CN108196006B - 一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置及方法，包括地下水模拟装置、隧道模型、模拟围岩试验盒、传感器及数据采集装置和集水集泥装置，地下水模拟装置包括依次连接的水源箱、水泵、水管和聚集压力水水箱；聚集压力水水箱连接有隧道模型一端，隧道模型的另一端连接模拟围岩试验盒，模拟围岩试验盒内设置有多个隔板、应力检测单元和相似模拟材料制备的模拟围岩，应力检测单元监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数，当聚集压力水的压力超过模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟；所述集水集泥装置收集突水模拟后的涌水和涌泥；传感器及数据采集装置采集供给的水流压力、流量和流量。

Description

一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置及方法。

背景技术

我国岩溶地区幅员辽阔，地下水环境复杂，随着铁路隧道建设向长、大、深方向发展，在这些地区修建铁路隧道，岩溶构造突水是人为激发的最严重的施工地质灾害。岩溶地区修建长大隧道，往往遭遇到富水、高水压、暗河、溶洞及断层等问题，开挖施工极易诱发大规模的突水、突泥等灾害；同时，突水、突泥会严重破坏地下水环境，改变地下水渗流场及补排关系，造成地下水资源减少和枯竭，导致水质污染和破坏。

防突控制技术措施主要从基础地质条件着手认识突出的风险，通过超前预报技术，特别超前钻探辨识风险，合理选择开挖方法并预留安全厚度来规避风险，正确选择超前预加固措施来化解风险。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置及方法，本发明分析计算不同工况下防突层厚度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置，包括地下水模拟装置、隧道模型、模拟围岩试验盒、传感器及数据采集装置和集水集泥装置，其中，所述地下水模拟装置包括依次连接的水源箱、水泵、水管和聚集压力水水箱；所述聚集压力水水箱连接有隧道模型一端，隧道模型的另一端连接模拟围岩试验盒，模拟围岩试验盒内设置有多个隔板、应力检测单元和相似模拟材料制备的模拟围岩，应力检测单元监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数，当聚集压力水的压力超过模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟；所述集水集泥装置收集突水模拟后的涌水和涌泥；传感器及数据采集装置采集供给的水流压力、流量和流量。

进一步的，所述地下水模拟装置，包括水源箱、水源泵、水压表、截止阀、水管和聚集压力水水箱，由水源泵将水源箱内的水供给聚集压力水水箱，水压表显示水压，截止阀防止压力水逆流。

进一步的，所述隧道模型为隧道洞径。

进一步的，所述应力检测单元包括渗压计、压力盒和应变砖，当聚集压力水的压力增加，所述渗压计、压力盒和应变砖监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数，当聚集压力水的压力超过模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟。

进一步的，所述模拟围岩试验盒内设置有多个不同厚度的防突层，防突层厚度从小到大依次设置，且分别通过隔板隔开。

防突层厚度具体包括0.5倍洞径、0.8倍洞径、1.1倍洞径、1.4倍洞径、1.7倍洞径和2.0倍洞径五种。

进一步的，所述集水集泥装置，包括水量收集装置、监测装置、水量采集仪、导水管、泥水收集装置、滤网和夹具，在泥水量收集装置上固定滤网，渗水能够通过滤网，泥不能通过滤网，泥水收集装置上的导水管与水量收集装置相连，泥水收集装置装入模型内部，水量收集装置底部的水量采集仪与模型外部的监测装置相连，监测装置实时记录模型试验中的涌水量。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：根据突水试验方案，确定突水压力、防突层厚度和试验采集参数；

步骤二：标定和安装传感器，测试数据采集装置；

步骤三：在模拟围岩试验盒内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，并在相似模拟材料中埋设渗压计、压力盒和应变砖，并将数据线连接到数据采集装置；

步骤四：在泥水收集装置上通过夹具固定滤网，把泥水收集装置上的导水管与水量收集装置相连；将泥水收集装置与模拟围岩试验盒相连接，并将水量采集装置上的水量采集仪与监测装置相连；

步骤五：进行模拟围岩被破坏试验；

步骤六：监测装置实时记录模型试验中的涌水量，隔一段时间，将留在滤网上的泥铲出称重，记录涌泥量。

所述步骤五中，首先在0.5倍洞径隔断内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，随着聚集压力水的压力增加，模拟围岩被破坏，然后在0.8倍洞径的隔断内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，继续加水加压，直到模拟围岩被破坏，试验以此类推，随着压力的增大，直到2倍洞径的模拟围岩被破坏实现突水模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明能够进行不同工况下防突层厚度确定，并及时准确的测量突水涌泥量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置示意图；

图中：1-水源箱2-水源泵3-水压表4-截止阀5-水管6-聚集压力水水箱7-隧道模型8-模拟围岩试验盒9-隔板10-导水导泥管11-泥水收集装置12-滤网13-导水管14-水量收集装置15-水量采集仪16-监测装置17-水压计18-流量计19-流速计20-数据采集装置21-计算机；

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置，由地下水模拟装置、隧道模型(7)，模拟围岩试验盒(8)，传感器(17、18、19)及数据采集装置(20)，集水集泥装置几个部分组成。

模拟地下水体装置，由水源箱(1)、水源泵(2)、水压表(3)、截止阀(4)、水管(5)、聚集压力水水箱(6)组成，由水源泵(2)将水源箱(1)内的水供给聚集压力水水箱(6)，水压表(3)显示水压，截止阀(4)防止压力水逆流。

模拟围岩试验盒(8)，由隔板(9)、管道、法兰、相似模拟材料、渗压计、压力盒、应变砖组成，当聚集压力水的压力增加，渗压计、压力盒、应变砖监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数，当聚集压力水的压力超过模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟。在模拟围岩试验盒(8)内按照相似模拟材料试验配比制作更大的模拟围岩，继续加水加压，直到模拟围岩被破坏，试验以此类推，随着压力的增大，直到2倍洞径的模拟围岩被破坏实现突水模拟。

传感器(17、18、19)及数据采集装置(20)，由水压计(17)、流量计(18)、流速计(19)、数据采集装置(20)、计算机(21)及软件组成，在试验装置的两端各安装一组传感器(17、18、19)，每一组传感器(17、18、19)分别由水压计(17)、流量计(18)、流速计(19)组成，由数据采集装置(20)采集试验数据，并存入计算机(21)，软件分析试验数据。

集水集泥装置，由水量收集装置(14)、监测装置(16)、水量采集仪(15)、导水管(13)、泥水收集装置(11)、滤网(12)、夹具组成，在泥水量收集装置(11)上固定滤网(12)，渗水能够通过滤网(12)，泥不能通过滤网(12)。把泥水收集装置(11)上的导水管(13)与水量收集装置(14)相连。将泥水收集装置(11)装入模型内部，并将水量收集装置(14)底部的水量采集仪(15)与模型外部的监测装置(16)相连。监测装置(16)实时记录模型试验中的涌水量，隔一段时间，将留在滤网(12)上的泥铲出称重，记录涌泥量。

一种矿井突水阻隔试验装置的操作步骤：

步骤一：设计突水试验方案，包括突水压力，防突层厚度，试验采集参数。

步骤二：标定和安装传感器(17、18、19)，测试数据采集装置(20)。

步骤三：在模拟围岩试验盒(8)内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，并在相似模拟材料中埋设渗压计、压力盒、应变砖，并将数据线连接到数据采集装置(20)。

步骤四：在泥水收集装置(11)上通过夹具固定滤网(12)，渗水能够通过滤网(12)，泥不能通过滤网(12)；把泥水收集装置(11)上的导水管(13)与水量收集装置(14)相连；将泥水收集装置(11)与模拟围岩试验盒(8)相连接，并将水量采集装置(14)上的水量采集仪(15)与监测装置(16)相连。

步骤五：按照设计要求向聚集压力水水箱(6)充水，水压逐渐升高，同时采集试验数据，当聚集压力水的压力超过最小模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟，在模拟围岩试验盒内按照相似模拟材料试验配比制作更大的模拟围岩，继续加水加压，直到模拟围岩被破坏，试验以此类推，随着压力的增大，直到2倍洞径的模拟围岩被破坏实现突水模拟。

步骤六：监测装置实时记录模型试验中的涌水量，隔一段时间，将留在滤网上的泥铲出称重，记录涌泥量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。

Claims (4)

1.一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置，其特征是：包括地下水模拟装置、隧道模型、模拟围岩试验盒、传感器及数据采集装置和集水集泥装置，其中，所述地下水模拟装置包括依次连接的水源箱、水泵、水管和聚集压力水水箱；所述聚集压力水水箱连接有隧道模型一端，隧道模型的另一端连接模拟围岩试验盒，模拟围岩试验盒内设置有多个隔板、应力检测单元和相似模拟材料制备的模拟围岩，应力检测单元监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数，当聚集压力水的压力超过模拟围岩的承载极限时，模拟围岩破坏实现突水模拟；所述集水集泥装置收集突水模拟后的涌水和涌泥；传感器及数据采集装置采集供给的水流压力和流量；

所述模拟围岩试验盒内竖直设置有多个不同厚度的防突层，防突层厚度从小到大依次设置，且分别通过隔板隔开；

所述防突层厚度具体包括0.5倍洞径、0.8倍洞径、1.1倍洞径、1.4倍洞径、1.7倍洞径和2.0倍洞径五种；

所述集水集泥装置，包括水量收集装置、监测装置、水量采集仪、导水管、泥水收集装置、滤网和夹具，在泥水收集装置上固定滤网，渗水能够通过滤网，泥不能通过滤网，泥水收集装置上的导水管与水量收集装置相连，水量收集装置底部的水量采集仪与监测装置相连，监测装置实时记录模型试验中的涌水量。

2.如权利要求1所述的一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置，其特征是：所述地下水模拟装置，还包括水压表、截止阀，由水泵将水源箱内的水供给聚集压力水水箱，水压表显示水压，截止阀防止压力水逆流。

3.如权利要求1所述的一种关于隧道突水防突层厚度的试验装置，其特征是：所述应力检测单元包括渗压计、压力盒和应变砖，当聚集压力水的压力增加，所述渗压计、压力盒和应变砖监测模拟围岩的应力、应变及渗流参数。

4.基于如权利要求1-3中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：根据突水试验方案，确定突水压力、防突层厚度和试验采集参数；

步骤二：标定和安装传感器，测试数据采集装置；

步骤三：在模拟围岩试验盒内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，并在相似模拟材料中埋设渗压计、压力盒和应变砖，并将数据线连接到数据采集装置；

步骤四：在泥水收集装置上通过夹具固定滤网，把泥水收集装置上的导水管与水量收集装置相连；将泥水收集装置与模拟围岩试验盒相连接，并将水量收集装置上的水量采集仪与监测装置相连；

步骤五：进行模拟围岩被破坏试验：首先在0.5倍洞径隔断内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，随着聚集压力水的压力增加，模拟围岩被破坏，然后在0.8倍洞径的隔断内按照相似模拟材料试验配比制作模拟围岩，继续加水加压，直到模拟围岩被破坏，试验以此类推，随着压力的增大，直到2倍洞径的模拟围岩被破坏实现突水模拟；

步骤六：监测装置实时记录模型试验中的涌水量，隔一段时间，将留在滤网上的泥铲出称重，记录涌泥量。