CN113030277B - 富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，包括试验箱系统、开挖面模拟系统、供水及水位控制系统、注浆系统和监测系统；注浆系统向试验箱系统内注入浆液，开挖面模拟系统实现试验箱系统内的砂土开挖；监测系统监测试验箱系统的砂层物理力学参数、应力、位移、孔隙水压力、土压力与流量等数据。本发明还公开了一种试验方法。本发明可以在一套试验模型上实现研究富水砂层围岩稳定性的影响条件及动、静水条件下不同浆液富水砂层隧道围岩注浆可注性，给出相应的判别准则的功能，以及可对富水砂层隧道围岩失稳模式、失稳机理及防控涌水涌砂注浆加固机理进行单独研究，无需重复制作实验模型，极大地降低了制作成本。

Description

富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种渗透破坏模型试验系统及方法，尤其是指一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统及方法。

背景技术

在城市地下隧道建设中，经常需要穿越第四系富水砂层，富水砂层因其有松散、黏聚力小、自稳能力差等特性，隧道建设过程中极易发生涌水涌砂等事故。注浆是富水砂层隧道灾害防控治理中最为常用的技术措施，隧道开挖导致土体应力场与土体渗流场改变，砂层因内部渗流侵蚀造成颗粒流失围岩变形，同时地下水的流动对注浆可注性将造成极大的影响，易造成注浆治理效果失效。

模型试验是目前学者对地下工程进行研究最为重要的手段之一，模型试验能最大程度贴近工程实际情况且便于监测。但是，富水砂层隧道的研究都需要单独制作一套实验模型对土体应变位移、渗流内部侵蚀以及注浆治理机理进行单独研究，研究因素单一化，无法在一套实验模型上实现研究单一因素或多因素组合下富水砂层隧道围岩注浆可注性的可行性以及富水砂层围岩稳定性的影响条件，给出相应的判别准则的功能，实验模型功能单一，从而导致需要重复制作实验模型，耗时长、使用不方便和制作成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种功能多样化、使用方便和制作成本低的富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统及方法。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，包括试验箱系统、开挖面模拟系统、供水及水位控制系统、注浆系统和监测系统，所述试验箱系统的入水口与供水及水位控制系统的出水口连通，试验箱系统的上部和下部分别开有出水口和浆液出口；所述注浆系统向试验箱系统内注入浆液，且开挖面模拟系统对试验箱系统内的砂土进行开挖；所述监测系统监测试验箱系统的砂层物理力学参数、应力、位移、孔隙水压力、土压力与流量等数据；在开挖面模拟系统对试验箱系统内的砂土开挖时，所述监测系统通过浆液出口收集测量砂层内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液。

作为一种优选的方案，所述试验箱系统包括底座和设于底座上的箱体，所述箱体内设有带通孔的第一隔板和第二隔板而将箱体内部依次分隔成第一储水槽、储土舱和第二储水槽，所述第一储水槽与供水及水位控制系统的出水口连通，所述出水口设于第二储水槽上；所述供水及水位控制系统输出的水依次经过入水口、第一储水槽、储土舱和第二储水槽并从出水口流出，形成渗流回路。

作为一种优选的方案，所述开挖面模拟系统包括开挖面模拟面板和液压缸，所述开挖面模拟面板设于箱体内的底部，且开挖面模拟面板的上部和下部分别开有插孔和突水孔；所述液压缸的活塞杆伸入箱体内且与开挖面模拟面板连接，所述浆液出口设于箱体的外壁底部；在液压缸推动开挖面模拟面板向浆液出口方向滑动时，所述砂层内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液从浆液出口流出。

作为一种优选的方案，所述供水及水位控制系统包括水箱、第一开关阀、第一流量计和第一压力计，所述水箱的出口通过第一开关阀、第一流量计和第一压力计与第一储水槽连通，所述水箱的入口外接自来水；所述水箱与起吊装置连接而形成高度调节结构。

作为一种优选的方案，所述注浆系统包括浆液桶、注浆机、第二流量计、第二压力计、第二开关阀和注浆管，所述注浆机的入口与浆液桶的出口连通，注浆机的出口通过第二流量计、第二压力计、第二开关阀和注浆管的一端连接，注浆管的另一端穿过所述槽口且伸入砂层内部。

作为一种优选的方案，所述监测系统包括计算机、数据采集仪、摄像机、位移计、孔隙水压计、土压力计、声发射信号接收仪和声测管及声发射传感器；位移计设于在砂层上表面，以监测砂层位移数据；孔隙水压计和土压力计设于砂层中，以监测砂层中试验过程发生的数据；数据采集仪接收位移计、孔隙水压计和土压力计的数据并发送给计算机；所述摄像机对试验过程进行录像；所述声测管及声发射传感器设于箱体的相对的两个侧面上，所述声发射信号接收仪设于箱体的上方而接收声发射信号。

作为一种优选的方案，所述浆液出口设有用于收集水砂或浆液的收集系统，所述收集系统包括导管和量杯，所述量杯通过导管与浆液出口连通。

作为一种优选的方案，所述箱体的外壁为透明结构。

作为一种优选的方案，所述箱体相对的两个侧面上设有第一观察窗和第二观察窗，第一观察窗和第二观察窗分别用于观察第一储水槽和第二储水槽内部。

作为一种优选的方案，所述箱体上部的外壁套设有紧固框。

一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：安装试验箱系统、安装开挖面模拟系统，安装收集系统，以及安装注浆系统；

步骤二：箱体中采用砂雨法分层装入试验所需要的土样，并在1H、2H、3H三个高度，将孔隙水压计与土压力计设置在土样中；并且在箱体上的4H、5H、6H位置上安装声测管及声发射传感器，待土样装入箱体后，在砂层上表面安装位移计；

步骤三：将水箱安装在所需的高度上，将水箱出水口与试验箱系统的入水口连接，并在水箱出水口处安装流量计与压力计；

步骤四：记录砂层中孔隙水压计、土压力计和位移计数据，以及通过声发射信号接收仪监测和收集声发射信号，作为试验初始数据；

步骤五：向水箱中加水，待箱中水位稳定，打开第一开关阀向箱体中的第一储水槽注水，直至另一侧的第二储水槽的出水口的水流稳定流出；

步骤六：记录砂层中孔隙水压计、土压力计和位移计数据，以及通过声发射信号接收仪监测和收集声发射信号，作为试验对比数据；

步骤七：隧道围岩失稳模式及动、静水条件下富水砂层水泥基浆液、化学浆液、水泥化学双浆液注浆加固的试验研究。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明可以在一套实验模型上实现研究单一因素或多因素组合下富水砂层围岩稳定性以及富水砂层隧道围岩注浆可注性的可行性的影响条件，给出相应的判别准则的功能，以及对土体应变位移、渗流内部侵蚀以及注浆加固机理进行单独研究，无需重复制作实验模型，省时省力，使用方便，极大地降低了制作成本。

2、本发明的方法可以进行开挖面失稳造成的土体位移、隧道开挖造成的渗流场改变导致的隧道围岩渗流内部侵蚀、静水注浆机理、不同浆液动水注浆机理、多重因素条件下围岩注浆可注性研究的试验，可实现试验模型的多功能化，减少试验成本，提高研究效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统的结构示意图；

图2是本发明富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统的试验箱系统和供水及水位控制系统的连接结构示意图；

图3是本发明富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统的箱体与注浆管和液压缸的连接的结构示意图；

图4是图3沿储土舱的纵向方向的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1至图4，本实施例涉及富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，包括试验箱系统1、开挖面模拟系统2、供水及水位控制系统3、注浆系统4和监测系统5，所述试验箱系统1的入水口与供水及水位控制系统3的出水口连通，试验箱系统1的上部和下部分别开有出水口11和浆液出口12；所述注浆系统4向试验箱系统1内注入浆液，且开挖面模拟系统2实现试验箱系统1内的砂土开挖；所述监测系统5监测试验箱系统1的砂层10物理力学参数、应力、位移、孔隙水压力、土压力与流量等数据；在开挖面模拟系统2实现试验箱系统1内的砂土开挖时，所述监测系统5通过浆液出口12收集测量砂层10内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液。

本发明可以在一套实验模型上实现研究单一因素或多因素条件下富水砂层10隧道围岩注浆可注性的可行性以及富水砂层10围岩稳定性的影响条件，给出相应的判别准则的功能，以及对土体应变位移、渗流内部侵蚀以及注浆治理机理进行单独研究，无需重复制作实验模型，省时省力，使用方便，极大地降低了制作成本。本试验系统可以进行开挖面失稳造成的土体位移、隧道开挖造成的渗流场改变导致的隧道围岩渗流内部侵蚀、静水注浆机理、不同浆液动水注浆机理、多重因素条件下围岩注浆可注性研究的试验，具体内容如下文说明。

所述试验箱系统1包括底座13和设于底座13上的箱体14，所述箱体14内设有带通孔141的第一隔板和第二隔板而将箱体14内部依次分隔成第一储水槽142、储土舱143和第二储水槽144，所述第一储水槽142与供水及水位控制系统3的出水口连通，所述出水口11设于第二储水槽144上；所述供水及水位控制系统3输出的水依次经过入水口、第一储水槽142、储土舱143和第二储水槽144并从出水口11流出，形成渗流回路。

所述开挖面模拟系统2包括开挖面模拟面板21和液压缸22，所述开挖面模拟面板21设于箱体14内的底部，且开挖面模拟面板21的上部和下部分别开有插孔211和突水孔212；所述液压缸22的活塞杆伸入箱体14内且与开挖面模拟面板21连接，所述浆液出口12设于箱体14的外壁底部；在液压缸22推动开挖面模拟面板21向浆液出口12方向滑动时，所述砂层10内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液从浆液出口12流出。

所述供水及水位控制系统3包括水箱31、第一开关阀32、第一流量计33和第一压力计34，所述水箱31的出口通过第一开关阀32、第一流量计33和第一压力计34与第一储水槽142连通，所述水箱31的入口外接自来水；所述水箱31与起吊装置连接而形成高度调节结构。通过起吊装置可以升高或降低水箱31的高度，从而调节箱体14内的渗流的速度。箱体14内设置了水头控制出水口稳定箱内水压。箱体14中的渗流速度可以通过第一开关阀32、流量计、压力计和箱体14的高度来进行控制。

所述注浆系统4包括浆液桶41、注浆机42、第二流量计43、第二压力计44、第二开关阀45和注浆管46，所述注浆机42的入口与浆液桶41的出口连通，注浆机42的出口通过第二流量计43、第二压力计44、第二开关阀45和注浆管46的一端连接，注浆管46的另一端穿过所述槽口且伸入砂层10内部。注浆管46通过开挖面模拟面板21上的插孔211进入到试验砂层10中，并用夹件101固定在箱体14上；注浆浆材的选择可根据试验需要制备，然后装入浆液桶41；注浆机42将浆液从浆液桶41中通过注浆管46注入砂层10中，进行注浆；第二开关阀45可控制注浆的开始与结束，注浆浆液流量计与注浆浆液压力计监测注浆流速与注浆压力。

所述监测系统5包括计算机51、数据采集仪52、摄像机53、位移计54、孔隙水压计55、土压力计56、声发射信号接收仪57和声测管及声发射传感器58；位移计54设于在砂层10上表面，以监测砂层10位移数据；孔隙水压计55和土压力计56设于砂层10中，以监测砂层10中试验过程发生的数据；数据采集仪52接收位移计54、孔隙水压计55和土压力计56的数据并发送给计算机51；所述摄像机53对试验过程进行录像。所述声测管及声发射传感器58设于箱体14的相对的两个侧面上，所述声发射信号接收仪57设于箱体14的上方而接收声发射信号。

声发射信号接收仪57将声测管及声发射传感器58监测到实验过程中的实时声波信号收集。富水砂层内部物理特性改变的过程中，其内部会产生声发射事件，利用布置在砂层中的声测管对声波进行捕获，通过数据处理计算，分析富水砂层隧道建设过程中侵蚀破坏与注浆加固效果的声发射特性，进而做出定性和定量评价。

所述浆液出口12设有用于收集水砂或浆液的收集系统6，所述收集系统6包括导管61和量杯62，所述量杯62通过导管61与浆液出口12连通。在液压缸22推动开挖面模拟面板21运动时，可以通过量杯62上的刻度得到从浆液出口12流出的因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液的体积。

为了方便对箱体14内的情况进行观察，所述箱体14的外壁为透明结构。

为了方便对试验过程进行观察记录，所述箱体14相对的两个侧面上设有第一观察窗145和第二观察窗146，第一观察窗145和第二观察窗146分别用于观察第一储水槽142和第二储水槽144内部。所述第一观察窗145和第二观察窗146为内凹的“L”型结构。

所述箱体14上部的外壁套设有紧固框147。紧固框147采用四个薄板首、尾通过螺纹连接件连接而成，提高了箱体14的承载能力。

所述插孔211和突水孔212上设有塞体213。在进行隧道开挖造成的渗流场改变导致的隧道围岩渗流内部侵蚀、多重因素条件下围岩注浆可注性研究的试验时，需要将插孔211和突水孔212上的塞体213拔出。

一种富水砂层10隧道围岩渗透破坏与注浆可注性模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：安装试验箱系统1、安装开挖面模拟系统2，安装收集系统6，以及安装注浆系统4；

步骤二：箱体14中采用砂雨法分层装入试验所需要的土样，并在1H、2H、3H三个高度，将孔隙水压计55与土压力计56设置在土样中；并且在箱体14上的4H、5H、6H位置上安装声测管及声发射传感器58，待土样装入箱体14后，在砂层10上表面安装位移计54；

步骤三：将水箱31安装在所需的高度上，将水箱31出水口与试验箱系统1的入水口连接，并在水箱31出水口处安装流量计与压力计；

步骤四：记录砂层10中孔隙水压计55、土压力计56和位移计54数据，以及通过声发射信号接收仪57监测和收集声发射信号，作为试验初始数据；

步骤五：向水箱31中加水，待箱中水位稳定，打开第一开关阀32向箱体14中的第一储水槽142注水，直至另一侧的第二储水槽144的出水口的水流稳定流出；

步骤六：记录砂层10中孔隙水压计55、土压力计56和位移计54数据，以及通过声发射信号接收仪57监测和收集声发射信号，作为试验对比数据；

步骤七：隧道围岩失稳模式及动、静水条件下富水砂层水泥基浆液、化学浆液、水泥化学双液浆液注浆加固的试验研究。

在试验时，可以根据需要进行多种不同的操作试验：

试验一：开挖面失稳造成的土体位移

1、启动液压缸22，设置后退距离及速度，驱动开挖面模拟面板21，模拟开挖面失稳。

2、透过箱体14观察在横向渗流条件下隧道开挖面失稳导致土体位移规律。

3、收集各种数据。

试验二：隧道开挖造成的渗流场改变导致的隧道围岩渗流内部侵蚀

1、拔出插孔211和突水孔212上的塞体213，模拟隧道涌水涌砂，开始试验，利用收集系统6收集从浆液出口12流出的颗粒与水。

2、实时记录渗漏水量、砂量和土体位移规律，并收集各仪器数据。

试验三：静水注浆机理

1、不打开第一开关阀32，不向箱体14中注入水。

2、调制所需配比的试验浆液并装入浆液桶41中。

3、注浆机42设置好注浆压力值与注浆速率，打开第二开关阀45开始进行注浆，开始试验。

4、实时记录渗漏水、砂量和浆液渗出，并收集各仪器数据。

6、注浆结束，等待一段时间开挖砂层10，研究注浆浆液扩散胶凝规律。

试验四：不同浆液动水注浆机理

1、调节水箱31的高度，向箱体14中注水，以提供所需要的渗流速度。

2、调制所需配比的试验浆液并装入浆液桶41中。

3、注浆机42设置好注浆压力值与注浆速率，打开第二开关阀45开始进行注浆，开始试验。

4、实时记录渗漏水、砂量和浆液渗出，并收集各仪器数据。

5、注浆结束，等待一段时间开挖砂层10，研究注浆浆液扩散胶凝规律。

6、试验浆液依次选用水泥基浆液、化学浆液、水泥化学双浆液进行上述1至6步骤试验。

试验五：多重因素条件下围岩注浆可注性研究

1、调节水箱31的高度，向箱体14注水，以提供所需要的渗流速度。

2、调配试验浆液并装入浆液桶41，注浆机42设置注浆压力值。

3、启动液压缸22，设置后退距离及速度，驱动开挖面模拟面板21，模拟开挖面失稳驱动开挖面模拟面板21，模拟开挖面失稳。

4、拔出插孔211和突水孔212上的塞体213，模拟隧道涌水涌砂。

5、打开第二开关阀45进行注浆，实时记录渗漏浆液量及各仪器数据。

6、注浆结束，将栋体塞回插孔211和突水孔212。等待一段时间，开挖砂层10，研究注浆浆液扩散胶凝规律。

7、结束试验，收集汇总试验数据，利用相关软件分析试验数据。

8、试验浆液依次选用水泥基浆液、化学浆液、水泥化学双浆液进行上述1至7步骤试验。

本发明的方法可以进行开挖面失稳造成的土体位移、隧道开挖造成的渗流场改变导致的隧道围岩渗流内部侵蚀、静水注浆机理、不同浆液动水注浆机理、多重因素条件下围岩注浆可注性研究的试验，可实现试验模型的多功能化，减少试验成本，提高研究效率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，包括试验箱系统、开挖面模拟系统、供水及水位控制系统、注浆系统和监测系统，所述试验箱系统的入水口与供水及水位控制系统的出水口连通，试验箱系统的上部和下部分别开有出水口和浆液出口；所述注浆系统向试验箱系统内注入浆液，且开挖面模拟系统对试验箱系统内的砂土进行开挖；所述监测系统监测试验箱系统的砂层的应力、位移、孔隙水压力、土压力与流量数据；在开挖面模拟系统对试验箱系统内的砂土进行开挖时，所述监测系统通过浆液出口收集测量砂层内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液；

所述试验箱系统包括底座和设于底座上的箱体，所述箱体内设有带通孔的第一隔板和第二隔板而将箱体内部依次分隔成第一储水槽、储土舱和第二储水槽，所述第一储水槽与供水及水位控制系统的出水口连通，所述出水口设于第二储水槽上；所述供水及水位控制系统输出的水依次经过入水口、第一储水槽、储土舱和第二储水槽并从出水口流出，形成渗流回路；

所述开挖面模拟系统包括开挖面模拟面板和液压缸，所述开挖面模拟面板设于箱体内的底部， 且开挖面模拟面板的上部和下部分别开有插孔和突水孔；所述液压缸的活塞杆伸入箱体内且与开挖面模拟面板连接，所述浆液出口设于箱体的外壁底部；在液压缸推动开挖面模拟面板向浆液出口方向滑动时，所述砂层内部中因渗流侵蚀造成流失的颗粒和注浆过程流失的浆液从浆液出口流出；

所述注浆系统包括浆液桶、注浆机、第二流量计、第二压力计、第二开关阀和注浆管，所述注浆机的入口与浆液桶的出口连通，注浆机的出口通过第二流量计、第二压力计、第二开关阀和注浆管的一端连接，注浆管的另一端穿过所述插孔且伸入砂层内部。

2.根据权利要求1所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，所述供水及水位控制系统包括水箱、第一开关阀、第一流量计和第一压力计，所述水箱的出口通过第一开关阀、第一流量计和第一压力计与第一储水槽连通，所述水箱的入口外接自来水；所述水箱与起吊装置连接而形成高度调节结构。

3.根据权利要求1所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，所述监测系统包括计算机、数据采集仪、摄像机、位移计、孔隙水压计、土压力计、声发射信号接收仪和声测管及声发射传感器；位移计设于在砂层上表面，以监测砂层位移数据；孔隙水压计和土压力计设于砂层中，以监测砂层中试验过程发生的数据；数据采集仪接收位移计、孔隙水压计和土压力计的数据并发送给计算机；所述摄像机对试验过程进行录像；所述声测管及声发射传感器设于箱体的相对的两个侧面上，所述声发射信号接收仪设于箱体的上方而接收声发射信号。

4.根据权利要求3所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，所述浆液出口设有用于收集水砂或浆液的收集系统，所述收集系统包括导管和量杯，所述量杯通过导管与浆液出口连通。

5.根据权利要求4所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，所述箱体的外壁为透明结构。

6.根据权利要求5所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统，其特征在于，所述箱体相对的两个侧面上设有第一观察窗和第二观察窗，第一观察窗和第二观察窗分别用于观察第一储水槽和第二储水槽内部。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的一种富水砂层隧道围岩渗透破坏与注浆可注性试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：安装试验箱系统、安装开挖面模拟系统，安装收集系统，以及安装注浆系统；

步骤二：箱体中采用砂雨法分层装入试验所需要的土样，并在1H、2H、3H 三个高度，将孔隙水压计与土压力计设置在土样中；并且在箱体上的4H、5H、6H位置上安装声测管及声发射传感器，待土样装入箱体后，在砂层上表面安装位移计；

步骤三：将水箱安装在所需的高度上，将水箱出水口与试验箱系统的入水口连接，并在水箱出水口处安装流量计与压力计；

步骤四：记录砂层中孔隙水压计、土压力计和位移计数据，以及通过声发射信号接收仪监测和收集声发射信号，作为试验初始数据；

步骤五：向水箱中加水，待箱中水位稳定，打开第一开关阀向箱体中的第一储水槽注水，直至另一侧的第二储水槽的出水口的水流稳定流出；

步骤六：记录砂层中孔隙水压计、土压力计和位移计数据，以及通过声发射信号接收仪监测和收集声发射信号，作为试验对比数据；

步骤七：隧道围岩失稳模式及动、静水条件下富水砂层水泥基浆液、化学浆液、水泥化学浆液注浆加固的试验研究。

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