[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

说明书

本发明涉及一种隧道突水突泥开挖模拟装置，包括模型架、地应力加载系统、水压加载系统和信息监测系统，模型架内部中空且上端开口，模型架内部设有岩体模型体，岩体模型体包括正常岩体和断层岩体，断层岩体两侧均为正常岩体，模型架的侧壁上设有隧道开挖口，地应力加载系统用于对岩体模型体提供向下的压力，水压加载系统用于向岩体模型体提供水压，信息监测系统包括监测元件和数据采集系统，正常岩体和断层岩体内沿与隧道垂直的方向设有横向监测断面，监测元件埋设在横向监测断面上以监测隧道开挖过程中的位移、土压、渗压和应力变化。本发明还提供了利用上述装置模拟突水突泥灾害的方法。可以精确的模拟隧道突水突泥变化。

技术领域

本发明涉及隧道施工测试与试验技术领域，具体涉及一种隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟索道突水突泥灾害的方法。

背景技术

隧道突水突泥是一种复杂的动力灾害现象，已经是隧道施工最具危害性的地质灾害之一，同时还能诱导其他灾害的发生，比如引起围岩的变形、失稳甚至塌方，地表塌陷，地表建筑物破坏，地表水枯竭等，因此鉴于其严重的危害性，早在20世纪50年代就开始重视突水突泥地质灾害的防治技术的研究。

隧道施工通常会在在断层带岩体，裂隙发育带，胶结性差，以富水高压、松散破碎为主，含水体内介质强度极低，隧道围岩在受到开挖扰动后，出现应力释放以及地下水渗流路径改变等现象，在满足灾害启动条件后，隧道就会发生突水突泥。由于断层破碎带复杂的构造成因及赋存条件，理论研究及数值模拟有其自身的局限性，而现场试验对于数据的采集存在较大困难且严重威胁试验人员的人身安全，因此难以取得进展。地质模型试验作为一种重要的研究手段，能够全面、真实的反映地质灾害与洞室的空间关系，准确模拟隧道、巷道等地下工程的施工过程，获得岩体介质的变形破坏特征，在解决地下工程灾害问题时具有不可替代的重要作用，能够真实准确的再现突水突泥灾变演化过程，试验结果较数值模拟更为接近实际工程，使人们能够直观的得到围岩的受力特征以及变形规律，为研究突水突泥致灾机理奠定基础。

现有技术中朱维申等研制了三维模型试验台架装置，实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载，研究了围岩破坏的发展过程，张强勇等研制出一种高地应力真三维记载地质力学模型实验系统，并有效模拟出深部巷道围岩分区破裂的非线性变形破坏现象，姜耀东等研制一种新型真三轴巷道平面模型试验台，开展大量复杂条件下巷道稳定性的模型试验；刘爱华等研制了深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统，实现深部采矿时复杂盈利、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程；李术才等研制了大比尺三维模型试验系统，真实模拟了隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程；高魁等建立了煤与瓦斯突出试验平台，进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验，研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律。

然而，针对断层破碎带隧道突水突泥灾害相关地质力学模型试验的研究相对匮乏，使用上述模型试验进行突水突泥灾害研究主要存在以下问题：模型尺寸较小，无法进行大比尺试验，存在明显的边界效应；多集中在地应力作用下隧道开挖过程中围岩的稳定性研究，未考虑断层破碎带岩体在地下水与开挖扰动综合作用下的突变演化过程；对断层破碎带充填介质相似材料的技术较少，目前的流-固耦合相似材料大多仅考虑密度、尺寸等物理指标，同时满足固体力学性质及渗透性的相似材料极少，更少有同时将正常岩体与断层岩体两种不同特性的相似材料应用于同一试验中。

发明内容

本发明为解决上述技术问题是提供了一种隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法。