[发明专利]隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法

权利要求书

1.一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，包括模型架(1)、地应力加载系统(2)、水压加载系统和信息监测系统，所述模型架(1)内部中空且上端开口，所述模型架(1)内部设有岩体模型体，所述岩体模型体包括正常岩体(5)和断层岩体(6)，且所述断层岩体(6)的两侧均为正常岩体(5)，所述模型架(1)的侧壁上设有隧道开挖口(4)，且由该隧道开挖口(4)深挖的隧道(7)贯穿断层岩体(6)和正常岩体(5)，所述断层岩体(6)的断层与所述隧道(7)轴线之间形成夹角，且该夹角为20～90°，所述地应力加载系统(2)用于对所述岩体模型体提供向下的压力，所述水压加载系统用于向所述岩体模型体提供向下的水压，所述信息监测系统包括相互电连接的监测元件和数据采集系统，所述正常岩体(5)和所述断层岩体(6)内沿与所述隧道(7)垂直的方向设有横向监测断面，所述监测元件埋设在所述横向监测断面上以监测所述隧道(7)开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化。

2.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述正常岩体(5)和断层岩体(6)分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5：1，灰水比1.5：1，土晶比2：1，骨胶比10：1，砂灰比12：1，水胶比0.8：1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1：1，水膏比0.8：1，灰土比2.2：1，骨胶比3.5：1，水油比3.5：1，砂膏比0.3：1。

3.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述监测元件包括位移传感器、土压传感器、渗压传感器和应变砖传感器，其分别埋设在所述横向监测断面的隧道(7)的拱顶、拱肩、拱腰以及拱底。

4.根据权利要求3所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述横向监测断面沿所述隧道(7)开挖方向设置多个，每个所述横向监测断面分别在所述隧道(7)洞周、一倍洞径、二倍洞径和三倍洞径的位置布置四环监测点，每环所述监测点上均设有所述监测元件。

5.根据权利要求1所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，所述隧道开挖口(4)设置有两个，两个所述隧道开挖口(4)水平间隔设置在所述模型架(1)的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的一种隧道突水突泥开挖模拟装置，其特征在于，还包括含水体，其设置在所述断层岩体(6)内且位于两条所述隧道(7)之间，所述含水体内沿断层走向布置两根供水管路与外部所述水压加载装置连通。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的装置模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定正常岩体(5)和断层岩体(6)的相似材料；

步骤二、岩体模型体制作；

步骤三、将监测元件埋设在所述横向监测断面上；

步骤四、隧道(7)开挖及支护；

步骤五、数据采集及试验结果分析。

8.根据权利要求7所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述正常岩体(5)和所述断层岩体(6)分别由正常岩体相似材料和断层岩体相似材料制成，所述正常岩体相似材料以砂、土和重晶石粉为骨料，以水泥和乳胶粉为胶结剂，其配比为：土砂比1.5：1，灰水比1.5：1，土晶比2：1，骨胶比10：1，砂灰比12：1，水胶比0.8：1，所述断层岩体相似材料以砂、土和煤粉灰为骨料，以石蜡油为胶结剂，其配比为：砂土比3.1：1，水膏比0.8：1，灰土比2.2：1，骨胶比3.5：1，水油比3.5：1，砂膏比0.3：1。

9.根据权利要求7所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述步骤四中采用超短台阶法进行开挖，具体步骤为：上下台阶开挖，初次支护，前两榀二次衬砌施作，继续开挖，第三榀二次衬砌施作，剩余段开挖及初次支护。

10.根据权利要求9所述的模拟突水突泥灾害的方法，其特征在于，所述试验结果分析包括观察突水突泥过程、监测渗压变化、涌出物变化、应力应变变化和位移变化。