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CN116907362B - 一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试验组件 - Google Patents

一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试验组件 Download PDF

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CN116907362B CN202310532327.2A CN202310532327A CN116907362B CN 116907362 B CN116907362 B CN 116907362B CN 202310532327 A CN202310532327 A CN 202310532327A CN 116907362 B CN116907362 B CN 116907362B
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李亚朋
王克潇
唐腾龙
申卓
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Abstract

本发明提供一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试验组件，包括试验组件，其中试验组件由试验箱、地应力加载系统、供水系统和监测系统，试验箱内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩，对试验箱进行高地应力加载，而后进行隧道挖掘，检测数据计算出的数值大于安全限值时停止对隧道开挖，此时记载隧道掌子面开挖距离防突安全厚度为隧道开挖前掌子面中部与断层面之间的距离与隧道掌子面已开挖距离的差值。那么通过检测数据进行加权平均得出安全限值具体数值，那么防突拐点能够直观的得出，从而推导出隧道已开挖的距离，而后直接得出防突安全厚度，最终以数字的形式体现出来，使得防突安全厚度直接量化，便于准确的得知防突厚度。

Description

一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试 验组件
技术领域
本发明涉及隧道安全判断技术领域，具体为一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试验组件。
背景技术
由于西南地区多山地、地形起伏较大，大部分线路都将穿越山岭隧道，加之西南地区地下岩溶水富足，在隧道开挖过程中会常遇到断层破碎带等不良地质。断层破碎带岩体破碎，地下水发育，稳定性较低，当隧道开挖至此区域时，在施工扰动下，围岩应力场及渗流场重分布，在岩体应力和渗流压力作用下，将产生涌水突泥失稳破坏，严重威胁施工人员安全，造成财产损失和工期延误。
隧道由普通围岩区段向断层破碎带开挖过程中，围岩劣化程度逐渐增加，且隧道掌子面与断层面之间防突岩体长度也逐渐减小，在断层破碎带流固耦合作用下，防突岩体极易发生剪切失稳破坏，导致大量来自断层破碎带的泥砂涌入隧道。因此，隧道在即将开挖至断层破碎带之前，需要提前确定防突安全厚度，并在掌子面前方预留足够的防突岩体来保障隧道开挖安全性。
申请号为2016101444691提供了用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法，在预留隧道洞口处对试验模型进行开挖，通过监测控制系统进行试验过程中应变、压力、位移的监测。
此现有技术通过直接检测的方式对掌子面进行监测，那么这种监测手段是伴随着隧道开挖的进程同步进行的，无法预判隧道开挖至破碎断层带为多少距离时会发生突水突泥情况，也就是安全防突厚度是无法评定的，那么无法对突水突泥进行预防式挖掘，只有当掌子面达到突水突泥极限时才会有检测数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法及其试验组件，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，包括试验组件，其中试验组件由试验箱、地应力加载系统、供水系统和监测系统组成，所述判定方法包括以下步骤：
S1，在试验箱内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩，在构筑断层破碎带围岩时将供水系统的出水组件埋在其内部；
S2，通过地应力加载系统对试验箱进行高地应力加载，而后进行分段式掘进隧道，并且时刻记录隧道开挖的距离；
S3，隧道开挖至某一距离后的连续两次监测曲线数据变化率大于安全限值时，将该点作为突变拐点，具体表达式如下所示：
式中：xi为目标距离处监测数据，xi+1、xi+2目标距离后连续两次监测数据，xi-1为目标距离前一次监测数据，[X]为安全限值，不同试验方案该值取值可能不同，本试验方案中[X]＝25％；
那么在检测数据计算出的数值大于安全限值[X]时停止对隧道开挖，此时记载隧道掌子面开挖距离；
S4，确定隧道防突安厚度为：
S＝Y-D
式中：S为隧道临界防突安全厚度，Y为隧道开挖前掌子面中部与断层面之间的距离，D为隧道掌子面已开挖距离。
优选的，所述S1中在试验箱内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩时记载待开挖隧道掌子面中部与断层面之间的距离。
优选的，所述S3中xi目标距离处监测数据为监测系统检测掌子面是否出现突水突泥，监测系统会记载检测数据，然后根据监测数据计算出安全限值[X]。
优选的，所述地应力加载系统包括反力架、分压钢板、液压杆和压力传感器Ⅰ，所述反力架设置在试验箱的外侧，分压钢板契合在试验箱顶部的矩形开口槽内，所述液压杆设置在反力架上，其动力输出端设有压力传感器Ⅰ，而压力传感器Ⅰ贴合在分压钢板上。
优选的，所述供水系统包括水箱和分流水管，所述分流水管预埋在破碎带围岩内，而分流水管通过增压水泵与水箱连通。
优选的，所述监测系统包括激光测距仪和数据采集仪，所述激光测距仪设置在试验箱的外侧并正对着掌子面，所述激光测距仪与数据采集仪电性连接，数据采集仪用于记载试验数据。
优选的，所述监测系统包括收集桶、压力传感器II和数据采集仪，所述收集桶贴合在试验箱靠近隧道出口处，所述收集桶的底部设有压力传感器II，而压力传感器II与数据采集仪电性连接，数据采集仪用于记载试验数据。
优选的，所述所述监测系统包括水压力计和数据采集仪，所述水压力计预埋在普通围岩和构筑断层破碎带围岩交接处，所述水压力计与数据采集仪电性连接，数据采集仪用于记载试验数据。
优选的，所述预埋在破碎带围岩内的分流水管设有出水孔，而带有出水孔的位置缠绕有纱布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过检测数据进行加权平均得出安全限值具体数值，那么防突拐点能够直观的得出，从而推导出隧道已开挖的距离，而后直接得出防突安全厚度，最终以数字的形式体现出来防突安全厚度，使得防突安全厚度直接量化，便于准确的得知防突厚度，增加隧道开挖时的安全性与可靠性。
附图说明
图1为本发明整体结构的示意图；
图2为试验箱和监测系统的示意图；
图3为本发明中分流水管的示意图；
图4为监测数据突变示意图；
图中：1试验箱、2反力架、31分压钢板、32液压杆、33压力传感器Ⅰ、41水箱、42分流水管、421纱布、5水压力计、51激光测距仪、52收集桶、53压力传感器II、54数据采集仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：
一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，包括试验组件，其中试验组件由试验箱1、地应力加载系统、供水系统和监测系统组成；
作为优选的实施例，地应力加载系统包括反力架2、分压钢板31、液压杆32和压力传感器Ⅰ33，反力架2设置在试验箱1的外侧，而反力架2通过螺栓固定在地面上，分压钢板31契合在试验箱1顶部的矩形开口槽内，其中分压钢板31在试验箱1的竖直方向上形成移动副，液压杆32设置在反力架2上，其动力输出端设有压力传感器Ⅰ33，而压力传感器Ⅰ33贴合在分压钢板31上，因此通过液压杆32对分压钢板31施加法向压力。
作为优选的实施例，供水系统包括水箱41和分流水管42，分流水管42预埋在破碎带围岩内，而分流水管42通过增压水泵与水箱41连通，那么水箱41内的水会经过分流水管42流入破碎带围岩内，进而模拟突水工况。
作为优选的实施例，监测系统包括激光测距仪51和数据采集仪54，激光测距仪51设置在试验箱1的外侧并正对着掌子面，激光测距仪51与数据采集仪54电性连接，数据采集仪54用于记载试验数据，那么通过激光测距仪51对着隧道掌子面，当掌子面发生位移时激光测距仪51就会反馈位移量，进而实现检测掌子面是否稳定。
作为优选的实施例，监测系统包括收集桶52、压力传感器II53和数据采集仪54，收集桶52贴合在试验箱1靠近隧道出口处，那么隧道内部有涌水涌泥时就会渗流至收集桶52内，进而来检测涌水涌泥量，收集桶52的底部设有压力传感器II53，那么通过压力传感器II53检测收集桶52内的涌水涌泥量，而压力传感器II53与数据采集仪54电性连接，数据采集仪54用于记载试验数据。
作为优选的实施例，监测系统包括水压力计5和数据采集仪54，水压力计5预埋在普通围岩和构筑断层破碎带围岩交接处，那么在出现突水突泥情况时水压力计5会第一时间检测到压差，进而实现检测的效果，水压力计5与数据采集仪54电性连接，数据采集仪54用于记载试验数据。
作为优选的实施例，将水压力计5、激光测距仪51、收集桶52、压力传感器II53和数据采集仪54一起使用，那么数据采集仪54能够收集多组数据，进而能够通过多组数据检测，保证了检测的准确性。
作为优选的实施例，数据采集仪54带有显示屏，能够直观得出试验数据。
作为优选的实施例，预埋在破碎带围岩内的分流水管42设有出水孔，而带有出水孔的位置缠绕有纱布421，进而避免堵塞出水孔。
一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法包括以下步骤：
S1，在试验箱1内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩，在构筑断层破碎带围岩时将供水系统的出水组件埋在其内部；在试验箱1内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩时记载待开挖隧道掌子面中部与断层面之间的距离；
S2，通过地应力加载系统对试验箱1进行高地应力加载，而后进行分段式掘进隧道，并且时刻记录隧道开挖的距离；
S3，隧道开挖至某一距离后的连续两次监测曲线数据变化率大于安全限值时，将该点作为突变拐点，具体表达式如下所示：
式中：xi为目标距离处监测数据，xi+1、xi+2目标距离后连续两次监测数据，xi-1为目标距离前一次监测数据，[X]为安全限值，不同试验方案该值取值可能不同，本试验方案中[X]＝25％；
那么在检测数据计算出的数值大于安全限值[X]时停止对隧道开挖，此时记载隧道掌子面开挖距离；xi目标距离处监测数据为监测系统检测掌子面是否出现突水突泥，监测系统会记载检测数据，然后根据监测数据计算出安全限值[X]。而式中xi实际上为附图4中的纵坐标，其具体数值为监测系统所记载的数据，比如说通过激光测距仪51得出的位移量、压力传感器II53得出的涌水涌泥量、水压力计5得出的水压差，当然xi可以是上述任意数据也可以是三个数据综合评判后得出的数据，其中xi的数值单位为统一单位。
S4，确定隧道防突安厚度为：
S＝Y-D
式中：S为隧道临界防突安全厚度，Y为隧道开挖前掌子面中部与断层面之间的距离，D为隧道掌子面已开挖距离。其中式中的Y在S1中已经确定其数值，而D则为附图4中的横坐标记载的数值，其中D在S2中已经完成记载。那么能够直接得出隧道临界防突安全厚度S的数值，使得隧道临界防突安全厚度直接量化。
作为优选的实施例，选用40-70目石英砂作为相似材料粗骨料，重晶石粉为细骨料，石膏、黏土和水泥为胶结剂，确定了符合试验要求的普通围岩及断层破碎带围岩相似材料配比，分别如表1、表2所示。
表1普通围岩相似材料配比
材料 水 石膏 水泥 石英砂 重晶石粉 含水率％
比例 1 6.04 0.43 1.16 0.46 11
表2断层破碎带围岩相似材料配比
材料 水 黏土 石英砂 重晶石粉 含水率％
比例 1 1.47 7.56 4.18 7.04
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，包括试验组件，其中试验组件由试验箱(1)、地应力加载系统、供水系统和监测系统组成，其特征在于，所述判定方法包括以下步骤：
S1，在试验箱(1)内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩，在构筑断层破碎带围岩时将供水系统的出水组件埋在其内部；
S2，通过地应力加载系统对试验箱(1)进行高地应力加载，而后进行分段式掘进隧道，并且时刻记录隧道开挖的距离；
S3，隧道开挖至某一距离后的连续两次监测曲线数据变化率大于安全限值时，将该点作为突变拐点，而突变拐点为监测系统检测掌子面是否出现突水突泥的拐点，具体表达式如下所示：
式中：xi为目标距离处监测数据，其中xi目标距离处监测数据为监测系统检测掌子面是否出现突水突泥，xi+1、xi+2目标距离后连续两次监测数据，xi-1为目标距离前一次监测数据，[X]为安全限值，不同试验方案该值取值可能不同，本试验方案中[X]＝25％；
那么在检测数据计算出的数值大于安全限值[X]时停止对隧道开挖，此时记载隧道掌子面开挖距离；
S4，确定隧道防突安厚度为：
S＝Y-D
式中：S为隧道临界防突安全厚度，Y为隧道开挖前掌子面中部与断层面之间的距离，D为隧道掌子面已开挖距离。
2.根据权利要求1所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述S1中在试验箱(1)内填充普通围岩、构筑断层破碎带围岩时记载待开挖隧道掌子面中部与断层面之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述S3中xi目标距离处监测数据为监测系统检测掌子面是否出现突水突泥，监测系统会记载检测数据，然后根据监测数据计算出安全限值[X]。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述地应力加载系统包括反力架(2)、分压钢板(31)、液压杆(32)和压力传感器Ⅰ(33)，所述反力架(2)设置在试验箱(1)的外侧，分压钢板(31)契合在试验箱(1)顶部的矩形开口槽内，所述液压杆(32)设置在反力架(2)上，其动力输出端设有压力传感器Ⅰ(33)，而压力传感器Ⅰ(33)贴合在分压钢板(31)上。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述供水系统包括水箱(41)和分流水管(42)，所述分流水管(42)预埋在破碎带围岩内，而分流水管(42)通过增压水泵与水箱(41)连通。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述监测系统包括激光测距仪(51)和数据采集仪(54)，所述激光测距仪(51)设置在试验箱(1)的外侧并正对着掌子面，所述激光测距仪(51)与数据采集仪(54)电性连接，数据采集仪(54)用于记载试验数据。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述监测系统包括收集桶(52)、压力传感器Ⅱ(53)和数据采集仪(54)，所述收集桶(52)贴合在试验箱(1)靠近隧道出口处，所述收集桶(52)的底部设有压力传感器Ⅱ(53)，而压力传感器Ⅱ(53)与数据采集仪(54)电性连接，数据采集仪(54)用于记载试验数据。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述监测系统包括水压力计(5)和数据采集仪(54)，所述水压力计(5)预埋在普通围岩和构筑断层破碎带围岩交接处，所述水压力计(5)与数据采集仪(54)电性连接，数据采集仪(54)用于记载试验数据。
9.根据权利要求5中任意一项所述的一种深埋富水断层破碎带隧道防突安全厚度判定方法，其特征在于：所述预埋在破碎带围岩内的分流水管(42)设有出水孔，而带有出水孔的位置缠绕有纱布(421)。
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