CN115825339A - 岩溶隧道涌水试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及建筑施工技术领域，提供了岩溶隧道涌水试验装置及方法，装置包括：岩土涌水模拟装置，包括第一箱体、透水隔板和填充件；透水隔板将第一箱体分隔为岩土模拟腔和供水腔；填充件设置在岩土模拟腔内，模拟围岩；隧道模拟装置，包括管体以及活动挡板；管体用于模拟隧道结构，活动挡板用于模拟掌子面；测试系统，包括相对设置在第一箱体的两侧的X射线发射装置和工业相机，用于扫描和抓拍填充件的三维破坏模式。本发明能够有效的模拟岩溶隧道开挖过程中掌子面涌水的过程，得出岩体的三维破坏模式。试验结果可对实际隧道的施工安全提供有效的理论依据，为岩溶隧道涌水研究提供良好的试验基础。

Description

岩溶隧道涌水试验装置及方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及岩溶隧道涌水试验装置及方法。

背景技术

随着我国城市地下空间开发需求的增长，修建于岩溶发育区的盾构隧道越来越常见，岩溶地区富水且水压大，溶洞及断层发育，岩溶问题是隧道工程施工期常见的一大工程地质问题。特别是在岩溶发育地区，地下水及地表水的活动对周围岩石产生了长期的溶蚀作用，继而形成地下水活动通道和溶洞。溶洞水会在渗流作用下不断向岩层扩张渗流，同时将岩体内的颗粒冲走，从而减小岩体之间相互的摩擦力，导致岩溶隧道施工期间极易出现涌水灾害问题，涌水灾害会改变地层有效应力导致地表塌陷、地下水污染和人工损失等一系列问题，给隧道施工开挖带来极大的难题。此外，涌水灾害形成机理复杂，力学特性分析困难。因此，岩溶隧道掌子面涌水试验具有工程实际意义。

目前，关于隧道掌子面涌水岩体破坏研究多针对于普通地层隧道，并未考虑岩溶发育地区隧道施工的特殊性。在此背景下，有必要提出一种用于岩溶隧道涌水试验的装置及方法，来有效预测岩溶隧道涌水情况的发生，分析岩溶隧道掌子面破坏机理，从而降低施工期间掌子面涌水事件的发生机率或损失程度。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提出了一种岩溶隧道涌水试验装置及方法，通过岩溶发育条件下盾构隧道掌子面涌水的模拟试验，研究岩溶隧道施工开挖期间在不同岩溶发育情况、地下水位高度等工况下掌子面涌水机理，可准确地得到岩溶隧道掌子面发生涌水灾害土体破坏模式，对岩溶隧道涌水情况进行预测并进行量化分析。

第一方面，本发明提出一种岩溶隧道涌水试验装置，包括：

岩土涌水模拟装置，包括第一箱体、透水隔板和填充件；所述透水隔板设置在所述第一箱体内，将所述第一箱体的箱内空间分隔为岩土模拟腔和供水腔；所述填充件设置在所述岩土模拟腔内，用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩；

隧道模拟装置，设置在所述岩土模拟腔内，包括管体以及设置在管体的一端的活动挡板；所述管体用于模拟隧道结构，所述活动挡板用于模拟掌子面；所述填充件包围所述隧道模拟装置；

施工模拟装置，与所述活动挡板连接，用于推动所述活动挡板在所述岩土模拟腔内移动；

加压装置，设置在所述岩土模拟腔的上方，用于向所述填充件施加压力；

测试系统，包括相对设置在所述第一箱体的两侧的X射线发射装置和工业相机，用于扫描和抓拍所述填充件的三维破坏模式。

进一步地，所述活动挡板上开设有透水孔；所述岩土涌水模拟装置还包括供水系统，所述供水系统与所述供水腔连通，用于向所述供水腔内供水，以在所述第一箱体内形成稳定渗流。

进一步地，所述供水系统包括集水箱、集水管、供水管和水泵，所述第一箱体上设置有与所述供水腔连通的进水孔以及与所述管体连通的出水孔，所述集水管连通所述出水孔和所述集水箱，所述供水管连通所述集水箱和所述进水孔，所述供水管上还设置有水泵。

进一步地，所述活动挡板上还开设有测压孔，所述测压孔连接有测压管，所述测压管通过所述管体穿出至所述第一箱体外，所述测压管与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

进一步地，所述填充件内还均匀分布有多个土压力盒，所述土压力盒与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

进一步地，所述施工模拟装置包括传动杆、低速电机和应变式压力传感器；所述传动杆的一端与位于所述第一箱体外的低速电机连接，所述传动杆的另一端伸入所述管体内，并通过应变式压力传感器连接所述活动挡板；所述应变式压力传感器与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

进一步地，所述施工模拟装置还包括钢支护结构，所述钢支护结构连接所述第一箱体和所述低速电机。

进一步地，所述填充件包括由石膏和泥土相混合的混合物，所述混合物填充在所述岩土模拟腔内；所述填充件还包括注入所述混合物内用于与所述石膏发生化学反应的盐酸试剂。

第二方面，本发明还提出一种利用上述试验装置进行岩溶隧道涌水试验的方法，包括以下步骤：

利用所述岩土涌水模拟装置的透水隔板，将岩土涌水模拟装置的第一箱体的箱内空间分隔为岩土模拟腔和供水腔，将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩的填充件设置在所述岩土模拟腔内；

将所述隧道模拟装置设置在所述岩土模拟腔内，利用隧道模拟装置的管体模拟隧道结构，利用隧道模拟装置的活动挡板模拟掌子面；

将所述施工模拟装置与所述活动挡板连接，利用施工模拟装置推动所述活动挡板在所述岩土模拟腔内移动，模拟隧道开挖施工过程中掌子面的推进；

将所述加压装置设置在所述岩土模拟腔的上方，向所述填充件施加压力，以模拟地应力；

将所述测试系统的X射线发射装置和工业相机相对设置在所述第一箱体的两侧，用于扫描和抓拍所述填充件的三维破坏模式。

进一步地，所述将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩的填充件设置在所述岩土模拟腔内的步骤包括：

将由石膏和泥土相混合的混合物填充在所述岩土模拟腔内；

将盐酸试剂注入所述混合物内，使所述石膏与盐酸试剂发生化学反应而在其内部产生裂隙，以模拟出岩溶通道或溶洞。

本发明的有益效果包括：通过在岩土涌水模拟装置的设置有填充件的岩土模拟腔内设置隧道模拟装置，而填充件用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩，利用施工模拟装置推动隧道模拟装置的用于模拟掌子面的活动挡板移动，能够有效的模拟岩溶隧道开挖过程中掌子面涌水的过程，并配合测试系统的X射线发射装置和工业相机，得出岩体的三维破坏模式。试验结果可对实际隧道的施工安全提供有效的理论依据，为岩溶隧道涌水研究提供良好的试验基础；并且该装置结构简单，操作简单，成本低，可重复使用。

附图说明

图1为本发明的岩溶隧道涌水试验装置的主视结构示意图。

图2为本发明的岩溶隧道涌水试验装置的俯视结构示意图。

图3为本发明的岩溶隧道涌水试验装置的左视结构示意图。

图4为本发明的分布有测压孔和透水孔的活动挡板的结构示意图。

图5为本发明的岩溶隧道涌水试验方法的流程示意图。

图中：1-第一箱体；11-测压管；2-钢架支撑结构；31-低速电机；32-传动杆；33-钢支护结构；34-应变式压力传感器；41-供水腔；42-岩土模拟腔；43-透水隔板；44-溶洞；5-隧道模拟装置；51-管体；52-活动挡板；53-透水孔；54-测压孔；55-土压力盒；61-集水箱；62-软管；63-进水孔；64-水泵；71-X射线发射装置；72-工业相机；8-加压装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1-3所示的岩溶隧道涌水试验装置，包括：岩土涌水模拟装置、隧道模拟装置5、施工模拟装置、加压装置8、测试系统和供水系统。

岩土涌水模拟装置包括第一箱体1、透水隔板43和填充件。第一箱体1优选为透明的玻璃箱体，以便于直接观察第一箱体1的内部情况。第一箱体1采用立方箱体。

透水隔板43设置在第一箱体1内，将第一箱体1的箱内空间分隔为岩土模拟腔42和供水腔41。透水隔板43优选为透水石。参见图1、图2，透水隔板43有三块，三块透水隔板43结合第一箱体1的一个侧端围合形成一个岩土模拟腔42，而供水腔41包围在岩土模拟腔42的三个侧面。

在一些实施例中，岩土模拟腔42的底部铺设有不锈钢板，并在不锈钢板的上端铺设有一层PVC防水薄膜。在一些实施例中，还可在岩土模拟腔42的侧壁涂覆一层黄油，即在透水隔板43的内侧(靠近岩土模拟腔42的板面)涂覆一层黄油。

在一些实施例中，岩溶隧道涌水试验装置还包括钢架支撑结构2，钢架支撑结构2作为岩溶隧道涌水试验装置的主要支撑基座，将第一箱体1设置在钢架支撑结构2上。

填充件设置在岩土模拟腔42内，用于模拟包含有岩溶通道或溶洞44的围岩。

填充件包括由石膏和泥土相混合的混合物，混合物填充在岩土模拟腔42内；填充件还包括注入混合物内用于与石膏发生化学反应的盐酸试剂。盐酸试剂使石膏内部产生裂隙，利用泥土自身的透水性及泥土分布的随机性，可有效模拟出岩溶隧道围岩中的岩溶通道和溶洞44。通过控制盐酸试剂的注入剂量、注入时间和注射位置，可得到不同程度的岩溶发育程度。

填充件内还均匀分布有多个土压力盒55，土压力盒55与设置在第一箱体1外的数据采集仪连接。

具体为，在第一箱体1的岩土模拟腔42内分层填筑填充件(土样)至所需高度。填充过程中，放置合适数量的土压力盒55均匀分布于填充件中，土压力盒55通过导线连接数据采集仪。再向岩土模拟腔42的内部注入盐酸试剂，形成可模拟出岩溶通道或溶洞44的围岩。

填充件填充完毕后，在岩土模拟腔42的填充件的上方安装加压装置8，利用加压装置8向填充件施加压力。

隧道模拟装置5，设置在岩土模拟腔42内，包括管体51以及设置在管体51的一端的活动挡板52；管体51用于模拟隧道结构，活动挡板52用于模拟掌子面；填充件包围隧道模拟装置5。管体51采用12mm厚的不锈钢圆管，其内壁镀锌，外尺寸轮廓与活动挡板52的轮廓一致，即活动挡板52也采用圆板结构。比如，圆形不锈钢板。管体51的两端导通，活动挡板52设置在管体51的一端，管体51的另一端设置在第一箱体1的侧壁。

活动挡板52上开设有透水孔53。透水孔53优选为8个，均匀开设在活动挡板52的边缘，活动挡板52的中心或称圆心处开设有一个测压孔54，测压孔54连接测压管11，测压管11从管体51内穿出至第一箱体1外，测压管11与设置在第一箱体1外的数据采集仪连接，用于测量试验过程中的孔隙水压力。

施工模拟装置与活动挡板52连接，用于推动活动挡板52在岩土模拟腔42内移动。从而模拟隧道开挖施工过程中，掌子面向前推进的过程。

具体的，施工模拟装置包括传动杆32、低速电机31、钢支护结构33和应变式压力传感器34；传动杆32的一端与位于第一箱体1外的低速电机31连接，传动杆32的另一端伸入管体51内，并通过应变式压力传感器34连接活动挡板52；应变式压力传感器34与设置在第一箱体1外的数据采集仪连接。

低速电机31可调节开挖速度和方向。低速电机31可以采用电动推杆替代，通过低速电机31实现传动杆32的前进和后退，而施加的力的大小的不同，也实现开挖速度的调节，比如低速电机31施加在传动杆32上的力较大，使传动杆32施加在活动挡板52上的力较大，活动挡板52可快速的前移，相当于模拟出了隧道开挖速度的提升。传动杆32采用不锈钢条，水平且垂直于隧道开挖面放置，即传动杆32水平，且垂直于活动挡板52，传动杆32的一端与活动挡板52螺栓连接，另一端与低速电机31连接，通过低速电机31提供动力推动活动挡板52向前，模拟隧道开挖掌子面向前推进的过程。钢支护结构33连接第一箱体1和低速电机31。钢支护结构33为水平设置的支护钢管，支护钢管平行于传动杆32设置，利用钢支护结构33保证传动杆32提供垂直于隧道开挖面水平推力。

测试系统包括相对设置在第一箱体1的两侧的X射线发射装置71和工业相机72，用于扫描和抓拍填充件的三维破坏模式。

X射线发射装置71包括X光发射管、镜头模块、相位控制器，工业相机72为接收到X射线信号后对围岩破坏模式进行抓拍的装置。X射线发射装置71和工业相机72分别正对第一箱体1的两侧，且位于同一水平、同一高度。X射线发射装置71和工业相机72可上下、左右多方位旋转工作，全面三维扫描、抓拍岩体破坏形态。

供水系统与供水腔41连通，用于向供水腔41内供水，以在第一箱体1内形成稳定渗流。

具体为：供水系统包括集水箱61、集水管、供水管和水泵64，第一箱体1上设置有与供水腔41连通的进水孔63以及与管体51连通的出水孔，集水管连通出水孔和集水箱61，供水管连通集水箱61和进水孔63，供水管上还设置有水泵64。如图1所示，集水箱61的设置高度低于第一箱体1的高度，以便于第一箱体1内的通过出水孔排出的岩溶水回流至集水箱61。在水泵64的作用下，将集水箱61内的水再抽送至供水腔41。

在一些实施例中，供水腔41在高度方向上间隔设置有多个进水孔63，每个进水孔63通过一个软管62与供水管连通。供水管有多段，每个软管62通过一个三通管连通供水管。在供水管靠近每个三通管的位置设置有二级控制阀门，在软管62的靠近进水孔63的位置设置有一级控制阀门。供水系统可包括控制主机，控制主机与一级控制阀门、二级控制阀门、水泵64电信号连接，用于实现其通断电或开闭，调节供水腔41内注入水的水压和水位高度。

另外，在第一箱体1的进水孔63和出水孔，在活动挡板52的透水孔53和测压孔54分别设置有一个电磁控制阀门，电磁控制阀门与控制主机电信号连接。当向供水腔41内缓慢注水，直至供水腔41、岩土模拟腔42和测压管11内达到所需水位后，打开上述电磁控制阀门，打开水泵64，使第一箱体1内形成稳定渗流。即供水腔41内的水通过透水隔板43渗入填充件内，再持续渗透，并通过活动挡板52的透水孔53渗入管体51内，再通过出水孔和集水管将岩溶水回流至集水箱61，而在水泵64的作用下，集水箱61内的水再次进入供水腔41，实现循环供水以及稳定渗流。

在第一箱体1的进水孔63和出水孔，在活动挡板52的透水孔53和测压孔54分别设置有一层透水膜布。保护电磁控制阀门。

通过测压管11、应变式压力传感器34、数据采集仪监测模拟岩溶隧道掌子面的活动挡板52和模拟围岩的填充件受到的水压力、土压力变化情况。打开X射线发射装置71扫描模拟围岩的填充件的内部位移情况，设置工业相机72抓拍频率为每10秒一次。施工模拟装置推动活动挡板52前移，模拟隧道开挖，模拟的掌子面应力(测压管11、应变式压力传感器34获得)、围岩应力(土压力盒55获得)到达一定程度时调整抓拍频率为每秒3次，直至模拟的围岩破坏。从而得到岩溶隧道掌子面发生涌水时，其围岩(或称岩体)的水压力、土压力和三维破坏模式。

本发明能够模拟岩溶隧道开挖过程中掌子面涌水的过程，得出岩体的三维破坏模式、涌水发生时及其临近时间段的应力应变状态和水压力分布情况。试验结果可对实际隧道的施工安全提供有效的理论依据，为岩溶隧道涌水研究提供良好的试验基础；并且该装置结构简单，操作简单，成本低，可重复使用。

基于同一发明构思，如图5所示，本发明还提出一种利用上述试验装置进行岩溶隧道涌水试验的方法，包括以下步骤：

利用岩土涌水模拟装置的透水隔板43，将岩土涌水模拟装置的第一箱体1的箱内空间分隔为岩土模拟腔42和供水腔41，将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞44的围岩的填充件设置在岩土模拟腔42内；

将隧道模拟装置5设置在岩土模拟腔42内，利用隧道模拟装置5的管体51模拟隧道结构，利用隧道模拟装置5的活动挡板52模拟掌子面；

将施工模拟装置与活动挡板52连接，利用施工模拟装置推动活动挡板52在岩土模拟腔42内移动，模拟隧道开挖施工过程中掌子面的推进；

将加压装置8设置在岩土模拟腔42的上方，向填充件施加压力，以模拟地应力；

将所述测试系统的X射线发射装置71和工业相机72相对设置在所述第一箱体1的两侧，用于扫描和抓拍所述填充件的三维破坏模式。

其中，所述将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞44的围岩的填充件设置在所述岩土模拟腔42内的步骤包括：

将由石膏和泥土相混合的混合物填充在所述岩土模拟腔42内；

将盐酸试剂注入所述混合物内，使所述石膏与盐酸试剂发生化学反应而在其内部产生裂隙，以模拟出岩溶通道或溶洞44。通过控制盐酸试剂的注入剂量、注入时间和注射位置，可得到不同程度的岩溶发育程度。

而通过更换填充件、调整水位高度、改变盐酸试剂的注入剂量、注入时间和注射位置，可研究不同工况下岩溶隧道施工期间，掌子面涌水时岩体的三维破坏模式及应力应变状态。其中，填充件的更换包括更换石膏和泥土的混合配比、将泥土更换为泥沙、将填充件整体更换为其他孔隙结构等。

本实施例的利用上述试验装置进行岩溶隧道涌水试验的方法的其他具体步骤，在岩溶隧道涌水试验装置的解释说明中已经提及，不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，包括：

岩土涌水模拟装置，包括第一箱体、透水隔板和填充件；所述透水隔板设置在所述第一箱体内，将所述第一箱体的箱内空间分隔为岩土模拟腔和供水腔；所述填充件设置在所述岩土模拟腔内，用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩；

隧道模拟装置，设置在所述岩土模拟腔内，包括管体以及设置在管体一端的活动挡板；所述管体用于模拟隧道结构，所述活动挡板用于模拟掌子面；所述填充件包围所述隧道模拟装置；

施工模拟装置，与所述活动挡板连接，用于推动所述活动挡板在所述岩土模拟腔内移动；

加压装置，设置在所述岩土模拟腔的上方，用于向所述填充件施加压力；

测试系统，包括相对设置在所述第一箱体的两侧的X射线发射装置和工业相机，用于扫描和抓拍所述填充件的三维破坏模式。

2.根据权利要求1所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述活动挡板上开设有透水孔；所述岩土涌水模拟装置还包括供水系统，所述供水系统与所述供水腔连通，用于向所述供水腔内供水，以在所述第一箱体内形成稳定渗流。

3.根据权利要求2所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述供水系统包括集水箱、集水管、供水管和水泵，所述第一箱体上设置有与所述供水腔连通的进水孔以及与所述管体连通的出水孔，所述集水管连通所述出水孔和所述集水箱，所述供水管连通所述集水箱和所述进水孔，所述供水管上还设置有水泵。

4.根据权利要求2所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述活动挡板上还开设有测压孔，所述测压孔连接有测压管，所述测压管通过所述管体穿出至所述第一箱体外，所述测压管与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

5.根据权利要求1所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述填充件内还均匀分布有多个土压力盒，所述土压力盒与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

6.根据权利要求1所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述施工模拟装置包括传动杆、低速电机和应变式压力传感器；所述传动杆的一端与位于所述第一箱体外的低速电机连接，所述传动杆的另一端伸入所述管体内，并通过应变式压力传感器连接所述活动挡板；所述应变式压力传感器与设置在所述第一箱体外的数据采集仪连接。

7.根据权利要求6所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述施工模拟装置还包括钢支护结构，所述钢支护结构连接所述第一箱体和所述低速电机。

8.根据权利要求1所述的岩溶隧道涌水试验装置，其特征在于，所述填充件包括由石膏和泥土相混合的混合物，所述混合物填充在所述岩土模拟腔内；所述填充件还包括注入所述混合物内用于与所述石膏发生化学反应的盐酸试剂。

9.一种利用如权利要求1所述的试验装置进行岩溶隧道涌水试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用所述岩土涌水模拟装置的透水隔板，将岩土涌水模拟装置的第一箱体的箱内空间分隔为岩土模拟腔和供水腔，将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩的填充件设置在所述岩土模拟腔内；

将所述隧道模拟装置设置在所述岩土模拟腔内，利用隧道模拟装置的管体模拟隧道结构，利用隧道模拟装置的活动挡板模拟掌子面；

将所述施工模拟装置与所述活动挡板连接，利用施工模拟装置推动所述活动挡板在所述岩土模拟腔内移动，模拟隧道开挖施工过程中掌子面的推进；

将所述加压装置设置在所述岩土模拟腔的上方，向所述填充件施加压力，以模拟地应力；

将所述测试系统的X射线发射装置和工业相机相对设置在所述第一箱体的两侧，用于扫描和抓拍所述填充件的三维破坏模式。

10.根据权利要求9所述的岩溶隧道涌水试验方法，其特征在于，所述将用于模拟包含有岩溶通道或溶洞的围岩的填充件设置在所述岩土模拟腔内的步骤包括：

将由石膏和泥土相混合的混合物填充在所述岩土模拟腔内；

将盐酸试剂注入所述混合物内，使所述石膏与盐酸试剂发生化学反应而在其内部产生裂隙，以模拟出岩溶通道或溶洞。

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