本发明专利技术公开了一种隧道开挖岩溶突水试验方法，包括配料、填料、埋设元件、埋设水箱、注水及监测、开挖及监测等步骤。本发明专利技术还公开了一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座上的模型架、预制水箱、水压加载机构、应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构、声发射场监测机构、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、光纤解调仪以及计算机。本发明专利技术同时能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律，具有适用范围广、可靠度高、采集数据丰富、试验精度高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置，属于试验模型领域。
技术介绍
目前，我国经济建设的发展越来越迅速，对基础设施建设的要求不断的提高，在交通设 施建设，水利水电工程建设中，深埋长大山岭隧道不断增加。我国碳酸盐岩分布广泛，按可 溶岩地层的分布面积计算约占国土面积的1/3，岩溶深埋长隧道工程由于埋深大、洞身长、地 质条件复杂，在修建过程中，将会遇到一系列特殊的灾害地质问题，如塌方、突水、突泥(沙) 等问题。其中以隧道突水最为常见，危害性也最大，往往给工程施工带来很大危害，造成大 量围岩失稳，隧道报废或人身伤亡事故。因此，加强隧道突水的研究，建立有效的预防措施 保障隧道施工及隧道运营安全，具有重要的意义。隧道突涌水的分析首先是从定性研究开始的，最早的分析只是通过查明隧道含水围岩中 地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖的水文地质及工程地质条件，确定地下水的富集带 或富集区似及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水突涌水通道，判断是否发生突涌水。通过模型试验来研究隧道岩溶突水前兆多场信息的变化目前研究不多， 一般模型试验只 能研究隧道岩溶突水前一两个场的信息变化，不能研究不同的含水体位置、不同水压情况下， 隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。 一般模型试验主要有利用岩体温度法预测隧道 掌子面前方含水体的模型试验，郭如军(2008)从岩体温度影响因素及岩体温度场出发，通 过室内模型试验研究，分析了岩体温度与隧道施工掌子面前方含水体的关系及隧道施工掌子 面前方含水体的预报原理和可行性。目前对隧道岩溶突水形成过程中围岩应力场、温度场、 渗流场、声发射场等的变化演化规律尚未形成清楚的认识。研究隧道岩溶突水前兆信息的变化规律，进而实现对隧道岩溶突水的预测预报，应当研 究多场信息的变化，从多场信息的变化中分析各场的相关性，找到突水前兆信息的主要变化 规律，应当考虑含水体位置、水压的大小对隧道开挖诱发突水前兆多场信息变化规律的影响， 综合考虑多种因素从而提高预测预报的精度。为了提高监测数据的可靠性及精度应当选用采 样率高的监测仪器，实现对试验的实时监测从而捕捉到突水前信息的变化规律。传统的监测 元件不具有防水的功能，且采样率低不能实现对试验的实时监测。通过模型试验研究隧道岩溶突水前兆信息的变化规律，应当考虑选择的监测元件有防水的功能，使其在遇水的情况下 仍能够发挥正常的监测功能。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供了一种隧道开挖岩溶突水试验方法，以及其监测装置， 本专利技术能够考虑不同的含水体位置、不同水压情况下，隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变 化规律，能够同时实现对模型试验中应力场、变形场、温度场、渗流场、声发射场的实时监 测，采集数据丰富，试验精度高。本专利技术是通过以下技术方案实现的一种隧道开挖岩溶突水试验方法，包括以下步骤1) 配料配置模型试验相似材料利用相似比要求配置试验用模型材料，模型材料应当 满足几何、运动、动力、弹性模量、泊松比、强度等相似要求。2) 填料将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型架中，模型架四周涂胶以防 止试验中水从四周渗出。3) 埋设元件在指定位置处埋设监测元件，将测线引出并与监测仪器相连，检査元件是 否功能正常，对于不能正常工作的元件应重新埋设。4) 埋设水箱将水箱按指定位置置于模型架中，并将水压加载机构引出。5) 注水及监测同时启动各监测仪器，待10分钟后开始缓慢注水，使水位达到指定的 高度，使用连通管保持现有水位高度；连续采集12 16小时，直至水体在模型中渗透达到稳 定状态；渗透达到稳定状态的标准为仪器监测到的指标不随时间发生明显变化。6) 开挖及监测在模型正前方及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，待10分钟后开 始隧道开挖；使用摄像机拍摄开挖全过程，使用摄像头拍摄每一步开挖后燧道内的场景，人 工记录试验过程中水位的变化；分步开挖直至隧道发生突水现象；7) 改变水箱的位置、水压力大小，重复步骤(3) (6)。8) 通过以上步骤得到的信息，得出不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突 水前兆多场信息的变化规律。本专利技术能够实现对模型试验中应力场、变形场、温度场、渗流场、声发射场的实时监测， 采集数据丰富试验精度高。一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座上的模型架、预制水箱、 水压加载机构、应力场监测tl构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构、声 发射场监测机构、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、 光纤解调仪以及计算机；其中，预制水箱位于模型架的内部，水压加载机构位于模型架的顶 部；应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构及渗流场监测机构均位于模型架的内部，各监测机构通过光纤解调仪与计算机相连；声发射场监测机构位于模型架表面，并通 过前置放大器与声发射主机相连；模型表面位移变形观测机构装设于模型架的正前方，并与 计算机相连；模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构装设于模型隧道的正前方，并与计算 机相连。所述水压加载机构为带刻度的水位管，通过调节水管内的水位高度来改变水压的大小。 所述应力场监测机构、变形场监测机构、温度场监测机构、渗流场监测机构分别为光纤 应力传感器、位移传感器、温度传感器、渗压传感器。 所述声发射场监测机构为声发射探头。所述模型表面位移变形观测机构包括摄像头及数码摄像机三角架，其装设于模型架的正 前方，摄像头与计算机相连。所述模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构包括摄像机及数码摄像机三角架，其装设 于模型隧道的正前方，摄像机与计算机相连。与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术提出通过模型试验来研究隧道岩溶突水前 兆多场信息的变化，同时能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆 多场信息的变化规律。 一般模型试验只能研究隧道岩溶突水前一两个场的信息变化，不能研 究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律；本专利技术 采集数据丰富、试验精度高。本专利技术提出了相应的试验装置，该装置和其他装置相比，采样 率高，能够实现对试验的实时监测，选择的监测元件有防水的功能，使其在遇水的情况下仍 能够发挥正常的监测功能。本专利技术具有适用范围广、可靠度高、采集数据丰富、试验精度高 等优点。 附图说明图1为本专利技术的试验方法的流程图2为本专利技术的监测装置的正面结构示意图3为本专利技术的监测装置的侧面结构示意图4为水体位于隧道顶部的模型试验结构示意图5为水体位于隧道侧部的模型试验结构示意图。其中，1、基座；2、模型架；3、隧道；4、预制水箱；5、水位管6、水体7、光纤应 力传感器；8、光纤位移传感器；9、光纤温度传感器；10、光纤渗压传感器；11、声发射探 头12、摄像机；13、三角架；14、光纤解调仪；15、计算机；16、前置放大器；17、声发 射主机。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明一种用于隧道开挖岩溶突水试验的监测装置，其包括固定于基座1上的模型架2、预制 水箱4、水位管5 (带刻度)、光纤应力传感器7、位移传感器8、温度传感器9、渗压传感器 10、声发射探头11、模型表面位移变形观测机构、模型开挖后隧道内的变形与突水观测机构、 光纤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种隧道开挖岩溶突水试验方法，包括以下步骤： １）配料：配置模型试验相似材料； ２）填料：将材料按要求置于模型架中； ３）埋设元件：在指定位置处埋设监测元件； ４）埋设水箱：将水箱按指定位置置于模型架中； ５）注水及监测：同时启动 各监测仪器，待１０分钟后开始缓慢注水，使水位达到指定的高度，使用连通管保持现有水位高度；连续采集１２～１６小时，直至水体在模型中渗透达到稳定状态；渗透达到稳定状态的标准为仪器监测到的指标不随时间发生明显变化； ６）开挖及监测：在模型正前方 及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，待１０分钟后开始隧道开挖；使用摄像机拍摄开挖全过程，使用摄像头拍摄每一步开挖后隧道内的场景，人工记录试验过程中水位的变化；分步开挖直至隧道发生突水现象； ７）改变水箱的位置、水压力大小，重复步骤（３）～ （６）； ８）通过以上步骤得到的信息，得出不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，李利平，李树忱，冯现大，李国莹，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]
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