大型三維地質力學模型試驗系統研制及其應用研究

王軍祥, 胡開恩, 郭連軍, 寇海軍, 李 林, 崔寧坤

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

0 引言

我國基建重心逐漸向地質條件極其復雜的西部山區轉移，鐵路、公路、隧道及基礎設施建設如火如荼。由于隧道建設過程中極易出現突水、軟巖變形、塌方、巖爆等突發性地質災害[1-3]，且隧道突水具有隱蔽性、不可視性以及誘發性等特點，突水災害的發生往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因此，研究隧道突涌水的致災機制及演化規律對指導工程建設具有重大意義。

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

模型試驗作為一種重要手段，具有真實、直觀和形象等特點，被許多學者所采用[10-12]。陳紅江等[13]通過深部承壓突水地質力學模型試驗系統，模擬水下開采過程，研究了開采全過程中采場頂板裂隙滲流發展及突水機制。趙明階等[14]開展隧道開挖模型試驗，研究了溶洞尺寸、間距及開挖工法對于隧道洞周圍巖穩定性的影響。楊為民等[15]研制了高地應力和高水壓下隧道突水模型試驗系統，揭示了在高地應力和高水壓條件下巖溶隧道突水災害演化過程、破壞特征及隧道突水前兆信息。李秀茹等[16]通過突水模型試驗系統，研究了富水破碎帶巖溶隧道突水特點以及水力學參數對水壓的敏感性，揭示了富水破碎帶巖溶隧道突水機制。李浪等[17]通過模型試驗，研究了突水災害發生時的最小安全隔水巖層厚度。李術才等[18]、潘東東等[19]通過物理模型試驗，研究了承壓溶洞對隔水巖體破裂突水的作用規律及巖溶突水滲流物理模型，初步揭示了高風險巖溶隧道突水災變演化機制，并在齊岳山隧道、永蓮隧道等工程實踐中運用。可見模型試驗在工程研究中占有重要地位，但國內外多是對靜載下的模型試驗研究，而對動力模型試驗相關領域的應用研究較少。

本文以秦峪隧道為工程依托，研制了可實現動力加載的三維地質力學模型試驗系統，該模型試驗系統具有長期恒壓穩定、五向加載及低頻周期加卸載等特點，模型試驗箱各面板與底板之間設計軸承滑動裝置和導向裝置，可有效減小移動阻力對加載系統的影響。利用自主研發的多功能水壓穩壓加載裝置對模型地質體進行水壓加載，采用加載精度及穩壓效果好的電液伺服加載系統模擬地應力加載，開展隧道突涌水災害機制及信息演化規律相關研究。

1 三維地質力學模型試驗系統研制

三維地質力學模型試驗系統如圖1所示，其包括模型試驗箱、電液伺服靜動力加載系統、多功能水壓穩壓加載系統、多源信息的隧道突水災害預警系統、數據自動化采集系統。

1.1 三維地質力學模型試驗箱

模型試驗箱和反力架均采用Q345B碳素合金鋼材進行制作。該材質具有強度高及變形小的特點，可有效減小試驗過程中箱體自身變形對試驗邊界條件的影響。模型試驗箱最大內腔尺寸為2 000 mm×1 000 mm×2 000 mm(長×寬×高)，可滿足較大尺寸試驗強度及變形要求，其各部分結構原理如圖2所示。模型試驗箱采用可拆卸式設計，試驗完成后可拆卸集中堆放。

各面板采用鋼構格柵化設計，各個格柵之間采用高強螺栓進行連接，保證了試驗所需強度及剛度。在各面板與底板之間設計軸承滑動裝置與導向裝置，可有效減小移動阻力對加載系統的影響。底板上設置導向槽，可使四周的面板在底板上進行自由直線滑動，使前后方向及側向電液伺服系統對其進行圍壓加載。

1.2 電液伺服靜動力加載系統

靜動力加載系統主要由液壓油箱、控制柜、油泵、液壓管路、液壓千斤頂、控制臺等裝置組成，動力加載系統如圖3所示。該系統加載方式為靜力和循環加載，加載精度1%，誤差±1%。

圖3 動力加載系統

在豎向設置單向電液伺服加載系統，在前后及兩側均設置雙向電液伺服加載系統，從而形成五向、三維加載系統，實現對模型地質體同步加載，真實模擬研究對象所處的應力環境。

1.3 多功能水壓穩壓加載系統

傳統水壓加載系統大多是提高水頭高度，但加壓范圍較為局限，難以對水流速度進行精確控制。自主研發多功能水壓穩壓加載模擬系統，可實現流速穩定的水壓加載，同時可實現不同儲水構造內液體的模擬，其結構原理如圖4所示。

圖4 多功能水壓加載系統結構原理圖

多功能水壓穩壓加載模擬系統，主要由混合反應水罐(不銹鋼304)、二氧化碳儲氣瓶、氮氣儲氣瓶和恒流泵等共同構成，如圖5所示。該水壓加載模擬系統具備多功能應用性，可實現0～10 MPa的水壓模擬，還可對突涌水構造內的水流速度、pH值、溫度等進行調控。

圖5 多功能水壓穩壓加載模擬系統

1.4 基于多源信息的隧道災害預警系統開發

基于Python編程語言自主研發多源信息隧道突水災害預警系統，可實現復雜環境無人值守監測、數據遠程無線傳輸及監測數據互聯網共享分析。與一般的自動化采集系統相比，增添了智能綜合預警模塊、數據可視化模塊、智能算法反饋分析模塊。系統主要包括硬件部分和軟件部分，基于物聯網技術的系統結構框架如圖6所示。

圖6 預警系統結構框架圖

隧道突水災害預警系統是將物聯網技術應用到隧道施工過程中，在物聯網及大數據的基礎上，建立一套多源化數據采集、數據智能儲存及用戶交換、基于智能算法反饋分析模塊等共同構成的綜合系統，其硬件搭設如圖7所示。

圖7 預警系統硬件搭設

該系統主要具備以下功能：

1)實時監測隧道工程施工過程中巖土體的壓力、位移、滲透水壓等參數變化；

2)將監測到的壓力、位移、滲透水壓等工程參數進行無線傳輸，并自動存儲到數據庫；

3)數據庫內數據可供IA-BP算法模塊、預警預報模塊調用；

4)IA-BP智能算法對數據庫內監測數據進行反演及數值模擬分析；

5)可設定預警預報參數，進行單項閥值和IA-BP智能算法綜合對比分析，進行綜合預警預報。

1.5 數據自動化采集系統

位移變化利用自制位移傳遞裝置與百分表進行采集，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型滲壓計傳感器進行采集，如圖8(c)所示。土壓力及滲壓計傳感器具有靈敏度高、體積小等特點。

(a) 位移采集裝置 (b) 土壓力計傳感器 (c) 滲壓計傳感器

除使用上述采集系統外，試驗過程中還使用了東華DH3820高速靜態數據采集儀及IMC采集儀進行數據采集，如圖9所示。該采集系統具有采集方式多樣化、采集精度高、可同時進行多通道采集及采樣頻率高等特點。

(a) DH3820高速靜態數據采集儀 (b) IMC數據采集儀

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行相似關系推導[18]。相似模型與研究原型的同種物理參數分別用下標M和P來表示，相似參數C為同種物理量的模型參數與原型參數比值。物理特征參數為： 幾何尺寸L、應變ε、力F、應力σ、密度ρ、容重γ、彈性模量E、內摩擦角φ、黏聚力c、泊松比v及時間t等。相似模型(M)與研究原型(P)之間的相似常數為：

(1)

式中：CL為幾何尺寸相似比尺；Cσ為應力相似比尺；Cε為應變相似比尺；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為時間相似比尺。

各特征參數之間的相似關系可用函數式(2)表示：

f(F,L,γ,σ,ε,E,φ,ν,c,t)=0

。

(2)

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

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)

應力場和滲流場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為孔隙率ω、滲透系數K及軟化系數ζ。利用連續介質固流耦合數學模型對其相似關系進行推導，則相似模型與研究模型之間存在以下相似關系[11]。

滲流方程：

(9)

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

平衡方程：

(10)

式中：Xj為體積力，N/m3；ρ為密度，g/cm3。

有效應力方程：

(11)

則各水理特性及變形特性之間的相似常數為：

(12)

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

同理其判據方程為：

Φ(π8，π9，π10)=0

。

(13)

則

Cζ=Cω=1

;

(14)

(15)

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

表1 泥灰巖和相似材料基本參數表[20-21]

2.2 試驗方案

秦峪隧道段泥灰巖為二疊系泥灰巖，通過對原巖物理、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劑來模擬泥灰巖遇軟化、泥化特性，并添加普通硅酸鹽水泥來提高膠結強度； 選用石膏粉作為外摻調節劑進行泥灰巖相似材料的研制，相似材料原料如圖10所示。

(a) 砂 (b) 紅黏土 (c) 石膏

依據正交設計試驗方法，選取4個水平(見表2)，并取骨膠比、紅黏土∶水泥、砂∶重晶石、石膏粉摻量4個影響因素，制定L16(44)相似材料配比試驗表，正交設計及試驗配比如表2和表3所示。

表2 正交設計

表3 相似材料配比正交試驗表

2.3 泥灰巖相似材料制作與參數測定

按照相似材料配比正交試驗表，將相似材料的原料分別稱量依次放入攪拌機中充分攪拌均勻；稱量30%的水分3次加入攪拌機中(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，進行編號養護7 d。開展16組配比試驗，每組配比制作10個尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的標準長方體試件，6個表面積為30 cm2、高為2 cm的標準環刀試件，總計256個試件，其中160個標準長方體試件和96個標準環刀試件，部分試件如圖11所示。

(a) 部分長方體試件 (b) 部分環刀試件

選取泥灰巖的密度ρ、單軸抗壓強度σc、彈性模量E、黏聚力c、內摩擦角φ及孔隙率ω為主控物理力學參數，選取軟化系數ζ為主控水理特性參數，進行相關試驗。通過單軸壓縮試驗測定試件單軸抗壓強度σc、彈性模量E及軟化系數ζ，通過烘干試件及試件飽水測得孔隙率ω，利用ZJ型應變控制式直剪儀對試件的黏聚力c與內摩擦角φ進行測定，如圖12所示，試驗結果如表4所示。

(a) WDW-100E型萬能試驗機

由表4可知，試驗組泥灰巖相似材料的相關參數范圍為: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。對比表2可知，試驗組泥灰巖相似材料參數范圍均大于泥灰巖參數，即該正交設計下的泥灰巖相似材料具有可行性及較好的可調性。

表4 泥灰巖相似材料試驗結果

2.4 參數敏感性分析

基于各組配比試件參數測定結果對各參數進行極差和方差分析，繪制出各因素敏感性分析圖，如圖13所示。通過對主控參數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，泥灰巖相似材料各主控參數敏感性從大到小依次為： 單軸抗壓強度∶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∶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

通過對試驗數據的測試及配比的調試，發現當試驗配比為： 骨膠比1∶1、黏土∶水泥2∶1、砂∶重晶石2∶1、石膏摻量30%時，基本接近相似材料的主控參數，該相似材料能夠較好地對泥灰巖進行模擬，其試驗參數與泥灰巖原巖參數對比如表5所示。

表5 泥灰巖與相似材料參數

3 隧道突涌水模型試驗

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為白云質灰巖和泥灰巖的分界點，YK347+840～+865段落為全泥灰巖地層。該標段泥灰巖為二疊系泥灰巖，泥質結構，厚層狀構造，巖體較為軟弱，遇水易軟化泥化，呈淡紅色夾白色，圍巖等級為Ⅳ級，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

施工過程中出現多次突涌水災害，如圖15所示。突涌水災變演化過程極其復雜，且具有強突發性和強隱蔽性，其災害機制尚不明確。

(a) 秦峪出口右線掌子面股狀涌水

以秦峪隧道YK347+840～+865段為試驗原型，隧道圍巖等級為Ⅳ級。由工程地質勘查報告可知，該隧道段泥灰巖圍巖較為完整，其完整性系數，巖層傾角較為陡峭，地下水易沿結構面滲入，且該隧道段局部存在高地應力，開挖時可能出現收斂變形。

借助三維地質力學模型試驗系統，對該工程段的泥灰巖圍巖及含水構造進行相似模擬，并在含水構造與隧道開挖面之間的防突巖體及周邊圍巖進行多源信息化監測，分別對應力變、位移及水壓等物理參數進行數據采集。分析隧道在開挖過程中及發生突涌水整個過程的各個物理參數信息，討論泥灰巖突涌水機制，為工程施工及突涌水預警預報研究提供參考。

3.2 模型填筑

對上述工程段泥灰巖隧道進行模擬試驗，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，試驗共需要填筑材料約為8 t，試驗材料如圖16所示。

圖16 模型試驗填筑材料

在進行相似材料填筑時，為了控制填筑密實度及便捷布置傳感器，采用人工分層夯實填筑法。基本流程如下：

1)為減小填筑相似材料與模型試驗箱體之間存在的摩阻力，在模型箱體四周及底部鋪設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，防止相似材料對箱體的腐蝕。

2)按照相似材料試驗配比，將材料按照一定的順序依次倒入攪拌機中，進行攪拌，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。為保證相似材料的密實性，隧道開挖范圍以下部分每次填筑高度不大于20 cm。

3)當相似材料填筑到預定高度時，對含水構造的模擬位置進行定位，進行含水構造的模擬。將相似材料填筑到高出傳感器布設點10 cm左右的位置，當相似材料具有一定強度，但強度還很低時，進行定位向下開槽，將傳感器布設在相應位置上，并用相似材料進行掩埋壓實，將數據線按照蛇形從一端引出，減少數據線對相似材料內部的影響。

4)在相似材料填筑過程中，新舊相似材料層面交替時，為防止出現分層現象，首先，需要對舊相似材料層面進行鑿毛處理，清理殘渣及用水濕潤；其次，進行新相似材料的填筑壓實；最后，將相似材料填筑到預設標高，進行層面的平整壓實，完成原型試驗體的模擬。三維地質力學模型試驗箱填筑流程如圖17所示。

(a) 鋪設塑料薄膜 (b) 材料加水攪拌

3.3 試驗含水構造制備

含水構造制備是模型填筑過程中比較重要的一個步驟。試驗通過借鑒李術才等[18]的經驗，并對之進行改進，采用預埋氣囊及導水通道法，對含水構造進行模擬預制。為了方便安裝及良好的匹配性，選擇外徑為8 mm、內徑為5 mm的氣動管及氣動閥進行導水管和排氣管的鋪設，該氣動管的工作壓力為1 MPa，極限壓力為1.8 MPa，能夠滿足本次試驗需求。除此之外，氣動管與氣動閥之間為插拔連接，方便控制操作，透明管身方便觀察液體流向。

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

1)選擇直徑為15 cm的氣囊，充氣至溶洞設定尺寸。

2)用相似材料對氣囊、導水管及排氣管進行固定掩埋，將氣囊充氣孔朝上，將周邊填筑材料壓實，進行層面平整壓實。

3)為方便封閉開挖孔，采取倒圓臺型開挖方式，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)利用球針對預埋氣囊進行放氣處理，將氣囊取出。使用小尖鏟對開挖孔周邊進行剔鑿處理，便于洞口封堵時，新舊相似材料的結合，防止出現分層現象。

5)對開挖洞口周邊用相似材料進行封堵壓實。利用預埋導管對含水構造進行檢驗，當對其中任意一根導管進行吹氣時，另一根導管有穩定氣流流出，則預埋含水構造成功。

3.4 信息采集方案設計

試驗共模擬3個含水構造，布設5個采集斷面，其中包括3個重點監測斷面和2個普通監測斷面，一共布置54個數據采集點。為保證位移裝置測量準確性，防止隧道開挖時位移測量裝置對其他傳感器的干擾，在過含水構造球心與隧道中軸線形成垂線的垂直平分面上，依次布設土壓力傳感器、滲水壓力傳感器及位移監測裝置，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。

在隧道模型試驗開挖時，其主要影響范圍為3～5倍洞徑。如圖18(a)所示，分別設置PⅠ和PⅡ2個普通數據采集斷面，分別在每個斷面的隧道開挖洞周、0.5倍洞徑、1倍洞徑處布設傳感器，對開挖隧道的拱頂、拱肩、側拱進行多源信息采集，傳感器布設如圖18(b)所示。如圖18(c)所示，布設ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ3個重點采集斷面，對含水構造與隧道之間的隔水巖體進行多源信息采集。Z1、Z2、Z3分別為傳感器布設點，其中Z測線長度等于含水構造直徑。

(a) 數據采集斷面設置(單位： mm)

3.5 隧道開挖過程

依據隧道相關資料，對隧道圍巖、埋深、含水構造、開挖方式等相關工程條件進行相似模擬。本次模擬試驗將依據實際工程采用人工臺階分步法進行開挖。

模型填筑完成養護7 d后，將傳感器與數據采集設備進行連接，并將含水構造預留導水管接至多功能水壓穩壓加載系統上。向含水構造內注水，期間保證水壓加載裝置和含水構造內的水壓穩定。同時利用三維地質力學模型試驗系統，對模擬的隧道進行地應力模擬，使模擬地應力和水壓持續加載48 h以后，試驗材料未發生明顯的材料變形現象，開始進行隧道模擬開挖。

該工程段實際開挖半徑約為543 cm，開挖循環進尺為75～100 cm。模型試驗中隧道開挖半徑為20 cm，上臺階高度為15 cm，下臺階高度為12 cm，臺階長度為20 cm，開挖長度為100 cm，均進行人工開挖。在整個開挖過程中，進行各個采集點的數據采集，每完成一個循環進尺時，及時觀察數據采集信息，當采集點采集數據穩定后，進行下一個循環進尺，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) 地應力加載

4 隧道突涌水現象與結果分析

4.1 隧道突涌水現象特征

由工程統計資料可知，實際工程現場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。在模型試驗隧道模擬開挖過程中，采用多功能水壓加載穩壓系統，嚴格控制補水流量，按照23.11 mL/s對含水構造進行實時補水。

在隧道模擬開挖進尺20 cm處(如圖20(a)所示)，隧道前進方向掌子面和右側側壁出現明顯的滲水現象，該現象是由于人工開挖過程中，人為擾動破壞了含水構造的內部平衡。當開挖進尺達到30 cm時(如圖20(b)所示)，巖體內部的構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細小的滲水水流。在開挖進尺達到40 cm時，隨著隧道模擬開挖的繼續進行，細小的滲水水流緩慢加劇，在隧道拱腰處，出現小股狀涌水(如圖20(c))，在隧道側壁的拱腰部位產生涌水通道。在隧道模擬開挖完全貫通時，隧道掘進口20 cm處的拱頂處出現滴水狀滲水現象(如圖20(d))，伴隨隧道開挖的貫通，隧道頂端應力釋放加劇，打破了拱頂隔水巖體圍巖壓力和含水構造內滲水壓力的平衡，隧道口頂部含水構造內的水在滲水壓作用下，沿著拱頂隔水巖體產生的裂隙或薄弱面逐漸向隧道內滲出。

(a) 掌子面出現滲水 (b) 掌子面出現細小水流

(c) 掌子面出現小股狀涌水 (d) 隧道拱頂滴水狀滲水

4.2 圍巖位移變化規律

隧道開挖過程數據采集點位移變化如圖21所示。在隧道模擬開挖時，PⅡ監測斷面圍巖位移變化略滯后于PⅠ斷面圍巖位移變化；在隧道未發生滲水時，由于PⅠ斷面隧道首先受到開挖擾動，圍巖壓力會首先向隧道臨空面釋放，其位移變化速率及位移累計量均大于PⅡ斷面；當隧道開挖至第5步時圍巖開始發生滲水，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造內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

當隧道開挖至第14步時開始發生突涌水，動水壓力使裂隙面上的充填物發生變形和位移，導致裂隙或裂紋的連通性增強，PⅡ斷面圍巖位移速率再次發生突增；在隧道開挖至第18開挖步時，PⅡ監測斷面隧道拱腰、拱肩處圍巖幾乎達到最大變形量，拱頂位移變化速率減小，圍巖壓力處于新的平衡狀態；開挖至第18—21開挖步時，PⅠ監測斷面的位移變化幾乎保持不變；當進行第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造滲透水壓力的平衡，造成監測斷面PⅠ附近發生滴水狀滲水現象，進而影響PⅠ斷面的位移發生變化，最終達到新的平衡狀態。

4.3 圍巖壓力變化規律

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監測斷面的圍巖壓力變化呈現出“階梯狀變化”，即圍巖壓力伴隨著隧道開挖的進行出現了分段釋放現象。

圖22 壓力隨開挖步變化曲線

1)在第5開挖步之前，PⅡ監測斷面圍巖壓力變化規律與PⅠ監測斷面基本相同，PⅡ監測斷面的拱頂、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監測斷面拱頂、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，伴隨開挖掌子面遠離監測斷面，圍巖壓力會進行重新分布，進而使圍巖壓力達到新的平衡狀態。

3)當隧道進行第12—17開挖步時，由于隧道開挖對圍巖的擾動，含水構造滲透水壓與圍巖壓力之間的平衡發生進一步破壞失穩，滲水現象演化為小股狀涌水，PⅡ監測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監測斷面洞周的圍巖應力發生緩慢變化；當隧道圍巖壓力重新處于穩定階段時，PⅠ監測斷面拱頂、拱肩及拱腰處圍巖壓力釋放率分別為54%、42.72%、24.74%，PⅡ監測斷面拱頂、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律

重點監測斷面滲透水壓力隨開挖步變化曲線如圖23所示。1)受巖體內損傷變形的影響，滲透水壓力大體呈現逐漸降低的趨勢，隧道發生突涌水前，監測斷面ZⅡ滲透壓力變化明顯，側面含水構造Ⅱ滲透水壓力減少到初始壓力的27.68%達到穩定狀態。2)監測斷面ZⅠ在第14開挖步后，隨著開挖擾動的影響，圍巖巖體卸荷損傷加劇，滲透水壓力出現明顯下降，隧道上方含水構造Ⅰ滲透水壓力降至初始壓力的40.76%達到穩定狀態，其中滲透水壓力發生突降時，監測斷面ZⅠ和ZⅡ突降段的突降量分別為56.02%和73.35%左右。3)監測斷面ZⅢ在發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壓力的69.34%達到平衡穩定狀態，整體變化趨勢較平穩。

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個重點監測斷面的應力釋放表現出不同的特征。1)隨著掌子面逐漸接近含水構造，監測斷面ZⅡ出現小范圍應力升高現象，此時含水構造內部有微裂隙的產生，在第11開挖步時達到應力峰值，第22開挖步后壓力釋放18.6%達到穩定狀態。2)監測斷面ZⅠ在第16開挖步之前沒有明顯的應力上升階段，達到穩定狀態時應力釋放率為16.08%，整體變化趨勢較為平穩。3)監測斷面ZⅢ由于距離掌子面較遠，發生突涌水之前應力變化幅度較小，突涌水之后含水構造內積聚的滲透水壓力會向隔水圍巖進行釋放，致使隔水圍巖存在壓力積累現象，達到穩定狀態時應力釋放率僅為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律

預埋含水構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。受開挖擾動影響，ZⅠ和ZⅡ的隔水圍巖位移變化較為明顯，且呈現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。在隧道進行臺階法模擬開挖過程中不可避免地會對地下巖土體進行擾動，逐漸釋放掌子面的側向壓力，從而導致含水構造與圍巖之間的初始平衡喪失，并向新的平衡位置移動，達到極限承載力后，巖土體發生屈服。發生涌水現象的隧道側方含水構造Ⅱ及上方含水構造Ⅰ隔水圍巖累計位移較大，分別為0.18 mm和0.15 mm，下方含水構造Ⅲ隔水圍巖累計位移最小為0.06 mm。

圖25 隔水圍巖位移隨開挖步變化曲線

5 結論與討論

以蘭州至海口國家高速公路(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巖相似材料，并采用自主研制的三維地質力學物理模型試驗系統進行模型試驗，對隧道突涌水災害機制進行研究；同時搭建了隧道突涌水預警系統。主要研究結論如下：

1)基于相似理論與正交設計理論，以紅黏土粉、砂、重晶石粉、石膏粉和水泥為原材料，進行大量配比試驗，研制出了新型泥灰巖隧道圍巖相似材料，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巖遇水泥化軟化的特征。

2)自主研發了可進行低頻周期循環加卸載的隧道突涌水三維地質力學模型試驗系統，主要由三維電液伺服加載、自主研制的多功能水壓穩壓裝置、數據自動采集系統等組成。可實現低頻周期循環加卸載以及數據自動監測并進行遠程無線傳輸的目的，為研究隧道突涌水致災機制、指導類似條件三維地質力學模型試驗提供了依據。

3)通過對泥灰巖隧道地質構造、含水構造及臺階法開挖模擬的分析研究，揭露了泥灰巖隧道在采用臺階法開挖過程中突涌水機制及前兆信息演化規律。試驗研究發現，當隧道開挖發生突涌水時，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。試驗結果對于泥灰巖隧道預防突水災害的防治措施具有較好的指導意義。

對含水構造的特征及含水構造的模擬方法有待進一步研究，對于試驗過程中數據采集方式及采集精度有待今后進一步研究。此外，雖然基于Python編程語言開發了預警系統，但在本次試驗中未進行應用，下一步擬就模型試驗中預警模塊的應用進行深化研究，以提供可供工程實際應用的預警措施。