CN113189302A - 深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，包括：箱体，箱体内中央位置填充有断裂相似材料，箱体内断裂的周围填充有断裂上、下盘隧道围岩相似材料；箱体的第一端开有用于模拟开挖隧道的通孔，箱体的侧部设有渗透压力加载单元，箱体顶部封闭且设有地应力加载单元，箱体内部靠近箱体第二端的位置设置有断裂错动单元，箱体内底部靠近第一端的位置设有与地震振动加载单元相接触的振动荷载加载点；本公开可模拟水‑力耦合条件下隧道穿越活动断裂突水突泥灾害，研究在断裂错动和地震振动作用下隧道邻近断裂过程中隔水岩体内应力、位移与渗流演化规律及隔水岩体破裂机制，揭示了灾害孕灾模式与致灾机理。

Description

深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统及方法

技术领域

本公开涉及灾害试验装置技术领域，特别涉及一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

对于穿越地壳板块活动边缘和缝合带的铁路，铁路沿线会发育多条活动断裂带。其中，这些断裂带由多条子断裂组成，而且规模巨大、活动速率高、地震活动频繁，这样会对铁路隧道安全产生显著影响。由于次生断裂和节理发育，破碎带内岩石固结程度差、松散破碎，利于地下水富集形成含水构造或导水通道。当隧道临近高压富水断裂时，由于地下水渗透压力作用，隧道隔水岩体裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂失稳，地下水携带碎石、砂、泥等碎屑物质涌入隧道而发生突水突泥灾害。例如：川藏铁路沿线断裂活动性强、地震频繁，且深埋隧道地应力和地下水渗透压力较高。在断裂错动、地震振动、高地应力及高渗透压力耦合作用下，隧道开挖过程中隔水岩体极易破裂失稳。因此，川藏铁路深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力地质灾害风险较高，该灾害将严重威胁隧道工作人员生命安全，造成工期延误和巨大经济损失，给铁路长寿命运营带来严峻挑战。

发明人发现，现有试验装置仅能模拟隧道穿越非活动断裂突水突泥灾害，或针对断层错动作用下隧道衬砌破坏模式开展研究，目前尚无应用于开展高地应力、高渗透压力耦合(水-力耦合)条件下深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害研究的试验系统及方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统及方法，其可模拟水-力耦合条件下隧道穿越活动断裂突水突泥灾害，研究在断裂错动和地震振动作用下隧道邻近断裂过程中隔水岩体内应力、位移与渗流演化规律及隔水岩体破裂机制，进而揭示灾害孕灾模式与致灾机理，为隧道工程防灾减灾提供了理论依据。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，包括：箱体，箱体内中央位置填充有断裂相似材料，箱体内断裂的周围填充有模拟断裂上、下盘隧道围岩相似材料；

箱体的第一端开有用于模拟开挖隧道的通孔，箱体的侧部设有渗透压力加载单元，箱体顶部封闭且设有地应力加载单元，箱体内部靠近箱体第二端的位置设置有断裂错动单元，箱体内底部靠近第一端的位置设有与地震振动加载单元相接触的振动荷载加载点。

进一步的，箱体的底部设有支撑底座，箱体与底座之间通过弹性元件连接。

进一步的，箱体的第一端设置有可拆卸式挡板。

进一步的，渗透压力加载单元为钢板预制水箱，通过进水孔与箱体内部连通，水箱通过管路与高压水泵连通。

进一步的，地应力加载单元包括两个刚性顶举件，所述刚性顶举件通过管路与液压伺服单元连接，液压伺服单元控制两个刚性顶举件独立对断裂上、下盘隧道围岩进行地应力加载。

进一步的，断裂错动单元包括两个刚性顶举件，所述刚性顶举件通过管路与液压伺服单元连接，液压伺服单元控制两个刚性顶举件实现错动位移。

更进一步的，刚性顶举件的动端连接有承压板，与上盘隧道围岩对应的承压板上设有滚珠排减摩装置。

进一步的，隧道围岩内埋设有与外置终端连接的压力传感器、多点位移计、渗透压力传感器和加速度传感器。

进一步的，在断裂相似材料内埋设与外置终端连接的渗透压力传感器。

本公开第二方面提供了一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验方法，包括以下过程：

在箱体内填筑两种配比的相似材料，断裂相似材料位于模型箱内部中央，呈一定角度倾斜的带状，两侧为断裂上、下盘隧道围岩相似材料；

在填筑相似材料同时埋设数据采集单元，在隧道正常围岩内埋设压力传感器、多点位移计、渗透压力传感器和加速度传感器，监测隧道开挖过程中应力、位移、渗透压力及地震波参数变化，在断裂内埋设渗透压力传感器，监测断裂错动过程中渗透压力变化；

通过液压伺服单元启动地应力加载单元以及渗透压力加载单元，达到所模拟的高地应力和高渗透压力环境后，保持恒定应力和水压力加载；

通过箱体的第一端预留的通孔进行隧道开挖，通过数据采集单元监测隧道掌子面在临近断裂过程中围岩应力、位移和渗透压力变化；

在隧道掌子面临近断裂的同时启动断裂错动单元，模拟断裂逆冲运动，通过数据采集单元监测隧道掌子面与断裂之间隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化以及断裂内渗透压力变化；

启动地震振动加载单元，施加一定幅值、频率的地震波，并通过数据采集单元监测隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化；

停止断裂错动单元与地震振动加载单元，沿隧道轴线向前开挖一定距离，通过数据采集单元监测隧道隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化；

重复启动地震振动加载单元及停止断裂错动单元与地震振动加载单元的步骤，直至隔水岩体破裂，断裂内地下水携带泥质进入隧道而发生突水突泥灾害。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的系统及方法，通过在模型箱内填筑不同配比的岩土相似材料可模拟隧道穿越活动断裂过程，通过地应力加载单元与渗透压力加载单元可模拟深埋隧道高地应力、高渗透压力多场耦合环境，通过断裂错动单元与地震振动加载单元可模拟断裂错动及地震作用，通过液压伺服单元控制地应力加载单元与断裂错动单元精确运行，通过数据采集单元监测隧道穿越活动断裂突水突泥灾害演化过程中应力、位移、渗透压力以及地震振动参数变化规律，进而揭示灾害孕灾模式与致灾机理，为隧道工程防灾减灾提供理论依据。

2、本公开研发了应用于开展水-力耦合条件下深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害研究的试验系统及方法，解决了现有试验系统与方法仅能模拟隧道穿越非活动断裂突水突泥灾害，或针对断层错动作用下隧道衬砌破坏模式开展研究的技术瓶颈。

3、本公开所述的系统，可应用于国家重大战略工程-川藏铁路深埋隧道穿越活动断裂突水突泥灾害研究，对于灾害安全防控具有重要的理论意义和工程实用价值，其具有广阔的应用前景，可为未来规划建设的跨活动断裂隧道突水突泥动力灾害研究提供技术支持。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

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

图1为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统立体示意图。

图2为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统剖面示意图。

图3为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统数据采集单元示意图。

图4为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统模型箱示意图。

图5为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统渗透压力加载单元示意图。

图6为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统应力加载单元和断裂错动单元示意图。

图7为本公开实施例1提供的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统地震振动加载单元示意图。

其中：1、箱体，2、渗透压力加载单元，3、地应力加载单元，4、地震振动加载单元，5、液压伺服单元，6、断裂错动单元，7、断裂，8、隧道正常围岩，9、数据采集单元，10、压力传感器，11、多点位移计，12、渗透压力传感器，13、加速度传感器，14、通孔，15、顶盖，16、振动荷载加载点，17、底座，18、弹性元件，19、可拆卸式挡板，20、传感器通道，21、钢制水箱，22、进水孔，23、应力加载刚性顶举件，24、承压板，25、滚珠排减摩装置，26、断裂错动刚性顶举件，27、扰动作动器，28、扰动油缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1-3所示，本公开实施例1提供了一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，包括箱体1、渗透压力加载单元2、地应力加载单元3、地震振动加载单元4、液压伺服单元5、断裂错动单元6及数据采集单元9。

其中，箱体1为模型箱，数据采集单元9为埋设于箱体1岩土相似材料内的传感器，包括压力传感器10、多点位移计11、渗透压力传感器12和加速度传感器13，用以监测试验过程中岩土体应力、位移、渗透压力以及加速度信息。

参考图4所示，箱体1内可填筑两种配比岩土相似材料，分别模拟断裂7和隧道正常围岩8。箱体1的第一端预留有通孔14，用以模拟开挖隧道。

箱体1的侧面设置渗透压力加载单元2，顶部采用顶盖15密封，并设置有地应力加载单元3。

箱体1内部靠近箱体第二端位置设置有断裂错动单元6，箱体底部靠近第一端位置设置振动荷载加载点16，并与地震振动加载单元4相接触。

箱体1通过钢结构底座17支撑，底座17固定于地面，箱体1与底座17之间通过弹性元件18连接，弹性元件18(比如：弹簧)可保证箱内岩土体在振动荷载作用下发生振动。

箱体1的第一端设置有可拆卸式挡板19，并与箱体密封连接，试验完成后拆除挡板以清理岩土相似材料。

箱体1上预留有传感器通道20，箱体1内部传感器引线可穿过通道连接到箱体1外部数据采集单元9。

通过渗透压力加载单元2对箱体1内断裂7和正常围岩8供水，模拟隧道初始高渗透压力。通过地应力加载单元3对岩土相似材料施加压力，模拟隧道初始高地应力。

通过箱体1的第一端预留的通孔14挖掘岩土相似材料，模拟隧道开挖。通过断裂错动单元6错动断裂上盘隧道围岩，模拟活动断裂错动，并通过地震振动加载单元4施加振动荷载，模拟地震作用，从而实现水-力耦合作用下深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害模拟试验。

如图5所示，渗透压力加载单元2为高强度的钢制水箱21，通过进水孔22与箱体1内部联通，进而对岩土体施加渗透压力，水箱通过管路外接于高压水泵。

如图6所示，地应力加载单元3设置于箱体1的顶盖15上，由两个应力加载刚性顶举件23组成，并通过管路与液压伺服单元5连接，液压伺服单元控制两个应力加载刚性顶举件23独立对断裂上、下盘岩土体进行地应力加载。应力加载刚性顶举件23下部设置有承压板24，可对隧道围岩进行均布应力加载。右侧刚性顶举件承压板下部设置有滚珠排减摩装置25，用以减小断裂错动时承压板与上盘岩土体之间的摩擦力。

如图6所示，断裂错动单元6设置于箱体1内部后侧，由两个断裂错动刚性顶举件26组成，并通过管路与液压伺服单元5连接，伺服系统可精确控制错动位移，断裂错动刚性顶举件26的动端也连接有承压板24，承压板24上也设置有滚珠排减摩装置25，用以减小断裂错动时承压板与上盘隧道围岩之间的摩擦力。

如图7所示，地震振动加载单元4位于箱体1底部前侧，并固定于箱体的底座17上，包括扰动作动器27与扰动油缸28两部分，可输出一定幅值与频率的地震波，扰动作动器27通过箱体1的底部加载点进行地震振动加载。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验方法，采用实施例1所述的试验系统，包括以下步骤：

步骤1：在箱体1内填筑两种配比岩土相似材料，断裂相似材料7位于模型箱内部中央，呈一定角度倾斜的带状，两侧为断裂上、下盘隧道正常围岩相似材料8。

步骤2：在填筑相似材料同时埋设数据采集单元9，在隧道正常围岩8内埋设压力传感器10、多点位移计11、渗透压力传感器12和加速度传感器13，用以监测隧道开挖过程中应力、位移、渗透压力及地震波参数变化。同时在断裂7内埋设渗透压力传感器12，用以监测断裂错动过程中渗透压力变化。

步骤3：通过液压伺服单元5启动地应力加载单元3以及渗透压力加载单元2，达到所模拟的高地应力和高渗透压力环境后，保持恒定应力和水压力加载。

步骤4：通过箱体的第一端预留的通孔14进行隧道开挖，通过数据采集单元9监测隧道掌子面在临近断裂7过程中围岩应力、位移和渗透压力变化。

步骤5：在隧道掌子面临近断裂7的同时启动断裂错动单元6，模拟断裂逆冲运动，通过数据采集单元9监测隧道掌子面与断裂之间隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化以及断裂内渗透压力变化。

步骤6：启动地震振动加载单元4，施加一定幅值、频率的地震波，并通过数据采集单元9监测隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化。

步骤7：停止断裂错动单元6与地震振动加载单元4，沿隧道轴线向前开挖一定距离，通过数据采集单元9监测隧道隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化。

步骤8：重复步骤6-7，直至隔水岩体破裂，断裂内地下水携带泥质进入隧道而发生突水突泥灾害。

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

Claims (10)

1.一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，包括：箱体，箱体内中央位置填充有断裂相似材料，箱体内断裂的周围填充有模拟断裂上、下盘隧道围岩相似材料；

箱体的第一端开有用于模拟开挖隧道的通孔，箱体的侧部设有渗透压力加载单元，箱体顶部封闭且设有地应力加载单元，箱体内部靠近箱体第二端的位置设置有断裂错动单元，箱体内底部靠近第一端的位置设有与地震振动加载单元相接触的振动荷载加载点。

2.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，箱体的底部设有支撑底座，箱体与底座之间通过弹性元件连接。

3.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，箱体的第一端设置有可拆卸式挡板。

4.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，渗透压力加载单元为钢板预制水箱，通过进水孔与箱体内部连通，水箱通过管路与高压水泵连通。

5.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，地应力加载单元包括两个刚性顶举件，所述刚性顶举件通过管路与液压伺服单元连接，液压伺服单元控制两个刚性顶举件独立对断裂上、下盘隧道围岩进行地应力加载。

6.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，断裂错动单元包括两个刚性顶举件，所述刚性顶举件通过管路与液压伺服单元连接，液压伺服单元控制两个刚性顶举件实现错动位移。

7.如权利要求5或6所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，刚性顶举件的动端连接有承压板，与上盘隧道围岩对应的承压板上设有滚珠排减摩装置。

8.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，隧道围岩内埋设有与外置终端连接的压力传感器、多点位移计、渗透压力传感器和加速度传感器。

9.如权利要求1所述的深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验系统，其特征在于，在断裂模拟材料内埋设与外置终端连接的渗透压力传感器。

10.一种深埋隧道穿越活动断裂突水突泥动力灾害试验方法，其特征在于，包括：

在箱体内填筑两种配比的相似材料，断裂模拟材料位于模型箱内部中央，呈一定角度倾斜的带状，两侧为隧道围岩相似材料；

在填筑相似材料同时埋设数据采集单元，在隧道正常围岩内埋设压力传感器、多点位移计、渗透压力传感器和加速度传感器，监测隧道开挖过程中应力、位移、渗透压力及地震波参数变化，在断裂内埋设渗透压力传感器，监测断裂错动过程中渗透压力变化；

通过液压伺服单元启动地应力加载单元以及渗透压力加载单元，达到所模拟的高地应力和高渗透压力环境后，保持恒定应力和水压力加载；

通过箱体的第一端体预留的通孔进行隧道开挖，通过数据采集单元监测隧道掌子面在临近断裂过程中围岩应力、位移和渗透压力变化；

在隧道掌子面临近断裂的同时启动断裂错动单元，模拟断裂逆冲运动，通过数据采集单元监测隧道掌子面与断裂之间隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化以及断裂内渗透压力变化；

启动地震振动加载单元，施加一定幅值、频率的地震波，并通过数据采集单元监测隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化；

停止断裂错动单元与地震振动加载单元，沿隧道轴线向前开挖一定距离，通过数据采集单元监测隧道隔水岩体内应力、位移和渗透压力变化；

重复启动地震振动加载单元及停止断裂错动单元与地震振动加载单元步骤，直至隔水岩体破裂，断裂内地下水携带泥质进入隧道而发生突水突泥灾害。

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