深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统研制及其应用

中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2016)03–0491–07
Development and application of 3D model test system for water inrush geohazards in long and deep tunnels
Abstract：The study of minimum thickness of waterproof slab in long and deep tunnels is very significant in the process of engineering design and construction. A three-dimensional model test system for simulation of water inrush geohazards was developed. The test system has a three-dimensional model test device，a sample molding device and a device simulating tunnel excavation and unloading，so that the initial in-situ stress，water environment and process of tunnel excavation and unloading can be simulated. The test system is convenient and easy to operate and has the characteristics of short testing period and good loading stability. The system can carry out tests of large number of samples for statistical analysis and accurately simulate the process of excavation of the tunnel. Model tests were performed to simulate the water inrush geohazards at Longmen mountain tunnel of Chengdu to Lanzhou railway line. The confining and axial pressures of the test were both set as 0.6 MPa and the water pressure was 0.2 MPa. In this case，the minimum thickness of waterproof slab was 47 mm. The test results were used to guide the design and construction of the projects. Key words：tunnelling engineering；waterproof slab thickness；model test；test devices；similarity theory
在反复论证和调研的基础上，研制出了深长隧
第 35 卷 第 3 期
李 浪等：深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统研制及其应用
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道突水地质灾害三维模型试验系统。其由三维模型 试验主装置、试样成型装置以及模拟隧洞开挖卸荷 掘进装置三部分组成。 3.1 三维模型试验主装置
三维模型试验主装置如图 2 所示。该装置由模 型试样部件、围压加载系统、轴压加载系统和水压 加载系统等组成。试验装置可施加最大围压、轴压 为 1.2 MPa；最大水压为 1 MPa。试验相似比尺为 50～100，可完成对埋深 2 000 m 内地下工程隧道施 工建设的模拟。
模型建立作如下假设：(1) 将实际工程开挖洞 型均简化为圆形硐室；(2) 试验系统不考虑对突水 灾害的致灾机制、成灾过程等进行研究，只关心突 水时对围岩隔水岩层厚度的获取，将临界突水时刻 掌子面距含水体距离定义为最小安全隔水岩层厚 度；(3) 对位于侧墙、顶底板等含水体全部假定位 于掌子面前方，并以掌子面前方突水时的厚度作为 含水体位于其他位置处突水灾害发生时的最小安全 隔水岩层厚度，其简化力学模型如图 1 所示。
(解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)
摘要：深长隧道突水地质灾害中的最小安全隔水岩层厚度研究对于工程设计施工具有重要指导意义。基于相似模
型试验的方法，研制出一套深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统。该系统由三维模型试验主装置、试样成型
装置以及模拟隧洞开挖卸荷掘进装置组成，能够满足模型对所受地应力场、水压等初始环境的模拟。试验系统具
油缸中活塞杆穿过底板中央，其顶端伸入活动压板 底部中心进行轴压的施加。在底板中央通孔与活塞 之间通过 3 层密封圈和密封螺套对围压室进行密 封，并在活塞杆上设置力和位移传感器以监测轴向 载荷及位移。水压加载系统通过气压将气水交换罐 中的压力水经管道注入积水腔中，以模拟地下含水 体的水压。水压调节和显示通过高精度调压阀和精 密压力表实现。轴压是通过活塞经活动压板和透水 板直接施加在模型上；围压是由围压室中的高压气 体作用在模型侧壁，通过乳胶膜和扎紧胶条的作用， 确保气体不会进入积水腔中对水压造成干扰；而水 压通过透水板上的均布小孔均匀作用于模型底部， 其对模型侧壁的围压也不会造成任何干扰。保证了 整个试验过程中围压、气压、轴压的独立施加。 3.2 试样成型装置
第 35 卷 第 3 期 2016 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.3 March，2016
深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统 研制及其应用
李 浪，戎晓力，王明洋，卢 浩，夏沅谱，Biblioteka Baidu志成
模型试验因其直观全面，可人为控制和改变试 验条件，能避开数学及力学上的难题等优点，成为 研究岩石力学问题的重要手段[4]。国内外许多学者 针对岩溶等不良地质环境，开展了大量突水突泥模 型试验。李琛亮等[5-6]基于充填型致灾构造，各自在 室内开展了大量渗透失稳试验。王克忠和李仲奎[7] 针对锦屏二级水电站引水隧洞，对高渗透压环境下 施工过程进行了物理模型试验，为防渗施工技术设 计提供了理论依据。莫阳春[8]对岩溶隧道开挖过程 进行了相似模型试验研究，在隧道掌子面正前方、 侧墙、拱顶和底板区域预设高压充水溶洞，分析不 同工况下水压以及围岩类型变化对掌子面轴向位移 的影响。刘爱华等[9]研制了深部开采承压突水机制 相似物理模型试验系统，可实现复杂应力、水压及 开采扰动等多因素联合作用下围岩的受力变形破坏 过程以及水的渗流、突变等宏细观运移规律研究。 李术才等[10-11]开展了胶州湾海底隧道流–固耦合模 型试验、防突层失稳非地质缺陷式突水等模型试验， 系统研究了施工过程突水成灾过程。可以看出，目 前开展的模型试验主要针对渗透失稳、突水突泥成 灾机制以及灾变过程等进行研究。模型尺寸大，试 验强度高，不利于开展多组试验或大样本模型试验 研究。
开挖隧道方向
d
最小安全隔 水岩层厚度
含水体
图 1 开挖扰动诱发突水最小安全隔水岩层厚度模型 Fig.1 Model of minimum thickness of waterproof slab for
water inrush induced by excavation and unloading
3 三维模型试验系统的研制
模型试验所使用的相似材料性能差异很大，即 使在同一问题同一模型相同配比条件下，材料成型 过程所施加成型压力、加载速度，试样尺寸和形状 等均会导致材料物理力学性能指标的变化。因此模 型制作过程必须根据所规定的要求，按统一的方案 进行，以使所配相似材料尽可能最大程度上满足其 与原型材料之间相似。因此设计了试样成型装置(见 图 3)，以保证所制作模型试样尽可能一致。模型制 作通过试样成型装置竖直方向上的 500 kN 油缸，对 试样三开筒内的模型材料按预定载荷加压成型。模 型压制成型后通过专门吊具将试样三开筒及模型吊 至预定位置，然后将可拆卸的三开筒依次拆开，并 对模型进行养护。
收稿日期：2015–04–21；修回日期：2015–07–13 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036005) Supported by the National Key Basic Research and Development Program of China(973 Program)(Grant No. 2013CB036005) 作者简介：李 浪(1987–)，男，2012 年毕业于湖南大学机械与运载工程学院机械设计制造及其自动化专业，现为博士研究生，主要从事深部岩体力 学模型试验方面的研究工作。E-mail：lilang593@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.0467
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岩石力学与工程学报
2016 年
1引言
近年来，交通隧道、水利水电等工程中的深长 隧道建设呈现蓬勃发展趋势。由于地质条件的多 样性，灾害成因及灾变过程极其复杂，施工前期很 难掌握沿线中不良地质情况，导致施工阶段发生突 水突泥等重大灾害，严重威胁施工人员生命安全并 造成巨大经济损失[1-2]。比如宜万铁路线马鹿箐隧 道 2004～2008 年共发生 19 次大型突水突泥灾害， 导致 15 人死亡，工期延误超过 2 年[3]。2013 年科 技部针对深长隧道突水突泥重大灾害，立项“973” 项目——“深长隧道突水突泥重大灾害致灾机制及 预测预警与控制理论”。因此，针对突水突泥灾害的 致灾机制、预测预警理论以及风险评估等问题展开 系统研究势在必行。
LI Lang，RONG Xiaoli，WANG Mingyang，LU Hao，XIA Yuanpu，ZHANG Zhicheng
(State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China)
2 试验系统的研制思路
突水突泥灾害大都发生于灰岩、白云岩等可溶 性岩层中。地层岩性越纯、单层厚度越大，岩溶越 发育，更易形成大型岩溶突水通道。其形成过程主 要有 2 种方式：完整岩体裂隙演化导致的突水通 道；地质缺陷式(断层、破碎带、含泥夹层等)突水 通道[11]。突水通道的萌生、扩展直至最后贯通不仅 与通道自身属性有关，同时也与地应力、水压以及 开挖卸荷等因素密切相关。因此，研制突水地质灾 害三维模型试验系统必须考虑上述关键因素的影 响。设计思想首先是基于相似理论基础上，满足试 验装置对初始地应力场、水压环境的模拟，并考虑 开挖扰卸荷扰动对诱发突水突泥灾害的重要影响。
本文基于最小安全隔水岩层厚度概念，重点不 在于研究突水灾害的成灾机制，而是研制出一种适 用于深长隧道突水灾害三维模型试验系统，用于获 取不同地应力、水压以及围岩类型等因素条件下隧 道突水时最小安全隔水岩层厚度统计规律，为指导
实际工程、建立深长隧道突水灾害定量化风险评估 模型提供试验基础。同时，将试验系统应用于成兰 铁路线龙门山隧道的突水地质灾害三维模型试验 中，获取了突水时模型最小安全隔水岩层厚度，对 工程施工具有重要指导作用。
有荷载稳定、可精确模拟隧洞开挖、试验方便简洁、周期短并能开展大样本统计试验等特点。将该试验系统应用
于成都—兰州(成兰)铁路线龙门山隧道的突水三维模型试验中，试验围压、轴压为 0.6 MPa，水压为 0.2 MPa 时，
获得模型最小安全隔水岩层厚度为 47 mm，试验结果可有效指导工程的设计与施工。
关键词：隧道工程；隔水岩层厚度；模型试验；试验装置；相似理论