隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統及方法，包括模型隧道，所述模型隧道內部布設多種預置突水補給通道，預置突水補給通道通過管路與水源補給系統連接；所述模型隧道內布設監測元件，監測元件與監測系統連接，監測系統將獲得的監測信號傳輸給信息處理系統，信息處理系統得出預置突水補給通道對應的特征信號及對應的空間展布。本發明能夠對富水隧道突涌水災害源強補給通道進行定位監測及空間展布呈現，為隧道安全施工提供依據，降低突涌水災害發生的機率。
【專利說明】
隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種隧道及地下工程施工過程中突涌水災害源強補給通道定位監測模型試驗系統及方法。【背景技術】
[0002]隧道建設過程中，突涌水災害頻繁發生。由于水體對巖石的物理、化學作用，使得巖石強度發生驟降。當隧道施工至含水體所處區域時，原支護設計難以維持圍巖穩定性，隧道內極易發生突涌水災害;加上突涌水災害源附近水體會沿著巖石間的縫隙進行補給，水體會沿補給通道源源不斷的流向災害源，最后涌入隧道中，遂發生大范圍突涌水災害。隧道突涌水災害會造成工期延誤、機械設備損壞、投資費用增加，同時對現場施工人員的生命安全構成巨大威脅。
[0003]突涌水災害源的強補給通道定位監測，對于富水隧道施工建設至關重要。然而，目前國內外的專家學者對于富水隧道動力災變力學機制不清楚，并缺乏有效描述突水動力災變演化過程的分析方法，尚未能提出對于突涌水災害源強補給通道定位監測的有效的技術手段。
[0004]針對以上突涌水災害源補給通道定位與空間展布問題，亟需一種可全新合理的補給通道定位的方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統及方法，本發明通過室內試驗的方法對強補給通道定位進行研究， 發明中模型還原了富水隧道情形，是一種監測突涌水災害源強補給通道水聲與激蕩信號的室內模型試驗系統。對災害源強補給通道內的水聲與水流激蕩信號進行收集、分析處理，得出水流通道識別依據與空間定位。本發明中涉及的突涌水災害源強補給通道定位新方法， 能夠對災害源動儲量進行估算，極大的降低施工風險，為安全施工提供有力的依據和保障， 有效避免在隧道施工過程中發生突涌水災害。
[0006]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0007]隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統，包括模型隧道，所述模型隧道內部布設多種預置突水補給通道，預置突水補給通道通過管路與水源補給系統連接;所述模型隧道內布設監測元件，監測元件與監測系統連接，監測系統將獲得的監測信號傳輸給信息處理系統，信息處理系統得出預置突水補給通道對應的特征信號及對應的空間展布。 通過在模型隧道內設置多種形式的預置突水補給通道，并設置監測元件，可以檢測試驗過程中預置突水補給通道內的水聲與水流激蕩信號。監測元件包括水聲信號監測元件和微震信號監測元件。
[0008]所述模型隧道的一側設有隧道洞口，模型隧道的另一側為未開挖區域;設置隧道洞口模擬實際隧道的開挖洞口，未開挖區域模擬實際隧道中的待開挖區域。
[0009]所述預置突水補給通道設置于模型隧道的未開挖區域內；在未開挖區域設置預置突水補給通道，模擬前方未開挖區域內可能的突涌水災害。
[0010]所述預置突水補給通道包括依次布設在模型隧道內的管狀的第一突水補給通道、 帶狀的第二突水補給通道和第三突水補給通道;隧道中最典型的補給通道包括管狀的、帶狀的、帶有溶洞的，因此在模型隧道內設置三種形式的補給通道以模擬實際隧道中的通道形式。[〇〇11]所述第一突水補給通道包括交錯設置的若干水平管狀補給通道、若干軸向管狀補給通道和若干徑向管狀補給通道;在模型隧道內三維方向上均設置管狀補給通道，使補給通道更全面覆蓋模型隧道，更好的模擬隧道中的水流通道。
[0012]所述水平管狀補給通道、軸向管狀補給通道和徑向管狀補給通道均由兩根及以上水流管道交叉形成;模擬水流流向多個方向的通道，更符合實際中水流通道情況。
[0013]所述第二突水補給通道包括軸向帶狀補給通道和徑向帶狀補給通道，所述軸向帶狀補給通道和徑向帶狀補給通道均沿模型隧道的徑向設置;模擬水流形式為帶狀的多個方向的通道，更準確模擬實際中帶狀水流通道情況。
[0014]所述第三突水補給通道包括管狀補給通道，所述管狀補給通道與溶洞模型連通以模擬隧道突水;將管狀補給通道和溶洞模擬結合，模擬實際中突水的情況，預測突水災害。
[0015]所述水源補給系統包括壓力水箱，所述壓力水箱通過注水管與預置突水補給通道連接，預置突水補給通道通過回流管連接回壓力水箱，所述壓力水箱上還設有壓力儀表和水位儀表;通過水源補給系統為預置突水補給通道供給水，水經流預置突水補給通道后回流至水箱，形成水流回路，持續進行模擬。
[0016]所述模型隧道內在隧道洞口和未開挖區域之間設有隔水巖體;在隧道洞口和未開挖區域之間設置隔水巖體，避免水流由未開挖區域內流出隧道洞口。[〇〇17]優選的，所述模型隧道外部設有防噪窗，模型隧道底部置于減震底盤上;所述減震底盤包括頂部支架和底部底座，支架和底座之間連接有多個減震彈簧;設置防噪窗、減震彈簧，均可以有效的屏蔽外界噪音，在采集信息時，可以減小外界噪音對試驗的影響，提高試驗精度。
[0018]所述預置突水補給通道與水源補給系統之間的注水管上設有流量儀表;顯示試驗過程中的流量。
[0019]所述監測系統包括聲信號監測裝置和微震監測裝置，所述聲信號監測裝置與設于模型隧道內的水聲信號監測元件通信，所述微震監測裝置與設于模型隧道內的微震信號監測元件通信；聲信號監測裝置和微震監測裝置均為監測元件，對補給通道水聲與激蕩信號進行監測。模型隧道中布置可接收水聲信號、微震信號的監測元件，用來捕捉來自隔水巖體后方突水通道內水聲撞擊信號，信號通過電纜線傳輸給數據集成器。
[0020]所述聲信號監測裝置為聲波探測器或聲發射儀。
[0021]隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1:按設定要求制作預置突水補給通道；
[0023]步驟2:將預置突水補給通道布設在模型隧道中，并在模型隧道中布置監測元件；
[0024]步驟3:調節水源補給系統，給模型隧道的預置突水補給通道供給設定壓力和流量的水流；
[0025]步驟4:水流在預置突水補給通道中流動的過程中，監測元件將監測信號經由監測系統傳輸給信息處理系統；[〇〇26]步驟5:信息處理系統甄別預置突水補給通道內有效的監測信號，并對有效的監測信號進行反演處理，得出預置突水補給通道對應的特征信號以及對應的空間展布。[〇〇27]所述步驟1的具體步驟為:[〇〇28]按照設定要求的預置突水補給通道的形式，將易溶于水的固體材料充填于模板箱內；[〇〇29]將按照設定配比攪拌好的石料、混凝土充填于模板箱內，分層振蕩搗實；[〇〇3〇]待石料、混凝土凝固后，用水清理掉固體材料。
[0031]本發明的工作原理為:
[0032]本發明通過室內試驗的方法對強補給通道定位進行研究，模型還原了富水隧道情形。對災害源強補給通道內的水聲與水流激蕩信號進行收集、分析處理，得出水流通道識別依據與空間定位。本發明中涉及的突涌水災害源強補給通道定位新方法，能夠對災害源動儲量進行估算，極大的降低施工風險，為安全施工提供有力的依據和保障，有效避免在隧道施工過程中發生突涌水災害。[〇〇33]本發明的有益效果是:
[0034](1)提出了一種用來突涌水災害源補給通道水聲與激蕩信號定位監測試驗系統。
[0035](2)可以實現突涌水災害源補給通道空間定位。
[0036](3)得出了不同形式下突涌水災害源補給通道水聲與激蕩信號。
[0037](4)提出了一種可以用于隧道探突涌水災害源補給通道的新方法，降低了隧道突涌水災害發生機率和施工風險，為突涌水災害源補給通道空間定位提供了依據。
[0038](5)該方法為室內模型試驗，環境適應性強；可以模擬多種隧道實際工況，適應面廣。
[0039](6)本發明能夠對富水隧道突涌水災害源強補給通道進行定位監測及空間展布呈現，為隧道安全施工提供依據，降低突涌水災害發生的機率。【附圖說明】
[0040]圖1為模型試驗模型隧道混凝土塊體效果示意圖；
[0041]圖2為突涌水災害源補給通道水聲與激蕩信號定位監測模型試驗系統示意圖； [〇〇42]圖3a為管狀補給通道示意圖；[〇〇43]圖3b為帶狀補給通道示意圖；
[0044]圖3c為帶有溶洞補給通道示意圖；
[0045]圖4為水源補給系統示意圖；[0〇46]圖5為減震底盤不意圖；
[0047]其中:1隧道洞口，2防噪窗，3隔水巖體，4流量儀表，5數據集成器，6計算機，7減震彈簧，8補給通道，9回收漏斗，10壓力水箱，11模型隧道，12支架，13水平管狀補給通道，14軸向管狀補給通道，15徑向管狀補給通道，16軸向帶狀補給通道，17徑向帶狀補給通道，18溶洞模型，19電動機，20壓力儀表，21水位儀表，22底座。【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0049]如圖1-圖2所示，突涌水災害源補給通道水聲與激蕩信號定位監測的室內模型試驗系統，包括模型隧道11、預置突水補給通道、水源補給系統、監測系統、信息處理系統。
[0050]模型隧道11設置于支架12上，支架12底部由減震彈簧7進行減震，模型隧道11設置隧道洞口 1。模型隧道11外部設置防噪窗2,通過底盤彈簧裝置以及防噪窗的裝置，均可以有效的屏蔽外界噪音。[0051 ] 模型隧道11規格為寬度2m，高度為2cm，長度為6m的混凝土石塊，洞口深度0.5m，洞口直徑50 cm，隔水巖體長度1.5m，補給通道所占據長度為4m。[〇〇52]模型隧道11的一側設有隧道洞口 1，模型隧道11的另一側為未開挖區域;補給通道 8設置于模型隧道11的未開挖區域內；模型隧道11內在隧道洞口 1和未開挖區域之間設有隔水巖體，避免水流由未開挖區域內流出隧道洞口。[〇〇53]在模型隧道11內設置預置突水補給通道8:補給通道8的管道先用易溶于水的固體材料(鹽)進行充填，待試驗模型主體成型后用熱水沖凈管道內的固體材料，即得到突水補給通道。按照突水補給通道的設計形式，把易溶于水的固體材料固定到模板箱體中的恰當位置，然后將按照配比攪拌好的石料、混凝土放入模板箱中，分層振蕩搗實。待石料、混凝土凝固之后，用熱水沖走混凝土塊中的固體材料。
[0054]模型隧道11上在補給通道8與壓力水箱10之間的管路上設置流量儀表4,模型隧道 11下部設置回收漏斗9,可以回收試驗過程中的突涌水。
[0055]在模型隧道11內設置監測元件，監測元件與數據集成器5連接，數據集成器5將接收的信號傳輸給計算機6進行后續分析處理。[〇〇56]如圖3a_3c所示，預置突水補給通道布設形式:突水補給通道預置于模型隧道掌子面后方未開挖部分，其包括:帶狀通道、管狀通道、溶洞水體。管狀通道設置為水平向通道、 徑向通道、軸向通道三種形式，即水平管狀補給通道13、軸向管狀補給通道14、徑向管狀補給通道15。帶狀通道設置為徑向通道、軸向通道兩種形式，即軸向帶狀補給通道16和徑向帶狀補給通道17。溶洞水體設置為管道與溶洞模型18連接模擬突水情況。
[0057]預置突水補給通道主要布設原則:管狀與帶狀并存，可以模擬不同截面形狀的水流補給通道。在保證布設通道長度的情況下，設計垂直面和水平面的水流補給通道，可以實現水流的空間網狀流動。帶狀通道布設分為徑向和軸向兩種，可以實現不同角度的面狀信號。補給通道與溶洞的聯通，模擬巖溶隧道突水情形。
[0058]預置補給通道的固體材料易溶于水，可用工業鹽代替。
[0059]如圖4所示，水源補給系統。水源補給系統可以實現水體在試驗裝置中的循環流動，其所包含的加壓設備、流量控制設備。通過可視化儀表顯示數據對試驗所需水流量、水壓進行定量調控，豐富含水體不同形態。水源補給系統含有控制閥門調節壓力和流量，并為試驗提供水動力循環。
[0060]水源補給系統包括壓力水箱10,壓力水箱10與電動機19連接，壓力水箱10上設置壓力儀表20和水位儀表21，壓力水箱10通過管路與補給通道8連通，補給通道8回連至加壓水箱，形成循環水路。[0061 ]如圖5所示，在支架12底部設置減震彈簧7，減震彈簧7底部放置在底座22上。試驗過程中信號采集至關重要，而有效信息在后期信息處理中必不可少。因此采集信息時，要注意減小外界噪音對試驗的影響，提高試驗精度。
[0062]監測系統:試驗監測采用可聽聲波探測儀、微震監測設備或聲發射儀對補給通道水聲與激蕩信號進行監測。可聽聲波探測儀主要用來可聽聲波的探測;微震監測設備或聲發射儀則對不可聽波段的信號進行監測。模型隧道中布置可接收水聲信號、微震信號的監測元件，用來捕捉來自隔水巖體后方突水通道內水聲撞擊信號，信號通過電纜線傳輸給數據集成器。
[0063]監測系統包括的監測元件放置在隧道洞口 1附近，也可以貼在隧道洞壁或鉆孔打入圍巖內部。[〇〇64]信息處理系統:信息處理系統執行補給通道內的水聲激蕩信號分析處理任務，對來自檢波器捕捉到的水聲信號通過計算機程序有效信息進行甄別，并對信息進行反演處理，得出各個突水補給通道所對應的特征信號以及對應的空間展布，最后通過計算機程序實現水流補給通道空間展布的描繪。所述信息處理系統最終實現水聲激蕩信號甄別，反演處理得出各個特征補給通道一一對應的特征信號以及對應的空間展布。
[0065]結合附圖1-圖2,以突涌水災害源補給通道水聲與激蕩信號定位監測模型試驗系統為例，詳細說明模型試驗中突涌水災害源補給通道定位監測方法。[〇〇66]試驗裝置準備階段:
[0067]首先，預置補給通道。按照補給通道8的設計樣式把易溶于水的固體材料固定到模板箱體中的恰當位置，然后把按照配比攪拌好的石料、混凝土放入模板箱中，分層振蕩搗實。待石料、混凝土凝固之后，用熱水沖走混凝土塊中的固體材料。然后，在模型試驗中添加監測元件。隧道洞口 1處布置可接收水聲信號的監測元件，用來捕捉來自隔水巖體3后方補給通道內的水聲撞擊信號。[〇〇68]試驗階段:
[0069]壓力水箱10內的電動機給水體加壓，調節控制閥門、流量閥門調節出試驗所需的特定壓力、流量的水流。壓力水箱外接注水管和回流管，壓力將水體壓入補給通道，流經補給通道的水體最后流回壓力水箱，通過壓力水箱再次施壓實現水循環流通。期間監測元件捕捉到的水聲激蕩信號通過電纜線傳輸給數據集成器5,與數據集成器相連接的計算機6進行處理分析，甄別來補給通道內有效的水聲激蕩信號，并對信息進行反演處理，得出各個特征補給通道一一對應的特征信號以及對應的空間展布，最后由程序實現水流補給通道空間展布的描繪。
[0070]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1.隧道突涌水災害源強補給通道定位監測試驗系統，其特征是，包括模型隧道，所述模 型隧道內部布設多種預置突水補給通道，預置突水補給通道通過管路與水源補給系統連 接;所述模型隧道內布設監測元件，監測元件與監測系統連接，監測系統將獲得的監測信號 傳輸給信息處理系統，信息處理系統得出預置突水補給通道對應的特征信號及對應的空間 展布。2.如權利要求1所述的試驗系統，其特征是，所述模型隧道的一側設有隧道洞口，模型 隧道的另一側為未開挖區域;所述預置突水補給通道設置于模型隧道的未開挖區域內；所 述模型隧道內在隧道洞口和未開挖區域之間設有隔水巖體。3.如權利要求1所述的試驗系統，其特征是，所述預置突水補給通道包括依次布設在模 型隧道內的管狀的第一突水補給通道、帶狀的第二突水補給通道和第三突水補給通道。4.如權利要求3所述的試驗系統，其特征是，所述第一突水補給通道包括交錯設置的若 干水平管狀補給通道、若干軸向管狀補給通道和若干徑向管狀補給通道;所述水平管狀補 給通道、軸向管狀補給通道和徑向管狀補給通道均由兩根及以上水流管道交叉形成。5.如權利要求3所述的試驗系統，其特征是，所述第二突水補給通道包括軸向帶狀補給 通道和徑向帶狀補給通道，所述軸向帶狀補給通道和徑向帶狀補給通道均沿模型隧道的徑 向設置;所述第三突水補給通道包括管狀補給通道，所述管狀補給通道與溶洞模型連通以 模擬隧道突水。6.如權利要求1所述的試驗系統，其特征是，所述水源補給系統包括壓力水箱，所述壓 力水箱通過注水管與預置突水補給通道連接，預置突水補給通道通過回流管連接回壓力水 箱，所述壓力水箱上還設有壓力儀表和水位儀表。7.如權利要求1所述的試驗系統，其特征是，所述監測系統包括聲信號監測裝置和微震 監測裝置，所述聲信號監測裝置與設于模型隧道內的水聲信號監測元件通信，所述微震監 測裝置與設于模型隧道內的微震信號監測元件通信;所述聲信號監測裝置為聲波探測器或 聲發射儀。8.如權利要求1或6所述的試驗系統，其特征是，所述模型隧道外部設有防噪窗，模型隧 道底部置于減震底盤上;所述減震底盤包括頂部支架和底部底座，支架和底座之間連接有 多個減震彈簧;所述預置突水補給通道與水源補給系統之間的注水管上設有流量儀表。9.利用權利要求1-8任一項所述的試驗系統的試驗方法，其特征是，包括以下步驟:步驟1:按設定要求制作預置突水補給通道；步驟2:將預置突水補給通道布設在模型隧道中，并在模型隧道中布置監測元件；步驟3:調節水源補給系統，給模型隧道的預置突水補給通道供給設定壓力和流量的水 流；步驟4:水流在預置突水補給通道中流動的過程中，監測元件將監測信號經由監測系統 傳輸給信息處理系統；步驟5:信息處理系統甄別預置突水補給通道內有效的監測信號，并對有效的監測信號 進行反演處理，得出預置突水補給通道對應的特征信號以及對應的空間展布。10.如權利要求9所述的試驗方法，其特征是，所述步驟1的具體步驟為:按照設定要求的預置突水補給通道的形式，將易溶于水的固體材料充填于模板箱內；將按照設定配比攪拌好的石料、混凝土充填于模板箱內，分層振蕩搗實；待石料、混凝土凝固后，用水清理掉固體材料。
【文檔編號】G01V11/00GK105954811SQ201610285355
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月30日
【發明人】張乾青, 成帥, 袁永才, 陳迪楊, 譚英華, 柳尚, 劉善偉, 張健
【申請人】山東大學