综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置及方法

本发明属于隧道模型实验领域，尤其涉及一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、隧道项目通常具有较大的埋深、长洞线以及复杂的水文地质条件。地质调查阶段，详细准确地探查隧道沿线的地质状况通常较为困难，这增加了施工期间发生突水、突泥等重大灾害的风险，这些因素是影响工程安全、进度和成本的关键。隧道开挖过程中的扰动及高渗压下围岩的损伤与渗流灾变是突水事故的主要触发因素。采用地球物理超前预报技术来预测掌子面前不良地质条件，从而制定合理的应对措施和施工预案，是降低这些风险的有效方法。

3、探究隧道施工中突水隔水岩体逐渐破坏过程中的岩体破裂应力与渗流演化规律，以及明确掌子面前方的不良地质情况，是目前隧道施工技术面临的主要挑战。渗流对土体的力学影响非常显著。目前的研究方法主要包括理论分析的解析解、数值模拟和模型试验。解析解通常需要做出某些假设以便计算，这可能导致结果的偏差。数值模拟在处理土体的力学物理参数时也存在近似，因此计算结果可能与实际情况有较大差异。相比之下，模型试验能更真实地反映土体的受力分布情况，是不可替代的研究手段。尽管在隧道超前地质预报的理论、技术和仪器开发方面已取得重要进展并应用效果良好，但现有的超前地质预报地球物理探测技术仍无法准确揭示不良地质的地球物理响应，难以实施精确的定量预测，因此施工中仍面临高灾害风险。为了提升地球物理仪器探测不良地质的效果，目前常用的研究手段包括实地探测、数值模拟和模型试验。实地探测是一种在隧道内布置测线的直接方法，但由于前方不良地质体的位置和规模不确定，且容易受到目标体复杂性的影响，使得探测效果不理想。数值模拟方法则是从抽象出的数值模型研究实际对象，尽管成本较低且快捷，但通常对模型进行简化，难以精确模拟。现有的模型试验仅适用于特定不良地质灾害体的单一特性研究，无法满足对突水隔水岩体逐渐破坏过程中的岩体破裂应力与渗流演化规律的研究和电法的探测要求。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置及方法，其能够满足对突水隔水岩体逐渐破坏过程中的岩体破裂应力与渗流演化规律的研究和电法的探测要求。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置。

4、一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，包括：异常体构造区、监测探测系统、渗流模拟装置、开挖隧道模拟区以及数据处理与预警中心；

5、所述异常体构造区用于模拟隧道掌子面前方岩体情况；

6、所述开挖隧道模拟区与异常体构造区相连通；所述开挖隧道模拟区内布设有隧道开挖机模型；所述隧道开挖机模型用于模拟隧道开挖情况；

7、所述渗流模拟装置用于模拟隧道渗流情况；

8、所述监测探测系统布设在开挖隧道模拟区内，用于监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学、位移以及地球物理超前预报相关参数并传送至数据处理与预警中心；

9、所述数据处理与预警中心用于：定时探测地球物理超前预报相关参数，构建出随时间变化而变化的可视化含水构造图像；以及基于设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移进行反演成像及突涌水事故的预警。

10、作为一种实施方式，所述异常体构造区与开挖隧道模拟区的外壳均由混凝土浇筑而成。

11、作为一种实施方式，所述异常体构造区的岩土体材料采用砂、碳酸钙、白水泥、凡士林、硅油及铁粉，按照质量配比分别为46%、6%、8%、4%、4%及32%来模拟。

12、作为一种实施方式，当所述异常体构造区为vi级围岩时的岩土体材料为：砂、白水泥、重晶石粉、滑石粉、硅油、凡士林和水，质量配比分别为71%、7.1%、3.0%、4.9%、2.8%、5.1%及6.1%。

13、作为一种实施方式，当所述异常体构造区为灰岩时的岩土体材料为：重晶石粉、重晶石砂、松香和酒精，质量配比分别为70%、30%、0.6%及6%。

14、作为一种实施方式，所述监测探测系统包括探测系统及监测系统；所述探测系统包括至少两种地球物理超前预报系统，用于探测地球物理超前预报相关参数；所述监测系统用于监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移。

15、作为一种实施方式，所述渗流模拟装置用于模拟海底环境及非海底的含水环境下的渗流情况。

16、作为一种实施方式，所述渗流模拟装置包括航车、加压密闭系统及可升降式智能水箱；所述加压密闭系统搭载在航车，所述加压密闭系统用于对整个异常体构造区进行密闭加压；所述可升降式智能水箱与所述数据处理与预警中心相连，用于对加压密闭系统下方水体的水压进行控制。

17、本发明的第二个方面提供一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验方法。

18、一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验方法，包括：

19、构建异常体构造区，以模拟隧道掌子面前方岩体情况；

20、构建开挖隧道模拟区，使其与异常体构造区相连通；并在开挖隧道模拟区内布设隧道开挖机模型及监测探测系统；

21、构建渗流模拟装置，以模拟海底环境或非海底的含水环境隧道渗流情况；

22、利用监测探测系统监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学、位移以及地球物理超前预报相关参数并传送至数据处理与预警中心；

23、利用数据处理与预警中心定时探测地球物理超前预报相关参数，构建出随时间变化而变化的可视化含水构造图像；以及基于设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移进行反演成像及突涌水事故的预警。

24、本发明的有益效果是：

25、（1）本发明利用异常体构造区模拟隧道掌子面前方岩体情况，利用渗流模拟装置模拟隧道渗流情况，利用监测探测系统监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学、位移以及地球物理超前预报相关参数，最后利用数据处理与预警中心定时探测地球物理超前预报相关参数，构建出随时间变化而变化的可视化含水构造图像以及基于设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移进行反演成像及突涌水事故的预警，能够综合模拟隧道超前探测与突涌水监测，满足了对突水隔水岩体逐渐破坏过程中的岩体破裂应力与渗流演化规律的研究和电法的探测要求。

26、（2）本发明利用渗流模拟装置非海底的含水环境下的渗流情况，实现了从轻微到极端的静水水文地质条件下的模拟，可以更好地研究渗流对土体稳定性的影响。

27、（3）本发明利用由至少两种地球物理超前预报系统的探测系统及监测系统，可以实现应力-渗流监测、应力-温度监测、激电场监测电阻率变化、激电场监测弛豫时间变化以及激电场监测渗流通道变化多种试验。

28、（4）本发明提供的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置具有高度的可配置性和适应性，能够根据不同的实验需求调整异常体的设计、探测系统的配置和水文模拟的设定，这种灵活性使得装置可以广泛应用于不同规模和不同地质条件的隧道工程实验。

29、（5）本发明提供的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，可实现孔隧激发极化、长电源供电激电试验、钢拱架环形电极激发极化、电阻率超前探测等多种地球物理超前预报方法的准确物理实验模拟以及模拟金属体干扰相关实验。

30、（6）本发明提供的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，通过数据处理与预警中心的调度控制，可以实现实时监测探测数据与监测数据，从而进行定时预警，实现了探测、监测以及预警的一体化。

31、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，包括：异常体构造区、监测探测系统、渗流模拟装置、开挖隧道模拟区以及数据处理与预警中心；

2.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述异常体构造区与开挖隧道模拟区的外壳均由混凝土浇筑而成。

3.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述异常体构造区的岩土体材料采用砂、碳酸钙、白水泥、凡士林、硅油及铁粉，按照质量配比分别为46%、6%、8%、4%、4%及32%来模拟。

4.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，当所述异常体构造区为vi级围岩时的岩土体材料为：砂、白水泥、重晶石粉、滑石粉、硅油、凡士林和水，质量配比分别为71%、7.1%、3.0%、4.9%、2.8%、5.1%及6.1%。

5.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，当所述异常体构造区为灰岩时的岩土体材料为：重晶石粉、重晶石砂、松香和酒精，质量配比分别为70%、30%、0.6%及6%。

6.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述监测探测系统包括探测系统及监测系统；所述探测系统包括至少两种地球物理超前预报系统，用于探测地球物理超前预报相关参数；所述监测系统用于监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移。

7.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述渗流模拟装置用于模拟海底环境的含水环境下的渗流情况。

8.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述渗流模拟装置用于模拟非海底的含水环境下的渗流情况。

9.如权利要求1所述的综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置，其特征在于，所述渗流模拟装置包括航车、加压密闭系统及可升降式智能水箱；所述加压密闭系统搭载在航车，所述加压密闭系统用于对整个异常体构造区进行密闭加压；所述可升降式智能水箱与所述数据处理与预警中心相连，用于对加压密闭系统下方水体的水压进行控制。

10.一种综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于隧道模型实验领域，为解决现有模型试验无法满足对突水隔水岩体逐渐破坏过程中的岩体破裂应力与渗流演化规律的研究和电法的探测要求，提供了综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置及方法。其中，综合模拟隧道超前探测与突涌水监测的实验装置中的监测探测系统用于监测设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学、位移以及地球物理超前预报相关参数并传送至数据处理与预警中心；数据处理与预警中心用于：定时探测地球物理超前预报相关参数，构建出随时间变化而变化的可视化含水构造图像；及基于设定工况下的开挖隧道模拟区内的力学、热学及位移进行反演成像及突涌水事故的预警，能够综合模拟隧道超前探测与突涌水监测。

技术研发人员：李志强,李元成,井鹏宇,聂利超,王波,李永铭
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5