CN112459840A - 基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，包括试验台框架，所述试验台框架的下表面固定连接有若干个承载加固板，且试验台框架内填充有模拟围岩岩石结构，所述模拟围岩岩石结构内预埋有储水构造、压力盒和渗压计。通过设置储水构造，利用高压的氮气提供压力，从而驱动蓄水罐内的水，为试验系统的储水构造提供稳定的水压力，同时，气体在压缩作用下具有快速膨胀性，当隧道发生突水的瞬间，气体可以迅速膨胀，从而提供持续的水压力，有效避免了普通水泵等装置由于突然性大流量水突出导致水压力的瞬间泄压，实现了隧道富水及枯水交替突涌水作用等力学参数的实施记录，能保证此类地质试验和工程设计精准。

Description

基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体为一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法。

背景技术

随着我国经济建设的蓬勃发展，对基础设施、尤其是交通设施建设的要求也在不断的提高。在公路、铁路等基础设施的建设过程中，隧道具有缩短线路里程、改善交通运营条件等特点，得到广泛的应用。近十几年来，我国重大工程建设重心由地形地质条件良好的区域向地形地质条件极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，正在或即将修建大量的高风险深长隧道工程。深长隧道工程由于埋深大、洞身长、地质条件复杂，在修建过程中，会遇到一系列特殊的地质灾害问题，如:软弱破碎带、节理发育、断层发育、高地应力、岩爆、突水、突泥、突砂、高瓦斯、高地温等问题，其中又以岩溶隧道突涌水最为常见，危害性也最大。同时，我国是世界上岩溶分布最广的国家，西部已建和在建隧道中位于岩溶地区的隧道占有相当大的比例，在这些隧道中，围岩富含水体，给隧道的施工和运营带来了很大的突水风险。

隧道突涌水灾害是指在铁路、公路、水利水电、矿井等地下工程开挖过程中，由于揭露岩溶通道的组成部分、构造富水带、或渗流击穿隧洞壁而产生的突水现象。隧道突涌水通常具有突发性、高流速、压力大、破坏性强等特点，因其发生过程突然，规模和动力特征很难预测，容易造成大规模围岩失稳，堵塞隧道，淹埋设备，导致隧道报废或人身伤亡事故，使工程建设遭受严重损失，影响隧道的长期运营及地表的生态环境。

隧道突涌水的主要成因是岩溶溶腔水位变化使隧道隔水岩体处于富水及干枯交替环境中，在此环境中的隔水岩体强度逐渐劣化，承载能力变弱，使得隧道断面在地应力作用下呈现收敛趋势，同时叠加因溶腔内水压力直接作用在隔水岩体上给岩层外侧面带来的张拉效应，使得隔水岩层强度劣化更加显著，随着干湿交替次数的增加，最终隧道隔水围岩失稳破坏，溶腔内压力水体涌入隧道形成突水，为此，我们提出一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，解决了背景技术提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，包括试验台框架，所述试验台框架的下表面固定连接有若干个承载加固板，且试验台框架内填充有模拟围岩岩石结构，所述模拟围岩岩石结构内预埋有储水构造、压力盒和渗压计，所述模拟围岩岩石结构内开设有让位孔，且让位孔内设置有隧道模型，所述隧道模型靠近储水构造设置，且隧道模型的一侧固定连接有位移传感器，所述位移传感器、压力盒和渗压计均通过导线电性连接有计算机，所述模拟围岩岩石结构的上方设置有加载装置；

所述储水构造包括蓄水罐、储气瓶和两个电控阀门，所述储气瓶通过管道与蓄水罐的上端连通设置，且蓄水罐的下端连通有排水管，两个所述电控阀门分别位于管道和排水管内设置，所述蓄水罐、储气瓶靠近试验台框架设置，且排水管位于试验台框架内设置。

作为本发明进一步的方案，所述试验台框架的上端固定连接有密封盖，且密封盖位于加载装置下方设置，所述试验台框架的内壁固定连接有密封阻水带，且密封阻水带与密封盖为过盈配合。

作为本发明进一步的方案，所述加载装置包括底板，所述底板的上端固定连接有支撑架，且支撑架的上表面开设有若干个放置槽，所述放置槽内放置有配重块。

作为本发明进一步的方案，所述试验台框架包括下盖板、四个支撑柱、三个挡板和观察板，所述下盖板的下表面与承载加固板固定连接，且下盖板的上表面与四个支撑柱固定连接，三个所述挡板的两侧均与支撑柱的侧壁固定连接，所述观察板位于两个支撑柱之间设置，且观察板的下端与下盖板转动连接，靠近观察板的两个所述支撑柱通过螺栓固定连接有加劲肋板，且加劲肋板与观察板相抵设置。

作为本发明进一步的方案，所述观察板为透明玻璃材质，且观察板的侧壁包裹有边框。

作为本发明进一步的方案，所述试验台框架靠近观察板的一侧设置有监控摄像机，且监控摄像机与计算机电性连接。

作为本发明进一步的方案，所述模拟围岩岩石结构为滑石粉与河沙混合材质。

作为本发明进一步的方案，所述储气瓶内填充有高压氮气。

作为本发明进一步的方案，所述电控阀门(33)打开，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环；进行多次干湿交替，每次干湿交替都以位移传感器、压力盒和渗压计测量并记录水的体积流速和压力梯度数据，直至模拟隧道隔水围岩失稳破坏为止；所述计算机(8)记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，并采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

然后采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

作为本发明进一步的方案，该方法包括以下步骤：

步骤1)：将滑石粉和河沙导入搅拌机内搅拌均匀，并且保持搅拌机下部持续加热，之后再加入液压油和熔融的石蜡继续搅拌，直至混合物完全搅拌均匀，制作得出模拟围岩岩石结构。

步骤2)：在试验台框架的内部均与的涂刷一层润滑油，然后将步骤中所得到的模拟围岩岩石结构倒入试验台框架内，并且每10cm厚左右振捣夯实，在模拟围岩岩石结构铺设达到指定位置时，将储水构造和压力盒、渗压计等传感器预埋入模拟围岩岩石结构中，并再次铺设模拟围岩岩石结构将试验台框架填满。

步骤3)：模拟围岩岩石结构铺设完成后，静置48小时，使模拟围岩岩石结构冷却固化，然后在冷却固化后的模拟围岩岩石结构上部安装加载装置，并通过放置若干个配重块施加指定的地应力载荷。

步骤4)：在地应力加载完以后保持6小时后进行隧道开挖，隧道开挖时采用一次贯通的开挖模式，开挖后将隧道模型放入挖开的隧道洞中。

步骤5)：隧道模型放入完毕后立即安装位移传感器，并恒定6小时，最后进行干湿交替作用模拟试验。

作为本发明进一步的方案，所述干湿交替作用模拟试验包括以下步骤：

步骤a)：控制电控阀门开启，利用高压氮气驱动蓄水罐中的水由排水管涌出，并且通过压力盒、渗压计、位移传感器等传感器收集隧道未突水数据。

步骤b)：随着蓄水罐中的水由排水管涌出，隧道模型破损，从而模拟隧道隔水围岩失稳破坏，溶腔内压力水体涌入隧道形成突水的情况。

步骤c)：通过压力盒、渗压计、位移传感器等传感器收集隧道突水后数据，并且配合计算机对数据进行收集分析，得出实验结果。

作为本发明进一步的方案，在步骤a)中，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环，干湿交替循环包括水压的增压、稳定和消减过程；进行多次干湿交替，每次干湿交替均测试并记录水的体积流速和压力梯度数据；在步骤c)中，根据线性达西定律，计算机(8)采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

另外，在步骤b)中，记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，在步骤c)中，采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

(三)有益效果

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、该种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，通过设置储水构造，利用高压的氮气提供压力，从而驱动蓄水罐内的水，为试验系统的储水构造提供稳定的水压力，同时，气体在压缩作用下具有快速膨胀性，当隧道发生突水的瞬间，气体可以迅速膨胀，从而提供持续的水压力，有效避免了普通水泵等装置由于突然性大流量水突出导致水压力的瞬间泄压，实现了隧道富水及枯水交替突涌水作用等力学参数的实施记录，能保证此类地质试验和工程设计精准。

2、该种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，通过设置位移传感器、压力盒、渗压计和监控摄像头等数据收集设备配合计算机可以精准收集试验数据，并且利用计算器对试验数据进行收集分析，有效保证此类地质试验和工程设计精准。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明局部结构示意图；

图3为本发明剖视结构示意图；

图4为本发明储水构造结构示意图；

图5为本发明试验台框架结构示意图；

图6为本发明隧道模型结构示意图；

图7为本发明采用的配重式加载装置示意图；

图8为本发明采用的液压式加载装置示意图。

图中：1、试验台框架；101、下盖板；102、支撑柱；103、挡板；104、观察板；105、加劲肋板；2、承载加固板；3、储水构造；31、蓄水罐；32、储气瓶；33、电控阀门；34、管道；35、排水管；4、压力盒；5、渗压计；6、隧道模型；7、位移传感器；8、计算机；9、加载装置；91、底板；92、支撑架；93、放置槽；94、配重块；95、电子称重仪；96、活塞；97、液压缸；98、液泵；99、电磁阀；10、密封盖；11、密封阻水带；12、监控摄像机；13、模拟围岩岩石结构；14、压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-6，一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置与方法，包括试验台框架1，所述试验台框架1的下表面固定连接有若干个承载加固板2，通过设置承载加固板2可以提升试验台框架1的稳定性，保证基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌水作用试验的顺利进行，且试验台框架1内填充有模拟围岩岩石结构13，所述模拟围岩岩石结构13内预埋有储水构造3、压力盒4和渗压计5，所述模拟围岩岩石结构13内开设有让位孔，且让位孔内设置有隧道模型6，隧道模型6的一侧侧壁预设有易损区域，用于在储水构造3运行施压时，保证隧道模型6可以出现突水场景，用于模拟隧道隔水围岩失稳破坏，溶腔内压力水体涌入隧道形成突水的情况，所述隧道模型6靠近储水构造3设置，且隧道模型6的一侧固定连接有位移传感器7，所述位移传感器7、压力盒4和渗压计5均通过导线电性连接有计算机8，所述模拟围岩岩石结构13的上方设置有加载装置9；

所述储水构造3包括蓄水罐31、储气瓶32和两个电控阀门33，所述储气瓶32通过管道34与蓄水罐31的上端连通设置，且蓄水罐31的下端连通有排水管35，两个所述电控阀门33分别位于管道34和排水管35内设置，所述蓄水罐31、储气瓶32靠近试验台框架1设置，且排水管位于试验台框架1内设置。

作为本发明进一步的方案所述试验台框架1的上端固定连接有密封盖10，且密封盖10位于加载装置9下方设置，所述试验台框架1的内壁固定连接有密封阻水带11，且密封阻水带11与密封盖10为过盈配合，通过设置密封盖10配合密封阻水带11，用于提高试验台框架1上方的密封性能，可以避免在储水构造3施压时，水由试验台框架1的上端溢出，导致压力损失和实验数据失真。

作为本发明进一步的方案所述加载装置9包括底板91，所述底板91的上端固定连接有支撑架92，且支撑架92的上表面开设有若干个放置槽93，所述放置槽93内放置有配重块94，通过设置底板91，可以扩大加载装置9与模拟围岩岩石结构13的接触面积，从而均匀的对模拟围岩岩石结构13施加指定的地应力荷载，通过设置配重块94，可以根据实际模拟需求，更为便捷的控制地应力荷载，通过设置放置槽93，可以便于放置配重块94，并且对面配重块94进行限位，避免配重块94偏移导致地应力荷载不均的情况。

作为本发明进一步的方案所述试验台框架1包括下盖板101、四个支撑柱102、三个挡板103和观察板104，所述下盖板101的下表面与承载加固板2固定连接，且下盖板101的上表面与四个支撑柱102固定连接，三个所述挡板103的两侧均与支撑柱102的侧壁固定连接，所述观察板104位于两个支撑柱102之间设置，且观察板104的下端与下盖板101转动连接，靠近观察板104的两个所述支撑柱102通过螺栓固定连接有加劲肋板105，且加劲肋板105与观察板104相抵设置，通过设置观察板104，可以使试验人员更为直观的观察隧道突水试验情况，通过设置螺栓连接的加劲肋板105，可以通过拧紧或松动螺栓，利用带动加劲肋板105带动观察板104转动，从而施加或放松对模拟围岩岩石结构13的压力，调节地应力荷载。

作为本发明进一步的方案所述观察板104为透明玻璃材质，且观察板104的侧壁包裹有边框，通过设置边框可以提升观察板104的物理强度，有效对观察板104进行保护，并且提高试验台框架1的密封性，避免水渗出导致的压力散失。

作为本发明进一步的方案所述试验台框架1靠近观察板104的一侧设置有监控摄像机12，且监控摄像机12与计算机8电性连接。

作为本发明进一步的方案所述模拟围岩岩石结构13为滑石粉与河沙混合材质；对于特定隧道项目，也可以在隧道位置现场采集围岩岩石进行处理后用于制作围岩岩石结构。

作为本发明进一步的方案所述储气瓶32内填充有高压氮气，高压氮气价格低廉，并且氮气稳定性好，安全性高，不易与其他物质发生反应，可以保证基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌水作用试验的安全性。

在一个实施例中，如图4所示，所述加载装置9包括底板91、支撑架92和放置槽93；所述底板91安装在试验台框架1内部的上端，所述支撑架92的底部与底板91的上端面连接；所述支撑架92的顶部与放置槽93的下端面连接；所述放置槽93的上端面设有电子称重仪95，所述电子称重仪95与计算机8电连接，所述配重块94放置在电子称重仪95上。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用添加物体的重力方式进行模拟加压，使用时，在电子称重仪上放置配重块，以电子称重仪计量配重块的重量并传输给计算机以计算加载压力，配重块对放置槽形成的压力通过支撑架传递至底板，由底板给试验台框架内填充的隧道围岩模拟物品加压，以模拟测试隧道围岩的安全性。

在一个实施例中，如图5所示，所述加载装置9包括底板91、支撑架92、活塞96、液压缸97、液泵98和电磁阀99；所述底板91安装在试验台框架1内部的上端，所述支撑架92的底部与底板91的上端面连接；所述活塞96安装在液压缸97内且把液压缸97分隔为上液腔和下液腔，所述活塞96能够在液压缸97内滑动，在上液腔和下液腔分别安装有压力传感器14，上液腔和下液腔分别通过管道与液泵98的排出口和吸入口连接，所述液泵98的排出口和吸入口的管道之间设有旁通管，所述旁通管上安装有电磁阀99，所述支撑架92穿过液压缸97的缸壁且所述支撑架92的顶部与活塞96连接；所述压力传感器14与计算机8电连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用液压方式进行模拟加压，使用时，旁通管上的电磁阀关闭，启动液泵，液泵从下液腔吸取液体介质输并送到上液腔，使得上液腔的压力大于下液腔，在上、下压差作用下活塞向下运动，通过支撑架把压力传递至底板，由底板给试验台框架内填充的隧道围岩模拟物品加压，以模拟测试隧道围岩的安全性；压力传感器测量上液腔和下液腔的压力并传输给计算机，计算上液腔和下液腔的压力差可以得到加压数值，通过控制液泵能够得到合适的模拟压力。在停止后，液泵关闭，把旁通管上的电磁阀打开，可使得上液腔和下液腔的恢复压力平衡。

作为本发明进一步的方案，所述电控阀门(33)打开，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环；进行多次干湿交替，每次干湿交替都以位移传感器、压力盒和渗压计测量并记录水的体积流速和压力梯度数据，直至模拟隧道隔水围岩失稳破坏为止；所述计算机(8)记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，并采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

然后采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对采用该装置进行试验做了进一步限定，要求每一次围岩岩石结构饱水的持续时间不少于3天，以观察和保证围岩岩石结构渗水充分，每一次风干采用模拟现实的自然状态风干且时间不少于3天，以充分观测围岩岩石结构变化，保证试验与现实的接近程度，提高试验数据的可信度；另外，次干湿交替都采用上述公式计算水的等效渗透系数，了解多次干湿交替作用下围岩岩石结构对水渗透的变化情况，进而才可以更好地分析围岩岩石结构下的隧道安全性。在模拟试验的基础上，计算保证安全需要的隔水围岩设计最小安全厚度要求，该最小安全厚度公式充分考虑了隔水围岩地特性、干湿交替循环的作用和影响效应，得到的计算结果与项目现实情况符合程度高，以此为参考来指导隧道的设计，可以极大地提高隧道的安全性。

作为本发明进一步的方案该方法包括以下步骤：

步骤1)：将滑石粉和河沙导入搅拌机内搅拌均匀，并且保持搅拌机下部持续加热，之后再加入液压油和熔融的石蜡继续搅拌，直至混合物完全搅拌均匀，制作得出模拟围岩岩石结构13；对于特定隧道项目，还可以在隧道位置现场采集围岩岩石进行处理后用于制作围岩岩石结构13。

步骤2)：在试验台框架1的内部均与的涂刷一层润滑油，涂刷润滑油可以降低模拟围岩岩石结构13与试验台框架1内壁的摩擦力，从而降低边界摩擦对试验数据的影响，保证地应力载荷准确施加，然后将步骤1中所得到的模拟围岩岩石结构13倒入试验台框架1内，并且每10cm厚左右振捣夯实，振捣夯实可以使模拟围岩岩石结构13更为真实的传导地应力载荷，保证实验数据的精准收集，在模拟围岩岩石结构13铺设达到指定位置时，将储水构造3和压力盒4、渗压计等传感器5预埋入模拟围岩岩石结构13中，并再次铺设模拟围岩岩石结构13将试验台框架1填满。

步骤3)：模拟围岩岩石结构13铺设完成后，静置48小时，使模拟围岩岩石结构13冷却固化，然后在冷却固化后的模拟围岩岩石结构13上部安装加载装置9，并通过放置若干个配重块94施加指定的地应力载荷。

步骤4)：在地应力加载完以后保持6小时后进行隧道开挖，隧道开挖时采用一次贯通的开挖模式，开挖后将隧道模型6放入挖开的隧道洞中。

步骤5)：隧道模型6放入完毕后立即安装位移传感器7，并恒定6小时，最后进行干湿交替作用模拟试验。

作为本发明进一步的方案所述干湿交替作用模拟试验包括以下步骤：

步骤a)：控制电控阀门33开启，利用高压氮气驱动蓄水罐31中的水由排水管35涌出，并且通过压力盒4、渗压计5、位移传感器7等传感器收集隧道未突水数据。

步骤b)：随着蓄水罐31中的水由排水管35涌出，隧道模型6破损，从而模拟隧道隔水围岩失稳破坏，溶腔内压力水体涌入隧道形成突水的情况。

步骤c)：通过压力盒4、渗压计5、位移传感器7等传感器收集隧道突水后数据，并且配合计算机8对数据进行收集分析，得出实验结果。

工作原理：由滑石粉、河沙、液压油和熔融的石蜡搅拌均匀制作的模拟围岩岩石结构13，可以有效模拟汗水围岩岩石结构的物理性质，增加试验的拟真效果，在进行试验时，按照步骤1)-步骤5)操作后，可以实现制作完成基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，准确模拟基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌水作用试验环境，并且充分布置各类传感器，便于实验数据的收集，随后进行步骤a)-步骤c)的干湿交替作用模拟试验，控制电控阀门33启动试验，在两个电控阀门33启动后，储气瓶32中的高压氮气向蓄水罐31中涌出，并且对蓄水罐31施压将蓄水罐31中的水加压并有排水管35涌出，对隧道模型6施压，并且随着蓄水罐31内水分的涌出，隧道模型6受力后破损，模拟围岩岩石结构13内的水涌入隧道模型6中，模拟出基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌水的情景，另一方面，由于气体具有快速膨胀性，可以在隧道模型6破碎出现涌水情景时，利用氮气持续提供水压力，避免普通水泵等装置在涌水情况发生时，水压力瞬间泄压，实现了隧道富水及枯水交替突涌水作用等力学参数的实施记录，能保证此类地质试验和工程设计精准。

作为本发明进一步的方案，在步骤a)中，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环，干湿交替循环包括水压的增压、稳定和消减过程；进行多次干湿交替，每次干湿交替均测试并记录水的体积流速和压力梯度数据；在步骤c)中，根据线性达西定律，计算机(8)采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

另外，在步骤b)中，记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，在步骤c)中，采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对干湿交替循环试验做了进一步限定，要求每一次围岩岩石结构饱水的持续时间不少于3天，以观察和保证围岩岩石结构渗水充分，每一次风干采用模拟现实的自然状态风干且时间不少于3天，以充分观测围岩岩石结构变化，保证试验与现实的接近程度，提高试验数据的可信度；另外，次干湿交替都采用上述公式计算水的等效渗透系数，了解多次干湿交替作用下围岩岩石结构对水渗透的变化情况，进而才可以更好地分析围岩岩石结构下的隧道安全性。在模拟试验的基础上，计算保证安全需要的隔水围岩设计最小安全厚度要求，该最小安全厚度公式充分考虑了隔水围岩地特性、干湿交替循环的作用和影响效应，得到的计算结果与项目现实情况符合程度高，以此为参考来指导隧道的设计，可以极大地提高隧道的安全性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：包括试验台框架(1)，所述试验台框架(1)的下表面固定连接有若干个承载加固板(2)，且试验台框架(1)内填充有模拟围岩岩石结构(13)，所述模拟围岩岩石结构(13)内预埋有储水构造(3)、压力盒(4)和渗压计(5)，所述模拟围岩岩石结构(13)内开设有让位孔，且让位孔内设置有隧道模型(6)，所述隧道模型(6)靠近储水构造(3)设置，且隧道模型(6)的一侧固定连接有位移传感器(7)，所述位移传感器(7)、压力盒(4)和渗压计(5)均通过导线电性连接有计算机(8)，所述模拟围岩岩石结构(13)的上方设置有加载装置(9)；

所述储水构造(3)包括蓄水罐(31)、储气瓶(32)和两个电控阀门(33)，所述储气瓶(32)通过管道(34)与蓄水罐(31)的上端连通设置，且蓄水罐(31)的下端连通有排水管(35)，两个所述电控阀门(33)分别位于管道(34)和排水管(34)内设置,所述蓄水罐(31)、储气瓶(32)靠近试验台框架(1)设置，且排水管位于试验台框架(1)内设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述试验台框架(1)的上端固定连接有密封盖(10)，且密封盖(10)位于加载装置(9)下方设置，所述试验台框架(1)的内壁固定连接有密封阻水带(11)，且密封阻水带(11)与密封盖(10)为过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述加载装置(9)包括底板(91)，所述底板(91)的上端固定连接有支撑架(92)，且支撑架(92)的上表面开设有若干个放置槽(93)，所述放置槽(93)内放置有配重块(94)。

4.根据权利要求1所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述试验台框架(1)包括下盖板(101)、四个支撑柱(102)、三个挡板(103)和观察板(104)，所述下盖板(101)的下表面与承载加固板(2)固定连接，且下盖板(101)的上表面与四个支撑柱(102)固定连接，三个所述挡板(103)的两侧均与支撑柱(102)的侧壁固定连接，所述观察板(104)位于两个支撑柱(102)之间设置，且观察板(104)的下端与下盖板(101)转动连接，靠近观察板(104)的两个所述支撑柱(102)通过螺栓固定连接有加劲肋板(105)，且加劲肋板(105)与观察板(104)相抵设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述观察板(104)为透明玻璃材质，且观察板(104)的侧壁包裹有边框。

6.根据权利要求4所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述试验台框架(1)靠近观察板(104)的一侧设置有监控摄像机(12)，且监控摄像机(12)与计算机(8)电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验装置，其特征在于：所述电控阀门(33)打开，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环；进行多次干湿交替，每次干湿交替都以位移传感器、压力盒和渗压计测量并记录水的体积流速和压力梯度数据，直至模拟隧道隔水围岩失稳破坏为止；所述计算机(8)记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，并采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

然后采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

8.一种基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)：将滑石粉、碎石和河沙导入搅拌机内搅拌均匀，并且保持搅拌机下部持续加热，之后再加入液压油和熔融的石蜡继续搅拌，直至混合物完全搅拌均匀，制作得出模拟围岩岩石结构(13)；

步骤2)：在试验台框架(1)的内部均与的涂刷一层润滑油，然后将步骤1)中所得到的模拟围岩岩石结构(13)倒入试验台框架(1)内，并且每10cm厚左右振捣夯实，在模拟围岩岩石结构(13)铺设达到指定位置时，将储水构造(3)和压力盒(4)、渗压计等传感器(5)预埋入模拟围岩岩石结构(13)中，并再次铺设模拟围岩岩石结构(13)将试验台框架(1)填满；

步骤3)：模拟围岩岩石结构(13)铺设完成后，静置48小时，使模拟围岩岩石结构(13)冷却固化，然后在冷却固化后的模拟围岩岩石结构(13)上部安装加载装置(9)，并通过放置若干个配重块(94)施加指定的地应力载荷；

步骤4)：在地应力加载完以后保持6小时后进行隧道开挖，隧道开挖时采用一次贯通的开挖模式，开挖后将隧道模型(6)放入挖开的隧道洞中；

步骤5)：隧道模型(6)放入完毕后立即安装位移传感器(7)，并恒定6小时，最后进行干湿交替作用模拟试验。

9.根据权利要求8所述的基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验方法，其特征在于：所述干湿交替作用模拟试验包括以下步骤：

步骤a)：控制电控阀门(33)开启，利用高压氮气驱动蓄水罐(31)中的水由排水管(34)涌出，并且通过压力盒(4)、渗压计(5)、位移传感器(7)等传感器收集隧道未突水数据；

步骤b)：随着蓄水罐(31)中的水由排水管(34)涌出，隧道模型(6)破损，从而模拟隧道隔水围岩失稳破坏，溶腔内压力水体涌入隧道形成突水的情况；

步骤c)：通过压力盒(4)、渗压计(5)、位移传感器(7)等传感器收集隧道突水后数据，并且配合计算机(8)对数据进行收集分析，得出实验结果。

10.根据权利要求9所述的基于劣化特征隧道富水及枯水交替突涌试验方法，其特征在于：在步骤a)中，让围岩岩石结构进行饱水，饱水时间不少于3天；然后将围岩岩石结构在自然状态下风干不少于3天，作为一次干湿交替循环，干湿交替循环包括水压的增压、稳定和消减过程；进行多次干湿交替，每次干湿交替均测试并记录水的体积流速和压力梯度数据；在步骤c)中，根据线性达西定律，计算机(8)采用以下公式计算每次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效参透系数：

上式中，δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数，μ表示流体动力粘滞系数，V_i表示第i次干湿交替水的体积流速，S表示试样横截面面积，

表示第i次干湿交替压力梯度。

另外，在步骤b)中，记录模拟隧道隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数，在步骤c)中，采用以下公式试算隔水围岩的最小安全厚度：

上式中，d_min表示隔水围岩的最小安全厚度；p表示试验台框架内的均布水压；ε表示隔水围岩的弹性模量，为常量；h表示隔水围岩的高度；n表示隔水围岩失稳破坏时经历的干湿交替循环次数；δ_i表示第i次干湿交替的围岩岩石结构中水的等效渗透系数；γ表示隔水围岩的重度，为常量；b表示隧道模型的埋深；σ表示隔水围岩的抗拉强度，为常量；

进行隧道设计时，确定设计的安全系数，将计算得到的隔水围岩的最小安全厚度与安全系数的乘积作为隧道隔水围岩的厚度。

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