CN115019618B - 高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法。包括：软弱地层模拟系统、工况模拟系统、帷幕注浆系统、监测系统；软弱地层模拟系统为用于填充软弱土体的主箱体，所述软弱地层模拟系统的前侧面为入浆面、后侧面为出浆面，所述入浆面和出浆面的中心处均开设有拱形开挖硐室，所述入浆面的拱形开挖硐室的外缘布设若干个注浆孔。工况模拟系统包括高地热加载系统、水压及水量梯次加载水压模拟系统与三维围压梯次可控加载的围压模拟系统。本发明能有效实现围压及地热作用下软弱地层隧道注浆加固及开挖全过程试验模拟，对实际软弱地层隧道帷幕注浆及安全开挖具有积极参考作用。

Description

高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程地质灾害防治领域，具体地说，是一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法。

背景技术

我国隧道建设方面已经取得了瞩目成绩，“十三五”期间，我国地铁隧道新增运营里程达3622.8km，相比“十二五”期间的新增量，同比增长约184%。除此之外，我国水工隧道、综合管廊、地下洞库等方面也都完成了大批工程建设并投入运营。但是亟需关注解决以下问题：

1. 2020发布《长江干线过江通道布局规划（2020-2035年）》规划中指出，目前过江通道仍存在通道总量偏少、部分通道负荷较重问题，到2025年，建成过江通道180座左右，到2035年，建成过江通道240座左右，另长江下游等重点河段应坚持“少桥多隧”、“宜隧则隧”的原则，因此亟需对富水环境下砂土等软弱地层隧道开挖及建设进行理论补充与建设以形成明确条文规范用以指导大规模跨海、跨江的涉水地区隧道建设；

2. 随着隧道建设的增加，高地热问题日益凸显，近年来如中老铁路玉磨段、中缅国际通道大理至临沧铁路、云南省红河州建个元高速公路尼格隧道等一系列隧道建设过程中都遭遇了高地热问题，其中尼格隧道建设隧道出口出现岩体高温现象，左右洞掌子面围岩的温度均为50℃，随着隧道掘进及埋深加深，隧道岩温一直保持上升趋势，最高温度达88℃，后期岩温基本恒定在85℃,空气温度51℃。高地热的作用下，浆液封堵加固效果越值得关注；

3. 跨江越海隧道将会越来越多，将面临高水压问题，突水涌水问题日益显著，亟需进行系统的创新与改进，为渤海海峡、琼州海峡等跨海通道建设奠定技术基础。

4. 隧道建设开挖距离不断延长，如在建和即将开工建设的深圳望海路隧道、汕头湾隧道、江阴海太过江隧道等，均面临10km以上超长距离施工建设，需探索分段施工标准体系；

5. 高地应力作用的施工条件越来越显著，如新建雅安—林芝段正线长度为1011km，隧道总长占比83%，其中最大水平主应力64MPa。

基于以上现存实际问题，国内已经开发了部分注浆模拟试验装置，用以模拟选用注浆手段来防治隧道及地下工程建设期与运营期经常面临的重点难点问题。但现有注浆加固下隧道开挖模型试验系统尚存在以下可完善方面：

1. 以往装置多忽视深部高温地热作用效果，仅考虑常温下软弱地层隧道面临的注浆加固问题，但深部高温因素对浆液的流变性能、加固封堵性能都存在影响，另一方面温度场的变化对应力的场也会有所影响，面对隧道加固及开挖过程中面临的高低热问题，应予以重点关注；

2. 以往试验装置通常尺寸较大，导致软弱介质难以取样；且普遍采用密闭形式，注浆及开挖过程装置地层可视化差；且存在模型操作复杂、试验周期长、经费需求高、试验重复性差等问题，难以对隧道围岩渗透破坏及失稳进行有效理论研究，致使研究结果难以直接运用于工程实践。

3. 现有模型试验装置多考虑单向地应力加载，尤其缺少初始三维地应力围压梯度调控，难以系统研究深部变换的三维围压对软弱地层注浆加固及开挖稳定性影响机理。

4. 以往模型试验模拟地层水压、渗水量时普遍采用人工降水模拟(上方设置若干洒水水管)等方法，只能模拟潜水工况，尤其缺少水压、水量梯度调控，难以有效模拟地层承压水及深部复杂水压、渗水量，且难以获得隧道突涌水临界水压等关键参数对围岩注浆加固及开挖稳定性影响机理。

5. 现有模型试验装置多考虑单一注浆或单一开挖对围岩稳定性影响，比较片面，缺少软弱地层帷幕注浆模拟与开挖稳定性模拟相结合的模型装置，亟需进行帷幕注浆加固-开挖稳定性结合的真实循环全过程模型试验与科学研究。

6. 以往模型试验装置注浆过程及开挖过程中，难以在三维围压与水压梯次加载至破坏过程工况下精确得到多关键位置物理场实时响应特性，注浆加固及开挖过程中难以对注浆、渗压、土压、应力、变形等关键参数进行统一准确监测与分析。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法，能够实现高地热及围压加载下软弱地层的分段超前帷幕注浆模拟，及加固段的开挖模拟。装置整体采用装配式设计，可以模拟高地热下不同大小动水压力及不同方向的应力加载，并对开挖全过程进行的分段加固与开挖，更符合实际工程情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置，包括软弱地层模拟系统、帷幕注浆系统、工况模拟系统和监测系统；

所述软弱地层模拟系统为用于填充软弱土体的主箱体，所述软弱地层模拟系统的前侧面为入浆面、后侧面为出浆面，所述入浆面和出浆面的中心处均开设有拱形开挖硐室，所述入浆面的拱形开挖硐室的外缘布设若干个注浆孔，每个注浆孔连通有位于所述软弱地层模拟系统内的分段注浆器，每个分段注浆器均包括有一根横向延伸分布的注浆管，所述注浆管的侧壁上并联有多根与隧道开挖前的超前帷幕注浆加固区域相对应的注浆软管，每注浆软管上设置有多个溢浆孔；

所述帷幕注浆系统能通过注浆孔向软弱地层模拟系统内的软弱土体分段注浆；

所述工况模拟系统包括高地热模拟系统、水压模拟系统、围压模拟系统，所述高地热模拟系统能够加热软弱地层模拟系统内的软弱土体，所述水压模拟系统能够向软弱地层模拟系统内的软弱土体内注水，所述围压模拟系统能够对软弱地层模拟系统内的软弱土体施加压力，所述监测系统用于监测和采集软弱地层模拟系统内的软弱土体的相关试验参数。

进一步的，所述软弱地层模拟系统由入浆面网架、出浆面网架、侧面钢网架、顶面钢网架、连接钢件、亚克力板和试验承台组成，侧面钢网架的数量为两个并且左右分布，所述入浆面网架、出浆面网架、侧面钢网架和顶面钢网架均为采用钢板沿纵横两个方向焊接而成的钢网格架，钢网格架的底部采用螺栓连接于试验承台之上；

所述连接钢件的数量为两个并分别通过螺栓连接在入浆面网架、出浆面网架的顶面，所述连接钢件的左右两端分别通过螺栓连接在两个侧面钢网架的顶面，所述顶面钢网架置于装载后的软弱土体之上；

所述亚克力板的数量为四块，分别放置于入浆面网架、出浆网架面及左、右两个侧面钢架内侧，所述置于入浆面网架后侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室及注浆孔；所述置于出浆面网架后侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室，所述置于左、右两个侧面钢架后侧的亚克力板分别设置有入水孔、排水孔与传感器数据线引出孔。

进一步的，所述帷幕注浆系统包括高压输浆管、浆液空气压缩机、浆液气压调节器、注浆泵和搅拌桶，所述高压输浆管依次串联搅拌桶、注浆泵及软弱地层模拟系统内的注浆孔，所述空气压缩机上连接所述浆液气压调节器。

进一步的，所述高地热模拟系统包括若干个不锈钢电热棒，所述不锈钢电热棒的可调温度为在35℃~90℃，所述不锈钢电热棒垂直固定在所述侧面钢网架内侧面并埋入软弱土体内。

进一步的，所述水压模拟系统包括储水承压桶、水压模拟空气压缩机；所述储水承压桶有良好密闭性，其上端圆心处设置有进气口并设置有气压表监测桶内气压，所述储水承压桶进气口连接水压模拟空气压缩机的气压调节器，所述储水承压桶的下端离桶底一段距离位置处设置有排液口，所述储水承压桶的排液口连接软弱地层模拟系统的入水孔。

进一步的，所述围压模拟系统包括液压站和多个加载单元，所述加载单元分布在所述软弱地层模拟系统的顶面、左面、右面、前面和后面，每个加载单元包括液压油缸和加载钢板，所述液压油缸设置在钢网格架上，所述加载钢板位于所述软弱地层模拟系统内并接触软弱土体，所述液压油缸通过液压管路连通所述液压站。

进一步的，所述监测系统包含温度传感器、注浆流量传感器、动水流量传感器、注浆压力传感器、动水压力传感器、地层压力传感器、位移传感器、高清摄像头、无纸记录仪、数据分析仪；所述温度传感器埋置于软弱地层模拟系统内部，所述注浆流量传感器连接于帷幕注浆系统，所述注浆压力传感器置于注浆流量传感器之前；所述动水流量传感器连接于水压模拟系统，所述动水压力传感器置于动水流量传感器之前；所述地层压力传感器、位移传感器埋置于装填软弱土体后的软弱地层模拟系统内，无纸记录仪共两台分别位于帷幕注浆系统并联注浆流量传感器、注浆压力传感器和水压模拟系统并联动水流量传感器、动水压力传感器。

进一步的，所述拱形开挖硐室外设有拱形封盖，拱形封盖采用螺栓连接，注浆过程中螺栓埋置于土体拱形封盖起封堵作用，开挖过程中拆卸拱形封盖，并放置拱形开挖限位板，拱形开挖限位板为焊接拱形钢板。

进一步的，所述连接钢件由两块由钢板材垂直焊接而成，且沿长度方向均匀设置多块三角形肋板的固定连接件。

一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验方法，采用本发明所述的模型试验装置进行试验方法，包括以下步骤：

（1） 在试验进行前，应首先进行试验设计，使用前应根据实际需求与条件设计重塑土体与软弱地层模拟系统内的监测元件位置；

（2） 被注介质填注前，将带加载钢板的液压油缸通过钢架镂空处置于各网架面内部，之后按需求组装除顶部钢架外的软弱地层模拟系统，应在软弱地层模拟系统所成试验空间内铺设PVC薄膜，以防止连接间隙存在渗水情况；

（3） 被注介质填注时应及时布置监测元件，按预设方案预埋不锈钢电热棒、温度传感器、地层压力传感器、位移传感器、应力传感器等，并及时进行监测系统调试，不锈钢电热棒构成高地热模拟系统，然后安装水压模拟系统；

（4） 被注介质填筑完成、试验设备组装连接后，应首先进行水压试验，以检查整个装置与各处连接位置是否有明显间隙，确保可及时排查隐患，以确保后期试验正常进行，并可获得被注前介质内渗流速度和压力场等数据；

（5） 水压试验完成后，每次地应力加载前启动不锈钢电热棒加载到指定温度后关闭不锈钢电热棒电源，之后按设计地应力情况施加三维围压荷载，实时记录关键位置温度场、应力场实时反馈，以检验围压加载是否复合试验预期要求，围压加载过程中应确认不锈钢电热棒电源的关闭；

（6）帷幕注浆系统连接软弱地层模拟系统的注浆孔，进行注浆试验，注浆过程中维持高地热模拟系统、水压模拟系统、围压模拟系统的参数稳定，注浆过程中及时关注并记录监测元件的输出数据，注浆过程中进行分多段注浆试验，每段注浆试验结束后，待各项监测元件输出数据维持稳定后打开拱形封盖，放置开挖限位板引导开挖，开挖过程中不断记录开挖距离与监测系统数据输出，待监测元件数据输出稳定时，可在隧道开挖段再次注入水硬性胶凝注浆材料，进行开挖后隧道拱顶、侧墙、掌子面等注浆加固，再次重复上述注浆与开挖步骤，记录后续开挖过程对先期加固段的影响；

（7） 待全隧道开挖完成后，维持围压模拟系统的持续稳定三维加载，逐渐加大水压模拟系统的流量输出，加大供水压力，直至模拟隧道发生突水突泥后试验停止，试验全过程中实时记录监测元件输出数据；

试验结束后，拆卸模拟试验系统，可对被注介质进行切割，直接观测不同截面的浆脉分布形态，之后对试验数据进行分析，记录总结高温三维围压及水压可控梯次加载下帷幕注浆对软弱地层的加固效果。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：

1、本发明能够实现高地热及围压加载下软弱地层的分段超前帷幕注浆模拟，及加固段的开挖模拟。装置整体采用装配式设计，可以模拟高地热下不同大小动水压力及不同方向的应力加载，并对开挖全过程进行的分段加固与开挖，更符合实际工程情况；

2、本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，模型试验装置三维尺寸适宜，便于有效取样；软弱地层模拟系统由各面的钢框架和可视化的亚克力板组成，各框架通过高强螺栓连接，能实现地层注浆及开挖过程装置地层可视化；可按不同要求实现装配式拼装、拆卸，模型操作简单，试验周期短，且钢框架可回收利用再次拼装试验，可重复操作性好，经济效益好；

3. 本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，引入了高温地热场对隧道分段帷幕注浆加固及隧道开挖的影响，通过对软弱地层模拟系统的温度控制实现了高地热情况下软弱地层隧道注浆加固及开挖稳定性的工况模拟，为后续开展温度场对实际工况的影响提供了数据支撑和基础；

4. 本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，采用了多维应力加载围压模拟系统，重点实现了三维地应力围压梯次可调控加载，有效还原模拟了软弱地层在实际注浆加固及开挖过程中可能受到的三维地应力围压情况，为系统研究深部变换的三维围压对软弱地层注浆加固及开挖稳定性影响机理提供了坚实基础；

5. 本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，开发并应用水压模拟系统，通过水压、水量梯次可控加载，有效模拟富水软弱地层承压水及深部复杂水压、渗水量，且水压模拟系统可提供较大水压力，有利于测试并评估不同水压水量工况下围岩注浆加固效果，有利于定量化描述帷幕注浆加固后地层突水、涌水时临界水压等工况，有利于获得隧道突涌水临界水压等关键参数对围岩注浆加固及开挖稳定性影响机理。

6. 本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，弥补了帷幕注浆加固与开挖围岩稳定性两方面结合不足的短板，发明了富水软弱地层帷幕注浆模拟与开挖稳定性模拟相结合的模型试验装置与试验方法，为帷幕注浆加固-开挖稳定性结合的真实循环全过程模型试验与科学研究奠定了坚实基础。

7. 本发明提出高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置与方法中，隧道开挖过程中采用限位板引导开挖保证开挖隧道形状更加符合实际应力分布情况，采用分段注浆器进行分段注浆加固与开挖，以上也保证模型试验开展条件与模拟工程条件的一致性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖三维模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖三维模型试验装置结构拆解示意图；

图3为本发明实施例提供的高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖三维模型试验装置入浆面网架一侧三维结构示意图；

图4为本发明实施例提供的高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖三维模型试验装置侧面钢网架一侧三维结构示意图；

图5为本发明实施例提供的入浆面网架三维示意图；

图6为本发明实施例提供的出浆面网架三维示意图；

图7为本发明实施例提供的帷幕注浆孔布置平面图；

图8为本发明实施例提供的帷幕注浆加固范围横剖面图；

图9为本发明实施例提供的帷幕注浆加固范围纵剖面图；

图10为本发明实施例提供的侧面网架三维示意图；

图11为本发明实施例提供的连接钢件三维示意图；

图12为本发明实施例提供的出浆仓三维示意图；

图13为本发明实施例提供的一组加固体试样示意图；

图14为本发明实施例提供的一种软弱地层模拟系统内部监测元件及不锈钢电热棒布置平面示意图；

图中：1、软弱地层模拟系统；2、帷幕注浆系统；3、水压模拟系统；4、监测与数据采集系统；5、围压模拟系统；101、入浆面网架；102、出浆面网架；103、侧面钢网架；104、顶面钢网架；105、连接钢件；106、亚克力板；107、试验承台；108、拱形开挖硐室；109、球型阀门；110、入水孔；111、排水孔；112、数据线引出孔；113、拱形封盖；114、高强螺栓；201、高压输浆管；202、浆液空气压缩机；203、浆液气压调节器；204、注浆泵；205、搅拌桶；206、分段注浆器；207、竖直注浆管；208、接箍；209、注浆软管；210、溢浆孔；211、帷幕注浆孔；301、储水承压桶；302、水压模拟空气压缩机；303、气压调节器；304、气压表；401、注浆流量传感器；402、动水流量传感器；403、注浆压力传感器；404、动水压力传感器；405、地层压力传感器；406、位移传感器；407、无纸记录仪；408、数据分析仪；409、温度传感器；501、液压站；502、液压油缸；503、液压管路；504、加载板；601、不锈钢电热棒。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“内”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明公开一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置，其包括六部分组成：软弱地层模拟系统1、帷幕注浆系统2、水压模拟系统3、监测系统4、围压模拟系统5、高地热模拟系统。

如图2-6所示，软弱地层模拟系统由入浆面网架101、出浆面网架102、侧面钢网架103、顶面钢网架104、连接钢件105、亚克力板106、试验承台107组成。入浆面网架101、出浆面网架102、侧面钢网架103和顶面钢网架104均为采用钢板沿纵横两个方向焊接而成的钢网格架，钢网格架的底部采用螺栓连接于试验承台107之上。其中，在入浆面网架101中，其中心网格底部由焊接钢板构成，入浆面网架101中心钢板形心处开设拱形开挖硐室108，拱形开挖硐室外缘布设若干个注浆孔211。在出浆面网架102中，其中心网格底部由焊接钢板构成，入浆面网架101中心钢板形心处同样开设拱形开挖硐室108。侧面钢网架103的数量为两个并且左右分布，连接钢件105的数量为两个并分别通过螺栓连接在入浆面网架101、出浆面网架102的顶面，连接钢件105的左右两端分别通过螺栓连接在两个侧面钢网架103的顶面，将顶面钢网架置于装载后的软弱土体之上。亚克力板106共4块且都是可视化材料，分别放置于入浆面网架101、出浆网架面102及左、右两个侧面钢架103的内侧。其中，置于入浆面网架后侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室以及注浆孔，置于出浆面网架后侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室，置于左、右两个侧面钢架后侧的亚克力板分别设置有入水孔110、排水孔111与传感器数据线引出孔112，用以布置带丝扣的钢管接头，方便与软弱地层模拟系统内部连通。

在本实施例中，入浆面网架与出浆网架选用的钢板沿横向等间距分布，共计六条钢肋，其间隔距离为50cm，沿竖向不等间距分布，共计四条钢肋，其距离自左到右依次为40cm、75cm、40cm，钢板材厚度为2cm，形成网格高度为30cm。如图10所示，侧面钢网架103选用的钢板沿横向与纵向等间距分布，其间隔距离均为40cm，且沿横向通长分布两侧各外伸30cm，沿纵向中间网格隔断形成镂空，放便观测。如图11所示，连接钢件105为两块由钢板材垂直焊接而成，且沿长度方向均匀设置六块三角形肋板的固定连接件。

在拱形开挖硐室外安装有拱形封盖113，拱形封盖采用高强螺栓114连接，注浆过程中螺栓埋置于土体的拱形封盖113起封堵作用，开挖过程中拆卸拱形封盖，并放置拱形开挖限位板，拱形开挖限位板为焊接拱形钢板，大小应与所设开挖孔大小相符以为开挖提供基准。

如图7、图8、图9所示，本实施例中注浆孔211沿拱形开挖硐室外缘成梅花形布设三排，可以理解的是其它实施例中应根据实际模拟工况与所选浆液种类及其扩散距离，布设注浆孔位置、数量及其角度。每个注浆孔211连通有位于所述软弱地层模拟系统内的分段注浆器206，每个分段注浆器206均包括有一根横向延伸分布的注浆管207，注浆管207通过PVC接箍208与入浆面网架的注浆孔上安装的球型阀门109相连接。在位于最外排的注浆孔211所应对的分段注浆器中，注浆管207延伸至软弱土体开挖1/3进程的距离，在位于中间排的注浆孔211所应对的分段注浆器中，注浆管207延伸至软弱土体开挖2/3进程的距离，在位于最内排的注浆孔211所应对的分段注浆器中，注浆管207延伸至软弱土体开挖全部进程的距离，在注浆管207的侧壁上并联有3根与隧道开挖前的超前帷幕注浆加固区域相对应的注浆软管209，每注浆软管209上设置有多个溢浆孔210。帷幕注浆系统能通过不同排的注浆孔向软弱地层模拟系统内的软弱土体注浆，可以实现软弱土体内的分段注浆过程。

帷幕注浆系统包括高压输浆管201、浆液空气压缩机202、浆液气压调节器203、注浆泵204、搅拌桶205，高压输浆管201依次串联搅拌桶205、注浆泵204和拱形开挖硐室外缘布设的若干个注浆孔211，高压输浆管201采用PVC透明钢丝螺旋增强软管。浆液空气压缩机202通过进气管连通搅拌桶205的进气口。浆液空气压缩机202上连接气压调节器303，用以调节稳定输出气压。

水压模拟系统包括储水承压桶301、水压模拟空气压缩机302，储水承压桶有良好密闭性，在其上端圆心处设置有进气口，并设置有气压表304监测桶内气压，下端离桶底5cm处设置有排液口；储水承压桶进气口连接水压模拟空气压缩机302上气压调节器303的出气口，储水承压桶排液口连接软弱地层模拟系统的入水孔110。

围压模拟系统包括液压站501和多个加载单元，加载单元分布在软弱地层模拟系统的顶面、左面、右面、前面和后面，每个加载单元包括液压油缸502、液压管路503和加载钢板504，液压油缸502设置在钢网格架上，加载钢板504位于软弱地层模拟系统内并接触软弱土体，液压油缸502通过液压管路503连通液压站501。围压模拟系统5可沿软弱地层模拟系统的顶面、前后方向、左右方向三个方向施加系统围压，地应力加载范围为0~2.5MPa。

高地热模拟系统包括若干个不锈钢电热棒601，所述不锈钢电热棒601的可调温度为35℃~90℃，直径为3.8cm，长度为28cm，所述不锈钢电热棒601垂直固定在左右两个侧面钢网架内侧面并埋入软弱土体内。

监测与数据采集系统包含注浆流量传感器401、动水流量传感器402、注浆压力传感器403、动水压力传感器404、地层压力传感器405、位移传感器406、无纸记录仪407、数据分析仪408、温度传感器409等监测元件；注浆流量传感器401通过高压输浆管201连接于入浆面钢架的球型阀门109之前；动水流量传感器402连接于水压模拟系统，通过高压输浆管连接于侧面钢架后亚克力板上的入水孔110之前，注浆压力传感器403置于注浆流量传感器401之前；动水压力传感器404置于动水压力流量传感器402之前；地层压力传感器405、位移传感器埋406置于装填砂土后的软弱地层模拟系统内，无纸记录仪407共两台分别位于帷幕注浆系统2并联注浆流量传感器401、注浆压力传感器403和水压模拟系统3并联动水流量传感器402、动水压力传感器404；数据分析仪408与地层压力传感器数据线、位移传感器数据线、温度传感器数据线相连接各个监测元件，温度传感器409埋置于软弱地层模拟系统1内部。

如图14所示，图中为本实例所采用软弱地层模拟系统1内监测元件与不锈钢电热棒601布置的平面图，用以监测注浆过程中与开外过程中软弱地层内应力应变及温度场变化，同时还可以监测后续开挖对先期加固段影响与不同水压力对地层影响情况，为后续定量描述与理论建立提供数据支撑，所示监测元件与不锈钢电热棒601布置截面参考位置参考图3，可理解的是，在其他实施例中，应以实际模拟需求选择布设监测元件与不锈钢电热棒601位置与数量；

在本实施例中采用的软弱土体（以下称为被注介质）为富水砂土材料，可理解的是，在其他实施例中，应以根据对软弱地层实际勘察结果选择被注介质；

所选用被注砂层物理性能参数如下表1：

表1

所选用被注砂层力学性能参数如下表2：

表2

本申请还提供一种高温富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验方法，其主要采用本发明所述的模型试验装置进行试验方法，包括以下步骤：

步骤一：在试验进行前，应首先进行试验设计，具体地，使用前应根据实际需求与条件设计重塑土体与软弱地层模拟系统1内的监测元件位置；

步骤二：被注介质填注前，将带加载钢板的液压油缸502通过钢架镂空处置于各网架面内部，之后按需求组装除顶面钢网架104外的软弱地层模拟系统1，应在软弱地层模拟系统1所成试验空间内铺设PVC薄膜，以防止连接间隙存在渗水情况；

步骤三：被注介质填注时应及时布置监测元件，按照预设方案预埋地层压力传感器405、位移传感器406、温度传感器409，并及时进行监测系统的调试，同时埋置时应同时按设计要在不同的超前帷幕注浆段埋设分段注浆器206与注浆管207路并调整掌子面开孔角度，然后安装水压模拟系统；

步骤四：被注介质填筑完成、试验设备组装连接后，应首先进行压水试验，以检查整个装置与各处连接位置是否有明显间隙，确保可及时排查隐患，以确保后期试验正常进行，并可获得被注前介质内渗流速度和压力场等数据；

步骤五：水压试验完成后，每次地应力加载前启动不锈钢电热棒601加载到指定温度后关闭不锈钢电热棒601电源，之后按设计地应力情况施加三维围压荷载，实时记录关键位置温度场、应力场实时反馈，以检验围压加载是否复合试验预期要求，围压加载过程中应确认不锈钢电热棒601电源的关闭；

步骤六：帷幕注浆系统连接软弱地层模拟系统的注浆孔，进行注浆试验，保证浆液空气压缩机202输出气压稳定在设计要求时，进行注浆试验，注浆过程中注浆过程中维持高地热模拟系统、水压模拟系统、围压模拟系统的参数稳定，注浆过程中及时关注并记录监测元件的输出数据，注浆过程中根据分段注浆器的埋设位置分三段经行分段注浆试验，可以理解的是，在其他实施例中应根据试验设计需求选择相应数量的开挖与注浆加固的施工段续，每段注浆试验结束后，待各项监测元件输出数据维持稳定后打开拱形封盖113，放置开挖限位板引导开挖，开挖过程中不断记录开挖距离与监测与数据采集系统4的数据输出，每开挖到全程三分之一距离时停止开挖，待监测元件数据输出稳定时，可在隧道开挖段再次注入水硬性胶凝注浆材料进行开挖后隧道拱顶、侧墙、掌子面等在进行加固，再次重复上述注浆与开挖步骤，记录后续开挖过程对先期加固段的影响；

步骤七：待全隧道开挖完成后，维持围压模拟系统的持续稳定三维加载，实时监测内部温度变化，逐渐加大水压模拟系统3的流量输出，加大供水压力，直至模拟隧道发生突水突泥后试验停止，试验全过程中实时记录监测元件输出数据；

步骤八：试验结束后，拆卸模拟试验系统，可对备注介质进行切割，直接观测不同截面的浆脉分布形态，之后对试验数据进行分析，记录总结三维围压及水压可控梯次加载下帷幕注浆对软弱地层的加固效果。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验装置，其特征在于，包括软弱地层模拟系统、帷幕注浆系统、工况模拟系统和监测系统；

所述软弱地层模拟系统为用于填充软弱土体的主箱体，所述软弱地层模拟系统的前侧面为入浆面、后侧面为出浆面，所述入浆面和出浆面的中心处均开设有拱形开挖硐室，所述入浆面的拱形开挖硐室的外缘布设若干个注浆孔，注浆孔沿拱形开挖硐室外缘成梅花形布设三排，每个注浆孔连通有位于所述软弱地层模拟系统内的分段注浆器，每个分段注浆器均包括有一根横向延伸分布的注浆管，所述注浆管的侧壁上并联有多根与隧道开挖前的超前帷幕注浆加固区域相对应的注浆软管，每注浆软管上设置有多个溢浆孔；在位于最外排的注浆孔所应对的分段注浆器中，注浆管延伸至软弱土体开挖1/3进程的距离，在位于中间排的注浆孔所应对的分段注浆器中，注浆管延伸至软弱土体开挖2/3进程的距离，在位于最内排的注浆孔所应对的分段注浆器中，注浆管延伸至软弱土体开挖全部进程的距离；

所述帷幕注浆系统能通过注浆孔向软弱地层模拟系统内的软弱土体分段注浆；

所述工况模拟系统包括高地热模拟系统、水压模拟系统、围压模拟系统，所述高地热模拟系统能够加热软弱地层模拟系统内的软弱土体，所述水压模拟系统能够向软弱地层模拟系统内的软弱土体内注水，所述围压模拟系统能够对软弱地层模拟系统内的软弱土体施加压力，所述监测系统用于监测和采集软弱地层模拟系统内的软弱土体的相关试验参数。

2.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述软弱地层模拟系统由入浆面网架、出浆面网架、侧面钢网架、顶面钢网架、连接钢件、亚克力板和试验承台组成，侧面钢网架的数量为两个并且左右分布，所述入浆面网架、出浆面网架、侧面钢网架和顶面钢网架均为采用钢板沿纵横两个方向焊接而成的钢网格架，钢网格架的底部采用螺栓连接于试验承台之上；

所述连接钢件的数量为两个并分别通过螺栓连接在入浆面网架、出浆面网架的顶面，所述连接钢件的左右两端分别通过螺栓连接在两个侧面钢网架的顶面，所述顶面钢网架置于装载后的软弱土体之上；

所述亚克力板的数量为四块，分别放置于入浆面网架、出浆网架面及左、右两个侧面钢架内侧，放置于入浆面网架内侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室及注浆孔；放置于出浆面网架内侧的亚克力板设置有拱形开挖硐室，放置于左、右两个侧面钢架内侧的亚克力板分别设置有入水孔、排水孔与传感器数据线引出孔。

3.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于，所述帷幕注浆系统包括高压输浆管、浆液空气压缩机、浆液气压调节器、注浆泵和搅拌桶，所述高压输浆管依次串联搅拌桶、注浆泵及软弱地层模拟系统内的注浆孔，所述空气压缩机上连接所述浆液气压调节器。

4.根据权利要求3所述的模型试验装置，其特征在于，所述高地热模拟系统包括若干个不锈钢电热棒，所述不锈钢电热棒的可调温度为在35℃~90℃，所述不锈钢电热棒垂直固定在所述侧面钢网架内侧面并埋入软弱土体内。

5.根据权利要求3所述的模型试验装置，其特征在于，所述水压模拟系统包括储水承压桶、水压模拟空气压缩机；所述储水承压桶有良好密闭性，其上端圆心处设置有进气口并设置有气压表监测桶内气压，所述储水承压桶进气口连接水压模拟空气压缩机的气压调节器，所述储水承压桶的下端离桶底一段距离位置处设置有排液口，所述储水承压桶的排液口连接软弱地层模拟系统的入水孔。

6.根据权利要求4所述的模型试验装置，其特征在于，所述围压模拟系统包括液压站和多个加载单元，所述加载单元分布在所述软弱地层模拟系统的顶面、左面、右面、前面和后面，每个加载单元包括液压油缸和加载钢板，所述液压油缸设置在钢网格架上，所述加载钢板位于所述软弱地层模拟系统内并接触软弱土体，所述液压油缸通过液压管路连通所述液压站。

7.根据权利要求6所述的模型试验装置，其特征在于，所述监测系统包含温度传感器、注浆流量传感器、动水流量传感器、注浆压力传感器、动水压力传感器、地层压力传感器、位移传感器、高清摄像头、无纸记录仪、数据分析仪；所述温度传感器埋置于软弱地层模拟系统内部，所述注浆流量传感器连接于帷幕注浆系统，所述注浆压力传感器置于注浆流量传感器之前；所述动水流量传感器连接于水压模拟系统，所述动水压力传感器置于动水流量传感器之前；所述地层压力传感器、位移传感器埋置于装填软弱土体后的软弱地层模拟系统内，无纸记录仪共两台分别位于帷幕注浆系统并联注浆流量传感器、注浆压力传感器和水压模拟系统并联动水流量传感器、动水压力传感器。

8.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于，所述拱形开挖硐室外设有拱形封盖，拱形封盖采用螺栓连接，注浆过程中螺栓埋置于土体拱形封盖起封堵作用，开挖过程中拆卸拱形封盖，并放置拱形开挖限位板，拱形开挖限位板为焊接拱形钢板。

9.根据权利要求2-8任一项所述的模型试验装置，其特征在于，所述连接钢件由两块由钢板材垂直焊接而成，且沿长度方向均匀设置多块三角形肋板的固定连接件。

10.一种富水软弱地层隧道帷幕注浆开挖模型试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的模型试验装置进行试验方法，包括以下步骤：

（1） 在试验进行前，应首先进行试验设计，使用前应根据实际需求与条件设计重塑土体与软弱地层模拟系统内的监测元件位置；

（2） 被注介质填注前，将带加载钢板的液压油缸通过钢架镂空处置于各网架面内部，之后按需求组装除顶部钢架外的软弱地层模拟系统，应在软弱地层模拟系统所成试验空间内铺设PVC薄膜，以防止连接间隙存在渗水情况；

（3） 被注介质填注时应及时布置监测元件，按预设方案预埋不锈钢电热棒、温度传感器、地层压力传感器、位移传感器、应力传感器，并及时进行监测系统调试，不锈钢电热棒构成高地热模拟系统，然后安装水压模拟系统；

（4） 被注介质填筑完成、试验设备组装连接后，应首先进行水压试验，以检查整个装置与各处连接位置是否有明显间隙，确保可及时排查隐患，以确保后期试验正常进行，并可获得被注前介质内渗流速度和压力场数据；

（5） 水压试验完成后，每次地应力加载前启动不锈钢电热棒加载到指定温度后关闭不锈钢电热棒电源，之后按设计地应力情况施加三维围压荷载，实时记录关键位置温度场、应力场实时反馈，以检验围压加载是否复合试验预期要求，围压加载过程中应确认不锈钢电热棒电源的关闭；

（6）帷幕注浆系统连接软弱地层模拟系统的注浆孔，进行注浆试验，注浆过程中维持高地热模拟系统、水压模拟系统、围压模拟系统的参数稳定，注浆过程中及时关注并记录监测元件的输出数据，注浆过程中进行分多段注浆试验，每段注浆试验结束后，待各项监测元件输出数据维持稳定后打开拱形封盖，放置开挖限位板引导开挖，开挖过程中不断记录开挖距离与监测系统数据输出，待监测元件数据输出稳定时，可在隧道开挖段再次注入水硬性胶凝注浆材料，进行开挖后隧道拱顶、侧墙、掌子面注浆加固，再次重复上述注浆与开挖步骤，记录后续开挖过程对先期加固段的影响；

（7） 待全隧道开挖完成后，维持围压模拟系统的持续稳定三维加载，逐渐加大水压模拟系统的流量输出，加大供水压力，直至模拟隧道发生突水突泥后试验停止，试验全过程中实时记录监测元件输出数据；

试验结束后，拆卸模拟试验系统，可对被注介质进行切割，直接观测不同截面的浆脉分布形态，之后对试验数据进行分析，记录总结三维围压及水压可控梯次加载下帷幕注浆对软弱地层的加固效果。

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