CN104298206B - 室内三维注浆模型试验伺服控制系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内三维注浆模型试验伺服控制系统及试验方法，包括三维注浆模型试验装置及恒压注浆-供水联合伺服控制装置两部分；三维注浆模型试验装置，包括三个反力板，第一反力板和第二反力板之间安放围压反力腔，在第二反力板和第三反力板间安放对围压反力腔实施轴向加载力的轴压伺服加载模块；围压反力腔的底部设有孔隙水压力加载模块，在围压反力腔的内设有被注岩体装载模块和对围压反力腔实施围压的围压伺服加载模块；恒压注浆-供水联合伺服控制装置包括恒压双液注浆气动伺服控制模块、恒压供水气动伺服控制模块；所述的恒压双液注浆气动伺服控制模块与围压反力腔内部连通；恒压供水气动伺服控制模块与孔隙水压力加载模块相连。

Description

室内三维注浆模型试验伺服控制系统及试验方法

技术领域

本发明公开了一种室内三维注浆模型试验伺服控制系统及试验方法。

背景技术

矿山、隧道等地下工程建设中，经常发生围岩变形大、涌水量大等问题，甚至会发生突水突泥灾害，造成巨大的人员财产损失。注浆作为一种加固软弱围岩、治理水害的一种有效手段在地下工程灾害治理中得到了越来越广泛的应用。模型试验是研究注浆治理过程中浆液扩散规律及加固机理的重要手段。但是目前针对隧道开挖及注浆的模型试验台架较少，严重影响相关研究的进展。

注浆模型试验方面，多针对特定地层(如单裂隙、简单多孔介质)开展研究，在试验中考虑到了垂向地应力及地下水流场对浆液扩散的影响，但均没有考虑到被注岩体所处的三维地应力场与复杂的水文地质条件；尤其是破碎岩体，模型试验中常利用类似岩体的简单填筑代替被注岩体，忽略了应力场和渗流场对注浆过程的影响。类似情况的简化严重偏离了被注岩体状态，难以对注浆过程获得科学认识，也不能较好地指导注浆工程的合理设计。

注浆装置在模型试验中负责输送浆液及浆液的受压注入，是注浆模型试验的重要组成部分。模型试验由于模型架尺寸较小、注浆工艺和注浆参数变化繁复，对注浆装置提出了单、双液注浆可转变、浆液配比灵活调整、注浆压力高且稳定、注浆速率小的要求。目前国内没有专门用于室内注浆模拟试验的注浆装置，注浆模型试验多采用工程用注浆泵，大流量、高压力、无法实时监测并调节注浆参数，与模型试验需要的注浆系统不匹配，严重限制注浆模型试验的开展，进而影响了注浆理论的研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供室内三维注浆模型试验伺服控制系统、试验方法，实现了室内注浆试验三维地应力条件和地下水环境的稳定加载，有效保证了试验条件与被注岩体原始条件的一致性。同时该试验系统实现了室内注浆试验中小流量、稳定压力注浆过程的控制有效保障了室内注浆试验的科学性，为注浆理论研究提供了强有力支撑。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种室内三维注浆模型试验伺服控制系统，包括三维注浆模型试验装置及恒压注浆-供水联合伺服控制装置两部分；

所述的三维注浆模型试验装置，包括三个在竖直方向上依次连接的第一反力板、第二反力板和第三反力板，第一反力板和第二反力板之间安放围压反力腔，在第二反力板和第三反力板间安放对围压反力腔实施轴向加载力的轴压伺服加载模块；围压反力腔的底部设有一个对围压反力腔内部进行注水的孔隙水压力加载模块，在围压反力腔的内设有被注岩体装载模块和对围压反力腔实施围压的围压伺服加载模块；

所述的恒压注浆-供水联合伺服控制装置包括恒压双液注浆气动伺服控制模块、恒压供水气动伺服控制模块；所述的恒压双液注浆气动伺服控制模块与围压反力腔内部连通；所述的恒压供水气动伺服控制模块与孔隙水压力加载模块相连。

在所述的围压反力腔内还设有用于采集注浆过程中岩土体内部物理场的变化规律的传感器，所述的传感器与数据处理模块相连；

所述的恒压双液注浆气动伺服控制模块包括储浆腔、备浆腔及气动伺服控制单元，所述的储浆腔的底部与围压反力腔顶部连通；所述的储浆腔的顶部与备浆腔顶部连通；所述的备浆腔的底部与气动伺服控制单元连接。

所述的恒压供水气动伺服控制模块包括储水腔、备水腔及气动伺服控制单元，储水腔的底部与孔隙水压力加载模块相连，储水腔的顶部与备水腔的顶部连通，备水腔的底部与气动伺服控制单元相连；且储浆腔、备浆腔及储水腔、备水腔布置在方形结构内，方形结构安放在支架上。

所述的第一反力板由高强度合金钢材料加工成Φ660*25mm即直径660mm，高25mm圆盘。所述的第一反力板圆心处钻设Φ20mm注浆孔，固定矿用快速接头I，连接注浆设备；反力板Φ590mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔I，使紧固螺杆I穿过；下表面加工Φ500*470*5mm的环形槽I，内置橡胶密封垫I。

所述的第二反力板由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘，下表面焊接Φ90*30mm圆柱形垫块。第二反力板及垫块钻设Φ50mm中心孔，孔壁加工5个Φ60*50*5mm的密封槽I，内置橡胶密封圈I。所述的第二反力板Φ590mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔II，使紧固螺杆I穿过。所述的第二反力板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔III，使紧固螺杆II穿过。所述的第二反力板上表面加工Φ500*440*5mm的环形槽II，内置橡胶密封垫II。

所述的第三反力板由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘。第三反力板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔IV，使紧固螺杆II穿过。所述的第三反力板Φ200mm圆周上均布4个Φ4mm钻孔，固定液压千斤顶。

所述的紧固螺杆为Φ16mm高强螺杆，包括两组，每组4根，第一组紧固螺杆I连接第一、第二反力板，第二组紧固螺杆II连接第二、第三反力板。

所述的围压反力腔由高强度合金钢材料加工成Φ500*440*600mm的圆筒。围压反力腔顶部加工成台阶状，下台阶为Φ470*440mm的圆环形平台，并于Φ455mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔18个。所述的围压反力腔侧壁径向钻设8个Φ4mm引线孔，使传感器引线穿过。所述的围压反力腔顶、底部分别安置在第一、第二反力板环形槽I,II中，通过紧固螺杆和橡胶密封垫保证密封性。

所述的围压伺服加载模块包括油囊、液压控制台I、液压油缸I。所述油囊为中空、封闭的圆环状，由橡胶依据围压反力腔尺寸加工而成；油囊侧壁上在相应位置预留传感器引线孔。所述液压油缸I与油囊通过高压管I和分油器连接。所述液压控制台I与液压控制台I之间通过高压管I连接，并实时控制压力。

所述的油囊与围压反力腔之间夹有聚四氟乙烯薄膜I，以减小两者之间的摩擦，防止油囊损坏。

所述的轴压伺服加载模块包括液压控制台II、液压油缸II、液压千斤顶、传力轴、传力垫块、承载-渗水活塞。所述的液压千斤顶底部在Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔V，通过固定螺栓I与第三反力板连接。所述液压油缸II与液压千斤顶通过高压管II连接。所述液压控制台II与液压油缸II通过高压管II连接，并实时控制压力。所述传力轴由高强度合金钢材料加工成，底部通过传力垫块与液压千斤顶接触；传力轴穿过第二反力板中心孔进入到围压反力腔内，通过丝扣与承载-渗水活塞连接；传力轴顶部以下100mm处有凸台，保证围压反力腔内预留储水仓。

所述承载-渗水活塞由高强度合金钢材料加工成Φ440*25mm圆盘状，侧壁中加工2个Φ60*50*5mm的密封槽II，内置橡胶密封圈II，保证活塞与反力腔之间的密封性；承载-渗水活塞在Φ405mm的圆周上均匀钻设18个Φ4mm固定孔VI，利用固定螺栓II连接被注岩体承载模块。所述的承载-渗水活塞中放射状布置235个Φ2.5mm渗水孔。

所述的被注岩体承载模块由承载橡胶囊及固定钢环构成。承载橡胶囊加工成圆筒状，上、下周缘均与固定钢环连接，上周缘钢环在Φ455mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔18个，通过螺栓固定于围压反力腔顶部下台阶；下周缘钢环在Φ405mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔18个，通过螺栓固定于承载-渗水活塞。承载橡胶囊侧壁上在相应位置预留传感器引线孔。

所述的油囊与承载橡胶囊之间夹有聚四氟乙烯薄膜II，以减小两者之间的摩擦。

所述的孔隙水压力加载模块包括储水仓、注水孔；所述的储水仓由承载-渗水活塞、围压反力腔内壁和第二反力板围成；所述的储水仓侧壁径向上钻设Φ20mm注水孔，孔内安置矿用快速接头II，以外接恒压供水装置。

所述的数据处理模块包括数据采集传感器、引线密封及固定装置、数据解译器以及数据分析设备。所述的数据采集传感器包括土压力传感器、渗透压力传感器，通过引线密封及固定装置布置在被注岩体内部。所述的引线密封及固定装置包括电缆密封夹紧接头、固定空心螺杆、传感器固定器。所述的电缆密封夹紧接头为PG7型。所述的固定空心螺杆穿过承载橡胶囊引线孔、油囊引线孔以及围压反力腔引线孔，通过丝扣与传感器固定器连接，且传感器数据线经内部空心管引出。所述的传感器固定器包括垂向固定器和径向固定器，依据传感器尺寸由钢加工而成。所述的数据解译器为XL2101G静态应变仪，所述的数据分析设备为笔记本电脑。

所述的方形结构由酚醛树脂材料制成，尺寸为910*640*550mm，内部加工6个Φ200*550mm的圆柱形腔体构造，所述的腔体构造划分为3组，分别为第一腔体组、第二腔体组及第三腔体组，所述的第一腔体组由水泥基材料储浆腔和备浆腔构成，第二腔体组由化学材料储浆腔和备浆腔构成，第三腔体组由储水腔和备水腔构成。

所述的水泥基材料储浆腔通过丝扣与圆盘状顶板I和底板I连接。所述的顶板I于Φ120mm圆周上钻设Φ20mm高压注气孔I，孔内安置矿用快速接头III。所述的顶板I下表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型密封轴承I。所述的底板I于Φ120mm圆周上钻设阶梯状圆孔I，其中上部过滤孔I尺寸为Φ40*5mm，下部出浆孔I尺寸为Φ20*30mm。所述的出浆孔安置矿用快速接头IV。所述的过滤孔内安放筛网垫片I。所述的底板I上表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型密封轴承II。所述的密封轴承I和密封轴承II之间安放搅拌器。所述的搅拌器包括搅拌轴、桨叶和叶轮。所述的搅拌轴焊接交叉分布的桨叶，上部一侧加工钩头楔键。所述的叶轮通过钩头楔键固定在搅拌轴上。所述高压注气孔I位于叶轮侧上方，高压气体推动叶轮旋转，带动搅拌器工作。所述的水泥基材料储浆腔侧壁上安置机械式水位计I和精密压力表I。

所述的水泥基材料备浆腔通过丝扣与圆盘状顶板II和底板II连接。所述的顶板II于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔II和Φ20mm进浆孔I，孔内分别安置矿用快速接头V、VI。所述的水泥基材料备浆腔侧壁上安置机械式水位计II。

所述的水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔通过Φ25mm连通孔I和连通孔II连通，孔内分别密封固定球阀I、II。所述的球阀I、II分别通过手柄I、II控制工作状态。

所述的化学材料储浆腔通过丝扣与圆盘状顶板III和底板III连接。所述的顶板III中心位置钻设Φ20mm高压注气孔III，安置矿用快速接头VII。所述的底板III中心位置钻设钻设阶梯状圆孔II，其中上部过滤孔II尺寸为Φ40*5mm，下部出浆孔II尺寸为Φ20*30mm。所述的出浆孔II内安置矿用快速接头VIII，过滤孔II内安放筛网垫片II。所述的水泥基材料储浆腔侧壁上安置机械式水位计III和精密压力表II。

所述的化学材料备浆腔通过丝扣与圆盘状顶板IV和底板IV连接。所述的顶板IV于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔IV和Φ20mm进浆孔II,孔内分别安置矿用快速接头IX、X。所述的化学材料备浆腔侧壁上安置机械式水位计IV。

所述的化学材料储浆腔和化学材料备浆通过Φ25mm连通孔III和连通孔IV连通，孔内密封固定球阀III和球阀IV。球所述的阀III和球阀IV通过手柄III和手柄IV控制工作状态。

所述的储水腔通过丝扣方式与圆盘状顶板V和底板V连接。所述的顶板V中心位置钻设Φ20mm高压注气孔V，安置矿用快速接头XI。所述的底板V中心位置钻设Φ20mm出水孔，安置矿用快速接头XII。所述的储水腔侧壁上安置机械式水位计V和精密压力表III。

所述的备水腔通过丝扣与圆盘状顶板VI和底板VI连接。所述的顶板VI于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔VI和Φ20mm进水孔,分别安置矿用快速接头XIII、XIV。所述的备水腔侧壁上安置机械式水位计VI。

所述的储水腔和备水腔通过Φ25mm连通孔V、VI，密封固定球阀V、VI。所述的球阀V、VI分别通过手柄V、VI控制工作状态。

所述的气动伺服控制装置包括高压氮气罐组、缓冲罐、减压阀、高精度伺服调节阀。所述的高压氮气罐组由3个高压氮气罐并联组成。所述的缓冲罐采用3个制式氮气压力容器改装。所述的缓冲罐I和缓冲罐II并联，通过减压阀I与高压氮气罐组连通。所述的缓冲罐I经高精度伺服压力调节阀I与水泥基材料储浆腔和备浆腔并联连通。所述的缓冲罐II经高精度伺服压力调节阀II与化学材料储浆腔和备浆腔并联连通。所述的缓冲罐III通过减压阀II与高压氮气罐组连通，经高精度伺服压力调节阀III与储水腔和备水腔并联连通。所述的高精度伺服压力调节阀能够保障注浆压力和水压力长期稳定。

所述的支架根据整体框架尺寸，利用角钢加工而成，两者之间采用高强螺栓连接。

本发明的试验方法如下：

根据矿山、隧道等地下工程不同水文地质条件进行土工试验测试被注岩体基本物理性质；组装模型试验系统，通过紧固螺杆II使第二反力板和第三反力板组成框架，将传力轴穿过第二反力板，并与承载-渗水活塞及传力垫块连接；安置围压反力腔与第二反力板环形槽中，在围压反力腔内依次放置有聚四氟乙烯薄膜I、油囊、聚四氟乙烯薄膜II、承载橡胶囊，确保各部分引线孔对齐，并将承载橡胶囊固定在承载-渗水活塞上；

选取岩土体材料充填入承载橡胶囊内，填充岩土体材料过程中安放传感器并测试；材料填充完毕后，通过紧固螺杆I将第一反力板和第二反力板固定；固定液压千斤顶于第三传力板并调整其高度、接触传力垫块，连接液压千斤顶、液压油缸II及液压控制台II；连接油囊、液压控制台I及液压油缸I，根据试验方案依次施加轴压和围压；达到设计要求后，利用强力胶固定空心螺杆，并利用电缆密封夹紧接头封闭传感器数据线，连接数据解译器以和数据分析设备；

将整体框架组装，并将其固定在支架上；依次通过丝扣将6个腔体的顶板、底板连接在整体框架上；水泥基材料储浆腔组装过程中，注意搅拌轴上下两端要插入到轴承I、II和内，以防损毁搅拌器；通过对应的矿用快速接头连接管路；通过各个备用腔进浆孔以及进水孔向备浆腔以及备水腔内注入浆液及清水，观察水位计液面变化，以检测是否完好；

旋转手柄I～VI，打开球阀I～VI,使浆液和清水进入到储浆腔以及储水腔内，观察水位计I～III液面变化。浆液和水充满后，关闭各个球阀；连接气动伺服控制装置，按照试验设计调整高精度伺服压力调节阀I、调节阀II、调节阀II；利用高压管将水泥基材料储浆腔与三维注浆试验系统连接，或者将经混合器混合的水泥基材料储浆腔及化学材料储浆腔浆液利用高压管与三维注浆试验系统连接；

利用高压管将储水腔连接在注水孔上，根据试验方案向被注岩体内注入地下水，直至达到设计要求；

准备工作完成后，实施注浆试验，记录注浆过程中物理场数据，达到试验设计要求后结束注浆，关闭试验系统；

拆卸试验装置，取出注浆加固体放入养护实验室养护；清洗试验装置其他结构，结束试验。

本发明通过液压控制系统实现了三维地应力加载的稳定性长期性，在室内注浆模型试验中实现了三维地应力场和渗压场的联合施加，保证试验开展条件更加贴近真实工况。同时，注浆系统主体采用酚醛树脂材料加工而成，可同时满足无机材料如水泥基材料和化学材料如树脂类材料注浆需要；可根据试验中浆液或水的需求量通过备用腔实时对储存腔补给，保证浆液或水的连续稳定供给；采用缓解罐和高精度伺服压力调节阀，有效保证了气体压力供应的稳定性，大大提高了注浆过程或供水过程的可控性。此外，装置内可用来进行均值、非均质岩体注浆模型试验，适应性强，技术参数先进。

本发明具有以下优点：

1、实现了室内注浆模型试验中三维地应力和孔隙水压力模拟，保证试验开展条件更加贴近真实工况；

2、通过液压控制系统实现了三维地应力加载的稳定性长期性；

3、三维注浆模型试验装置采用高强螺栓、反力板、反力腔并配合使用密封垫圈和电缆密封夹紧接头，试验装置密封性好，可靠性高；

4、注浆-供水伺服控制装置主体采用酚醛树脂材料制成，即可以实现无机材料的注浆，也可以用来灌注化学材料；既可以灌注水泥浆等单液浆，也能够注双液浆，功能全面，适用性强。

5、注浆-供水伺服控制装置采用储存腔和备用腔联合制式，能够通过阀门调整浆液配比，实现小流量高压注浆，同时也能够适用不同的注浆总量和供水量稳定无间断供给。

6、注浆-供水伺服控制装置采用缓解罐和高精度伺服压力调节阀，有效保证了气体压力供应的稳定性，大大提高了注浆过程及供水过程的可控性。

7、针对颗粒状浆液，本发明设置了气动搅拌装置，使颗粒状浆液注浆过程中始终处于均匀状态，避免了浆液的沉淀和管路堵塞。

8、三维注浆模型试验装置可用来模拟均质、非均质等多种岩体注浆扩散及加固试验；被注岩体内部可埋设各类检测元件，实时采集注浆过程中岩土体内部物理场的变化规律，增强了注浆试验的科学价值，为注浆理论研究典型基础。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明三维注浆模型试验装置正视图；

图3是本发明第一反力板俯视图；

图4是本发明第二反力板俯视图；

图5是本发明第三反力板俯视图

图6是本发明承载-渗水活塞俯视图；

图7是本发明围压反力腔断面图。

图8是本发明恒压注浆-供水联合伺服控制装置结构图

图9是本发明恒压注浆-供水联合伺服控制装置俯视图；

图10是本发明水泥基材料储浆腔及备浆腔侧视图；

图11是本发明化学材料储浆腔及备浆腔侧视图；

图12是本发明储水腔及备水腔侧视图；

其中，1-1第一反力板、1-2注浆孔、1-3矿用快速接头I、1-4固定孔I、1-5环形槽I、1-6橡胶密封垫I、2-1第二反力板、2-2垫块、2-3中心孔、2-4密封槽I、2-5橡胶密封圈I、2-6固定孔II、2-7第二反力板固定孔III、2-8环形槽II、2-9橡胶密封垫II、3-1第三反力板、3-2固定孔IV、3-3液压千斤顶固定孔1、4-1紧固螺杆I、4-2紧固螺杆II、5-1围压反力腔、5-2下台阶、5-3下台阶固定孔、5-4注水孔、5-5矿用快速接头II、5-6引线孔、7-1油囊、7-2液压控制台I、7-3液压油缸I、7-4油囊引线孔、7-5高压管I、7-6分油器、8-1聚四氟乙烯薄膜I、8-2聚四氟乙烯薄膜II、9-1液压控制台II、9-2液压油缸II、9-3液压千斤顶、9-4传力轴、9-5传力垫块、9-6承载-渗水活塞、9-7固定孔V、9-8固定螺栓I、9-9高压管II、9-10台阶状凸台、9-11储水仓、9-12环形槽、9-13固定孔VI、9-14固定螺栓II、9-15渗水孔、9-16橡胶密封圈II、10-1承载橡胶囊、10-2上周缘固定钢环、10-3下周缘固定钢环、11-1传感器、11-2引线密封及固定装置、11-3数据解译器、11-4数据分析设备、11-2-1电缆密封夹紧接头、11-2-2固定空心螺杆、11-2-3A垂向固定器、11-2-3B径向固定器。

12-1方形结构、13-1水泥基材料储浆腔、13-2备浆腔、13-3顶板I、13-4底板I、13-5高压注气孔I、13-6矿用快速接头III、13-7密封轴承I、13-8过滤孔I、13-9出浆孔I、13-10矿用快速接头IV、13-11筛网垫片I、13-12密封轴承II、13-13-1搅拌轴、13-13-2桨叶、13-13-3叶轮、13-13-4钩头楔键、13-14机械式水位计I、13-15精密压力表I、13-16顶板II、13-17底板II、13-18高压注气孔II、13-19进浆孔I、13-20矿用快速接头V、13-21矿用快速接头VI、13-22机械式水位计II、13-23连通孔I、13-24连通孔II、13-25球阀I、13-26球阀II、13-27手柄I、13-28手柄II、14-1化学材料储浆腔、14-2化学材料备浆腔、14-3顶板III、14-4底板III、14-5高压注气孔III、14-6矿用快速接头VII、14-7过滤孔II、14-8出浆孔II、14-9矿用快速接头VIII、14-10筛网垫片II、14-11机械式水位计III、14-12精密压力表II、14-13顶板IV、14-14底板IV、14-15高压注气孔IV、14-16进浆孔II、14-24矿用快速接头IX、14-25进矿用快速接头X、14-17机械式水位计IV、14-18连通孔III、14-19连通孔IV、14-20球阀III、14-21球阀IV、14-22手柄III、14-23手柄IV、15-1储水腔、15-2备水腔、15-3顶板V、15-4底板V、15-5高压注气孔V、15-6矿用快速接头XI、15-7矿用快速接头XII、15-9机械式水位计V、15-10精密压力表III、15-11顶板VI、15-12底板VI、15-13高压注气孔VI、15-14进水孔、15-15矿用快速接头XIII、15-16矿用快速接头XIV、15-17机械式水位计VI、15-18连通孔V、15-19连通孔VI、15-20密封固定球阀V、15-21球阀VI、15-22手柄V、15-23手柄VI、16-1-1,16-1-2,16-1-3高压氮气罐组、16-2-1,16-2-2,16-2-3缓冲罐、16-3-1,16-3-2减压阀、16-4-1,16-4-2,16-4-3高精度伺服调节阀、17-1支架。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，第一反力板1-1由高强度合金钢材料加工成Φ660*25mm即直径660mm，高25mm圆盘。第一反力板圆心位置钻设Φ20mm注浆孔1-2，孔内固定矿用快速接头I 1-3，连接储浆腔13-1、14-1；第一反力板Φ590mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔I 1-4，使紧固螺杆I 4-1穿过；第一反力板下表面加工Φ500*470*5mm的环形槽I 1-5，内置橡胶密封垫I 1-6。

如图1、图2、图4所示，第二反力板2-1由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘，下表面焊接Φ90*30mm圆柱形垫块2-2。第二反力板及垫块圆心位置钻设Φ50mm中心孔2-3，孔壁内侧加工5个Φ60*50*5mm的密封槽I 2-4，内置橡胶密封圈2-5。第二反力板Φ590mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔II2-6，使紧固螺杆I 4-1穿过；第二反力板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔III 2-7，使紧固螺杆II 4-2穿过。第二反力板上表面加工Φ500*440*5mm的环形槽II 2-8，内置橡胶密封垫II 2-9。

如图1、图2、图5所示，第三反力板3-1由高强度合金钢材料加工成Φ780*25mm圆盘。第三反力板Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔IV 3-2，使紧固螺杆II 4-2穿过。第三反力板Φ200mm圆周上均布4个Φ4mm钻孔3-3，固定液压千斤顶9-3。

如图1、图2所示，紧固螺杆为Φ16mm高强螺杆，包括两组，每组4根，一组紧固螺杆I 4-1通过固定孔1-4、2-6连接第一反力板1-1和第二反力板2-1，二组紧固螺杆II 4-2通过固定孔2-7、3-2连接第二反力板2-1和第三反力板3-1。

如图1、图2所示，围压反力腔5-1由高强度合金钢材料加工成Φ500*440*600mm的圆筒。围压反力腔5-1顶部加工成台阶状，下台阶5-2为Φ470*440mm的圆环形平台，并于Φ455mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔5-318个。围压反力腔5-1储水仓5-4侧壁径向上钻设Φ20mm注水孔5-4，孔内安置矿用快速接头5-5，以连接储水腔15-1。围压反力腔5-1侧壁上径向钻设8个Φ4mm引线孔5-6，使传感器11-1引线穿过。围压反力腔5-1顶部安置在第一反力板1-1下表面的环形槽I 1-5中，底部安置在第二反力板2-1上表面环形槽II中，通过紧固螺杆I 4-1和橡胶密封垫1-6、2-9保证密封性。

如图1、图2、图7所示，围压伺服加载模块包括油囊7-1、液压控制台I 7-2、液压油缸I 7-3。所述油囊7-1为中空、封闭的圆环状，由橡胶依据围压反力腔5-1尺寸加工而成；油囊7-1侧壁上在相应位置预留传感器引线孔7-4。所述液压油缸I 7-3与油囊7-1通过高压管I 7-5和分油器7-6连接。液压控制台I 7-2与液压油缸I 7-3之间通过高压管I 7-5连接，并实时控制压力。

如图1、图2、图7所示，油囊7-1与围压反力腔5-1之间夹有聚四氟乙烯薄膜I 8-1，以减小两者之间的摩擦，防止油囊损坏。

如图1、图2、图6所示，轴压伺服加载模块包括液压控制台II 9-1、液压油缸II 9-2、液压千斤顶9-3、传力轴9-4、传力垫块9-5、承载-渗水活塞9-6。液压千斤顶9-3底部在Φ700mm圆周上钻设4个对称分布的Φ20mm固定孔V 9-7，通过固定螺栓I 9-8固定在第三反力3-1板顶部。液压油缸II 9-2与液压千斤顶9-3通过高压管II 9-9连接。液压控制台II9-1与液压油缸II 9-2通过高压管II 9-9连接，并实时控制压力。传力轴9-4由高强度合金钢材料加工成，底部通过传力垫块9-5与液压千斤顶9-3接触；传力轴9-4穿过第二反力板中心孔2-4进入到围压反力腔5-1内，通过丝扣与承载-渗水活塞9-6连接；传力轴9-4顶部以下100mm处有凸台9-10，保证围压反力腔5-1内预留储水仓9-11。承载-渗水活塞9-6由高强度合金钢材料加工成Φ440*25mm圆盘状，侧壁中加工2个Φ60*50*5mm的密封槽II9-12，内置橡胶密封圈II 9-16，保证活塞与反力腔之间的密封性；承载-渗水活塞9-6在Φ405mm的圆周上均匀钻设18个Φ4mm固定孔VI 9-13，利用固定螺栓II 9-14固定被注岩体承载模块。承载-渗水活塞中放射状布置235个Φ2.5mm渗水孔9-15，便于储水仓9-11中水渗入到被注岩体内。

如图1、图2、图7所示，被注岩体承载模块由承载橡胶囊10-1及固定钢环10-2、10-3构成。承载橡胶囊10-1加工成圆筒状，上、下周缘均与固定钢环连接，上周缘钢环10-2在Φ455mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔18个，通过螺栓固定于围压反力腔顶部下台阶；下周缘钢环10-3在Φ405mm的圆周上均匀钻设Φ4mm固定孔18个，通过固定螺栓II 9-14固定于承载-渗水活塞9-6。承载橡胶囊侧壁上在相应位置预留传感器引线孔10-4。

如图1、图2、图7所示，油囊与承载橡胶囊之间夹有聚四氟乙烯薄膜II 8-2，以减小两者之间的摩擦。

如图1、图2所示，孔隙水压力加载模块包括储水仓9-11、注水孔5-4、渗水孔9-15。储水仓通过注水孔5-4与储水腔15-1连接。

如图1、图2所示，数据处理模块包括数据采集传感器11-1、引线密封及固定装置11-2、数据解译器11-3以及数据分析设备11-4。数据采集传感器11-1包括土压力传感器、渗透压力传感器，通过引线密封及固定装置11-2布置在被注岩体内部。引线密封及固定装置11-2包括电缆密封夹紧接头11-2-1、固定空心螺杆11-2-2、传感器固定器11-2-3。电缆密封夹紧接头11-2-1为PG7型。固定空心螺杆11-2-2穿过承载橡胶囊引线孔10-4、油囊引线孔7-4以及围压反力腔引线孔5-6，通过丝扣与传感器固定器11-2-3连接，且传感器数据线11-5经内部空心管引出。传感器固定器11-2-3包括垂向固定器11-2-3A和径向固定器11-2-3B，依据传感器尺寸由钢加工而成。数据解译器11-3为XL2101G静态应变仪，数据分析设备11-4为笔记本电脑。

如图1、图8、图9所示，方形结构12-1由酚醛树脂材料制成，尺寸为910*640*550mm，内部加工6个Φ200*550mm的圆柱形腔体构造，腔体构造划分为3组，分别为第一腔体组、第二腔体组及第三腔体组，第一腔体组由水泥基材料储浆腔13-1和备浆腔13-2构成，第二腔体组由化学材料储浆腔14-1和备浆腔14-2构成，第三腔体组由储水腔15-1和备水腔15-2构成。

如图1、图8、图9、图10所示，水泥基材料储浆腔13-1通过丝扣与圆盘状顶板I 13-3和底板I 13-4连接。顶板I 13-3于Φ120mm圆周上钻设Φ20mm高压注气孔I 13-5，孔内安置矿用快速接头III 13-6。顶板I 13-3下表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型密封轴承I 13-7。底板I 13-4于Φ120mm圆周上钻设阶梯状圆孔I，其中上部过滤孔I 13-8尺寸为Φ40*5mm，下部出浆孔I 13-9尺寸为Φ20*30mm。出浆孔安置矿用快速接头IV 13-10，过滤孔内安放筛网垫片I 13-11，防止水泥基浆液大颗粒物质堵塞注浆管路。底板上表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型密封轴承II 13-12。密封轴承I13-7和密封轴承II 13-12之间安放搅拌器13-13。搅拌器包括搅拌轴13-13-1、桨叶13-13-2和叶轮13-13-3。搅拌轴13-13-1焊接交叉分布的桨叶13-13-2。搅拌轴13-13-1上部一侧加工钩头楔键13-13-4。叶轮13-13-2通过钩头楔键13-13-4固定在搅拌轴13-13-1上。所述高压注气孔I13-5位于叶轮13-13-2侧上方，高压气体推动叶轮13-13-2旋转，带动搅拌器13-13工作，搅拌水泥基材料，防止沉淀。水泥基材料储浆腔13-1侧壁上安置机械式水位计I13-14和精密压力表I 13-15，指示腔内浆液液面高度和压力值。

如图1、图8、图9、图10所示，水泥基材料备浆腔13-2通过丝扣与圆盘状顶板II 13-16和底板II 13-17连接。顶板II 13-16于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔II 13-18和Φ20mm进浆孔I 13-19，孔内分别安置矿用快速接头V、VI 13-20、13-21。水泥基材料备浆腔13-2侧壁上安置机械式水位计II 13-22，指示腔内浆液液面高度。

如图1、图8、图9、图10所示，水泥基材料储浆腔13-1和水泥基材料备浆腔13-2通过Φ25mm连通孔I 13-23和连通孔II13-24连通，孔内密封固定球阀I 13-25和球阀II 13-26。球阀I 13-25和球阀II 13-26通过手柄I 13-27和手柄II 13-28控制工作状态。

如图1、图8、图9、图11所示，化学材料储浆腔14-1通过丝扣与圆盘状顶板III 14-3和底板III 14-4连接。顶板III 14-3中心位置钻设Φ20mm高压注气孔III 14-5，安置矿用快速接头VII 14-6。底板中心位置钻设钻设阶梯状圆孔II，其中上部过滤孔II 14-7尺寸为Φ40*5mm，下部出浆孔II 14-8尺寸为Φ20*30mm。出浆孔II 14-8内安置矿用快速接头VIII14-9，过滤孔II 14-7内安放筛网垫片II 14-10，防止浆液堵塞注浆管路。水泥基材料储浆腔14-1侧壁上安置机械式水位计III 14-11和精密压力表II14-12，指示腔内浆液液面高度和压力值。

如图1、图8、图9、图11所示，化学材料备浆腔14-2通过丝扣与圆盘状顶板IV 14-13和底板IV 14-14连接。顶板IV 14-13于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔IV 14-15和Φ20mm进浆孔II 14-16,孔内分别安置矿用快速接头IX、X 14-24、14-25。化学材料备浆腔14-2侧壁上安置机械式水位计IV14-17，指示腔内浆液液面高度。

如图1、图8、图9、图11所示，化学材料储浆腔14-1和化学材料备浆腔14-2通过Φ25mm连通孔III 14-18和连通孔IV14-19连通，孔内密封固定球阀III 14-20和球阀IV 14-21。球阀III 14-20和球阀IV14-21通过手柄III 14-22和手柄IV 14-23控制工作状态。

如图1、图8、图9、图12所示，储水腔15-1通过丝扣方式与圆盘状顶板V 15-3和底板V连接15-4。顶板V 15-3中心位置钻设Φ20mm高压注气孔V 15-5，安置矿用快速接头XI15-6。底板15-4中心位置钻设Φ20mm出水孔15-7，安置矿用快速接头XII 15-8。储水腔侧15-1壁上安置机械式水位计V 15-9和精密压力表III15-10，指示腔内液面高度和压力值。

如图1、图8、图9、图12所示，备水腔15-2通过丝扣与圆盘状顶板VI 15-11和底板VI 15-12连接。顶板VI 15-11于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm高压注气孔VI 15-13和Φ20mm进水孔15-14,分别安置矿用快速接头XIII、XIV 15-15、15-16。备水腔15-2侧壁上安置机械式水位计VI 15-17，指示腔内液面高度。

如图1、图8、图9、图12所示，储水腔15-1和备水腔15-2通过Φ25mm连通孔V 15-18和连通孔VI 15-19连接，密封固定球阀V 15-20和球阀VI 15-21。球阀V 15-20和球阀VI 15-21通过手柄V15-22和手柄VI 15-23控制。

如图1、图8、图9所示，气动伺服控制装置包括高压氮气罐组16-1、缓冲罐16-2、减压阀16-3、高精度伺服调节阀16-4。高压氮气罐组16-1由3个高压氮气罐16-1-1、16-1-2、16-1-3并联组成。缓冲罐16-2采用3个制式氮气压力容器改装。缓冲罐I 16-2-1和缓冲罐II 16-2-2并联，通过减压阀I 16-3-1与高压氮气罐组16-1连通。缓冲罐I 16-2-1经高精度伺服压力调节阀I 16-4-1与水泥基材料储浆腔13-1和备浆腔13-2并联连通。缓冲罐II16-2-2经高精度伺服压力调节阀II 16-4-2与化学材料储浆腔14-1和备浆腔14-2并联连通。缓冲罐III16-2-3通过减压阀II 16-3-2与高压氮气罐组16-1连通，经高精度伺服压力调节阀III 16-4-3与储水腔15-1和备水腔15-2并联连通。高精度伺服压力调节阀16-1能够保障注浆压力和水压力长期稳定。

如图1、图8、图9、图10、图11、图12所示，支架17-1根据整体框架12-1尺寸，利用角钢加工而成，两者之间采用高强螺栓连接。

室内三维注浆模型试验伺服控制系统使用方法：根据矿山、隧道等地下工程不同水文地质条件进行土工试验测试被注岩体基本物理性质。组装模型试验系统，通过紧固螺杆II4-2使第二反力板2-1和第三反力板3-1组成框架，将传力轴9-4穿过第二反力板2-1，并与承载-渗水活塞9-6及传力垫块9-5连接。安置围压反力腔3-1与第二反力板环形槽2-8中，在围压反力腔3-1内依次放置有聚四氟乙烯薄膜I8-1、油囊7-1、聚四氟乙烯薄膜II 8-2、承载橡胶囊10-1，确保各部分引线孔对齐，并将承载橡胶囊10-1固定在承载-渗水活塞9-6上。选取岩土体材料充填入承载橡胶囊10-1内，其中可预制裂隙或破碎带以更好地模拟符合实际工况。填充岩土体材料过程中安放传感器10-1并测试。材料填充完毕后，通过紧固螺杆I 4-1将第一反力板1-1和第二反力板2-1固定。固定液压千斤顶9-3于第三传力板3-1并调整其高度、接触传力垫块，连接液压千斤顶9-3、液压油缸II 9-2及液压控制台II 9-1；连接油囊7-1、液压控制台I7-2及液压油缸I 7-3，根据试验方案依次施加轴压和围压。达到设计要求后，利用强力胶固定空心螺杆11-2-2，并利用电缆密封夹紧接头11-2-1封闭传感器数据线，连接数据解译器11-3以和数据分析设备11-4。

将整体框架12-1组装，并将其固定在支架17-1上。依次通过丝扣将6个腔体的顶板、底板连接在整体框架12-1上。水泥基材料储浆腔13-1组装过程中，注意搅拌轴13-13-1上下两端要插入到轴承I、II13-7和13-12内，以防损毁搅拌器13-13。通过对应的矿用快速接头连接管路。通过各个备用腔进浆孔13-11、14-25以及进水孔15-14向备浆腔13-2、14-2以及备水腔15-2内注入浆液及清水，观察水位计13-22、14-17、15-17液面变化，以检测是否完好。旋转手柄I～VI 13-27、13-28、14-22、14-23、15-22、15-23，打开球阀I～VI 13-25、13-26、14-20、14-21、15-20、15-21,使浆液和清水进入到储浆腔13-1、14-1以及储水腔15-1内，观察水位计I～III 13-14、14-11、15-9液面变化。浆液和水充满后，关闭各个球阀。连接气动伺服控制装置，按照试验设计调整高精度伺服压力调节阀I16-4-1、调节阀II16-4-2、调节阀II 16-4-3。利用高压管将水泥基材料储浆腔13-1与三维注浆试验系统连接，或者将经混合器混合的水泥基材料储浆腔13-1及化学材料储浆腔14-1浆液利用高压管与三维注浆试验系统连接。利用高压管将储水腔15-1连接在注水孔5-4上，根据试验方案向被注岩体内注入地下水，直至达到设计要求。准备工作完成后，实施注浆试验，记录注浆过程中物理场数据，达到试验设计要求后结束注浆，关闭试验系统。拆卸试验装置，取出注浆加固体放入养护实验室养护。清洗试验装置其他结构，结束试验。试验过程中，若储浆腔或储水腔液面下降至最低值，重新打开球阀补充浆液或清水。试验结束后，拆卸清理试验系统。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护的范围以内。

Claims (9)

1.一种室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于，包括三维注浆模型试验装置及恒压注浆-供水联合伺服控制装置两部分；包括竖直方向相互连接三个圆盘状反力板，自上而下依次为第一、第二及第三反力板；反力板之间放置围压反力腔及轴向加载模块；所述的围压反力腔底部设计为孔隙水压力加载模块，围压反力腔内部安置被注岩体装载模块及围压伺服加载模块，所述的围压反力腔侧壁上径向钻设引线孔；所述的围压伺服加载模块包括油囊、液压控制台、液压油缸，所述的油囊侧壁上预留引线孔；所述的液压油缸与油囊通过高压管和分油器连接；所述液压控制台与液压油缸之间通过高压管连接；

所述的恒压注浆-供水联合伺服控制装置包括恒压双液注浆气动伺服控制模块、恒压供水气动伺服控制模块；所述的恒压双液注浆气动伺服控制模块与围压反力腔内部连通；所述的恒压供水气动伺服控制模块与孔隙水压力加载模块相连。

2.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：在所述的围压反力腔内还设有用于采集注浆过程中岩土体内部物理场的变化规律的传感器，所述的传感器与数据处理模块相连；

所述的传感器包括通过引线密封及固定装置布置在被注岩体内部的土压力传感器、渗透压力传感器；

所述的数据处理模块包括相连接的数据解译器以及数据分析设备。

3.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的恒压供水气动伺服控制模块包括储水腔、备水腔及气动伺服控制单元，储水腔的底部与孔隙水压力加载模块相连，储水腔的顶部与备水腔的顶部连通，备水腔的底部与气动伺服控制单元相连；且储浆腔、备浆腔及储水腔、备水腔布置在方形结构内，方形结构安放在支架上。

4.如权利要求3所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的气动伺服控制单元包括高压氮气罐组、三个缓冲罐、减压阀、高精度伺服调节阀；所述的高压氮气罐组由3个高压氮气罐并联组成；缓冲罐I和缓冲罐II并联，通过减压阀I与高压氮气罐组连通；缓冲罐I经高精度伺服压力调节阀I与水泥基材料储浆腔和备浆腔并联连通；缓冲罐II经高精度伺服压力调节阀II与化学材料储浆腔和备浆腔并联连通；缓冲罐III通过减压阀II与高压氮气罐组连通，经高精度伺服压力调节阀III与储水腔和备水腔并联连通；所述的高精度伺服压力调节阀能够保障注浆压力和水压力长期稳定。

5.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的围压反力腔由高强度合金钢材料加工成圆筒状；所述的围压反力腔顶部加工成台阶状，同底部分别卡在第一反力板及第二反力板环形槽I,II中。

6.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的轴压伺服加载模块包括液压控制台、液压油缸、液压千斤顶、传力轴、传力垫块和承载-渗水活塞；所述的液压千斤顶固定在第三反力板顶面；所述的液压控制台与液压油缸通过高压管连接；所述传力轴通过传力垫块与液压油缸接触；所述的传力轴穿过第二反力板中心孔进入到围压反力腔内，连接承载-渗水活塞；所述承载-渗水活塞放射状布置渗水孔。

7.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的孔隙水压力加载模块包括储水仓、注水孔；所述的储水仓由承载-渗水活塞、围压反力腔内壁和第二反力板围成；所述的储水仓侧壁钻设注水孔。

8.如权利要求1所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统，其特征在于：所述的被注岩体承载模块包括承载橡胶囊及固定钢环；所述的承载橡胶囊顶、底端通过固定钢环固定在第一反力板和承载-渗水活塞上；所述的承载橡胶囊侧壁预留传感器引线孔。

9.如权利要求1-8任一所述的室内三维注浆模型试验伺服控制系统的试验方法，其特征在于：

根据矿山、隧道等地下工程不同水文地质条件进行土工试验测试被注岩体基本物理性质；组装模型试验系统，通过紧固螺杆II使第二反力板和第三反力板组成框架，将传力轴穿过第二反力板，并与承载-渗水活塞及传力垫块连接；安置围压反力腔在第二反力板环形槽中，在围压反力腔内依次放置有聚四氟乙烯薄膜I、油囊、聚四氟乙烯薄膜II、承载橡胶囊，确保各部分引线孔对齐，并将承载橡胶囊固定在承载-渗水活塞上；

选取岩土体材料充填入承载橡胶囊内，填充岩土体材料过程中安放传感器并测试；材料填充完毕后，通过紧固螺杆I将第一反力板和第二反力板固定；通过紧固螺栓Ⅱ将第二反力板和第三反力板固定，第一、第二及第三反力板自上而下设置；固定液压千斤顶于第三反力板并调整其高度、接触传力垫块，连接液压千斤顶、液压油缸II及液压控制台II；连接油囊、液压控制台I及液压油缸I，根据试验方案依次施加轴压和围压；达到设计要求后，利用强力胶固定空心螺杆，并利用电缆密封夹紧接头封闭传感器数据线，连接数据解译器和数据分析设备；

将整体框架组装，并将其固定在支架上；依次通过丝扣将6个腔体的顶板、底板连接在整体框架上；水泥基材料储浆腔组装过程中，注意搅拌轴上下两端要插入到轴承I、II内，以防损毁搅拌器；通过对应的矿用快速接头连接管路；通过各个备用腔进浆孔以及进水孔向备浆腔以及备水腔内注入浆液及清水，观察水位计液面变化，以检测是否完好；

旋转手柄I～VI，打开球阀I～VI,使浆液和清水进入到储浆腔以及储水腔内，观察水位计I～III液面变化；浆液和水充满后，关闭各个球阀；连接气动伺服控制装置，按照试验设计调整高精度伺服压力调节阀I、调节阀II、调节阀II；利用高压管将水泥基材料储浆腔与三维注浆试验系统连接，或者将经混合器混合的水泥基材料储浆腔及化学材料储浆腔浆液利用高压管与三维注浆试验系统连接；

利用高压管将储水腔连接在注水孔上，根据试验方案向被注岩体内注入地下水，直至达到设计要求；

准备工作完成后，实施注浆试验，记录注浆过程中物理场数据，达到试验设计要求后结束注浆，关闭试验系统；

拆卸试验装置，取出注浆加固体放入养护实验室养护；清洗试验装置其他结构，结束试验。