隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，包括试验台架、地应力加载系统、供水系统、注浆系统和监测系统，试验台架中设有用于填充密实性介质、断层介质和围岩介质的空间，密实性介质位于试验台架内部空间的周边和底部，断层介质和围岩介质位于密实性介质形成的凹形空间内，断层介质处于围岩介质中部，供水系统设置于断层介质顶部设有一层砾石滤层，供水系统设置于砾石滤层上；地应力加载系统位于围岩介质顶部，注浆系统由试验台架底部伸入到围岩介质中的开挖隧道部位，监测系统包括设置于断层介质和围岩介质交界处以及断层介质内部的若干传感器，传感器与试验台架外部显示装置相连。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，包括试验台架、地应力加载系统、供水系统、注浆系统和监测系统，试验台架中设有用于填充密实性介质、断层介质和围岩介质的空间，密实性介质位于试验台架内部空间的周边和底部，断层介质和围岩介质位于密实性介质形成的凹形空间内，断层介质处于围岩介质中部，供水系统设置于断层介质顶部设有一层砾石滤层，供水系统设置于砾石滤层上；地应力加载系统位于围岩介质顶部，注浆系统由试验台架底部伸入到围岩介质中的开挖隧道部位，监测系统包括设置于断层介质和围岩介质交界处以及断层介质内部的若干传感器，传感器与试验台架外部显示装置相连。【专利说明】隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统
本技术涉及一种岩土工程模型试验系统，具体涉及一种隧道突水突泥与注浆 处治三维模型试验系统。
技术介绍
在富水软弱断层带中开挖隧道时，经常发生突水突泥灾害，造成巨大的人员财产 损失。注浆作为一种加固软弱围岩、治理突水突泥灾害的一种有效手段在隧道突水突泥灾 害治理工程中得到了越来越广泛的应用。但是由于岩体水文地质条件的复杂性、注浆工程 的隐蔽性、浆液性质的时变性等原因，注浆理论严重滞后于注浆工程实践。 模型试验是研究隧道突水突泥灾害形成过程中的灾变机理、注浆治理过程中浆液 扩散规律及加固机理的重要方法。目前，在注浆模型实验方面，注浆模型实验多侧重于注浆 过程的局部，只针对某些特定地层（如单裂隙、简单多孔介质），没有对注浆过程进行整体 系统的研究；在突水突泥模型试验方面，研究者大多只研究突水突泥的致灾过程，并没有对 灾后治理进行研究。尤其在隧道开挖引起突水突泥灾害并在灾后进行注浆治理的模型试验 研究方面，国内罕有研究。
技术实现思路
本技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道突水突泥与注浆 处治三维模型试验系统，本技术可以系统模拟隧道开挖引起的突水突泥灾害形成过 程、灾后注浆治理过程、注浆治理后的开挖过程，并可进一步评判注浆效果及分析隧道围岩 稳定性。实现隧道突水突泥灾害形成、灾后治理、治理后开挖的三个阶段连续、完整的模拟， 为相关研究奠定基础。 为实现上述目的，本技术采用下述技术方案： 一种隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，包括试验台架、地应力加载系 统、供水系统、注浆系统和监测系统，试验台架中设有用于填充密实性介质、断层介质和围 岩介质的空间，密实性介质位于试验台架内部空间的周边和底部，断层介质和围岩介质位 于密实性介质形成的凹形空间内，断层介质处于围岩介质中部，断层介质顶部设有一层砾 石滤层，供水系统设置于砾石滤层上；地应力加载系统位于围岩介质顶部，注浆系统由试验 台架底部伸入到围岩介质中的开挖隧道部位，监测系统包括设置于断层介质和围岩介质交 界处以及断层介质内部的若干传感器，若干传感器与试验台架外部显示装置相连，断层介 质下方设置测压管； 所述试验台架包括侧壁、用于提供加载地应力平台的顶盖和设于钢筋混凝土支撑 架顶部的底板，所述的侧壁垂直设立于底板且与底板连接，顶盖设于侧壁的顶部且与侧壁 相连；所述的侧壁由多个在坚直方向上叠放在一起的模型环单元依次连接而成；且在隧道 设计位置对应的模型环单元的直径方向正对设置两个空洞，隧道开挖之前用与侧壁相同弧 度的弧形封闭钢板封堵孔洞，弧形封闭钢板与侧壁之间相连接。 所述的模型环单元由两个半圆弧单元连接而成；彼此相邻模型环单元由半圆环式 肋板连接构成侧壁。 半圆弧单元包括弧板、半圆环式肋板、坚直肋板，所述弧板圆周方向的顶部、底部 沿边缘焊接半圆环式肋板；弧板的沿圆周方向的两端与中部均设有与其相连的坚直肋板； 且所述坚直肋板的在坚直方向上与半圆环式肋板连接，且在半圆环式肋板上钻有孔。 所述的弧板上设置有作为模型内外的注浆管连接装置使用或者作为监测系统的 引线管使用的两个连接管。 所述的顶盖为圆形，其顶部设有用于提高顶盖强度和刚度的交叉肋板，其上设有 一个穿过其到达试验台架内部且作为地应力加载系统的连接孔使用的连接管。 所述的底板上设置有多根管道，管道穿过底板并与底板连接；且位于试验台架内 部的管道端部通过丝扣与注浆管连接，试验台架外的管道端部连接注浆管路。 隧道开挖时，用导向钢板替换弧形封闭钢板，导向钢板为开挖隧道提供开挖基准。 所述导向钢板由平钢板和两个与侧壁相同弧度的连接板构成，平钢板与连接板连 接；在平钢板四个角的位置开孔，开孔位置与弧形封闭钢板的开孔位置相同。 所述地应力加载系统包括一个与模型试验架顶部相通的压力罐，所述的压力罐设 置有3个接口和一个泄压阀门，第一接口与一个为其提供压力的空压机相连，第二接口与 一个为其提供水源的水泵相连，第三接口与水囊连通，为模型试验架内的介质提供压力。 所述的第一接口与空压机的压力调节器连接，第二接口上安装送水阀门，送水阀 门与水泵通过送水管连接，第三接口与输水阀门连接，输水管连接输水阀门与水囊，输水管 上设置压力表监测水压。 空压机通过压力调节器调节输出压力，输出压力范围为0?5MPa。 所述的输水管通过一个活节与进入到水囊内的连接管相连，所述的连接管下部焊 接底盘，连接管底盘与水囊圆形开口部位粘接。 所述的水囊采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的橡胶材料制成，水囊形状为 圆柱形，中间设置圆形开口。 所述的水囊的四周为试验台架侧壁，水囊直径与试验台架侧壁内径相等，水囊高 度与所填围岩介质和顶盖之间的距离相等，从而保证水囊与试验台架侧壁和所填围岩介 质的贴合。 试验台架侧壁承受水囊加压过程中产生的反力作用，顶盖设置垂直交叉的肋板增 强顶盖的强度和刚度。 所述供水系统包括空压机、水泵、水力承压筒和加压水箱，在隧道开挖至突水突 泥、突泥后注浆治理、治理后隧道开挖过程中供水系统可以全程提供稳定压力水源。水力 承压筒为钢制圆柱形承压筒，承压筒上部设置两个阀门，下部设置一个阀门，其中一个上部 阀门与空压机上的压力调节器通过输气软管连接，空压机为水力承压筒提供稳定的空气动 力，压缩空气的压力易于控制并且稳定，通过调节压力调节器控制输出压力，输出压力范围 为0?1. 5MPa。水力承压筒的另一个上部阀门与水泵通过输水软管连接，下部阀门与加压 水箱通过输水软管连接，在输水软管上设置P-Q-t记录仪并与电脑连接，实时记录压力、流 量随时间的变化。在实验过程中，水力承压筒内腔上部为压缩空气，下部为水，利用稳定的 空气压力推动水进入加压水箱。 加压水箱为扁平状的水箱，水箱上部与水力承压筒通过输水软管连接，水箱下部 等间距密布排水孔。在模型试验过程中，加压水箱预置在断层介质的上部，水箱底面积与断 层介质在水平面上的截断面积相同，保证加压水箱与断层有最大的接触面积，从而使模型 试验过程中水压更均匀。 所述注浆系统包括两对前后设置的分段注浆器，其中一对分段注浆器对应于隧道 开挖后的围岩注浆加固区域，另一对分段注浆器对应于隧道开挖前的超前帷幕注浆加固区 域；每个分段注浆器均包含一根坚直的注浆管，注浆管上并联有三根分别与隧道开挖后的 围岩注浆加固区域或隧道开挖前的超前帷幕注浆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，包括试验台架、地应力加载系统、供水系统、注浆系统和监测系统，试验台架中设有用于填充密实性介质、断层介质和围岩介质的空间，密实性介质位于试验台架内部空间的周边和底部，断层介质和围岩介质位于密实性介质形成的凹形空间内，断层介质处于围岩介质中部，断层介质顶部设有一层砾石滤层，供水系统设置于砾石滤层上；地应力加载系统位于围岩介质顶部，注浆系统由试验台架底部伸入到围岩介质中的开挖隧道部位，监测系统包括设置于断层介质和围岩介质交界处以及断层介质内部的若干传感器，若干传感器与试验台架外部显示装置相连，断层介质下方设置测压管； 所述试验台架包括侧壁、用于提供加载地应力平台的顶盖和设于钢筋混凝土支撑架顶部的底板，所述的侧壁垂直设立于底板且与底板连接，顶盖设于侧壁的顶部且与侧壁相连；所述的侧壁由多个在竖直方向上叠放在一起的模型环单元依次连接而成；且在隧道设计位置对应的模型环单元的直径方向正对设置两个空洞，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵孔洞，弧形封闭钢板与侧壁之间相连接； 所述地应力加载系统包括一个与模型试验架顶部相通的压力罐，所述的压力罐设置有3个接口和一个泄压阀门，第一接口与一个为其提供压力的空压机相连，第二接口与一个为其提供水源的水泵相连，第三接口与水囊连通，为模型试验架内的介质提供压力。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张连震，张庆松，李术才，王德明，王凯，王刚，李相辉，郑东柱，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：新型
国别省市：山东;37