料加工成Φ460*440*50mm的中空、密封圆筒状。上部密封板I预留进水口6-4，与外部水位可控供水装置相连。所述下部密封板II放射状布置180个Φ2.5mm渗水孔6-5。所述活塞箱侧壁加工3个Φ460*450*5mm的密封槽II 6-6，内置橡胶密封圈IV6-7。

隧道渗透失稳模型试验装置使用方法：根据矿山、隧道等地下工程不同水文地质条件进行土工试验测试，进行填筑材料的选取，以真实模拟实际工程岩体。组装模型试验系统，通过紧固螺丝III 5-3将两个半圆筒介质充填室5-1紧固成一个整体，再通过紧固螺丝II 2-8初步固定第二高强承压板2-1和第三高强承压板3-1，将介质充填室5-1置入其中固定，并将预留洞口5-6密封。选取原状介质或者配置相似材料充填入介质充填室5-1，并在其中预制裂隙、破碎带以更好的模拟的实际岩体基本物理性质。填充岩土体材料过程中安放土压力及渗透压力传感器并测试。再将加载活塞箱6-1置入介质充填室顶部。材料填充完毕后，将液压油缸4-1固定于第一高强承压板1-1，并通过紧固螺丝I 1-3将第一高强承压板1-1和第二高强承压板2-1固定；根据试验方案利用液压油缸4-1通过加载活塞箱6-1施加轴向地压；达到设计要求后，利用强力密封胶密封元件引线孔5-4。根据试验方案通过进水孔6-4向加载活塞箱6-1内注入设计水压地下水，直至达到设计要求；通过预留洞口5-6进行开挖，记录开挖过程中物理场数据，达到突水、突泥后关闭试验系统。拆卸试验装置，通过双开式介质充填室取出渗透失稳固体放入养护实验室养护；清洗试验装置其他结构，结束本组试验。改变设计轴向地压及水压，进行下组试验，重复上述试验步骤。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法,所利用的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验装置包括介质充填室、加载活塞箱、加载系统和注水系统；所述介质充填室侧壁的下方设有预留洞口；所述介质充填室内的顶部设有加载活塞箱，所述加载活塞箱的顶部设有进水口、底部设有若干渗水孔，所述加载活塞箱的顶部设有所述加载系统，所述进水口与所述注水系统管路连接；

模型试验装置包括水平放置的第一承压板、第二承压板和第三承压板，所述加载系统设于所述第一承压板与所述第二承压板之间，所述介质充填室设于所述第二承压板与所述第三承压板之间，所述第一承压板和第二承压板之间、所述第二承压板和第三承压板之间依次通过连接杆固定连接，所述第二承压板上设有与所述进水口连通的过孔；

所述加载系统包括液压油缸和传动杆，所述第一承压板的底面与所述液压油缸的底座固定连接，所述第二承压板上设有用以所述传动杆通过的孔洞；所述液压油缸的传动杆下穿所述第二承压板压在所述加载活塞箱的上方；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：组装介质充填室，将预留洞口密封后，向所述介质充填室中充填模型材料，根据实际工程的地质条件，在所述模型材料中预制相应的裂隙和破碎带，埋设相应的传感器；

步骤2：将加载活塞箱置入所述介质充填室顶部，固定第二承压板、第三承压板和液压油缸；

步骤3：利用液压油缸通过所述加载活塞箱向模型施加地压，达到设计要求后，根据试验方案通过进水孔向加载活塞箱内注入设计水压地下水，直至达到设计要求，加水时保证所述介质充填室侧壁的密封性；

步骤4：通过所述预留洞口开挖所述模型来模拟隧道开挖，记录开挖过程中的相关数据，达到突水、突泥后关闭试验系统。

2.根据权利要求1所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述液压油缸通过垫块连接所述传动杆；所述第二承压板上设有围护所述传动杆的圆柱垫块，所述圆柱垫块的内径与所述孔洞的直径相同。

3.根据权利要求1所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述孔洞内侧设有若干环形密封槽，所述环形密封槽内设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述第一承压板、所述第二承压板和所述第三承压板均为圆形板件，所述介质充填室的侧壁为圆筒体结构，所述侧壁由两个半圆筒体通过紧固装置拼接而成。

5.根据权利要求4所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述第二承压板的下表面和所述第三承压板的上表面的相应位置设有用以配合固定所述介质充填室的环形槽，所述环形槽内设有橡胶密封垫。

6.根据权利要求1-5任一所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述介质充填室的侧壁上设有若干引线孔，所述引线孔内侧设有传感器固定装置。

7.根据权利要求1-5任一所述的地压、水压可控的隧道渗透失稳模型试验方法，其特征在于：所述渗水孔沿所述加载活塞箱的底部均匀布置；所述加载活塞箱的外侧壁上设有若干水平布置的活塞密封槽，所述活塞密封槽内设有弹性密封圈。