大型三维地质力学模型试验系统研制及其应用研究

王军祥, 胡开恩, 郭连军, 寇海军, 李 林, 崔宁坤

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110870；2. 中铁十九局集团第五工程有限公司， 辽宁 大连 116100)

0 引言

我国基建重心逐渐向地质条件极其复杂的西部山区转移，铁路、公路、隧道及基础设施建设如火如荼。由于隧道建设过程中极易出现突水、软岩变形、塌方、岩爆等突发性地质灾害[1-3]，且隧道突水具有隐蔽性、不可视性以及诱发性等特点，突水灾害的发生往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡，因此，研究隧道突涌水的致灾机制及演化规律对指导工程建设具有重大意义。

目前，国内外学者在隧道突水突泥机制方面研究获得了丰富的成果[4-6]。黄明利等[7]从力学角度通过数值软件RFPA进行模拟，研究了岩溶隧道突水过程中的应力场和位移场特征，初步揭示了岩溶隧道的突水机制。余庆锋等[8]通过理论分析和数值模拟相结合的方法，揭示了充填型岩溶管道突水灾变演化过程。周宗青等[9]通过数值软件PFC对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳2种突涌水灾害进行模拟，揭示了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制，以及高渗透压作用下充填体“变强度-变渗透性-变黏度”的渗透破坏机制。

模型试验作为一种重要手段，具有真实、直观和形象等特点，被许多学者所采用[10-12]。陈红江等[13]通过深部承压突水地质力学模型试验系统，模拟水下开采过程，研究了开采全过程中采场顶板裂隙渗流发展及突水机制。赵明阶等[14]开展隧道开挖模型试验，研究了溶洞尺寸、间距及开挖工法对于隧道洞周围岩稳定性的影响。杨为民等[15]研制了高地应力和高水压下隧道突水模型试验系统，揭示了在高地应力和高水压条件下岩溶隧道突水灾害演化过程、破坏特征及隧道突水前兆信息。李秀茹等[16]通过突水模型试验系统，研究了富水破碎带岩溶隧道突水特点以及水力学参数对水压的敏感性，揭示了富水破碎带岩溶隧道突水机制。李浪等[17]通过模型试验，研究了突水灾害发生时的最小安全隔水岩层厚度。李术才等[18]、潘东东等[19]通过物理模型试验，研究了承压溶洞对隔水岩体破裂突水的作用规律及岩溶突水渗流物理模型，初步揭示了高风险岩溶隧道突水灾变演化机制，并在齐岳山隧道、永莲隧道等工程实践中运用。可见模型试验在工程研究中占有重要地位，但国内外多是对静载下的模型试验研究，而对动力模型试验相关领域的应用研究较少。

本文以秦峪隧道为工程依托，研制了可实现动力加载的三维地质力学模型试验系统，该模型试验系统具有长期恒压稳定、五向加载及低频周期加卸载等特点，模型试验箱各面板与底板之间设计轴承滑动装置和导向装置，可有效减小移动阻力对加载系统的影响。利用自主研发的多功能水压稳压加载装置对模型地质体进行水压加载，采用加载精度及稳压效果好的电液伺服加载系统模拟地应力加载，开展隧道突涌水灾害机制及信息演化规律相关研究。

1 三维地质力学模型试验系统研制

三维地质力学模型试验系统如图1所示，其包括模型试验箱、电液伺服静动力加载系统、多功能水压稳压加载系统、多源信息的隧道突水灾害预警系统、数据自动化采集系统。

1.1 三维地质力学模型试验箱

模型试验箱和反力架均采用Q345B碳素合金钢材进行制作。该材质具有强度高及变形小的特点，可有效减小试验过程中箱体自身变形对试验边界条件的影响。模型试验箱最大内腔尺寸为2 000 mm×1 000 mm×2 000 mm(长×宽×高)，可满足较大尺寸试验强度及变形要求，其各部分结构原理如图2所示。模型试验箱采用可拆卸式设计，试验完成后可拆卸集中堆放。

各面板采用钢构格栅化设计，各个格栅之间采用高强螺栓进行连接，保证了试验所需强度及刚度。在各面板与底板之间设计轴承滑动装置与导向装置，可有效减小移动阻力对加载系统的影响。底板上设置导向槽，可使四周的面板在底板上进行自由直线滑动，使前后方向及侧向电液伺服系统对其进行围压加载。

1.2 电液伺服静动力加载系统

静动力加载系统主要由液压油箱、控制柜、油泵、液压管路、液压千斤顶、控制台等装置组成，动力加载系统如图3所示。该系统加载方式为静力和循环加载，加载精度1%，误差±1%。

图3 动力加载系统

在竖向设置单向电液伺服加载系统，在前后及两侧均设置双向电液伺服加载系统，从而形成五向、三维加载系统，实现对模型地质体同步加载，真实模拟研究对象所处的应力环境。

1.3 多功能水压稳压加载系统

传统水压加载系统大多是提高水头高度，但加压范围较为局限，难以对水流速度进行精确控制。自主研发多功能水压稳压加载模拟系统，可实现流速稳定的水压加载，同时可实现不同储水构造内液体的模拟，其结构原理如图4所示。

图4 多功能水压加载系统结构原理图

多功能水压稳压加载模拟系统，主要由混合反应水罐(不锈钢304)、二氧化碳储气瓶、氮气储气瓶和恒流泵等共同构成，如图5所示。该水压加载模拟系统具备多功能应用性，可实现0～10 MPa的水压模拟，还可对突涌水构造内的水流速度、pH值、温度等进行调控。

图5 多功能水压稳压加载模拟系统

1.4 基于多源信息的隧道灾害预警系统开发

基于Python编程语言自主研发多源信息隧道突水灾害预警系统，可实现复杂环境无人值守监测、数据远程无线传输及监测数据互联网共享分析。与一般的自动化采集系统相比，增添了智能综合预警模块、数据可视化模块、智能算法反馈分析模块。系统主要包括硬件部分和软件部分，基于物联网技术的系统结构框架如图6所示。

图6 预警系统结构框架图

隧道突水灾害预警系统是将物联网技术应用到隧道施工过程中，在物联网及大数据的基础上，建立一套多源化数据采集、数据智能储存及用户交换、基于智能算法反馈分析模块等共同构成的综合系统，其硬件搭设如图7所示。

图7 预警系统硬件搭设

该系统主要具备以下功能：

1)实时监测隧道工程施工过程中岩土体的压力、位移、渗透水压等参数变化；

2)将监测到的压力、位移、渗透水压等工程参数进行无线传输，并自动存储到数据库；

3)数据库内数据可供IA-BP算法模块、预警预报模块调用；

4)IA-BP智能算法对数据库内监测数据进行反演及数值模拟分析；

5)可设定预警预报参数，进行单项阀值和IA-BP智能算法综合对比分析，进行综合预警预报。

1.5 数据自动化采集系统

位移变化利用自制位移传递装置与百分表进行采集，如图8(a)所示；土压力变化采用BX-1型土压力传感器，如图8(b)所示；渗水压力变化采用BS-2型渗压计传感器进行采集，如图8(c)所示。土压力及渗压计传感器具有灵敏度高、体积小等特点。

(a) 位移采集装置 (b) 土压力计传感器 (c) 渗压计传感器

除使用上述采集系统外，试验过程中还使用了东华DH3820高速静态数据采集仪及IMC采集仪进行数据采集，如图9所示。该采集系统具有采集方式多样化、采集精度高、可同时进行多通道采集及采样频率高等特点。

(a) DH3820高速静态数据采集仪 (b) IMC数据采集仪

2 相似材料研制

2.1 相似理论

基于相似三定律，利用量纲分析法、定律分析法和方程分析法进行相似关系推导[18]。相似模型与研究原型的同种物理参数分别用下标M和P来表示，相似参数C为同种物理量的模型参数与原型参数比值。物理特征参数为： 几何尺寸L、应变ε、力F、应力σ、密度ρ、容重γ、弹性模量E、内摩擦角φ、黏聚力c、泊松比v及时间t等。相似模型(M)与研究原型(P)之间的相似常数为：

(1)

式中：CL为几何尺寸相似比尺；Cσ为应力相似比尺；Cε为应变相似比尺；CE为弹性模量相似比尺；Cc为黏聚力相似比尺；Cφ为内摩擦角相似比尺；Cv为泊松比相似比尺；Cγ为容重相似比尺；Ct为时间相似比尺。

各特征参数之间的相似关系可用函数式(2)表示：

f(F,L,γ,σ,ε,E,φ,ν,c,t)=0

。

(2)

选用特征物理参数L、F、t为基本量群，将所选基本量群代入式(2)中，可得判据方程：

Φ(π1，π2，π3，π4，π5，π6，π7)=0

。

(3)

(4)

此处π1为量纲为1的量，则有a=1,b=-2,d=0，故有：

(5)

同理可知：

(6)

故有：

Cσ=CE=Cc=CγCL

。

(7)

量纲分析法要求量纲相同的物理参数相似比尺相同，且量纲为1的相似比尺为1，即

Cε=Cφ=Cv=1

。

(8)

应力场和渗流场共同耦合作用条件下的相似模型，不仅要满足上述的物理特性相似条件，还需满足研究原型的水理特性及变形特性，常见的水理特性及变形特性参数为孔隙率ω、渗透系数K及软化系数ζ。利用连续介质固流耦合数学模型对其相似关系进行推导，则相似模型与研究模型之间存在以下相似关系[11]。

渗流方程：

(9)

式中：Kx、Ky、Kz为x,y,z方向渗透系数，cm/s； 令Kx=Ky=Kz；e为体积应变；W为源汇项；p为水压力，MPa；S为贮水系数。

平衡方程：

(10)

式中：Xj为体积力，N/m3；ρ为密度，g/cm3。

有效应力方程：

(11)

则各水理特性及变形特性之间的相似常数为：

(12)

式中：Cζ为软化系数相似比尺；Cω为孔隙率相似比尺；CK为渗透系数相似比尺。

同理其判据方程为：

Φ(π8，π9，π10)=0

。

(13)

则

Cζ=Cω=1

;

(14)

(15)

依据相似理论，取几何相似比尺C=25，容重相似比尺Cγ=1，由式(1)—(15)，可得参数相似比尺Cσ=Cσc=CE=Cc=25，Cζ=Cφ=1，故原岩参数与目标参数如表1所示。

表1 泥灰岩和相似材料基本参数表[20-21]

2.2 试验方案

秦峪隧道段泥灰岩为二叠系泥灰岩，通过对原岩物理、水理特性分析和常用相似材料各组分的分析，最终选取粒径为0.3～0.6 mm的河砂与粒径为325目的重晶石粉为骨料； 粒径为325目的红黏土粉作为胶结剂来模拟泥灰岩遇软化、泥化特性，并添加普通硅酸盐水泥来提高胶结强度； 选用石膏粉作为外掺调节剂进行泥灰岩相似材料的研制，相似材料原料如图10所示。

(a) 砂 (b) 红黏土 (c) 石膏

依据正交设计试验方法，选取4个水平(见表2)，并取骨胶比、红黏土∶水泥、砂∶重晶石、石膏粉掺量4个影响因素，制定L16(44)相似材料配比试验表，正交设计及试验配比如表2和表3所示。

表2 正交设计

表3 相似材料配比正交试验表

2.3 泥灰岩相似材料制作与参数测定

按照相似材料配比正交试验表，将相似材料的原料分别称量依次放入搅拌机中充分搅拌均匀；称量30%的水分3次加入搅拌机中(材料总重的30%)，再次搅拌均匀；将搅拌均匀的材料分3次装填至模型中，并振捣均匀，进行编号养护7 d。开展16组配比试验，每组配比制作10个尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的标准长方体试件，6个表面积为30 cm2、高为2 cm的标准环刀试件，总计256个试件，其中160个标准长方体试件和96个标准环刀试件，部分试件如图11所示。

(a) 部分长方体试件 (b) 部分环刀试件

选取泥灰岩的密度ρ、单轴抗压强度σc、弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ及孔隙率ω为主控物理力学参数，选取软化系数ζ为主控水理特性参数，进行相关试验。通过单轴压缩试验测定试件单轴抗压强度σc、弹性模量E及软化系数ζ，通过烘干试件及试件饱水测得孔隙率ω，利用ZJ型应变控制式直剪仪对试件的黏聚力c与内摩擦角φ进行测定，如图12所示，试验结果如表4所示。

(a) WDW-100E型万能试验机

由表4可知，试验组泥灰岩相似材料的相关参数范围为: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。对比表2可知，试验组泥灰岩相似材料参数范围均大于泥灰岩参数，即该正交设计下的泥灰岩相似材料具有可行性及较好的可调性。

表4 泥灰岩相似材料试验结果

2.4 参数敏感性分析

基于各组配比试件参数测定结果对各参数进行极差和方差分析，绘制出各因素敏感性分析图，如图13所示。通过对主控参数下各因素极差值及方差分析，得出相似材料各组分含量的敏感性。

(a) 密度

由图13可知，泥灰岩相似材料各主控参数敏感性从大到小依次为： 单轴抗压强度∶骨胶比>黏土∶水泥>石膏粉掺量>砂∶重晶石粉；密度∶骨胶比>黏土∶水泥>砂∶重晶石粉>石膏粉掺量；黏聚力∶骨胶比>黏土∶水泥≈砂∶重晶石粉≈石膏粉掺量；内摩擦角∶黏土∶水泥≈石膏粉掺量>砂∶重晶石>骨胶比；弹性模量∶骨胶比>黏土∶水泥>石膏粉掺量>砂∶重晶石；软化系数∶砂∶重晶石>黏土∶水泥>石膏粉掺量>骨胶比；孔隙率∶骨胶比>石膏粉掺量>黏土∶水泥≈砂∶重晶石。

2.5 原岩相似材料配比

通过对试验数据的测试及配比的调试，发现当试验配比为： 骨胶比1∶1、黏土∶水泥2∶1、砂∶重晶石2∶1、石膏掺量30%时，基本接近相似材料的主控参数，该相似材料能够较好地对泥灰岩进行模拟，其试验参数与泥灰岩原岩参数对比如表5所示。

表5 泥灰岩与相似材料参数

3 隧道突涌水模型试验

3.1 工程概况

秦峪隧道长度为2.5 km，位于渭武高速的陇南段，隧道右线YK347+840为白云质灰岩和泥灰岩的分界点，YK347+840～+865段落为全泥灰岩地层。该标段泥灰岩为二叠系泥灰岩，泥质结构，厚层状构造，岩体较为软弱，遇水易软化泥化，呈淡红色夹白色，围岩等级为Ⅳ级，平均埋深为140～180 m，秦峪隧道全景如图14所示。

图14 秦峪隧道全景

施工过程中出现多次突涌水灾害，如图15所示。突涌水灾变演化过程极其复杂，且具有强突发性和强隐蔽性，其灾害机制尚不明确。

(a) 秦峪出口右线掌子面股状涌水

以秦峪隧道YK347+840～+865段为试验原型，隧道围岩等级为Ⅳ级。由工程地质勘查报告可知，该隧道段泥灰岩围岩较为完整，其完整性系数，岩层倾角较为陡峭，地下水易沿结构面渗入，且该隧道段局部存在高地应力，开挖时可能出现收敛变形。

借助三维地质力学模型试验系统，对该工程段的泥灰岩围岩及含水构造进行相似模拟，并在含水构造与隧道开挖面之间的防突岩体及周边围岩进行多源信息化监测，分别对应力变、位移及水压等物理参数进行数据采集。分析隧道在开挖过程中及发生突涌水整个过程的各个物理参数信息，讨论泥灰岩突涌水机制，为工程施工及突涌水预警预报研究提供参考。

3.2 模型填筑

对上述工程段泥灰岩隧道进行模拟试验，几何比尺选取1∶25。相似材料依次为： 325目粒径红黏土粉和重晶石粉，0.3～0.6 mm粒径河砂，42.5普通硅酸盐水泥和石膏粉。模型填筑体积为4 m3，试验共需要填筑材料约为8 t，试验材料如图16所示。

图16 模型试验填筑材料

在进行相似材料填筑时，为了控制填筑密实度及便捷布置传感器，采用人工分层夯实填筑法。基本流程如下：

1)为减小填筑相似材料与模型试验箱体之间存在的摩阻力，在模型箱体四周及底部铺设1层塑料薄膜，塑料薄膜能隔绝相似材料与箱体的直接接触，防止相似材料对箱体的腐蚀。

2)按照相似材料试验配比，将材料按照一定的顺序依次倒入搅拌机中，进行搅拌，直至各材料均匀混合。先将模型箱中的相似材料铺平，再利用重物将相似材料依次夯实。为保证相似材料的密实性，隧道开挖范围以下部分每次填筑高度不大于20 cm。

3)当相似材料填筑到预定高度时，对含水构造的模拟位置进行定位，进行含水构造的模拟。将相似材料填筑到高出传感器布设点10 cm左右的位置，当相似材料具有一定强度，但强度还很低时，进行定位向下开槽，将传感器布设在相应位置上，并用相似材料进行掩埋压实，将数据线按照蛇形从一端引出，减少数据线对相似材料内部的影响。

4)在相似材料填筑过程中，新旧相似材料层面交替时，为防止出现分层现象，首先，需要对旧相似材料层面进行凿毛处理，清理残渣及用水湿润；其次，进行新相似材料的填筑压实；最后，将相似材料填筑到预设标高，进行层面的平整压实，完成原型试验体的模拟。三维地质力学模型试验箱填筑流程如图17所示。

(a) 铺设塑料薄膜 (b) 材料加水搅拌

3.3 试验含水构造制备

含水构造制备是模型填筑过程中比较重要的一个步骤。试验通过借鉴李术才等[18]的经验，并对之进行改进，采用预埋气囊及导水通道法，对含水构造进行模拟预制。为了方便安装及良好的匹配性，选择外径为8 mm、内径为5 mm的气动管及气动阀进行导水管和排气管的铺设，该气动管的工作压力为1 MPa，极限压力为1.8 MPa，能够满足本次试验需求。除此之外，气动管与气动阀之间为插拔连接，方便控制操作，透明管身方便观察液体流向。

在进行模型体制作时，将选取的气囊预埋在设定含水构造的部位，并将导水管埋置在含水构造的底部，将排气管埋置底部或上部，为防止水流对模型体冲刷的影响及导水管的堵塞，在导水管的端部安装反滤网。其具体布设步骤如下：

1)选择直径为15 cm的气囊，充气至溶洞设定尺寸。

2)用相似材料对气囊、导水管及排气管进行固定掩埋，将气囊充气孔朝上，将周边填筑材料压实，进行层面平整压实。

3)为方便封闭开挖孔，采取倒圆台型开挖方式，利用小尖头铲，在气囊正上方向下挖土，直至可见气囊充气孔为止。

4)利用球针对预埋气囊进行放气处理，将气囊取出。使用小尖铲对开挖孔周边进行剔凿处理，便于洞口封堵时，新旧相似材料的结合，防止出现分层现象。

5)对开挖洞口周边用相似材料进行封堵压实。利用预埋导管对含水构造进行检验，当对其中任意一根导管进行吹气时，另一根导管有稳定气流流出，则预埋含水构造成功。

3.4 信息采集方案设计

试验共模拟3个含水构造，布设5个采集断面，其中包括3个重点监测断面和2个普通监测断面，一共布置54个数据采集点。为保证位移装置测量准确性，防止隧道开挖时位移测量装置对其他传感器的干扰，在过含水构造球心与隧道中轴线形成垂线的垂直平分面上，依次布设土压力传感器、渗水压力传感器及位移监测装置，以此来采集在隧道开挖过程隔水岩体的多源信息，如图18所示。

在隧道模型试验开挖时，其主要影响范围为3～5倍洞径。如图18(a)所示，分别设置PⅠ和PⅡ2个普通数据采集断面，分别在每个断面的隧道开挖洞周、0.5倍洞径、1倍洞径处布设传感器，对开挖隧道的拱顶、拱肩、侧拱进行多源信息采集，传感器布设如图18(b)所示。如图18(c)所示，布设ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ3个重点采集断面，对含水构造与隧道之间的隔水岩体进行多源信息采集。Z1、Z2、Z3分别为传感器布设点，其中Z测线长度等于含水构造直径。

(a) 数据采集断面设置(单位： mm)

3.5 隧道开挖过程

依据隧道相关资料，对隧道围岩、埋深、含水构造、开挖方式等相关工程条件进行相似模拟。本次模拟试验将依据实际工程采用人工台阶分步法进行开挖。

模型填筑完成养护7 d后，将传感器与数据采集设备进行连接，并将含水构造预留导水管接至多功能水压稳压加载系统上。向含水构造内注水，期间保证水压加载装置和含水构造内的水压稳定。同时利用三维地质力学模型试验系统，对模拟的隧道进行地应力模拟，使模拟地应力和水压持续加载48 h以后，试验材料未发生明显的材料变形现象，开始进行隧道模拟开挖。

该工程段实际开挖半径约为543 cm，开挖循环进尺为75～100 cm。模型试验中隧道开挖半径为20 cm，上台阶高度为15 cm，下台阶高度为12 cm，台阶长度为20 cm，开挖长度为100 cm，均进行人工开挖。在整个开挖过程中，进行各个采集点的数据采集，每完成一个循环进尺时，及时观察数据采集信息，当采集点采集数据稳定后，进行下一个循环进尺，直至开挖工作完成。隧道开挖过程如图19所示。

(a) 隧道模拟开挖工具 (b) 加载水压 (c) 地应力加载

4 隧道突涌水现象与结果分析

4.1 隧道突涌水现象特征

由工程统计资料可知，实际工程现场突涌水最大流量约为260 m3/h，按照相似比尺换算为模型流量23.11 mL/s。在模型试验隧道模拟开挖过程中，采用多功能水压加载稳压系统，严格控制补水流量，按照23.11 mL/s对含水构造进行实时补水。

在隧道模拟开挖进尺20 cm处(如图20(a)所示)，隧道前进方向掌子面和右侧侧壁出现明显的渗水现象，该现象是由于人工开挖过程中，人为扰动破坏了含水构造的内部平衡。当开挖进尺达到30 cm时(如图20(b)所示)，岩体内部的构造裂隙及薄弱面在水流作用下逐渐形成渗流通道，致使隧道开挖掌子面与隧道拱腰接触面上出现细小的渗水水流。在开挖进尺达到40 cm时，随着隧道模拟开挖的继续进行，细小的渗水水流缓慢加剧，在隧道拱腰处，出现小股状涌水(如图20(c))，在隧道侧壁的拱腰部位产生涌水通道。在隧道模拟开挖完全贯通时，隧道掘进口20 cm处的拱顶处出现滴水状渗水现象(如图20(d))，伴随隧道开挖的贯通，隧道顶端应力释放加剧，打破了拱顶隔水岩体围岩压力和含水构造内渗水压力的平衡，隧道口顶部含水构造内的水在渗水压作用下，沿着拱顶隔水岩体产生的裂隙或薄弱面逐渐向隧道内渗出。

(a) 掌子面出现渗水 (b) 掌子面出现细小水流

(c) 掌子面出现小股状涌水 (d) 隧道拱顶滴水状渗水

4.2 围岩位移变化规律

隧道开挖过程数据采集点位移变化如图21所示。在隧道模拟开挖时，PⅡ监测断面围岩位移变化略滞后于PⅠ断面围岩位移变化；在隧道未发生渗水时，由于PⅠ断面隧道首先受到开挖扰动，围岩压力会首先向隧道临空面释放，其位移变化速率及位移累计量均大于PⅡ断面；当隧道开挖至第5步时围岩开始发生渗水，PⅡ断面围岩位移变化量突增，其位移变化速率及位移变化量也逐渐增大，该变化的发生加速了围岩压力向临空面的释放，致使围岩压力与含水构造内的渗透水压力的平衡更易被打破。

图21 位移随开挖步变化曲线

当隧道开挖至第14步时开始发生突涌水，动水压力使裂隙面上的充填物发生变形和位移，导致裂隙或裂纹的连通性增强，PⅡ断面围岩位移速率再次发生突增；在隧道开挖至第18开挖步时，PⅡ监测断面隧道拱腰、拱肩处围岩几乎达到最大变形量，拱顶位移变化速率减小，围岩压力处于新的平衡状态；开挖至第18—21开挖步时，PⅠ监测断面的位移变化几乎保持不变；当进行第21—22步隧道开挖，隧道接近贯通，隧道围岩压力的释放打破了围岩压力与含水构造渗透水压力的平衡，造成监测断面PⅠ附近发生滴水状渗水现象，进而影响PⅠ断面的位移发生变化，最终达到新的平衡状态。

4.3 围岩压力变化规律

隧道围岩压力随开挖步的变化特征如图22所示。在隧道模拟开挖过程中，PⅡ监测断面的围岩压力变化呈现出“阶梯状变化”，即围岩压力伴随着隧道开挖的进行出现了分段释放现象。

图22 压力随开挖步变化曲线

1)在第5开挖步之前，PⅡ监测断面围岩压力变化规律与PⅠ监测断面基本相同，PⅡ监测断面的拱顶、拱肩及拱腰处围岩压力初始释放率分别为10.83%、5.66%、1.5%，PⅠ监测断面拱顶、拱肩及拱腰处围岩压力初始释放率分别为8.79%、5.25%、5.01%。

2)在第5—12开挖步，伴随开挖掌子面远离监测断面，围岩压力会进行重新分布，进而使围岩压力达到新的平衡状态。

3)当隧道进行第12—17开挖步时，由于隧道开挖对围岩的扰动，含水构造渗透水压与围岩压力之间的平衡发生进一步破坏失稳，渗水现象演化为小股状涌水，PⅡ监测断面的隧道围岩压力释放加剧，致使PⅡ拱腰围岩压力较PⅠ拱腰处围岩压力释放提前且使其释放速率增加，此过程PⅠ监测断面洞周的围岩应力发生缓慢变化；当隧道围岩压力重新处于稳定阶段时，PⅠ监测断面拱顶、拱肩及拱腰处围岩压力释放率分别为54%、42.72%、24.74%，PⅡ监测断面拱顶、拱肩及拱腰处围岩压力释放率分别为62.68%、41.42%、51.01%。

4.4 隔水围岩渗透水压力变化规律

重点监测断面渗透水压力随开挖步变化曲线如图23所示。1)受岩体内损伤变形的影响，渗透水压力大体呈现逐渐降低的趋势，隧道发生突涌水前，监测断面ZⅡ渗透压力变化明显，侧面含水构造Ⅱ渗透水压力减少到初始压力的27.68%达到稳定状态。2)监测断面ZⅠ在第14开挖步后，随着开挖扰动的影响，围岩岩体卸荷损伤加剧，渗透水压力出现明显下降，隧道上方含水构造Ⅰ渗透水压力降至初始压力的40.76%达到稳定状态，其中渗透水压力发生突降时，监测断面ZⅠ和ZⅡ突降段的突降量分别为56.02%和73.35%左右。3)监测断面ZⅢ在发生突涌水之前没有明显的渗透压力变化，渗透水压力降至初始压力的69.34%达到平衡稳定状态，整体变化趋势较平稳。

图23 隔水围岩渗透水压力随开挖步变化曲线

4.5 隔水围岩压力变化规律

在隧道开挖过程中隔水围岩压力随开挖步变化曲线如图24所示，3个重点监测断面的应力释放表现出不同的特征。1)随着掌子面逐渐接近含水构造，监测断面ZⅡ出现小范围应力升高现象，此时含水构造内部有微裂隙的产生，在第11开挖步时达到应力峰值，第22开挖步后压力释放18.6%达到稳定状态。2)监测断面ZⅠ在第16开挖步之前没有明显的应力上升阶段，达到稳定状态时应力释放率为16.08%，整体变化趋势较为平稳。3)监测断面ZⅢ由于距离掌子面较远，发生突涌水之前应力变化幅度较小，突涌水之后含水构造内积聚的渗透水压力会向隔水围岩进行释放，致使隔水围岩存在压力积累现象，达到稳定状态时应力释放率仅为6.63%。

图24 隔水围岩压力随开挖步变化曲线

4.6 隔水围岩位移变化规律

预埋含水构造隔水围岩在隧道开挖过程中的位移变化曲线如图25所示。受开挖扰动影响，ZⅠ和ZⅡ的隔水围岩位移变化较为明显，且呈现出较为明显的阶梯状变化，而ZⅢ在第18开挖步之前，几乎没有位移波动。在隧道进行台阶法模拟开挖过程中不可避免地会对地下岩土体进行扰动，逐渐释放掌子面的侧向压力，从而导致含水构造与围岩之间的初始平衡丧失，并向新的平衡位置移动，达到极限承载力后，岩土体发生屈服。发生涌水现象的隧道侧方含水构造Ⅱ及上方含水构造Ⅰ隔水围岩累计位移较大，分别为0.18 mm和0.15 mm，下方含水构造Ⅲ隔水围岩累计位移最小为0.06 mm。

图25 隔水围岩位移随开挖步变化曲线

5 结论与讨论

以兰州至海口国家高速公路(G75)滑源至武都段秦峪隧道为工程依托，研制了一种新型泥灰岩相似材料，并采用自主研制的三维地质力学物理模型试验系统进行模型试验，对隧道突涌水灾害机制进行研究；同时搭建了隧道突涌水预警系统。主要研究结论如下：

1)基于相似理论与正交设计理论，以红黏土粉、砂、重晶石粉、石膏粉和水泥为原材料，进行大量配比试验，研制出了新型泥灰岩隧道围岩相似材料，确定最终配比为： 骨胶比1∶1、黏土∶水泥2∶1、砂∶重晶石2∶1、石膏掺量30%，可以较好地模拟出泥灰岩遇水泥化软化的特征。

2)自主研发了可进行低频周期循环加卸载的隧道突涌水三维地质力学模型试验系统，主要由三维电液伺服加载、自主研制的多功能水压稳压装置、数据自动采集系统等组成。可实现低频周期循环加卸载以及数据自动监测并进行远程无线传输的目的，为研究隧道突涌水致灾机制、指导类似条件三维地质力学模型试验提供了依据。

3)通过对泥灰岩隧道地质构造、含水构造及台阶法开挖模拟的分析研究，揭露了泥灰岩隧道在采用台阶法开挖过程中突涌水机制及前兆信息演化规律。试验研究发现，当隧道开挖发生突涌水时，隔水围岩压力和渗透水压力最大释放率分别为18.6%和73.35%，位移最大位移量为0.18 mm。试验结果对于泥灰岩隧道预防突水灾害的防治措施具有较好的指导意义。

对含水构造的特征及含水构造的模拟方法有待进一步研究，对于试验过程中数据采集方式及采集精度有待今后进一步研究。此外，虽然基于Python编程语言开发了预警系统，但在本次试验中未进行应用，下一步拟就模型试验中预警模块的应用进行深化研究，以提供可供工程实际应用的预警措施。