[发明专利]一种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

技术领域

本发明涉及一种突水突泥开挖模拟装置，尤其涉及一种用于模拟高速铁路隧道开挖过程中隐伏岩溶突水突泥灾害的装置，还涉及模拟突水突泥灾害的方法，属于高速铁路隧道工程领域。

背景技术

中国岩溶区面积总约3.44×106km²，其中，裸露岩溶区面积为9.07×105km²。西南以云、贵、桂为主体，包括川、渝、鄂、湘部分地区，岩溶面积达5.0×105km²，贵州省面积80%以上均为可溶岩。岩溶山区高速铁路的建设与运营很大程度上受复杂地质环境和水文地质条件制约。—方面，隧道围岩中隐伏岩溶溶洞的存在，使得隧道围岩物理力学性质发生了改变，导致了隧道围岩岩层刚度和地应力场也发生变化；另一方面，由于岩溶水的存在，造成了隧道建设过程中水文地质和工程地质条件的改变，导致了岩溶渗透水压力值升高，隧道围岩强度降低。隐伏岩溶隧道在开挖过程中，岩溶溶腔中的泥水混合两相体在开挖破坏扰动和高渗透压力的双重作用下冲破隧道防突层而高压涌出，轻者会影响工程施工及运营，重者会导致重大经济损失乃至人员伤亡。

随着以上问题的日益突出，对隐伏岩溶隧道开挖突水突泥灾害的研究已经成为本领域的热点。国内外学者展开了大量的研究工作，其中物理模拟研究为最常用、最有效的手段之一。但在实际模拟过程中，由于隐伏岩溶隧道突水突泥过程的影响因素较多，相关的突水突泥物理模拟装置或多或少均存在缺陷，例如专利CN101231226B公开了一种大尺寸岩石试样高压渗透试验装置，但其只针对岩样测试；专利CN101308126A公开了一种开挖突水的模拟装置，但其最大承受水压仅为1MPa，不能满足高承压水作用下隧道突水突泥试验模拟的要求；专利CN204855131U公开了一种构造裂隙充填结构突水突泥试验装置，虽然其能模拟高承压条件下的突水突泥，但是不能实现开挖工况下的突水突泥模拟，也难以摸索出相应的突水突泥规律。由此可见，相关的隐伏岩溶隧道开挖突水突泥试验装置有待于更进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的就是现有高速铁路隧道修建过程中，隐伏岩溶隧道开挖突水突泥灾害的物理模拟装置均不同程度的存在缺陷，提供一种隐伏岩溶隧道开挖突水突泥试验装置，刚度大、强度高、密封性较好、测量数据准确，能够模拟出不同位置、不同充填条件及不同压力条件下的岩溶隧道开挖过程中突水突泥的装置，具体方案如下：

一种突水突泥开挖模拟装置，包括底座、试验腔、竖直加压的加压装置和进水口，其特征在于：所述试验腔一侧设有两个开挖入口，分别位于试验腔的上下侧，通过上侧或下侧的开挖入口向内开挖隧道，试验腔内部装有岩体相似材料和岩溶溶腔，所述岩体相似材料将岩溶溶腔包围；所述试验腔设于底座上，所述加压装置设于试验腔顶部，所述试验腔上还设有进水口。

进一步地，所述加压装置包括受力部、加压传力杆和透水板，所述受力部设于加压传力杆顶部，所述加压传力杆通过密封装置与试验腔连接，所述加压传力杆底部连接透水板，所述透水板下端设有顶部透水毛毡。

进一步地，密封装置为法兰盘，所述法兰盘周围设有若干连接件，法兰盘通过若干连接件与试验腔顶部连接，法兰盘中部设有孔，所述加压传力杆穿过孔，所述孔上设有密封圈。

进一步地，所述孔有三个，且三个孔之间的连线呈三角形，所述进水口设于所述三角形旁侧。

进一步地，所述底座包括底部法兰盘和支架，试验腔设于底部法兰盘上，试验腔底部设有底部透水毛毡，底部透水毛毡与底部法兰盘接触，底部法兰盘中部设有第二进水口。

进一步地，所述开挖隧道外周设有电缆密封接头。

进一步地，岩体相似材料内部沿隧道开挖方向依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，所述隧道与第一横向监测断面和第二横向监测断面垂直，所述岩溶溶腔位于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间，以便进行数据采集和评估。

本发明涉及的一种上述的突水突泥模拟装置模拟突水突泥的方法，包括如下步骤：

（1）组装装置；

（2）将岩体相似材料铺设在试验腔内，并在岩体相似材料内部预设岩溶溶腔；

（3）沿隧道开挖方向在岩体相似材料内部依次设置第一横向监测断面和第二横向监测断面，第一横向监测断面和第二横向监测断面与隧道垂直，所述岩溶溶腔设于第一横向监测断面和第二横向监测断面之间，选取具有代表性的位置布设监测点；

（4）待模型装填完毕后，采用电子万能试验机对试验腔内的岩体相似材料施加竖向荷载至设定值；