隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統及其試驗方法

隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統及其試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，包括試驗臺架、地應力加載系統、供水系統、注漿系統和監測系統，試驗臺架中設有用于填充密實性介質、斷層介質和圍巖介質的空間，密實性介質位于試驗臺架內部空間的周邊和底部，斷層介質和圍巖介質位于密實性介質形成的凹形空間內，斷層介質處于圍巖介質中部，供水系統設置于斷層介質頂部設有一層礫石濾層，供水系統設置于礫石濾層上；地應力加載系統位于圍巖介質頂部，注漿系統由試驗臺架底部伸入到圍巖介質中的開挖隧道部位，監測系統包括設置于斷層介質和圍巖介質交界處以及斷層介質內部的若干傳感器，傳感器與試驗臺架外部顯示裝置相連。本發明同時還公開了利用該系統的試驗方法。
【專利說明】隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統及其試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖土工程模型試驗系統及其試驗方法，具體涉及一種隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]在富水軟弱斷層帶中開挖隧道時，經常發生突水突泥災害，造成巨大的人員財產損失。注漿作為一種加固軟弱圍巖、治理突水突泥災害的一種有效手段在隧道突水突泥災害治理工程中得到了越來越廣泛的應用。但是由于巖體水文地質條件的復雜性、注漿工程的隱蔽性、漿液性質的時變性等原因，注漿理論嚴重滯后于注漿工程實踐。
[0003]模型試驗是研究隧道突水突泥災害形成過程中的災變機理、注漿治理過程中漿液擴散規律及加固機理的重要方法。目前，在注漿模型實驗方面，注漿模型實驗多側重于注漿過程的局部，只針對某些特定地層(如單裂隙、簡單多孔介質)，沒有對注漿過程進行整體系統的研究；在突水突泥模型試驗方面，研究者大多只研究突水突泥的致災過程，并沒有對災后治理進行研究。尤其在隧道開挖引起突水突泥災害并在災后進行注漿治理的模型試驗研究方面，國內罕有研究。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統及其試驗方法，本發明可以系統模擬隧道開挖引起的突水突泥災害形成過程、災后注漿治理過程、注漿治理后的開挖過程，并可進一步評判注漿效果及分析隧道圍巖穩定性。實現隧道突水突泥災害形成、災后治理、治理后開挖的三個階段連續、完整的模擬，為相關研究奠定基礎。
[0005]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0006]一種隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，包括試驗臺架、地應力加載系統、供水系統、注漿系統和監測系統，試驗臺架中設有用于填充密實性介質、斷層介質和圍巖介質的空間，密實性介質位于試驗臺架內部空間的周邊和底部，斷層介質和圍巖介質位于密實性介質形成的凹形空間內，斷層介質處于圍巖介質中部，斷層介質頂部設有一層礫石濾層，供水系統設置于礫石濾層上；地應力加載系統位于圍巖介質頂部，注漿系統由試驗臺架底部伸入到圍巖介質中的開挖隧道部位，監測系統包括設置于斷層介質和圍巖介質交界處以及斷層介質內部的若干傳感器，若干傳感器與試驗臺架外部顯示裝置相連，斷層介質下方設置測壓管；
[0007]所述試驗臺架包括側壁、用于提供加載地應力平臺的頂蓋和設于鋼筋混凝土支撐架頂部的底板，所述的側壁垂直設立于底板且與底板連接，頂蓋設于側壁的頂部且與側壁相連；所述的側壁由多個在豎直方向上疊放在一起的模型環單元依次連接而成；且在隧道設計位置對應的模型環單元的直徑方向正對設置兩個空洞，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵孔洞，弧形封閉鋼板與側壁之間相連接。[0008]所述的模型環單元由兩個半圓弧單元連接而成；彼此相鄰模型環單元由半圓環式肋板連接構成側壁。
[0009]半圓弧單元包括弧板、半圓環式肋板、豎直肋板，所述弧板圓周方向的頂部、底部沿邊緣焊接半圓環式肋板；弧板的沿圓周方向的兩端與中部均設有與其相連的豎直肋板；且所述豎直肋板的在豎直方向上與半圓環式肋板連接，且在半圓環式肋板上鉆有孔。
[0010]所述的弧板上設置有作為模型內外的注漿管連接裝置使用或者作為監測系統的引線管使用的兩個連接管。
[0011]所述的頂蓋為圓形，其頂部設有用于提高頂蓋的強度和剛度交叉肋板，其上設有一個穿過其到達試驗臺架內部且作為地應力加載系統的連接孔使用的連接管。
[0012]所述的底板上設置有多根管道，管道穿過底板并與底板連接；且位于試驗臺架內部的管道端部通過絲扣與注漿管連接，試驗臺架外的管道端部連接注漿管路。
[0013]隧道開挖時，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準。
[0014]所述導向鋼板由平鋼板和兩個與側壁相同弧度的連接板構成，平鋼板與連接板連接；在平鋼板四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板的開孔位置相同。
[0015]所述地應力加載系統包括一個與模型試驗架頂部相通的壓力罐，所述的壓力罐設置有3個接口和一個泄壓閥門，第一接口與一個為其提供壓力的空壓機相連，第二接口與一個為其提供水源的水泵相連，第三接口與水囊連通，為模型試驗架內的介質提供壓力。
[0016]所述的第一接口與空壓機的壓力調節器連接，第二接口上安裝送水閥門，送水閥門與水泵通過送水管連接，第三接口與輸水閥門連接，輸水管連接輸水閥門與水囊，輸水管上設置壓力表監測水壓。
[0017]空壓機通過壓力調節器調節輸出壓力，輸出壓力范圍為O?5MPa。
[0018]所述的輸水管通過一個活節與進入到水囊內的連接管相連，所述的連接管下部焊接底盤，連接管底盤與水囊圓形開口部位粘接。
[0019]所述的水囊采用薄壁、變形性能極佳、抗破壞能力強的橡膠材料制成，水囊形狀為圓柱形，中間設置圓形開口。
[0020]所述的水囊的四周為試驗臺架內壁，水囊直徑與試驗臺架側壁內徑相等，水囊高度與所填圍巖介質和頂蓋之間的距離相等，從而保證水囊與試驗臺架內壁和所填圍巖介質的貼合。
[0021]試驗臺架內壁承受水囊加壓過程中產生的反力作用，頂蓋設置垂直交叉的肋板增強頂蓋的強度和剛度。
[0022]所述供水系統包括空壓機、水泵、水力承壓筒和加壓水箱，在隧道開挖至突水突泥、突泥后注漿治理、治理后隧道開挖過程中供水系統可以全程提供穩定壓力水源。水力承壓筒為鋼制圓柱形承壓筒，承壓筒上部設置兩個閥門，下部設置一個閥門，其中一個上部閥門與空壓機上的壓力調節器通過輸氣軟管連接，空壓機為水力承壓筒提供穩定的空氣動力，壓縮空氣的壓力易于控制并且穩定，通過調節壓力調節器控制輸出壓力，輸出壓力范圍為O?1.5MPa。水力承壓筒的另一個上部閥門與水泵通過輸水軟管連接，下部閥門與加壓水箱通過輸水軟管連接，在輸水軟管上設置P-Q-t記錄儀并與電腦連接，實時記錄壓力、流量隨時間的變化。在實驗過程中，水力承壓筒內腔上部為壓縮空氣，下部為水，利用穩定的空氣壓力推動水進入加壓水箱。[0023]加壓水箱為扁平狀的水箱，水箱上部與水力承壓筒通過輸水軟管連接，水箱下部等間距密布排水孔。在模型試驗過程中，加壓水箱預置在斷層的上部，水箱底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱與斷層有最大的接觸面積，從而使模型試驗過程中水壓更均勻。
[0024]所述注漿系統包括兩對前后設置的分段注漿器，其中一對分段注漿器對應于隧道開挖后的圍巖注漿加固區域，另一對分段注漿器對應于隧道開挖前的超前帷幕注漿加固區域；每個分段注漿器均包含一根豎直的注漿管，注漿管上并聯有三根分別與隧道開挖后的圍巖注漿加固區域或隧道開挖前的超前帷幕注漿加固區域相對應的注漿軟管，每兩根注漿軟管之間的注漿管中設有一注漿分隔器，注漿管的進口與注漿泵相連；
[0025]所述注漿分隔器為邊緣帶鋸齒的圓形薄片，圓形薄片的直徑與注漿管的外徑相同，將薄片鋸齒彎折后套入注漿管端部，并利用粘接劑將兩者粘接固定，將粘結注漿分隔器的注漿管和不粘結注漿分隔器的注漿管通過接頭連接，從而固定注漿分隔器。
[0026]所述注漿管為PVC材質，注漿管下端口通過PVC接箍與鋼制絲管連接，鋼制絲管穿過底板并與底板焊接連接。
[0027]所述鋼制絲管下端通過活節與注漿管路相連，注漿管路與注漿泵相連，且注漿管路上設有閥門。
[0028]所述圓形薄片為厚度為0.23mm的鋁制薄片，該鋁制薄片能夠承受IMPa的注漿壓力，完全滿足模型試驗對注漿壓力的要求。
[0029]所述注漿軟管采用軟材質的塑料管制成，軟管上間隔設置溢漿口，注漿軟管與注漿管通過PVC變徑連接。
[0030]相對的兩根注漿軟管布置在同一直線上，兩對前后設置的分段注漿器共12根注漿軟管呈正六棱柱以隧道為中心布置。
[0031]隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統試驗方法，步驟為:
[0032]步驟一:在鋼筋混凝土支撐架上安裝試驗臺架；固定試驗臺架的底板，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓連接成模型環單元，通過螺栓連接模型環單元、底板與支撐鋼板，所有螺栓連接處放置橡膠墊以保證密封性。隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元，這樣可以避免一次性架設試驗臺架所帶來的填料與埋設監測元件操作空間不足的問題；
[0033]步驟二:安裝內部預埋分段注漿器，在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設計的隧道位置布設4個內部預埋分段注漿器，12根注漿軟管均勻布置在隧道周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管的尺寸調整注漿軟管位置；
[0034]步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質，在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質，目的是提高其強度并降低其滲透率，防止漿液或水沿試驗臺架內部側壁流動影響實驗結果，其他區域的圍巖介質正常填料；
[0035]步驟四:根據斷層傾角、厚度及斷層與隧道相對位置參數預置斷層，根據上述斷層參數填筑斷層介質，并在斷層介質下方設置測壓管，測壓管的作用是驗證斷層內部是否達到飽水狀態；
[0036]步驟五:布置監測元件，光纖傳感器布置在相應過程的關鍵區域觀測特定物理場的變化。突水突泥災害發生前后，斷層與圍巖交界附近為災害發生前后的關鍵區域，此區域滲流場、位移場、應力場發生明顯變化，在交界附近斷面重點布置滲壓、位移、土壓和應變傳感器。注漿處治過程中，斷層內部為注漿加固的關鍵區域，此區域溫度場、滲流場、應力場發生明顯變化，在斷層內部重點布置溫度、滲壓、土壓和位移傳感器；
[0037]步驟六:放置加壓水箱，在斷層頂部預置一層礫石濾層防止斷層相似材料通過水箱排水孔進入水箱堵塞排水孔，在礫石濾層上方預置加壓水箱，加壓水箱底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱與斷層有最大的接觸面積；
[0038]步驟七:若不需要加載地應力，則不安裝頂蓋，填料在自重下達到試驗設計要求的應力水平，若需要加載地應力，則安裝地應力加載系統，在圍巖介質上方放置水囊，保證水囊與圍巖介質及試驗臺架內壁緊密貼合，之后將頂蓋與側壁通過高強螺栓連接，通過活節連接輸水管與水囊連接管；
[0039]步驟八:啟動監測系統，在完成全部填料、監測元件埋設、預埋分段注漿器安裝、地應力加載系統安裝等工作后，啟動監測系統，開始監測各個物理場數據直到模型試驗結束；
[0040]步驟九:形成承壓靜水環境，連接空壓機、水泵、水力承壓筒、加壓水箱、P-Q-t記錄儀等設備，打開水泵使水力承壓筒充滿水，充滿水后關閉輸水閥門；按實驗目標要求設定空壓機壓力，打開相關閥門使壓力水進入模型內部，直到斷層內部達到飽水狀態，從而形成承壓靜水環境；
[0041]步驟十:隧道開挖，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，以導向鋼板上的開挖隧道口為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后等待一段時間，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖。實時記錄隧道開挖期間的涌水量，并記錄突水突泥發生時的突水突泥量；
[0042]步驟十一:對隧道圍巖實施注漿，清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圓柱形自制止漿墻，防止注漿過程中漿液從已開挖的隧道空間流出；由于設置了 4個不同位置的內部預埋分段注漿器并且每個預埋分段注漿器內部有兩個注漿分隔器，整個注漿過程分4序次、每序次分3段注漿，總共注漿12次；按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿堵水加固。注漿過程中利用P-Q-t記錄儀記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化；
[0043]步驟十二:注漿后開挖隧道，注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫通。隧道貫通之后不斷增加供水壓力，使隧道重新發生突水突泥，檢驗注漿加固后的隧道圍巖所能承受的最大水壓力，進而評判注漿效果；
[0044]步驟十三:模型試驗系統拆除，關閉供水系統及地應力加載系統，拆除側壁，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并在重要位置取樣用于后續研究。模型試驗結束。
[0045]本發明中，試驗臺架為模型試驗提供一個承載結構，承受實驗過程中產生的應力載荷和水壓載荷。試驗臺架各部分均采用IOmm厚的鋼板焊接而成，保證了試驗臺架的強度和剛度，它包括底板、側壁和頂蓋。試驗臺架中的側壁由高300_的模型環單元通過高強螺栓連接而成。模型環單元由兩個半圓弧單元構成，半圓弧單元由弧板、半圓環式肋板、豎直肋板構成。弧板厚10mm、直徑1500mm,弧板頂部、底部沿邊緣焊接寬100mm、厚IOmm的半圓環式肋板，兩端與中部焊接寬100mm、高300mm、厚IOmm的豎直肋板；半圓環式肋板與豎直肋板通過焊接連接，并均勻鉆孔。兩個半圓弧單元由端部的豎直肋板通過高強螺栓連接構成模型環單元；彼此相鄰模型環單元由半圓環式肋板通過高強螺栓連接構成側壁。半圓環式肋板和豎直肋板提高結構強度和剛度并起連接作用。弧板上設置兩個連接管，連接管可作為模型內外的注漿管連接裝置使用，也可作為監測系統的引線管使用。側壁由模型環單元組裝而成，在模型實驗準備過程中由下往上逐層組裝，為填料與布設監測元件提供更大的操作空間；在模型試驗結束后，由上往下逐層拆模，保證地層結構及注漿漿脈完整地保留下來并可以觀察漿液擴散形態。試驗臺架各個結構單元采用模塊化方式連接，組裝及拆卸方便，可根據不同模型高度采用相應數量的模型環組合。試驗臺架的設計更好地滿足了模型試驗可重復性的要求。
[0046]在隧道設計位置對應的模型環單元的直徑方向正對設置兩個圓形空洞，空洞直徑要大于按不同試驗比尺設計所取的最大隧道尺寸，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵圓形孔洞，在弧形封閉鋼板四個角的位置開孔，弧形封閉鋼板與側壁之間通過螺栓連接，中間放置橡膠墊。隧道開挖時用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準。導向鋼板由平鋼板和兩個與側壁相同弧度的連接板構成，平鋼板與連接板通過焊接連接。在平鋼板四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板的開孔位置相同。導向鋼板與側壁之間通過螺栓連接。在平鋼板與圓形洞口對應位置根據不同的試驗比尺按實際隧道形狀設置開挖隧道口。
[0047]頂蓋上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板，交叉肋板提高頂蓋的強度和剛度，頂蓋與側壁通過螺栓連接。頂蓋焊接一根連接管，連接管作為地應力加載系統的連接孔使用。頂蓋的作用是提供加載地應力的平臺；在不加載地應力的情況下，試驗臺架不包含頂蓋，圍巖材料直接與外界接觸。
[0048]底板根據隧道位置設置4根帶絲鋼管，帶絲鋼管穿過底板并與底板通過焊接方式連接，試驗臺架內部的鋼管端部通過絲扣與預埋分段注漿器連接，試驗臺架外的鋼管端部通過絲扣與閥門連接，閥門連接注漿管路。頂蓋、底板與側壁通過螺栓連接。半圓弧單元之間的連接處、模型環單元之間的連接處、側壁與頂蓋的連接處、側壁與底板的連接處均放置IOmm厚的橡膠墊,保證模型的密封性。
[0049]試驗臺架放置在鋼筋混凝土支撐架上，鋼筋混凝土支撐架由支撐鋼板、4根鋼筋混凝土柱和鋼筋混凝土平臺構成。鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土平臺為一體化澆筑而成，每根鋼筋混凝土柱上預埋兩根螺絲桿，支撐鋼板在與螺絲桿相對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板與鋼筋混凝土柱通過螺絲桿連接。支撐鋼板為一圓環形鋼板，厚10mm，外徑2000mm，內徑1100mm。試驗臺架直接放置在支撐鋼板之上，支撐鋼板在底板螺栓對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板、底板和側壁通過螺栓連接。鋼筋混凝土支撐架保證了底板下部有足夠的操作空間。
[0050]地應力加載系統主要由大功率空壓機、壓力罐、水囊三部分構成。地應力加載系統中的大功率空壓機與壓力罐通過輸氣管連接，并設置壓力調節器控制大功率空壓機輸出壓力，輸出壓力范圍為O?5MPa。壓力罐由IOmm厚的鋼板制成并設置支架支撐壓力罐，壓力罐上部設置三個接口和一個泄壓閥門，第一接口通過輸氣管與大功率空壓機連接，第二接口為加水口并連接閥門第三接口連接閥門并通過輸水管與水囊連接，輸水管上設置壓力表測量水壓。水囊采用薄壁、變形性能極佳、抗破壞能力強的橡膠材料制成。水囊形狀為圓柱形，中間設置圓形開口，水囊半徑與試驗臺架內徑相等，水囊高度與所填圍巖介質和頂蓋之間的距離相等，從而保證水囊與試驗臺架內壁和所填圍巖介質緊密貼合。輸水管通過一個活節與進入到水囊內的水囊連接管相連，所述的水囊連接管下部焊接底盤，連接管底盤與水囊圓形開口部位粘接。在地應力加載過程中，壓力罐內下部為水，上部為空氣，依靠大功率空壓機提供空氣壓力，空氣壓力轉化為水壓力作用在水囊中，所加水壓傳遞到圍巖介質之上，從而實現地應力加載。水壓通過水囊傳遞壓力必然會產生壓力損耗，通過采用變形性能好的材料制作水囊最大限度減小壓力損耗，讓所加水壓與所要施加的地應力盡可能相
坐寸O
[0051]供水系統由空壓機、水泵、水力承壓筒和加壓水箱等構成，在隧道開挖至突水突泥、突泥后注漿治理、治理后隧道開挖過程中供水系統可以全程提供穩定壓力水源。水力承壓筒為鋼制圓柱形承壓筒，承壓筒上部設置兩個閥門，下部設置一個閥門，其中一個上部閥門與空壓機上的壓力調節器通過輸氣軟管連接，空壓機為水力承壓筒提供穩定的空氣動力，壓縮空氣的壓力易于控制并且穩定，通過調節壓力調節器控制輸出壓力，輸出壓力范圍為O?1.5MPa。水力承壓筒上部閥門與水泵通過輸水軟管連接，下部閥門與加壓水箱通過輸水軟管連接，在輸水軟管上設置P-Q-t記錄儀并與電腦連接，實時記錄壓力、流量隨時間的變化。在實驗過程中，水力承壓筒內腔上部為壓縮空氣，下部為水，利用穩定的空氣壓力推動水進入加壓水箱。
[0052]加壓水箱為扁平狀的水箱，水箱上部與水力承壓筒通過輸水軟管連接，水箱下部等間距密布排水孔。在模型試驗過程中，加壓水箱預置在斷層的上部，水箱底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱與斷層有最大的接觸面積，從而使模型試驗過程中水壓更均勻
[0053]注漿系統由外部注漿裝置和內部預埋分段注漿器兩部分構成。外部注漿裝置由注漿泵、P-Q-t記錄儀及相應的注漿管路構成。試驗臺架內部的帶絲鋼管端部通過絲扣與4個內部預埋分段注漿器連接，內部預埋分段注漿器由PVC注漿管、注漿分隔器和注漿軟管構成。每個預埋分段注漿器內部設置有2個注漿分隔器和3根注漿軟管，內部預埋分段注漿器可以實現分序次分段注漿，具體過程參見具體試驗方法。PVC注漿管采用PVC材料制作而成，加工方便、成本低廉。注漿分隔器的材質為普通鋁制薄片，形狀為帶鋸齒的圓形薄片，圓形薄片的直徑與PVC注漿管的外徑相同，利用AB膠粘結PVC注漿管和注漿分隔器，將粘結注漿分隔器的PVC注漿管和不粘結注漿分隔器的PVC注漿管通過PVC接頭連接，從而固定注漿分隔器。注漿分隔器可以承受IMPa的注漿壓力，完全滿足模型試驗對注漿壓力的要求。在前一段注漿完成后，利用鉆頭破壞鋁制薄片即可進行下一次注漿。注漿軟管采用軟材質的塑料管制成，軟管上間隔設置溢漿口，注漿軟管與PVC注漿管通過PVC變徑連接。注漿軟管沒有支撐能力，對斷層突水突泥不造成影響。12根注漿軟管均勻布置在隧道周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管的尺寸調整注漿軟管位置。
[0054]數據監測系統采用光纖傳感器，包括土壓、滲壓、位移、應變、溫度光纖傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高、響應速度快、動態范圍寬、重量輕、結構緊湊、使用靈活、抗腐蝕、耐高溫、不受電磁干擾等優點。光纖傳感器布置在相應過程的關鍵區域觀測特定物理場的變化。突水突泥災害發生前后，斷層與圍巖交界附近為災害發生前后的關鍵區域，此區域滲流場、位移場、應力場發生明顯變化，在交界附近斷面重點布置滲壓、位移、土壓和應變傳感器。注漿處治過程中，斷層內部為注漿加固的關鍵區域，此區域溫度場、滲流場、應力場發生明顯變化，在斷層內部重點布置溫度、滲壓、土壓和位移傳感器。
[0055]本發明的有益效果是，本發明可以系統模擬隧道開挖引起的突水突泥災害形成過程、災后注漿治理過程、注漿治理后的開挖過程，并可進一步評判注漿效果及分析隧道圍巖穩定性。實現隧道突水突泥災害形成、災后治理、治理后開挖的三個階段連續、完整的模擬，為相關研究奠定基礎。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]圖1為隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統試驗流程圖；
[0057]圖2為試驗臺架剖面圖；
[0058]圖3-1、3_2分別為試驗臺架側壁半圓弧單元主視圖和俯視圖；
[0059]圖4-1、4_2分別為導向鋼板主視圖和俯視圖；
[0060]圖5為試驗臺架底板結構圖；
[0061]圖6為試驗臺架頂蓋結構圖；
[0062]圖7-1、7_2分別為鋼筋混凝土支撐架俯視圖和主視圖；
[0063]圖8為地應力加載系統示意圖；
[0064]圖9為供水系統示意圖；
[0065]圖10為加壓水箱底板結構圖；
[0066]圖11-1、11_2、11-3分別為內部預埋分段注漿器結構及布置主視圖、側視圖和俯視圖；
[0067]圖12-1、12_2分別為內部預埋分段注漿器細部結構圖；
[0068]圖12-3為注漿軟管結構圖；
[0069]圖13為模型試驗填料、注漿系統、監測系統工作示意圖；
[0070]圖14為試驗臺架三維整體圖；
[0071]I—側壁；2—頂蓋；3—底板；4—高強螺栓；5——模型環單元；6——半圓弧單元；7—弧板；8—半圓環式肋板；9—豎直肋板；10—弧板連接管；11—圓形空洞；12—弧形封閉鋼板；13—橡膠墊；14一一交叉肋板；15—頂蓋連接管；16—泄壓閥門；17—帶絲鋼管；18—底板閥門；19—鋼筋混凝土支撐架；20——支撐鋼板；21—鋼筋混凝土柱；22—鋼筋混凝土平臺；23—螺絲桿；24——大功率空壓機；25——壓力罐；26——水囊；27——輸氣管；28——壓力調節器；29——支架；30——第一接口 ；31——第二接口 ；32——輸水管；33——壓力表；34——第三接口 ；35——水囊連接管；36——空壓機；37——水泵；38——水力承壓筒；39——加壓水箱；40——P-Q-t記錄儀；41—壓力調節器；42—閥門；43—輸氣軟管；44——輸水軟管；45——排水孔；46——PVC注漿管；47——注漿分隔器；48——注漿軟管；49——鋸齒；50——PVC接頭；51——PVC變徑；52——內部預埋分段注漿器；53——隧道；54——圍巖介質；55——密實性介質；56—斷層介質；57—測壓管；58—礫石濾層；59——監測斷面；60——注漿泵；61——P-Q-t記錄儀；62——注漿管路；63——導向鋼板；64——平鋼板；65——連接板；66——開挖隧道口 ；67——螺栓孔；68——溢漿口。
【具體實施方式】[0072]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0073]如圖1-圖14所示，實驗模型設計高度需要連接四層模型環單元，隧道位置在第二層模型環單元直徑位置。不加載地應力，圍巖介質與外界直接接觸。圍巖介質為強風化的粘土，斷層介質為富水軟弱的原狀斷層泥、石混合物，斷層傾角70°，斷層厚度60cm，該種地質情況極易導致隧道開挖過程中的突水突泥災害發生。
[0074]模型試驗系統可以完整連續地模擬復雜地質條件下隧道突水突泥災害演化、災后注漿處治及注漿加固后隧道開挖過程，并可進一步評判注漿效果及分析隧道圍巖穩定性。它包括試驗臺架、地應力加載系統、供水系統、注漿系統、監測系統五部分。
[0075]如圖13所示，試驗臺架由底板3、側壁I及頂蓋2三部分組成；地應力加載系統主要由大功率空壓機24、壓力罐25、水囊26三部分構成；供水系統由空壓機36、水泵37、水力承壓筒38和加壓水箱39等構成；注漿系統由外部注漿裝置和內部預埋分段注漿器52兩部分構成；監測系統由光纖傳感器及其數據采集、處理裝置構成。
[0076]試驗臺架中設有用于填充密實性介質55、斷層介質56和圍巖介質54的空間，密實性介質55位于試驗臺架內部空間的周邊和底部，斷層介質56和圍巖介質54位于密實性介質55形成的凹形空間內，斷層介質56處于圍巖介質54中部,斷層介質56頂部設有一層石樂石濾層58,供水系統設置于碌石濾層58上；地應力加載系統位于圍巖介質54頂部,注衆系統由試驗臺架底部伸入到圍巖介質54中的開挖隧道53部位，監測系統包括設置于斷層介質56和圍巖介質54交界處以及斷層介質56內部的若干傳感器,若干傳感器與試驗臺架外部顯示裝置相連，斷層介質56下方設置測壓管57。
[0077]如圖2-7所示，試驗臺架中的側壁I由高300_的模型環單元5通過高強螺栓連接而成。所述的模型環單元5由兩個半圓弧單元6構成，所述半圓弧單元6由弧板7、半圓環式肋板8、豎直肋板9構成。弧板7厚10mm、直徑1500mm，弧板7頂部、底部沿邊緣焊接寬100mm、厚IOmm的半圓環式肋板8,兩端與中部焊接寬100mm、高300mm、厚IOmm的豎直肋板9 ;半圓環式肋板8與豎直肋板通過焊接連接，并均勻鉆孔。兩個半圓弧單元6由端部的豎直肋板9通過高強螺栓連接構成模型環單元5 ;彼此相鄰模型環單元5由半圓環式肋板8通過高強螺栓連接構成側壁。半圓環式肋板8和豎直肋板9提高結構強度和剛度并起連接作用。試驗臺架各個結構單元采用模塊化方式連接，組裝及拆卸方便，可根據不同模型高度采用相應數量的模型環5組合。
[0078]弧板7上設置兩個連接管10，連接管10可作為模型內外的注漿管連接裝置使用，也可作為監測系統的引線管使用。在隧道設計位置對應的模型環單元5的直徑方向正對設置兩個圓形空洞11，空洞直徑要大于按實驗設計所取的最大隧道53尺寸，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板12封堵圓形孔洞，在弧形封閉鋼板12四個角的位置開孔，弧形封閉鋼板12與側壁之間通過螺栓4連接，中間放置橡膠墊13。
[0079]隧道開挖時用導向鋼板63替換弧形封閉鋼板12，導向鋼板63為開挖隧道提供開挖基準。所述導向鋼板63由平鋼板64和兩個與側壁相同弧度的連接板65構成,平鋼板64與連接板65通過焊接連接。在平鋼板64四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板12的開孔位置相同。隧道開挖時導向鋼板63與側壁I之間通過高強螺栓4連接。在平鋼板64與圓形洞口 11對應位置根據不同的試驗比尺按實際隧道形狀設置開挖隧道口 66。
[0080]頂蓋2上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板14，交叉肋板14提高頂蓋2的強度和剛度，頂蓋2與側壁I通過高強螺栓4連接。頂蓋2焊接一根連接管15，連接管15作為地應力加載系統的連接孔使用。頂蓋的作用是提供加載地應力的平臺；在不加載地應力的情況下，試驗臺架不包含頂蓋，圍巖材料直接與外界接觸。
[0081]試驗臺架的底板3根據隧道位置設置4根帶絲鋼管17，帶絲鋼管17穿過底板3并與底板3通過焊接方式連接，試驗臺架內部的鋼管端部通過絲扣與預埋分段注漿器52連接，試驗臺架外的鋼管端部通過絲扣與底板閥門18連接，底板閥門18連接注漿管路。底板3與側壁通過高強螺栓4連接。
[0082]頂蓋2、底板3和連接板65上均設有螺栓孔67。
[0083]半圓弧單元6之間的連接處、模型環單元5之間的連接處、側壁I與頂蓋2的連接處、側壁I與底板3的連接處均放置IOmm厚的橡膠墊，保證模型的密封性。
[0084]試驗臺架放置在鋼筋混凝土支撐架19上，鋼筋混凝土支撐架19由支撐鋼板20、4根鋼筋混凝土柱21和鋼筋混凝土平臺22構成。鋼筋混凝土柱21與鋼筋混凝土平臺22為一體化澆筑而成，每根鋼筋混凝土柱21上預埋兩根螺絲桿23，支撐鋼板20在與螺絲桿相對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板20與鋼筋混凝土柱21通過螺絲桿23連接。支撐鋼板20為一圓環形鋼板，厚IOmm,外徑2000mm,內徑1100mm。試驗臺架直接放置在支撐鋼板20之上，支撐鋼板20在底板3螺栓孔對應位置設置螺栓孔，支撐鋼板20、底板3和側壁I通過高強螺栓4連接。鋼筋混凝土支撐架19保證了底板3下部有足夠的操作空間。
[0085]如圖8所示，地應力加載系統中的大功率空壓機24與壓力罐25通過輸氣管27連接，并設置壓力調節器28控制大功率空壓機24輸出壓力，輸出壓力范圍為O?5MPa。壓力罐25由IOmm厚的鋼板制成并設置支架29支撐壓力罐25，壓力罐設置有3個接口和一個泄壓閥門16，第一接口 30與大功率空壓機24相連，第二接口 31通過輸水管32與水泵相連，第三接口 34與水囊26連通。
[0086]地應力加載系統中的水囊26與壓力罐25連接的管路上設置測量水壓的壓力表33。水囊26采用薄壁、變形性能極佳、抗破壞能力強的橡膠材料制成。水囊26形狀為圓柱形，中間設置圓形開口，水囊26半徑與試驗臺架內徑相等，水囊26高度與所填圍巖介質54和頂蓋2之間的距離相等，從而保證水囊26與試驗臺架內壁和所填圍巖介質54緊密貼合。輸水管通過活節與進入到水囊內的連接管35相連，連接管35下部焊接底盤，連接管35底盤與水囊26圓形開口部位粘接。
[0087]如圖9、圖10所示，供水系統中的水力承壓筒38為鋼制圓柱形承壓筒，承壓筒上部設置兩個閥門42，下部設置一個閥門42，其中一個上部閥門42與空壓機36上的壓力調節器41通過輸氣軟管43連接，通過調節壓力調節器41控制輸出壓力，輸出壓力范圍為O?
1.5MPa0
[0088]供水系統中的水力承壓筒33的另一個上部閥門與水泵37通過輸水軟管44連接，下部閥門與加壓水箱39通過輸水管連接，在輸水管上設置P-Q-t記錄儀40并與電腦連接，實時記錄壓力、流量隨時間的變化。
[0089]供水系統中的加壓水箱39為扁平狀的水箱，水箱上部與水力承壓筒38通過輸水軟管44連接，水箱下部等間距密布排水孔45。加壓水箱39底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證了模型試驗過程中水壓更均勻。
[0090]如圖11、圖12所示，外部注漿裝置由注漿泵60、P-Q_t記錄儀61及相應的注漿管路62構成。試驗臺架內部的帶絲鋼管端部通過絲扣與4個內部預埋分段注漿器52連接，內部預埋分段注漿器52由PVC注漿管46、注漿分隔器47和注漿軟管48構成。每個預埋分段注漿器52內部設置有2個注漿分隔器47和3根注漿軟管48，預埋分段注漿器可以實現分序次分段注漿。
[0091]注漿分隔器47的材質為普通鋁制薄片，形狀為帶鋸齒49的圓形薄片，圓形薄片的直徑與PVC注漿管46的外徑相同，利用AB膠粘結PVC注漿管46和注漿分隔器47，將粘結注漿分隔器47的PVC注漿管46和不粘結注漿分隔器47的PVC注漿管46通過PVC接頭50連接，從而固定注漿分隔器47。
[0092]注漿軟管48采用軟材質的塑料管制成，軟管上間隔設置溢漿口 68，注漿軟管48與PVC注漿管46通過PVC變徑51連接。注漿軟管48沒有支撐能力，對斷層突水突泥不造成影響。12根注漿軟管48均勻布置在隧道53周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管46的尺寸靈活調整注漿軟管48位置。
[0093]數據監測系統采用光纖傳感器，包括土壓、滲壓、位移、應變、溫度光纖傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高、響應速度快、動態范圍寬、重量輕、結構緊湊、使用靈活、抗腐蝕、耐高溫、不受電磁干擾等優點。
[0094]光纖傳感器布置在相應過程的關鍵區域觀測特定物理場的變化。突水突泥災害發生前后，斷層與圍巖交界附近為災害發生前后的關鍵區域，此區域滲流場、位移場、應力場發生明顯變化，在交界附近斷面重點布置滲壓、位移、土壓和應變傳感器。注漿處治過程中，斷層內部為注漿加固的關鍵區域，此區域溫度場、滲流場、應力場發生明顯變化，在斷層內部重點布置溫度、滲壓、土壓和位移傳感器。
[0095]隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統試驗方法，步驟為:
[0096]步驟一:在鋼筋混凝土支撐架19上安裝試驗臺架。固定試驗臺架的底板3，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓4連接成模型環單元5，通過螺栓連接模型環單元5、底板3與支撐鋼板20，所有螺栓連接處放置橡膠墊13以保證密封性。隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元，這樣可以避免一次性架設試驗臺架所帶來的填料與埋設監測元件操作空間不足的問題。
[0097]步驟二:安裝內部預埋分段注漿器52。在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設計的隧道位置布設4個內部預埋分段注漿器52，12根注漿軟管48均勻布置在隧道53周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管46的尺寸調整注漿軟管48位置。預埋分段注漿器的布置如圖11所示。
[0098]步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質54。在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質55，目的是提高其強度并降低其滲透率，防止漿液或水沿試驗臺架內部側壁流動，影響實驗結果。其他區域的圍巖介質54正常填料。
[0099]步驟四:根據斷層傾角、厚度及斷層與隧道相對位置等參數預置斷層56。根據上述斷層參數填筑斷層介質，并在斷層介質56下方設置測壓管57，測壓管57的作用是驗證斷層內部是否達到飽水狀態。
[0100]步驟五:布置監測元件。光纖傳感器布置在相應過程的關鍵區域觀測特定物理場的變化。突水突泥災害發生前后，斷層56與圍巖54交界附近為災害發生前后的關鍵區域，此區域滲流場、位移場、應力場發生明顯變化，在監測斷面59的1、I1、III斷面重點布置滲壓、位移、土壓和應變傳感器。注漿處治過程中，斷層內部為注漿加固的關鍵區域，此區域溫度場、滲流場、應力場發生明顯變化，在監測斷面59的斷層內部在II1、IV、V、VI重點布置溫度、滲壓、土壓和位移傳感器。監測元件布置如圖13所示。
[0101]步驟六:放置加壓水箱39。在斷層56頂部預置一層礫石濾層58防止斷層相似材料通過水箱排水孔進入水箱堵塞排水孔45，在礫石濾層58上方預置加壓水箱39，加壓水箱39底面積與斷層56在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱39與斷層56有最大的接觸面積。
[0102]步驟七:若不需要加載地應力，則不安裝頂蓋2，填料在自重下達到試驗設計要求的應力水平。若需要加載地應力，則安裝地應力加載系統，在圍巖介質上方放置水囊26，保證水囊26與圍巖介質及試驗臺架內壁緊密貼合，之后將頂蓋2與側壁I通過高強螺栓連接，通過活節連接輸水管與水囊連接管35。
[0103]步驟八:啟動監測系統。在完成全部填料、監測元件埋設、預埋分段注漿器52安裝、地應力加載系統安裝等工作后，啟動監測系統，開始監測各個物理場數據直到模型試驗結束。
[0104]步驟九:形成承壓靜水環境。連接空壓機36、水泵37、水力承壓筒38、加壓水箱39、P-Q-t記錄儀40設備,打開水泵使水力承壓筒38充滿水,充滿水后關閉輸水閥門42。按實驗目標要求設定空壓機壓力，打開相關閥門使壓力水進入模型內部，直到斷層內部達到飽水狀態，從而形成承壓靜水環境。
[0105]步驟十:隧道開挖。用導向鋼板63替換弧形封閉鋼板12，以導向鋼板63上的開挖隧道口 66為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后等待一段時間，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖。實時記錄隧道開挖期間的涌水量，并記錄突水突泥發生時的突水突泥量。
[0106]步驟十一:對隧道圍巖實施注漿。清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圓柱形自制止漿墻，防止注漿過程中漿液從已開挖的隧道空間流出。由于設置了 4個不同位置的內部預埋分段注漿器52并且每個預埋分段注漿器52內部有兩個注漿分隔器，整個注漿過程分4序次、每序次分3段注漿，總共注漿12次。按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿堵水加固。注漿過程中利用P-Q-t記錄儀記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化。
[0107]步驟十二:注漿后開挖隧道。注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫通。隧道貫通之后不斷增加供水壓力，使隧道重新發生突水突泥，檢驗注漿加固后的隧道圍巖所能承受的最大水壓力，進而評判注漿效果。
[0108]步驟十三:模型試驗系統拆除。關閉供水系統及地應力加載系統，拆除側壁1，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并在重要位置取樣用于后續研究。模型試驗結束。
[0109]試驗臺架可通過調整組成側壁I的模型環單元5數量改變模型高度。側壁I由模型環單元5組裝而成，組裝與拆卸方便，模型試驗可重復性強。在模型實驗準備過程中由下往上逐層組裝，為填料與布設監測元件提供更大的操作空間；在模型試驗結束后，由上往下逐層拆模，保證地層結構及注漿漿脈完整地保留下來并可以觀察漿液擴散形態。
[0110]試驗臺架內部的帶絲鋼管端部通過絲扣與4個預埋分段注漿器52連接，內部預埋分段注漿器52由PVC注漿管46、注漿分隔器47和注漿軟管48構成。注漿分隔器47的材質為普通鋁制薄片，在前一段注漿完成后，利用鉆頭破壞鋁制薄片即可進行下一次注漿。每個預埋分段注漿器52內部設置有2個注漿分隔器47和3根注漿軟管48，預埋分段注漿器可以實現分序次分段注漿。
[0111]注漿軟管48采用軟材質的塑料管制成，軟管上間隔設置溢漿口 68，注漿軟管48與PVC注漿管46通過PVC變徑連接。注漿軟管48沒有支撐能力，對斷層突水突泥不造成影響。12根注漿軟管48均勻布置在隧道53周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管46的尺寸調整注漿軟管48位置。
[0112]加壓水箱39為扁平狀的水箱，水箱上部與水力承壓筒38連接，水箱下部等間距密布排水孔45。加壓水箱39底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證了模型試驗過程中水壓更均勻。加壓水箱39下部預置一層礫石濾層58，防止圍巖相似材料通過水箱排水孔進入水箱堵塞排水孔45。
[0113]斷層介質、密實性介質、普通圍巖介質均為相似材料，相似材料的力學參數根據相似理論及實際試驗需求確定。
[0114]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。
【權利要求】
1.一種隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，包括試驗臺架、地應力加載系統、供水系統、注漿系統和監測系統，試驗臺架中設有用于填充密實性介質、斷層介質和圍巖介質的空間，密實性介質位于試驗臺架內部空間的周邊和底部，斷層介質和圍巖介質位于密實性介質形成的凹形空間內，斷層介質處于圍巖介質中部，斷層介質頂部設有一層碌石濾層，供水系統設置于碌石濾層上；地應力加載系統位于圍巖介質頂部，注衆系統由試驗臺架底部伸入到圍巖介質中的開挖隧道部位，監測系統包括設置于斷層介質和圍巖介質交界處以及斷層介質內部的若干傳感器，若干傳感器與試驗臺架外部顯示裝置相連，斷層介質下方設置測壓管； 所述試驗臺架包括側壁、用于提供加載地應力平臺的頂蓋和設于鋼筋混凝土支撐架頂部的底板，所述的側壁垂直設立于底板且與底板連接，頂蓋設于側壁的頂部且與側壁相連；所述的側壁由多個在豎直方向上疊放在一起的模型環單元依次連接而成；且在隧道設計位置對應的模型環單元的直徑方向正對設置兩個空洞，隧道開挖之前用與側壁相同弧度的弧形封閉鋼板封堵孔洞，弧形封閉鋼板與側壁之間相連接； 所述地應力加載系統包括一個與模型試驗架頂部相通的壓力罐，所述的壓力罐設置有3個接口和一個泄壓閥門，第一接口與一個為其提供壓力的空壓機相連，第二接口與一個為其提供水源的水泵相連，第三接口水囊連通，為模型試驗架內的介質提供壓力。
2.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述的模型環單元由兩個半圓弧單元連接而成；彼此相鄰模型環單元由半圓環式肋板連接構成側壁； 半圓弧單元包括弧板、半圓環式肋板、豎直肋板，所述弧板圓周方向的頂部、底部沿邊緣焊接半圓環式肋板；弧板的沿圓周方向的兩端與中部均設有與其相連的豎直肋板；且所述豎直肋板的在豎直方向上與半圓環式肋板連接，且在半圓環式肋板上鉆有孔； 所述的弧板上設置有作為模型內外的注漿管連接裝置使用或者作為監測系統的引線管使用的兩個連接管。
3.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述的頂蓋為圓形，其頂部設有用于提高頂蓋的強度和剛度交叉肋板，其上設有一個穿過其到達試驗臺架內部且作為地應力加載系統的連接孔使用的連接管； 所述的底板上設置有多根管道，管道穿過底板并與底板連接；且位于試驗臺架內部的管道端部通過絲扣與注漿管連接，試驗臺架外的管道端部連接注漿管路。
4.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，隧道開挖時，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，導向鋼板為開挖隧道提供開挖基準； 所述導向鋼板由平鋼板和兩個與側壁相同弧度的連接板構成，平鋼板與連接板連接；在平鋼板四個角的位置開孔，開孔位置與弧形封閉鋼板的開孔位置相同。
5.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述的第一接口與空壓機的壓力調節器連接，第二接口上安裝送水閥門，送水閥門與水泵通過送水管連接，第三接口與輸水閥門連接，輸水管連接輸水閥門與水囊，輸水管上設置壓力表監測水壓； 空壓機通過壓力調節器調節輸出壓力，輸出壓力范圍為O~5MPa ； 所述的輸水管通過一個活節與進入到水囊內的連接管相連，所述的連接管下部焊接底盤，連接管底盤與水囊圓形開口部位粘接。
6.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述的水囊采用薄壁、變形性能極佳、抗破壞能力強的橡膠材料制成，水囊形狀為圓柱形，中間設置圓形開口； 所述的水囊的四周為試驗臺架內壁，水囊直徑與試驗臺架內壁內徑相等，水囊高度與所填圍巖介質和頂蓋之間的距離相等，從而保證水囊與試驗臺架內壁和所填圍巖介質的貼合； 試驗臺架承受水囊加壓過程中產生的反力作用，試驗臺架的頂蓋設置垂直交叉的肋板。
7.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述供水系統包括空壓機、水泵、水力承壓筒和加壓水箱，水力承壓筒為鋼制圓柱形承壓筒，承壓筒上部設置兩個閥門，下部設置一個閥門，其中一個上部閥門與空壓機上的壓力調節器通過輸氣軟管連接，空壓機為水力承壓筒提供穩定的空氣動力，通過調節壓力調節器控制輸出壓力，輸出壓力范圍為O~1.5MPa ;水力承壓筒的另一個上部閥門與水泵通過輸水軟管連接，下部閥門與加壓水箱通過輸水軟管連接，在輸水軟管上設置P-Q-t記錄儀并與電腦連接，實時記錄壓力、流量隨時間的變化； 加壓水箱為扁平狀的水箱，水箱上部與水力承壓筒通過輸水軟管連接，水箱下部等間距密布排水孔；在模型試驗過程中，加壓水箱預置在斷層介質的上部，水箱底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱與斷層有最大的接觸面積，從而使模型試驗過程中水壓更均勻。
8.如權利要求1所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述注漿系統包括兩對前后設置的分段注漿器，其中一對分段注漿器對應于隧道開挖后的圍巖注漿加固區域，另一對分段注漿器對應于隧道開挖前的超前帷幕注漿加固區域；每個分段注漿器均包含一根豎直的注漿管，注漿管上并聯有三根分別與隧道開挖后的圍巖注漿加固區域或隧道開挖前的超前帷幕注漿加固區域相對應的注漿軟管，每兩根注漿軟管之間的注漿管中設有一注漿分隔器，注漿管的進口與注漿泵相連； 所述注漿分隔器為邊緣帶鋸齒的圓形薄片，圓形薄片的直徑與注漿管的外徑相同，將薄片鋸齒彎折后套入注漿管端部，并利用粘接劑將兩者粘接固定，將粘結注漿分隔器的注漿管和不粘結注漿分隔器的注漿管通過接頭連接，從而固定注漿分隔器。
9.如權利要求8所述的隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統，其特征是，所述注漿管為PVC材質，注漿管下端口通過PVC接箍與鋼制絲管連接，鋼制絲管穿過底板并與底板焊接連接； 所述鋼制絲管下端通底板閥門與注漿管路相連，注漿管路與注漿泵相連； 所述圓形薄片為厚度為0.23mm的鋁制薄片，該鋁制薄片能夠承受IMPa的注漿壓力，完全滿足模型試驗對注漿壓力的要求； 所述注漿軟管采用軟材質的塑料管制成，軟管上間隔設置溢漿口，注漿軟管與注漿管通過PVC變徑連接； 相對的兩根注漿軟管布置在同一直線上，兩對前后設置的分段注漿器共12根注漿軟管呈正六棱柱以隧道為中心布置。
10.一種利用如權利要I所述隧道突水突泥與注漿處治三維模型試驗系統的試驗方法，其特征是，步驟為: 步驟一:在鋼筋混凝土支撐架上安裝試驗臺架；固定試驗臺架的底板，將兩個半圓弧單元通過高強螺栓連接成模型環單元，通過螺栓連接模型環單元、底板與支撐鋼板，所有螺栓連接處放置橡膠墊以保證密封性；隨著填料方量的增加，實時架設下一層模型環單元，這樣能夠避免一次性架設試驗臺架所帶來的填料與埋設監測元件操作空間不足的問題；步驟二:安裝內部預埋分段注漿器，在隧道設計位置架設含有隧道洞口的模型環單元，按照設計的隧道位置布設4個內部預埋分段注漿器，12根注漿軟管均勻布置在隧道周圍，根據隧道尺寸通過調整PVC注漿管的尺寸調整注漿軟管位置； 步驟三:采用夯實填筑法在試驗臺架內部充填圍巖介質，在試驗臺架內部邊緣附近區域提高夯實強度與夯實次數，使之形成密實性介質，目的是提高其強度并降低其滲透率，防止漿液或水沿試驗臺架內部側壁流動，影響實驗結果，其他區域的圍巖介質正常填料；步驟四:根據斷層傾角、厚度及斷層與隧道相對位置參數預置斷層，根據上述斷層參數填筑斷層介質，并在斷層介質下方設置測壓管，測壓管的作用是驗證斷層內部是否達到飽水狀態； 步驟五:布置監測元件，光纖傳感器布置在相應過程的關鍵區域觀測特定物理場的變化，突水突泥災害發生前后，斷層與圍巖交界附近為災害發生前后的關鍵區域，此區域滲流場、位移場、應力場發生明顯變化，在交界附近斷面重點布置滲壓、位移、土壓和應變傳感器；注漿處治過程中，斷層內部為注漿加固的關鍵區域，此區域溫度場、滲流場、應力場發生明顯變化，在斷層內部重點布置溫度、滲壓、土壓和位移傳感器； 步驟六:放置加壓水箱，在斷層頂部預置一層礫石濾層防止斷層相似材料通過水箱排水孔進入水箱堵塞排水孔，在礫石濾層上方預置加壓水箱，加壓水箱底面積與斷層在水平面上的截斷面積相同，保證加壓水箱與斷層有最大的接觸面積； 步驟七:若不需要加載地應力，則不安裝頂蓋，填料在自重下達到試驗設計要求的應力水平，若需要加載地應力，則安裝地應力加載系統，在圍巖介質上方放置水囊，保證水囊與圍巖介質及試驗臺架內壁緊密貼合，之后將頂蓋與側壁通過高強螺栓連接，通過活節連接輸水管與水囊連接管； 步驟八:啟動監測系統，在完成全部填料、監測元件埋設、預埋分段注漿器安裝、地應力加載系統安裝等工作后，啟動監測系統，開始監測各個物理場數據直到模型試驗結束；步驟九:形成承壓靜水環境，連接空壓機、水泵、水力承壓筒、加壓水箱、P-Q-t記錄儀設備，打開水泵使水力承壓筒充滿水，充滿水后關閉輸水閥門；按實驗目標要求設定空壓機壓力，打開相關閥門使壓力水進入模型內部，直到斷層內部達到飽水狀態，從而形成承壓靜水環境； 步驟十:隧道開挖，用導向鋼板替換弧形封閉鋼板，以導向鋼板上的開挖隧道口為隧道開挖基準并按設計步長分次開挖隧道，在每一步開挖完成后等待一段時間，待各個物理場數據穩定后進行下一步長的開挖，實時記錄隧道開挖期間的涌水量，并記錄突水突泥發生時的突水突泥量； 步驟十一:對隧道圍巖實施注漿，清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圓柱形自制止漿墻，防止注漿過程中漿液從已開挖的隧道空間流出；由于設置了 4個不同位置的內部預埋分段注漿器并且每個預埋分段注漿器內部有兩個注漿分隔器，整個注漿過程分4序次、每序次分3段注漿，總共注漿12次；按實驗方案對加固區域的優先順序要求，對隧道圍巖實施注漿堵水加固，注漿過程中利用P-Q-t記錄儀記錄注漿壓力、注漿速率隨時間的變化； 步驟十二:注漿后開挖隧道，注漿后待各項監測數據穩定后繼續開挖隧道，直至隧道貫通，隧道貫通之后不斷增加供水壓力，使隧道重新發生突水突泥，檢驗注漿加固后的隧道圍巖所能承受的最大水壓力，進而評判注漿效果； 步驟十三:模型試驗系統拆除，關閉供水系統及地應力加載系統，拆除側壁，拆模過程中記錄漿液擴散形態，并在重要位置取樣用于后續研究，模型試驗結束。
【文檔編號】G01N33/00GK103926383SQ201410183058
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張慶松, 張連震, 張霄, 嚴紹洋, 王德明, 李鵬, 朱明聽, 李相輝 申請人:山東大學