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    大型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研制及其應(yīng)用研究

    2022-10-12 06:09:06王軍祥胡開恩郭連軍寇海軍崔寧坤
    隧道建設(shè)(中英文) 2022年9期
    關(guān)鍵詞:泥灰?guī)r模型試驗(yàn)水壓

    王軍祥, 胡開恩, 郭連軍, 寇海軍, 李 林, 崔寧坤

    (1. 沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870;2. 中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司, 遼寧 大連 116100)

    0 引言

    我國基建重心逐漸向地質(zhì)條件極其復(fù)雜的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移,鐵路、公路、隧道及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼。由于隧道建設(shè)過程中極易出現(xiàn)突水、軟巖變形、塌方、巖爆等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害[1-3],且隧道突水具有隱蔽性、不可視性以及誘發(fā)性等特點(diǎn),突水災(zāi)害的發(fā)生往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,因此,研究隧道突涌水的致災(zāi)機(jī)制及演化規(guī)律對(duì)指導(dǎo)工程建設(shè)具有重大意義。

    目前,國內(nèi)外學(xué)者在隧道突水突泥機(jī)制方面研究獲得了豐富的成果[4-6]。黃明利等[7]從力學(xué)角度通過數(shù)值軟件RFPA進(jìn)行模擬,研究了巖溶隧道突水過程中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)特征,初步揭示了巖溶隧道的突水機(jī)制。余慶鋒等[8]通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,揭示了充填型巖溶管道突水災(zāi)變演化過程。周宗青等[9]通過數(shù)值軟件PFC對(duì)巖體漸進(jìn)破壞和充填體滲透失穩(wěn)2種突涌水災(zāi)害進(jìn)行模擬,揭示了動(dòng)力擾動(dòng)、開挖卸荷與高水壓三者聯(lián)合作用下巖體漸進(jìn)破裂機(jī)制,以及高滲透壓作用下充填體“變強(qiáng)度-變滲透性-變黏度”的滲透破壞機(jī)制。

    模型試驗(yàn)作為一種重要手段,具有真實(shí)、直觀和形象等特點(diǎn),被許多學(xué)者所采用[10-12]。陳紅江等[13]通過深部承壓突水地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng),模擬水下開采過程,研究了開采全過程中采場(chǎng)頂板裂隙滲流發(fā)展及突水機(jī)制。趙明階等[14]開展隧道開挖模型試驗(yàn),研究了溶洞尺寸、間距及開挖工法對(duì)于隧道洞周圍巖穩(wěn)定性的影響。楊為民等[15]研制了高地應(yīng)力和高水壓下隧道突水模型試驗(yàn)系統(tǒng),揭示了在高地應(yīng)力和高水壓條件下巖溶隧道突水災(zāi)害演化過程、破壞特征及隧道突水前兆信息。李秀茹等[16]通過突水模型試驗(yàn)系統(tǒng),研究了富水破碎帶巖溶隧道突水特點(diǎn)以及水力學(xué)參數(shù)對(duì)水壓的敏感性,揭示了富水破碎帶巖溶隧道突水機(jī)制。李浪等[17]通過模型試驗(yàn),研究了突水災(zāi)害發(fā)生時(shí)的最小安全隔水巖層厚度。李術(shù)才等[18]、潘東東等[19]通過物理模型試驗(yàn),研究了承壓溶洞對(duì)隔水巖體破裂突水的作用規(guī)律及巖溶突水滲流物理模型,初步揭示了高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道突水災(zāi)變演化機(jī)制,并在齊岳山隧道、永蓮隧道等工程實(shí)踐中運(yùn)用??梢娔P驮囼?yàn)在工程研究中占有重要地位,但國內(nèi)外多是對(duì)靜載下的模型試驗(yàn)研究,而對(duì)動(dòng)力模型試驗(yàn)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少。

    本文以秦峪隧道為工程依托,研制了可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力加載的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng),該模型試驗(yàn)系統(tǒng)具有長期恒壓穩(wěn)定、五向加載及低頻周期加卸載等特點(diǎn),模型試驗(yàn)箱各面板與底板之間設(shè)計(jì)軸承滑動(dòng)裝置和導(dǎo)向裝置,可有效減小移動(dòng)阻力對(duì)加載系統(tǒng)的影響。利用自主研發(fā)的多功能水壓穩(wěn)壓加載裝置對(duì)模型地質(zhì)體進(jìn)行水壓加載,采用加載精度及穩(wěn)壓效果好的電液伺服加載系統(tǒng)模擬地應(yīng)力加載,開展隧道突涌水災(zāi)害機(jī)制及信息演化規(guī)律相關(guān)研究。

    1 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研制

    三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,其包括模型試驗(yàn)箱、電液伺服靜動(dòng)力加載系統(tǒng)、多功能水壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)、多源信息的隧道突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)。

    1.1 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)箱

    模型試驗(yàn)箱和反力架均采用Q345B碳素合金鋼材進(jìn)行制作。該材質(zhì)具有強(qiáng)度高及變形小的特點(diǎn),可有效減小試驗(yàn)過程中箱體自身變形對(duì)試驗(yàn)邊界條件的影響。模型試驗(yàn)箱最大內(nèi)腔尺寸為2 000 mm×1 000 mm×2 000 mm(長×寬×高),可滿足較大尺寸試驗(yàn)強(qiáng)度及變形要求,其各部分結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。模型試驗(yàn)箱采用可拆卸式設(shè)計(jì),試驗(yàn)完成后可拆卸集中堆放。

    各面板采用鋼構(gòu)格柵化設(shè)計(jì),各個(gè)格柵之間采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接,保證了試驗(yàn)所需強(qiáng)度及剛度。在各面板與底板之間設(shè)計(jì)軸承滑動(dòng)裝置與導(dǎo)向裝置,可有效減小移動(dòng)阻力對(duì)加載系統(tǒng)的影響。底板上設(shè)置導(dǎo)向槽,可使四周的面板在底板上進(jìn)行自由直線滑動(dòng),使前后方向及側(cè)向電液伺服系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行圍壓加載。

    1.2 電液伺服靜動(dòng)力加載系統(tǒng)

    靜動(dòng)力加載系統(tǒng)主要由液壓油箱、控制柜、油泵、液壓管路、液壓千斤頂、控制臺(tái)等裝置組成,動(dòng)力加載系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)加載方式為靜力和循環(huán)加載,加載精度1%,誤差±1%。

    圖3 動(dòng)力加載系統(tǒng)

    在豎向設(shè)置單向電液伺服加載系統(tǒng),在前后及兩側(cè)均設(shè)置雙向電液伺服加載系統(tǒng),從而形成五向、三維加載系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)模型地質(zhì)體同步加載,真實(shí)模擬研究對(duì)象所處的應(yīng)力環(huán)境。

    1.3 多功能水壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)

    傳統(tǒng)水壓加載系統(tǒng)大多是提高水頭高度,但加壓范圍較為局限,難以對(duì)水流速度進(jìn)行精確控制。自主研發(fā)多功能水壓穩(wěn)壓加載模擬系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)流速穩(wěn)定的水壓加載,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)水構(gòu)造內(nèi)液體的模擬,其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

    圖4 多功能水壓加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

    多功能水壓穩(wěn)壓加載模擬系統(tǒng),主要由混合反應(yīng)水罐(不銹鋼304)、二氧化碳儲(chǔ)氣瓶、氮?dú)鈨?chǔ)氣瓶和恒流泵等共同構(gòu)成,如圖5所示。該水壓加載模擬系統(tǒng)具備多功能應(yīng)用性,可實(shí)現(xiàn)0~10 MPa的水壓模擬,還可對(duì)突涌水構(gòu)造內(nèi)的水流速度、pH值、溫度等進(jìn)行調(diào)控。

    圖5 多功能水壓穩(wěn)壓加載模擬系統(tǒng)

    1.4 基于多源信息的隧道災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

    基于Python編程語言自主研發(fā)多源信息隧道突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境無人值守監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)共享分析。與一般的自動(dòng)化采集系統(tǒng)相比,增添了智能綜合預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)可視化模塊、智能算法反饋分析模塊。系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

    圖6 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

    隧道突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到隧道施工過程中,在物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立一套多源化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)智能儲(chǔ)存及用戶交換、基于智能算法反饋分析模塊等共同構(gòu)成的綜合系統(tǒng),其硬件搭設(shè)如圖7所示。

    圖7 預(yù)警系統(tǒng)硬件搭設(shè)

    該系統(tǒng)主要具備以下功能:

    1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道工程施工過程中巖土體的壓力、位移、滲透水壓等參數(shù)變化;

    2)將監(jiān)測(cè)到的壓力、位移、滲透水壓等工程參數(shù)進(jìn)行無線傳輸,并自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫;

    3)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)可供IA-BP算法模塊、預(yù)警預(yù)報(bào)模塊調(diào)用;

    4)IA-BP智能算法對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演及數(shù)值模擬分析;

    5)可設(shè)定預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù),進(jìn)行單項(xiàng)閥值和IA-BP智能算法綜合對(duì)比分析,進(jìn)行綜合預(yù)警預(yù)報(bào)。

    1.5 數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)

    位移變化利用自制位移傳遞裝置與百分表進(jìn)行采集,如圖8(a)所示;土壓力變化采用BX-1型土壓力傳感器,如圖8(b)所示;滲水壓力變化采用BS-2型滲壓計(jì)傳感器進(jìn)行采集,如圖8(c)所示。土壓力及滲壓計(jì)傳感器具有靈敏度高、體積小等特點(diǎn)。

    (a) 位移采集裝置 (b) 土壓力計(jì)傳感器 (c) 滲壓計(jì)傳感器

    除使用上述采集系統(tǒng)外,試驗(yàn)過程中還使用了東華DH3820高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀及IMC采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如圖9所示。該采集系統(tǒng)具有采集方式多樣化、采集精度高、可同時(shí)進(jìn)行多通道采集及采樣頻率高等特點(diǎn)。

    (a) DH3820高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀 (b) IMC數(shù)據(jù)采集儀

    2 相似材料研制

    2.1 相似理論

    基于相似三定律,利用量綱分析法、定律分析法和方程分析法進(jìn)行相似關(guān)系推導(dǎo)[18]。相似模型與研究原型的同種物理參數(shù)分別用下標(biāo)M和P來表示,相似參數(shù)C為同種物理量的模型參數(shù)與原型參數(shù)比值。物理特征參數(shù)為: 幾何尺寸L、應(yīng)變?chǔ)?、力F、應(yīng)力σ、密度ρ、容重γ、彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、泊松比v及時(shí)間t等。相似模型(M)與研究原型(P)之間的相似常數(shù)為:

    (1)

    式中:CL為幾何尺寸相似比尺;Cσ為應(yīng)力相似比尺;Cε為應(yīng)變相似比尺;CE為彈性模量相似比尺;Cc為黏聚力相似比尺;Cφ為內(nèi)摩擦角相似比尺;Cv為泊松比相似比尺;Cγ為容重相似比尺;Ct為時(shí)間相似比尺。

    各特征參數(shù)之間的相似關(guān)系可用函數(shù)式(2)表示:

    f(F,L,γ,σ,ε,E,φ,ν,c,t)=0

    。

    (2)

    選用特征物理參數(shù)L、F、t為基本量群,將所選基本量群代入式(2)中,可得判據(jù)方程:

    Φ(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7)=0

    。

    (3)

    (4)

    此處π1為量綱為1的量,則有a=1,b=-2,d=0,故有:

    (5)

    同理可知:

    (6)

    故有:

    Cσ=CE=Cc=CγCL

    。

    (7)

    量綱分析法要求量綱相同的物理參數(shù)相似比尺相同,且量綱為1的相似比尺為1,即

    Cε=Cφ=Cv=1

    。

    (8)

    應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同耦合作用條件下的相似模型,不僅要滿足上述的物理特性相似條件,還需滿足研究原型的水理特性及變形特性,常見的水理特性及變形特性參數(shù)為孔隙率ω、滲透系數(shù)K及軟化系數(shù)ζ。利用連續(xù)介質(zhì)固流耦合數(shù)學(xué)模型對(duì)其相似關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo),則相似模型與研究模型之間存在以下相似關(guān)系[11]。

    滲流方程:

    (9)

    式中:Kx、Ky、Kz為x,y,z方向滲透系數(shù),cm/s; 令Kx=Ky=Kz;e為體積應(yīng)變;W為源匯項(xiàng);p為水壓力,MPa;S為貯水系數(shù)。

    平衡方程:

    (10)

    式中:Xj為體積力,N/m3;ρ為密度,g/cm3。

    有效應(yīng)力方程:

    (11)

    則各水理特性及變形特性之間的相似常數(shù)為:

    (12)

    式中:Cζ為軟化系數(shù)相似比尺;Cω為孔隙率相似比尺;CK為滲透系數(shù)相似比尺。

    同理其判據(jù)方程為:

    Φ(π8,π9,π10)=0

    。

    (13)

    Cζ=Cω=1

    ;

    (14)

    (15)

    依據(jù)相似理論,取幾何相似比尺C=25,容重相似比尺Cγ=1,由式(1)—(15),可得參數(shù)相似比尺Cσ=Cσc=CE=Cc=25,Cζ=Cφ=1,故原巖參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

    表1 泥灰?guī)r和相似材料基本參數(shù)表[20-21]

    2.2 試驗(yàn)方案

    秦峪隧道段泥灰?guī)r為二疊系泥灰?guī)r,通過對(duì)原巖物理、水理特性分析和常用相似材料各組分的分析,最終選取粒徑為0.3~0.6 mm的河砂與粒徑為325目的重晶石粉為骨料; 粒徑為325目的紅黏土粉作為膠結(jié)劑來模擬泥灰?guī)r遇軟化、泥化特性,并添加普通硅酸鹽水泥來提高膠結(jié)強(qiáng)度; 選用石膏粉作為外摻調(diào)節(jié)劑進(jìn)行泥灰?guī)r相似材料的研制,相似材料原料如圖10所示。

    (a) 砂 (b) 紅黏土 (c) 石膏

    依據(jù)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,選取4個(gè)水平(見表2),并取骨膠比、紅黏土∶水泥、砂∶重晶石、石膏粉摻量4個(gè)影響因素,制定L16(44)相似材料配比試驗(yàn)表,正交設(shè)計(jì)及試驗(yàn)配比如表2和表3所示。

    表2 正交設(shè)計(jì)

    表3 相似材料配比正交試驗(yàn)表

    2.3 泥灰?guī)r相似材料制作與參數(shù)測(cè)定

    按照相似材料配比正交試驗(yàn)表,將相似材料的原料分別稱量依次放入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆?;稱量30%的水分3次加入攪拌機(jī)中(材料總重的30%),再次攪拌均勻;將攪拌均勻的材料分3次裝填至模型中,并振搗均勻,進(jìn)行編號(hào)養(yǎng)護(hù)7 d。開展16組配比試驗(yàn),每組配比制作10個(gè)尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)長方體試件,6個(gè)表面積為30 cm2、高為2 cm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試件,總計(jì)256個(gè)試件,其中160個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長方體試件和96個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試件,部分試件如圖11所示。

    (a) 部分長方體試件 (b) 部分環(huán)刀試件

    選取泥灰?guī)r的密度ρ、單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及孔隙率ω為主控物理力學(xué)參數(shù),選取軟化系數(shù)ζ為主控水理特性參數(shù),進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。通過單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定試件單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E及軟化系數(shù)ζ,通過烘干試件及試件飽水測(cè)得孔隙率ω,利用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)試件的黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行測(cè)定,如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

    (a) WDW-100E型萬能試驗(yàn)機(jī)

    由表4可知,試驗(yàn)組泥灰?guī)r相似材料的相關(guān)參數(shù)范圍為:ρ=1.46~4.68 g/cm3、σc=0.32~13.11 MPa、c=8.07~285.3 kPa、φ=11.32~34.18°、E=29.72~924.82 MPa、ω=31.52%~46.72%、ζ=0.23~0.74。對(duì)比表2可知,試驗(yàn)組泥灰?guī)r相似材料參數(shù)范圍均大于泥灰?guī)r參數(shù),即該正交設(shè)計(jì)下的泥灰?guī)r相似材料具有可行性及較好的可調(diào)性。

    表4 泥灰?guī)r相似材料試驗(yàn)結(jié)果

    2.4 參數(shù)敏感性分析

    基于各組配比試件參數(shù)測(cè)定結(jié)果對(duì)各參數(shù)進(jìn)行極差和方差分析,繪制出各因素敏感性分析圖,如圖13所示。通過對(duì)主控參數(shù)下各因素極差值及方差分析,得出相似材料各組分含量的敏感性。

    (a) 密度

    由圖13可知,泥灰?guī)r相似材料各主控參數(shù)敏感性從大到小依次為: 單軸抗壓強(qiáng)度∶骨膠比>黏土∶水泥>石膏粉摻量>砂∶重晶石粉;密度∶骨膠比>黏土∶水泥>砂∶重晶石粉>石膏粉摻量;黏聚力∶骨膠比>黏土∶水泥≈砂∶重晶石粉≈石膏粉摻量;內(nèi)摩擦角∶黏土∶水泥≈石膏粉摻量>砂∶重晶石>骨膠比;彈性模量∶骨膠比>黏土∶水泥>石膏粉摻量>砂∶重晶石;軟化系數(shù)∶砂∶重晶石>黏土∶水泥>石膏粉摻量>骨膠比;孔隙率∶骨膠比>石膏粉摻量>黏土∶水泥≈砂∶重晶石。

    2.5 原巖相似材料配比

    通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試及配比的調(diào)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)配比為: 骨膠比1∶1、黏土∶水泥2∶1、砂∶重晶石2∶1、石膏摻量30%時(shí),基本接近相似材料的主控參數(shù),該相似材料能夠較好地對(duì)泥灰?guī)r進(jìn)行模擬,其試驗(yàn)參數(shù)與泥灰?guī)r原巖參數(shù)對(duì)比如表5所示。

    表5 泥灰?guī)r與相似材料參數(shù)

    3 隧道突涌水模型試驗(yàn)

    3.1 工程概況

    秦峪隧道長度為2.5 km,位于渭武高速的隴南段,隧道右線YK347+840為白云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r的分界點(diǎn),YK347+840~+865段落為全泥灰?guī)r地層。該標(biāo)段泥灰?guī)r為二疊系泥灰?guī)r,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,巖體較為軟弱,遇水易軟化泥化,呈淡紅色夾白色,圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí),平均埋深為140~180 m,秦峪隧道全景如圖14所示。

    圖14 秦峪隧道全景

    施工過程中出現(xiàn)多次突涌水災(zāi)害,如圖15所示。突涌水災(zāi)變演化過程極其復(fù)雜,且具有強(qiáng)突發(fā)性和強(qiáng)隱蔽性,其災(zāi)害機(jī)制尚不明確。

    (a) 秦峪出口右線掌子面股狀涌水

    以秦峪隧道YK347+840~+865段為試驗(yàn)原型,隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。由工程地質(zhì)勘查報(bào)告可知,該隧道段泥灰?guī)r圍巖較為完整,其完整性系數(shù),巖層傾角較為陡峭,地下水易沿結(jié)構(gòu)面滲入,且該隧道段局部存在高地應(yīng)力,開挖時(shí)可能出現(xiàn)收斂變形。

    借助三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)該工程段的泥灰?guī)r圍巖及含水構(gòu)造進(jìn)行相似模擬,并在含水構(gòu)造與隧道開挖面之間的防突巖體及周邊圍巖進(jìn)行多源信息化監(jiān)測(cè),分別對(duì)應(yīng)力變、位移及水壓等物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。分析隧道在開挖過程中及發(fā)生突涌水整個(gè)過程的各個(gè)物理參數(shù)信息,討論泥灰?guī)r突涌水機(jī)制,為工程施工及突涌水預(yù)警預(yù)報(bào)研究提供參考。

    3.2 模型填筑

    對(duì)上述工程段泥灰?guī)r隧道進(jìn)行模擬試驗(yàn),幾何比尺選取1∶25。相似材料依次為: 325目粒徑紅黏土粉和重晶石粉,0.3~0.6 mm粒徑河砂,42.5普通硅酸鹽水泥和石膏粉。模型填筑體積為4 m3,試驗(yàn)共需要填筑材料約為8 t,試驗(yàn)材料如圖16所示。

    圖16 模型試驗(yàn)填筑材料

    在進(jìn)行相似材料填筑時(shí),為了控制填筑密實(shí)度及便捷布置傳感器,采用人工分層夯實(shí)填筑法?;玖鞒倘缦拢?/p>

    1)為減小填筑相似材料與模型試驗(yàn)箱體之間存在的摩阻力,在模型箱體四周及底部鋪設(shè)1層塑料薄膜,塑料薄膜能隔絕相似材料與箱體的直接接觸,防止相似材料對(duì)箱體的腐蝕。

    2)按照相似材料試驗(yàn)配比,將材料按照一定的順序依次倒入攪拌機(jī)中,進(jìn)行攪拌,直至各材料均勻混合。先將模型箱中的相似材料鋪平,再利用重物將相似材料依次夯實(shí)。為保證相似材料的密實(shí)性,隧道開挖范圍以下部分每次填筑高度不大于20 cm。

    3)當(dāng)相似材料填筑到預(yù)定高度時(shí),對(duì)含水構(gòu)造的模擬位置進(jìn)行定位,進(jìn)行含水構(gòu)造的模擬。將相似材料填筑到高出傳感器布設(shè)點(diǎn)10 cm左右的位置,當(dāng)相似材料具有一定強(qiáng)度,但強(qiáng)度還很低時(shí),進(jìn)行定位向下開槽,將傳感器布設(shè)在相應(yīng)位置上,并用相似材料進(jìn)行掩埋壓實(shí),將數(shù)據(jù)線按照蛇形從一端引出,減少數(shù)據(jù)線對(duì)相似材料內(nèi)部的影響。

    4)在相似材料填筑過程中,新舊相似材料層面交替時(shí),為防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象,首先,需要對(duì)舊相似材料層面進(jìn)行鑿毛處理,清理殘?jiān)坝盟疂駶?;其次,進(jìn)行新相似材料的填筑壓實(shí);最后,將相似材料填筑到預(yù)設(shè)標(biāo)高,進(jìn)行層面的平整壓實(shí),完成原型試驗(yàn)體的模擬。三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)箱填筑流程如圖17所示。

    (a) 鋪設(shè)塑料薄膜 (b) 材料加水?dāng)嚢?/p>

    3.3 試驗(yàn)含水構(gòu)造制備

    含水構(gòu)造制備是模型填筑過程中比較重要的一個(gè)步驟。試驗(yàn)通過借鑒李術(shù)才等[18]的經(jīng)驗(yàn),并對(duì)之進(jìn)行改進(jìn),采用預(yù)埋氣囊及導(dǎo)水通道法,對(duì)含水構(gòu)造進(jìn)行模擬預(yù)制。為了方便安裝及良好的匹配性,選擇外徑為8 mm、內(nèi)徑為5 mm的氣動(dòng)管及氣動(dòng)閥進(jìn)行導(dǎo)水管和排氣管的鋪設(shè),該氣動(dòng)管的工作壓力為1 MPa,極限壓力為1.8 MPa,能夠滿足本次試驗(yàn)需求。除此之外,氣動(dòng)管與氣動(dòng)閥之間為插拔連接,方便控制操作,透明管身方便觀察液體流向。

    在進(jìn)行模型體制作時(shí),將選取的氣囊預(yù)埋在設(shè)定含水構(gòu)造的部位,并將導(dǎo)水管埋置在含水構(gòu)造的底部,將排氣管埋置底部或上部,為防止水流對(duì)模型體沖刷的影響及導(dǎo)水管的堵塞,在導(dǎo)水管的端部安裝反濾網(wǎng)。其具體布設(shè)步驟如下:

    1)選擇直徑為15 cm的氣囊,充氣至溶洞設(shè)定尺寸。

    2)用相似材料對(duì)氣囊、導(dǎo)水管及排氣管進(jìn)行固定掩埋,將氣囊充氣孔朝上,將周邊填筑材料壓實(shí),進(jìn)行層面平整壓實(shí)。

    3)為方便封閉開挖孔,采取倒圓臺(tái)型開挖方式,利用小尖頭鏟,在氣囊正上方向下挖土,直至可見氣囊充氣孔為止。

    4)利用球針對(duì)預(yù)埋氣囊進(jìn)行放氣處理,將氣囊取出。使用小尖鏟對(duì)開挖孔周邊進(jìn)行剔鑿處理,便于洞口封堵時(shí),新舊相似材料的結(jié)合,防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

    5)對(duì)開挖洞口周邊用相似材料進(jìn)行封堵壓實(shí)。利用預(yù)埋導(dǎo)管對(duì)含水構(gòu)造進(jìn)行檢驗(yàn),當(dāng)對(duì)其中任意一根導(dǎo)管進(jìn)行吹氣時(shí),另一根導(dǎo)管有穩(wěn)定氣流流出,則預(yù)埋含水構(gòu)造成功。

    3.4 信息采集方案設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)共模擬3個(gè)含水構(gòu)造,布設(shè)5個(gè)采集斷面,其中包括3個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面和2個(gè)普通監(jiān)測(cè)斷面,一共布置54個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。為保證位移裝置測(cè)量準(zhǔn)確性,防止隧道開挖時(shí)位移測(cè)量裝置對(duì)其他傳感器的干擾,在過含水構(gòu)造球心與隧道中軸線形成垂線的垂直平分面上,依次布設(shè)土壓力傳感器、滲水壓力傳感器及位移監(jiān)測(cè)裝置,以此來采集在隧道開挖過程隔水巖體的多源信息,如圖18所示。

    在隧道模型試驗(yàn)開挖時(shí),其主要影響范圍為3~5倍洞徑。如圖18(a)所示,分別設(shè)置PⅠ和PⅡ2個(gè)普通數(shù)據(jù)采集斷面,分別在每個(gè)斷面的隧道開挖洞周、0.5倍洞徑、1倍洞徑處布設(shè)傳感器,對(duì)開挖隧道的拱頂、拱肩、側(cè)拱進(jìn)行多源信息采集,傳感器布設(shè)如圖18(b)所示。如圖18(c)所示,布設(shè)ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ3個(gè)重點(diǎn)采集斷面,對(duì)含水構(gòu)造與隧道之間的隔水巖體進(jìn)行多源信息采集。Z1、Z2、Z3分別為傳感器布設(shè)點(diǎn),其中Z測(cè)線長度等于含水構(gòu)造直徑。

    (a) 數(shù)據(jù)采集斷面設(shè)置(單位: mm)

    3.5 隧道開挖過程

    依據(jù)隧道相關(guān)資料,對(duì)隧道圍巖、埋深、含水構(gòu)造、開挖方式等相關(guān)工程條件進(jìn)行相似模擬。本次模擬試驗(yàn)將依據(jù)實(shí)際工程采用人工臺(tái)階分步法進(jìn)行開挖。

    模型填筑完成養(yǎng)護(hù)7 d后,將傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行連接,并將含水構(gòu)造預(yù)留導(dǎo)水管接至多功能水壓穩(wěn)壓加載系統(tǒng)上。向含水構(gòu)造內(nèi)注水,期間保證水壓加載裝置和含水構(gòu)造內(nèi)的水壓穩(wěn)定。同時(shí)利用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)模擬的隧道進(jìn)行地應(yīng)力模擬,使模擬地應(yīng)力和水壓持續(xù)加載48 h以后,試驗(yàn)材料未發(fā)生明顯的材料變形現(xiàn)象,開始進(jìn)行隧道模擬開挖。

    該工程段實(shí)際開挖半徑約為543 cm,開挖循環(huán)進(jìn)尺為75~100 cm。模型試驗(yàn)中隧道開挖半徑為20 cm,上臺(tái)階高度為15 cm,下臺(tái)階高度為12 cm,臺(tái)階長度為20 cm,開挖長度為100 cm,均進(jìn)行人工開挖。在整個(gè)開挖過程中,進(jìn)行各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集,每完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺時(shí),及時(shí)觀察數(shù)據(jù)采集信息,當(dāng)采集點(diǎn)采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺,直至開挖工作完成。隧道開挖過程如圖19所示。

    (a) 隧道模擬開挖工具 (b) 加載水壓 (c) 地應(yīng)力加載

    4 隧道突涌水現(xiàn)象與結(jié)果分析

    4.1 隧道突涌水現(xiàn)象特征

    由工程統(tǒng)計(jì)資料可知,實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)突涌水最大流量約為260 m3/h,按照相似比尺換算為模型流量23.11 mL/s。在模型試驗(yàn)隧道模擬開挖過程中,采用多功能水壓加載穩(wěn)壓系統(tǒng),嚴(yán)格控制補(bǔ)水流量,按照23.11 mL/s對(duì)含水構(gòu)造進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)水。

    在隧道模擬開挖進(jìn)尺20 cm處(如圖20(a)所示),隧道前進(jìn)方向掌子面和右側(cè)側(cè)壁出現(xiàn)明顯的滲水現(xiàn)象,該現(xiàn)象是由于人工開挖過程中,人為擾動(dòng)破壞了含水構(gòu)造的內(nèi)部平衡。當(dāng)開挖進(jìn)尺達(dá)到30 cm時(shí)(如圖20(b)所示),巖體內(nèi)部的構(gòu)造裂隙及薄弱面在水流作用下逐漸形成滲流通道,致使隧道開挖掌子面與隧道拱腰接觸面上出現(xiàn)細(xì)小的滲水水流。在開挖進(jìn)尺達(dá)到40 cm時(shí),隨著隧道模擬開挖的繼續(xù)進(jìn)行,細(xì)小的滲水水流緩慢加劇,在隧道拱腰處,出現(xiàn)小股狀涌水(如圖20(c)),在隧道側(cè)壁的拱腰部位產(chǎn)生涌水通道。在隧道模擬開挖完全貫通時(shí),隧道掘進(jìn)口20 cm處的拱頂處出現(xiàn)滴水狀滲水現(xiàn)象(如圖20(d)),伴隨隧道開挖的貫通,隧道頂端應(yīng)力釋放加劇,打破了拱頂隔水巖體圍巖壓力和含水構(gòu)造內(nèi)滲水壓力的平衡,隧道口頂部含水構(gòu)造內(nèi)的水在滲水壓作用下,沿著拱頂隔水巖體產(chǎn)生的裂隙或薄弱面逐漸向隧道內(nèi)滲出。

    (a) 掌子面出現(xiàn)滲水 (b) 掌子面出現(xiàn)細(xì)小水流

    (c) 掌子面出現(xiàn)小股狀涌水 (d) 隧道拱頂?shù)嗡疇顫B水

    4.2 圍巖位移變化規(guī)律

    隧道開挖過程數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位移變化如圖21所示。在隧道模擬開挖時(shí),PⅡ監(jiān)測(cè)斷面圍巖位移變化略滯后于PⅠ斷面圍巖位移變化;在隧道未發(fā)生滲水時(shí),由于PⅠ斷面隧道首先受到開挖擾動(dòng),圍巖壓力會(huì)首先向隧道臨空面釋放,其位移變化速率及位移累計(jì)量均大于PⅡ斷面;當(dāng)隧道開挖至第5步時(shí)圍巖開始發(fā)生滲水,PⅡ斷面圍巖位移變化量突增,其位移變化速率及位移變化量也逐漸增大,該變化的發(fā)生加速了圍巖壓力向臨空面的釋放,致使圍巖壓力與含水構(gòu)造內(nèi)的滲透水壓力的平衡更易被打破。

    圖21 位移隨開挖步變化曲線

    當(dāng)隧道開挖至第14步時(shí)開始發(fā)生突涌水,動(dòng)水壓力使裂隙面上的充填物發(fā)生變形和位移,導(dǎo)致裂隙或裂紋的連通性增強(qiáng),PⅡ斷面圍巖位移速率再次發(fā)生突增;在隧道開挖至第18開挖步時(shí),PⅡ監(jiān)測(cè)斷面隧道拱腰、拱肩處圍巖幾乎達(dá)到最大變形量,拱頂位移變化速率減小,圍巖壓力處于新的平衡狀態(tài);開挖至第18—21開挖步時(shí),PⅠ監(jiān)測(cè)斷面的位移變化幾乎保持不變;當(dāng)進(jìn)行第21—22步隧道開挖,隧道接近貫通,隧道圍巖壓力的釋放打破了圍巖壓力與含水構(gòu)造滲透水壓力的平衡,造成監(jiān)測(cè)斷面PⅠ附近發(fā)生滴水狀滲水現(xiàn)象,進(jìn)而影響PⅠ斷面的位移發(fā)生變化,最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

    4.3 圍巖壓力變化規(guī)律

    隧道圍巖壓力隨開挖步的變化特征如圖22所示。在隧道模擬開挖過程中,PⅡ監(jiān)測(cè)斷面的圍巖壓力變化呈現(xiàn)出“階梯狀變化”,即圍巖壓力伴隨著隧道開挖的進(jìn)行出現(xiàn)了分段釋放現(xiàn)象。

    圖22 壓力隨開挖步變化曲線

    1)在第5開挖步之前,PⅡ監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力變化規(guī)律與PⅠ監(jiān)測(cè)斷面基本相同,PⅡ監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、拱肩及拱腰處圍巖壓力初始釋放率分別為10.83%、5.66%、1.5%,PⅠ監(jiān)測(cè)斷面拱頂、拱肩及拱腰處圍巖壓力初始釋放率分別為8.79%、5.25%、5.01%。

    2)在第5—12開挖步,伴隨開挖掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面,圍巖壓力會(huì)進(jìn)行重新分布,進(jìn)而使圍巖壓力達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

    3)當(dāng)隧道進(jìn)行第12—17開挖步時(shí),由于隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng),含水構(gòu)造滲透水壓與圍巖壓力之間的平衡發(fā)生進(jìn)一步破壞失穩(wěn),滲水現(xiàn)象演化為小股狀涌水,PⅡ監(jiān)測(cè)斷面的隧道圍巖壓力釋放加劇,致使PⅡ拱腰圍巖壓力較PⅠ拱腰處圍巖壓力釋放提前且使其釋放速率增加,此過程PⅠ監(jiān)測(cè)斷面洞周的圍巖應(yīng)力發(fā)生緩慢變化;當(dāng)隧道圍巖壓力重新處于穩(wěn)定階段時(shí),PⅠ監(jiān)測(cè)斷面拱頂、拱肩及拱腰處圍巖壓力釋放率分別為54%、42.72%、24.74%,PⅡ監(jiān)測(cè)斷面拱頂、拱肩及拱腰處圍巖壓力釋放率分別為62.68%、41.42%、51.01%。

    4.4 隔水圍巖滲透水壓力變化規(guī)律

    重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面滲透水壓力隨開挖步變化曲線如圖23所示。1)受巖體內(nèi)損傷變形的影響,滲透水壓力大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),隧道發(fā)生突涌水前,監(jiān)測(cè)斷面ZⅡ滲透壓力變化明顯,側(cè)面含水構(gòu)造Ⅱ滲透水壓力減少到初始?jí)毫Φ?7.68%達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2)監(jiān)測(cè)斷面ZⅠ在第14開挖步后,隨著開挖擾動(dòng)的影響,圍巖巖體卸荷損傷加劇,滲透水壓力出現(xiàn)明顯下降,隧道上方含水構(gòu)造Ⅰ滲透水壓力降至初始?jí)毫Φ?0.76%達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),其中滲透水壓力發(fā)生突降時(shí),監(jiān)測(cè)斷面ZⅠ和ZⅡ突降段的突降量分別為56.02%和73.35%左右。3)監(jiān)測(cè)斷面ZⅢ在發(fā)生突涌水之前沒有明顯的滲透壓力變化,滲透水壓力降至初始?jí)毫Φ?9.34%達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài),整體變化趨勢(shì)較平穩(wěn)。

    圖23 隔水圍巖滲透水壓力隨開挖步變化曲線

    4.5 隔水圍巖壓力變化規(guī)律

    在隧道開挖過程中隔水圍巖壓力隨開挖步變化曲線如圖24所示,3個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面的應(yīng)力釋放表現(xiàn)出不同的特征。1)隨著掌子面逐漸接近含水構(gòu)造,監(jiān)測(cè)斷面ZⅡ出現(xiàn)小范圍應(yīng)力升高現(xiàn)象,此時(shí)含水構(gòu)造內(nèi)部有微裂隙的產(chǎn)生,在第11開挖步時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值,第22開挖步后壓力釋放18.6%達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2)監(jiān)測(cè)斷面ZⅠ在第16開挖步之前沒有明顯的應(yīng)力上升階段,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)應(yīng)力釋放率為16.08%,整體變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。3)監(jiān)測(cè)斷面ZⅢ由于距離掌子面較遠(yuǎn),發(fā)生突涌水之前應(yīng)力變化幅度較小,突涌水之后含水構(gòu)造內(nèi)積聚的滲透水壓力會(huì)向隔水圍巖進(jìn)行釋放,致使隔水圍巖存在壓力積累現(xiàn)象,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)應(yīng)力釋放率僅為6.63%。

    圖24 隔水圍巖壓力隨開挖步變化曲線

    4.6 隔水圍巖位移變化規(guī)律

    預(yù)埋含水構(gòu)造隔水圍巖在隧道開挖過程中的位移變化曲線如圖25所示。受開挖擾動(dòng)影響,ZⅠ和ZⅡ的隔水圍巖位移變化較為明顯,且呈現(xiàn)出較為明顯的階梯狀變化,而ZⅢ在第18開挖步之前,幾乎沒有位移波動(dòng)。在隧道進(jìn)行臺(tái)階法模擬開挖過程中不可避免地會(huì)對(duì)地下巖土體進(jìn)行擾動(dòng),逐漸釋放掌子面的側(cè)向壓力,從而導(dǎo)致含水構(gòu)造與圍巖之間的初始平衡喪失,并向新的平衡位置移動(dòng),達(dá)到極限承載力后,巖土體發(fā)生屈服。發(fā)生涌水現(xiàn)象的隧道側(cè)方含水構(gòu)造Ⅱ及上方含水構(gòu)造Ⅰ隔水圍巖累計(jì)位移較大,分別為0.18 mm和0.15 mm,下方含水構(gòu)造Ⅲ隔水圍巖累計(jì)位移最小為0.06 mm。

    圖25 隔水圍巖位移隨開挖步變化曲線

    5 結(jié)論與討論

    以蘭州至??趪腋咚俟?G75)滑源至武都段秦峪隧道為工程依托,研制了一種新型泥灰?guī)r相似材料,并采用自主研制的三維地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模型試驗(yàn),對(duì)隧道突涌水災(zāi)害機(jī)制進(jìn)行研究;同時(shí)搭建了隧道突涌水預(yù)警系統(tǒng)。主要研究結(jié)論如下:

    1)基于相似理論與正交設(shè)計(jì)理論,以紅黏土粉、砂、重晶石粉、石膏粉和水泥為原材料,進(jìn)行大量配比試驗(yàn),研制出了新型泥灰?guī)r隧道圍巖相似材料,確定最終配比為: 骨膠比1∶1、黏土∶水泥2∶1、砂∶重晶石2∶1、石膏摻量30%,可以較好地模擬出泥灰?guī)r遇水泥化軟化的特征。

    2)自主研發(fā)了可進(jìn)行低頻周期循環(huán)加卸載的隧道突涌水三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng),主要由三維電液伺服加載、自主研制的多功能水壓穩(wěn)壓裝置、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)等組成。可實(shí)現(xiàn)低頻周期循環(huán)加卸載以及數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)哪康?,為研究隧道突涌水致?zāi)機(jī)制、指導(dǎo)類似條件三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)提供了依據(jù)。

    3)通過對(duì)泥灰?guī)r隧道地質(zhì)構(gòu)造、含水構(gòu)造及臺(tái)階法開挖模擬的分析研究,揭露了泥灰?guī)r隧道在采用臺(tái)階法開挖過程中突涌水機(jī)制及前兆信息演化規(guī)律。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)隧道開挖發(fā)生突涌水時(shí),隔水圍巖壓力和滲透水壓力最大釋放率分別為18.6%和73.35%,位移最大位移量為0.18 mm。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于泥灰?guī)r隧道預(yù)防突水災(zāi)害的防治措施具有較好的指導(dǎo)意義。

    對(duì)含水構(gòu)造的特征及含水構(gòu)造的模擬方法有待進(jìn)一步研究,對(duì)于試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集方式及采集精度有待今后進(jìn)一步研究。此外,雖然基于Python編程語言開發(fā)了預(yù)警系統(tǒng),但在本次試驗(yàn)中未進(jìn)行應(yīng)用,下一步擬就模型試驗(yàn)中預(yù)警模塊的應(yīng)用進(jìn)行深化研究,以提供可供工程實(shí)際應(yīng)用的預(yù)警措施。

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