隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统及其试验方法
【专利摘要】本发明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。本发明同时还公开了利用该系统的试验方法。
【专利说明】隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩土工程模型试验系统及其试验方法，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及其试验方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
【发明内容】
[0004]本发明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及其试验方法，本发明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。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]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；
[0007]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。[0008]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。
[0009]半圆弧单元包括弧板、半圆环式肋板、竖直肋板，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竖直肋板；且所述竖直肋板的在竖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。
[0010]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。
[0011]所述的顶盖为圆形，其顶部设有用于提高顶盖的强度和刚度交叉肋板，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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]空压机通过压力调节器调节输出压力，输出压力范围为O?5MPa。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]所述的水囊的四周为试验台架内壁，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内壁和所填围岩介质的贴合。
[0021]试验台架内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。
[0022]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O?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。[0023]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的上部，水箱底面积与断层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。
[0024]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竖直的注浆管，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加固区域相对应的注浆软管，每两根注浆软管之间的注浆管中设有一注浆分隔器，注浆管的进口与注浆泵相连；
[0025]所述注浆分隔器为边缘带锯齿的圆形薄片，圆形薄片的直径与注浆管的外径相同，将薄片锯齿弯折后套入注浆管端部，并利用粘接剂将两者粘接固定，将粘结注浆分隔器的注浆管和不粘结注浆分隔器的注浆管通过接头连接，从而固定注浆分隔器。
[0026]所述注浆管为PVC材质，注浆管下端口通过PVC接箍与钢制丝管连接，钢制丝管穿过底板并与底板焊接连接。
[0027]所述钢制丝管下端通过活节与注浆管路相连，注浆管路与注浆泵相连，且注浆管路上设有阀门。
[0028]所述圆形薄片为厚度为0.23mm的铝制薄片，该铝制薄片能够承受IMPa的注浆压力，完全满足模型试验对注浆压力的要求。
[0029]所述注浆软管采用软材质的塑料管制成，软管上间隔设置溢浆口，注浆软管与注浆管通过PVC变径连接。
[0030]相对的两根注浆软管布置在同一直线上，两对前后设置的分段注浆器共12根注浆软管呈正六棱柱以隧道为中心布置。
[0031]隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统试验方法，步骤为:
[0032]步骤一:在钢筋混凝土支撑架上安装试验台架；固定试验台架的底板，将两个半圆弧单元通过高强螺栓连接成模型环单元，通过螺栓连接模型环单元、底板与支撑钢板，所有螺栓连接处放置橡胶垫以保证密封性。随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元，这样可以避免一次性架设试验台架所带来的填料与埋设监测元件操作空间不足的问题；
[0033]步骤二:安装内部预埋分段注浆器，在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设计的隧道位置布设4个内部预埋分段注浆器，12根注浆软管均匀布置在隧道周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管的尺寸调整注浆软管位置；
[0034]步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质，在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质，目的是提高其强度并降低其渗透率，防止浆液或水沿试验台架内部侧壁流动影响实验结果，其他区域的围岩介质正常填料；
[0035]步骤四:根据断层倾角、厚度及断层与隧道相对位置参数预置断层，根据上述断层参数填筑断层介质，并在断层介质下方设置测压管，测压管的作用是验证断层内部是否达到饱水状态；
[0036]步骤五:布置监测元件，光纤传感器布置在相应过程的关键区域观测特定物理场的变化。突水突泥灾害发生前后，断层与围岩交界附近为灾害发生前后的关键区域，此区域渗流场、位移场、应力场发生明显变化，在交界附近断面重点布置渗压、位移、土压和应变传感器。注浆处治过程中，断层内部为注浆加固的关键区域，此区域温度场、渗流场、应力场发生明显变化，在断层内部重点布置温度、渗压、土压和位移传感器；
[0037]步骤六:放置加压水箱，在断层顶部预置一层砾石滤层防止断层相似材料通过水箱排水孔进入水箱堵塞排水孔，在砾石滤层上方预置加压水箱，加压水箱底面积与断层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；
[0038]步骤七:若不需要加载地应力，则不安装顶盖，填料在自重下达到试验设计要求的应力水平，若需要加载地应力，则安装地应力加载系统，在围岩介质上方放置水囊，保证水囊与围岩介质及试验台架内壁紧密贴合，之后将顶盖与侧壁通过高强螺栓连接，通过活节连接输水管与水囊连接管；
[0039]步骤八:启动监测系统，在完成全部填料、监测元件埋设、预埋分段注浆器安装、地应力加载系统安装等工作后，启动监测系统，开始监测各个物理场数据直到模型试验结束；
[0040]步骤九:形成承压静水环境，连接空压机、水泵、水力承压筒、加压水箱、P-Q-t记录仪等设备，打开水泵使水力承压筒充满水，充满水后关闭输水阀门；按实验目标要求设定空压机压力，打开相关阀门使压力水进入模型内部，直到断层内部达到饱水状态，从而形成承压静水环境；
[0041]步骤十:隧道开挖，用导向钢板替换弧形封闭钢板，以导向钢板上的开挖隧道口为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后等待一段时间，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖。实时记录隧道开挖期间的涌水量，并记录突水突泥发生时的突水突泥量；
[0042]步骤十一:对隧道围岩实施注浆，清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圆柱形自制止浆墙，防止注浆过程中浆液从已开挖的隧道空间流出；由于设置了 4个不同位置的内部预埋分段注浆器并且每个预埋分段注浆器内部有两个注浆分隔器，整个注浆过程分4序次、每序次分3段注浆，总共注浆12次；按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆堵水加固。注浆过程中利用P-Q-t记录仪记录注浆压力、注浆速率随时间的变化；
[0043]步骤十二:注浆后开挖隧道，注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯通。隧道贯通之后不断增加供水压力，使隧道重新发生突水突泥，检验注浆加固后的隧道围岩所能承受的最大水压力，进而评判注浆效果；
[0044]步骤十三:模型试验系统拆除，关闭供水系统及地应力加载系统，拆除侧壁，拆模过程中记录浆液扩散形态，并在重要位置取样用于后续研究。模型试验结束。
[0045]本发明中，试验台架为模型试验提供一个承载结构，承受实验过程中产生的应力载荷和水压载荷。试验台架各部分均采用IOmm厚的钢板焊接而成，保证了试验台架的强度和刚度，它包括底板、侧壁和顶盖。试验台架中的侧壁由高300_的模型环单元通过高强螺栓连接而成。模型环单元由两个半圆弧单元构成，半圆弧单元由弧板、半圆环式肋板、竖直肋板构成。弧板厚10mm、直径1500mm,弧板顶部、底部沿边缘焊接宽100mm、厚IOmm的半圆环式肋板，两端与中部焊接宽100mm、高300mm、厚IOmm的竖直肋板；半圆环式肋板与竖直肋板通过焊接连接，并均匀钻孔。两个半圆弧单元由端部的竖直肋板通过高强螺栓连接构成模型环单元；彼此相邻模型环单元由半圆环式肋板通过高强螺栓连接构成侧壁。半圆环式肋板和竖直肋板提高结构强度和刚度并起连接作用。弧板上设置两个连接管，连接管可作为模型内外的注浆管连接装置使用，也可作为监测系统的引线管使用。侧壁由模型环单元组装而成，在模型实验准备过程中由下往上逐层组装，为填料与布设监测元件提供更大的操作空间；在模型试验结束后，由上往下逐层拆模，保证地层结构及注浆浆脉完整地保留下来并可以观察浆液扩散形态。试验台架各个结构单元采用模块化方式连接，组装及拆卸方便，可根据不同模型高度采用相应数量的模型环组合。试验台架的设计更好地满足了模型试验可重复性的要求。
[0046]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圆形空洞，空洞直径要大于按不同试验比尺设计所取的最大隧道尺寸，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板封堵圆形孔洞，在弧形封闭钢板四个角的位置开孔，弧形封闭钢板与侧壁之间通过螺栓连接，中间放置橡胶垫。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。导向钢板由平钢板和两个与侧壁相同弧度的连接板构成，平钢板与连接板通过焊接连接。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。导向钢板与侧壁之间通过螺栓连接。在平钢板与圆形洞口对应位置根据不同的试验比尺按实际隧道形状设置开挖隧道口。
[0047]顶盖上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板，交叉肋板提高顶盖的强度和刚度，顶盖与侧壁通过螺栓连接。顶盖焊接一根连接管，连接管作为地应力加载系统的连接孔使用。顶盖的作用是提供加载地应力的平台；在不加载地应力的情况下，试验台架不包含顶盖，围岩材料直接与外界接触。
[0048]底板根据隧道位置设置4根带丝钢管，带丝钢管穿过底板并与底板通过焊接方式连接，试验台架内部的钢管端部通过丝扣与预埋分段注浆器连接，试验台架外的钢管端部通过丝扣与阀门连接，阀门连接注浆管路。顶盖、底板与侧壁通过螺栓连接。半圆弧单元之间的连接处、模型环单元之间的连接处、侧壁与顶盖的连接处、侧壁与底板的连接处均放置IOmm厚的橡胶垫,保证模型的密封性。
[0049]试验台架放置在钢筋混凝土支撑架上，钢筋混凝土支撑架由支撑钢板、4根钢筋混凝土柱和钢筋混凝土平台构成。钢筋混凝土柱与钢筋混凝土平台为一体化浇筑而成，每根钢筋混凝土柱上预埋两根螺丝杆，支撑钢板在与螺丝杆相对应位置设置螺栓孔，支撑钢板与钢筋混凝土柱通过螺丝杆连接。支撑钢板为一圆环形钢板，厚10mm，外径2000mm，内径1100mm。试验台架直接放置在支撑钢板之上，支撑钢板在底板螺栓对应位置设置螺栓孔，支撑钢板、底板和侧壁通过螺栓连接。钢筋混凝土支撑架保证了底板下部有足够的操作空间。
[0050]地应力加载系统主要由大功率空压机、压力罐、水囊三部分构成。地应力加载系统中的大功率空压机与压力罐通过输气管连接，并设置压力调节器控制大功率空压机输出压力，输出压力范围为O?5MPa。压力罐由IOmm厚的钢板制成并设置支架支撑压力罐，压力罐上部设置三个接口和一个泄压阀门，第一接口通过输气管与大功率空压机连接，第二接口为加水口并连接阀门第三接口连接阀门并通过输水管与水囊连接，输水管上设置压力表测量水压。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，水囊半径与试验台架内径相等，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内壁和所填围岩介质紧密贴合。输水管通过一个活节与进入到水囊内的水囊连接管相连，所述的水囊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。在地应力加载过程中，压力罐内下部为水，上部为空气，依靠大功率空压机提供空气压力，空气压力转化为水压力作用在水囊中，所加水压传递到围岩介质之上，从而实现地应力加载。水压通过水囊传递压力必然会产生压力损耗，通过采用变形性能好的材料制作水囊最大限度减小压力损耗，让所加水压与所要施加的地应力尽可能相
坐寸O
[0051]供水系统由空压机、水泵、水力承压筒和加压水箱等构成，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O?1.5MPa。水力承压筒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。
[0052]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的上部，水箱底面积与断层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
[0053]注浆系统由外部注浆装置和内部预埋分段注浆器两部分构成。外部注浆装置由注浆泵、P-Q-t记录仪及相应的注浆管路构成。试验台架内部的带丝钢管端部通过丝扣与4个内部预埋分段注浆器连接，内部预埋分段注浆器由PVC注浆管、注浆分隔器和注浆软管构成。每个预埋分段注浆器内部设置有2个注浆分隔器和3根注浆软管，内部预埋分段注浆器可以实现分序次分段注浆，具体过程参见具体试验方法。PVC注浆管采用PVC材料制作而成，加工方便、成本低廉。注浆分隔器的材质为普通铝制薄片，形状为带锯齿的圆形薄片，圆形薄片的直径与PVC注浆管的外径相同，利用AB胶粘结PVC注浆管和注浆分隔器，将粘结注浆分隔器的PVC注浆管和不粘结注浆分隔器的PVC注浆管通过PVC接头连接，从而固定注浆分隔器。注浆分隔器可以承受IMPa的注浆压力，完全满足模型试验对注浆压力的要求。在前一段注浆完成后，利用钻头破坏铝制薄片即可进行下一次注浆。注浆软管采用软材质的塑料管制成，软管上间隔设置溢浆口，注浆软管与PVC注浆管通过PVC变径连接。注浆软管没有支撑能力，对断层突水突泥不造成影响。12根注浆软管均匀布置在隧道周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管的尺寸调整注浆软管位置。
[0054]数据监测系统采用光纤传感器，包括土压、渗压、位移、应变、温度光纤传感器。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、抗腐蚀、耐高温、不受电磁干扰等优点。光纤传感器布置在相应过程的关键区域观测特定物理场的变化。突水突泥灾害发生前后，断层与围岩交界附近为灾害发生前后的关键区域，此区域渗流场、位移场、应力场发生明显变化，在交界附近断面重点布置渗压、位移、土压和应变传感器。注浆处治过程中，断层内部为注浆加固的关键区域，此区域温度场、渗流场、应力场发生明显变化，在断层内部重点布置温度、渗压、土压和位移传感器。
[0055]本发明的有益效果是，本发明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。
【专利附图】
【附图说明】
[0056]图1为隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统试验流程图；
[0057]图2为试验台架剖面图；
[0058]图3-1、3_2分别为试验台架侧壁半圆弧单元主视图和俯视图；
[0059]图4-1、4_2分别为导向钢板主视图和俯视图；
[0060]图5为试验台架底板结构图；
[0061]图6为试验台架顶盖结构图；
[0062]图7-1、7_2分别为钢筋混凝土支撑架俯视图和主视图；
[0063]图8为地应力加载系统示意图；
[0064]图9为供水系统示意图；
[0065]图10为加压水箱底板结构图；
[0066]图11-1、11_2、11-3分别为内部预埋分段注浆器结构及布置主视图、侧视图和俯视图；
[0067]图12-1、12_2分别为内部预埋分段注浆器细部结构图；
[0068]图12-3为注浆软管结构图；
[0069]图13为模型试验填料、注浆系统、监测系统工作示意图；
[0070]图14为试验台架三维整体图；
[0071]I—侧壁；2—顶盖；3—底板；4—高强螺栓；5——模型环单元；6——半圆弧单元；7—弧板；8—半圆环式肋板；9—竖直肋板；10—弧板连接管；11—圆形空洞；12—弧形封闭钢板；13—橡胶垫；14一一交叉肋板；15—顶盖连接管；16—泄压阀门；17—带丝钢管；18—底板阀门；19—钢筋混凝土支撑架；20——支撑钢板；21—钢筋混凝土柱；22—钢筋混凝土平台；23—螺丝杆；24——大功率空压机；25——压力罐；26——水囊；27——输气管；28——压力调节器；29——支架；30——第一接口 ；31——第二接口 ；32——输水管；33——压力表；34——第三接口 ；35——水囊连接管；36——空压机；37——水泵；38——水力承压筒；39——加压水箱；40——P-Q-t记录仪；41—压力调节器；42—阀门；43—输气软管；44——输水软管；45——排水孔；46——PVC注浆管；47——注浆分隔器；48——注浆软管；49——锯齿；50——PVC接头；51——PVC变径；52——内部预埋分段注浆器；53——隧道；54——围岩介质；55——密实性介质；56—断层介质；57—测压管；58—砾石滤层；59——监测断面；60——注浆泵；61——P-Q-t记录仪；62——注浆管路；63——导向钢板；64——平钢板；65——连接板；66——开挖隧道口 ；67——螺栓孔；68——溢浆口。
【具体实施方式】[0072]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0073]如图1-图14所示，实验模型设计高度需要连接四层模型环单元，隧道位置在第二层模型环单元直径位置。不加载地应力，围岩介质与外界直接接触。围岩介质为强风化的粘土，断层介质为富水软弱的原状断层泥、石混合物，断层倾角70°，断层厚度60cm，该种地质情况极易导致隧道开挖过程中的突水突泥灾害发生。
[0074]模型试验系统可以完整连续地模拟复杂地质条件下隧道突水突泥灾害演化、灾后注浆处治及注浆加固后隧道开挖过程，并可进一步评判注浆效果及分析隧道围岩稳定性。它包括试验台架、地应力加载系统、供水系统、注浆系统、监测系统五部分。
[0075]如图13所示，试验台架由底板3、侧壁I及顶盖2三部分组成；地应力加载系统主要由大功率空压机24、压力罐25、水囊26三部分构成；供水系统由空压机36、水泵37、水力承压筒38和加压水箱39等构成；注浆系统由外部注浆装置和内部预埋分段注浆器52两部分构成；监测系统由光纤传感器及其数据采集、处理装置构成。
[0076]试验台架中设有用于填充密实性介质55、断层介质56和围岩介质54的空间，密实性介质55位于试验台架内部空间的周边和底部，断层介质56和围岩介质54位于密实性介质55形成的凹形空间内，断层介质56处于围岩介质54中部,断层介质56顶部设有一层石乐石滤层58,供水系统设置于碌石滤层58上；地应力加载系统位于围岩介质54顶部,注衆系统由试验台架底部伸入到围岩介质54中的开挖隧道53部位，监测系统包括设置于断层介质56和围岩介质54交界处以及断层介质56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56下方设置测压管57。
[0077]如图2-7所示，试验台架中的侧壁I由高300_的模型环单元5通过高强螺栓连接而成。所述的模型环单元5由两个半圆弧单元6构成，所述半圆弧单元6由弧板7、半圆环式肋板8、竖直肋板9构成。弧板7厚10mm、直径1500mm，弧板7顶部、底部沿边缘焊接宽100mm、厚IOmm的半圆环式肋板8,两端与中部焊接宽100mm、高300mm、厚IOmm的竖直肋板9 ;半圆环式肋板8与竖直肋板通过焊接连接，并均匀钻孔。两个半圆弧单元6由端部的竖直肋板9通过高强螺栓连接构成模型环单元5 ;彼此相邻模型环单元5由半圆环式肋板8通过高强螺栓连接构成侧壁。半圆环式肋板8和竖直肋板9提高结构强度和刚度并起连接作用。试验台架各个结构单元采用模块化方式连接，组装及拆卸方便，可根据不同模型高度采用相应数量的模型环5组合。
[0078]弧板7上设置两个连接管10，连接管10可作为模型内外的注浆管连接装置使用，也可作为监测系统的引线管使用。在隧道设计位置对应的模型环单元5的直径方向正对设置两个圆形空洞11，空洞直径要大于按实验设计所取的最大隧道53尺寸，隧道开挖之前用与侧壁相同弧度的弧形封闭钢板12封堵圆形孔洞，在弧形封闭钢板12四个角的位置开孔，弧形封闭钢板12与侧壁之间通过螺栓4连接，中间放置橡胶垫13。
[0079]隧道开挖时用导向钢板63替换弧形封闭钢板12，导向钢板63为开挖隧道提供开挖基准。所述导向钢板63由平钢板64和两个与侧壁相同弧度的连接板65构成,平钢板64与连接板65通过焊接连接。在平钢板64四个角的位置开孔，开孔位置与弧形封闭钢板12的开孔位置相同。隧道开挖时导向钢板63与侧壁I之间通过高强螺栓4连接。在平钢板64与圆形洞口 11对应位置根据不同的试验比尺按实际隧道形状设置开挖隧道口 66。
[0080]顶盖2上焊接高100mm、厚IOmm垂直相交的交叉肋板14，交叉肋板14提高顶盖2的强度和刚度，顶盖2与侧壁I通过高强螺栓4连接。顶盖2焊接一根连接管15，连接管15作为地应力加载系统的连接孔使用。顶盖的作用是提供加载地应力的平台；在不加载地应力的情况下，试验台架不包含顶盖，围岩材料直接与外界接触。
[0081]试验台架的底板3根据隧道位置设置4根带丝钢管17，带丝钢管17穿过底板3并与底板3通过焊接方式连接，试验台架内部的钢管端部通过丝扣与预埋分段注浆器52连接，试验台架外的钢管端部通过丝扣与底板阀门18连接，底板阀门18连接注浆管路。底板3与侧壁通过高强螺栓4连接。
[0082]顶盖2、底板3和连接板65上均设有螺栓孔67。
[0083]半圆弧单元6之间的连接处、模型环单元5之间的连接处、侧壁I与顶盖2的连接处、侧壁I与底板3的连接处均放置IOmm厚的橡胶垫，保证模型的密封性。
[0084]试验台架放置在钢筋混凝土支撑架19上，钢筋混凝土支撑架19由支撑钢板20、4根钢筋混凝土柱21和钢筋混凝土平台22构成。钢筋混凝土柱21与钢筋混凝土平台22为一体化浇筑而成，每根钢筋混凝土柱21上预埋两根螺丝杆23，支撑钢板20在与螺丝杆相对应位置设置螺栓孔，支撑钢板20与钢筋混凝土柱21通过螺丝杆23连接。支撑钢板20为一圆环形钢板，厚IOmm,外径2000mm,内径1100mm。试验台架直接放置在支撑钢板20之上，支撑钢板20在底板3螺栓孔对应位置设置螺栓孔，支撑钢板20、底板3和侧壁I通过高强螺栓4连接。钢筋混凝土支撑架19保证了底板3下部有足够的操作空间。
[0085]如图8所示，地应力加载系统中的大功率空压机24与压力罐25通过输气管27连接，并设置压力调节器28控制大功率空压机24输出压力，输出压力范围为O?5MPa。压力罐25由IOmm厚的钢板制成并设置支架29支撑压力罐25，压力罐设置有3个接口和一个泄压阀门16，第一接口 30与大功率空压机24相连，第二接口 31通过输水管32与水泵相连，第三接口 34与水囊26连通。
[0086]地应力加载系统中的水囊26与压力罐25连接的管路上设置测量水压的压力表33。水囊26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26形状为圆柱形，中间设置圆形开口，水囊26半径与试验台架内径相等，水囊26高度与所填围岩介质54和顶盖2之间的距离相等，从而保证水囊26与试验台架内壁和所填围岩介质54紧密贴合。输水管通过活节与进入到水囊内的连接管35相连，连接管35下部焊接底盘，连接管35底盘与水囊26圆形开口部位粘接。
[0087]如图9、图10所示，供水系统中的水力承压筒38为钢制圆柱形承压筒，承压筒上部设置两个阀门42，下部设置一个阀门42，其中一个上部阀门42与空压机36上的压力调节器41通过输气软管43连接，通过调节压力调节器41控制输出压力，输出压力范围为O?
1.5MPa0
[0088]供水系统中的水力承压筒33的另一个上部阀门与水泵37通过输水软管44连接，下部阀门与加压水箱39通过输水管连接，在输水管上设置P-Q-t记录仪40并与电脑连接，实时记录压力、流量随时间的变化。
[0089]供水系统中的加压水箱39为扁平状的水箱，水箱上部与水力承压筒38通过输水软管44连接，水箱下部等间距密布排水孔45。加压水箱39底面积与断层在水平面上的截断面积相同，保证了模型试验过程中水压更均匀。
[0090]如图11、图12所示，外部注浆装置由注浆泵60、P-Q_t记录仪61及相应的注浆管路62构成。试验台架内部的带丝钢管端部通过丝扣与4个内部预埋分段注浆器52连接，内部预埋分段注浆器52由PVC注浆管46、注浆分隔器47和注浆软管48构成。每个预埋分段注浆器52内部设置有2个注浆分隔器47和3根注浆软管48，预埋分段注浆器可以实现分序次分段注浆。
[0091]注浆分隔器47的材质为普通铝制薄片，形状为带锯齿49的圆形薄片，圆形薄片的直径与PVC注浆管46的外径相同，利用AB胶粘结PVC注浆管46和注浆分隔器47，将粘结注浆分隔器47的PVC注浆管46和不粘结注浆分隔器47的PVC注浆管46通过PVC接头50连接，从而固定注浆分隔器47。
[0092]注浆软管48采用软材质的塑料管制成，软管上间隔设置溢浆口 68，注浆软管48与PVC注浆管46通过PVC变径51连接。注浆软管48没有支撑能力，对断层突水突泥不造成影响。12根注浆软管48均匀布置在隧道53周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管46的尺寸灵活调整注浆软管48位置。
[0093]数据监测系统采用光纤传感器，包括土压、渗压、位移、应变、温度光纤传感器。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、抗腐蚀、耐高温、不受电磁干扰等优点。
[0094]光纤传感器布置在相应过程的关键区域观测特定物理场的变化。突水突泥灾害发生前后，断层与围岩交界附近为灾害发生前后的关键区域，此区域渗流场、位移场、应力场发生明显变化，在交界附近断面重点布置渗压、位移、土压和应变传感器。注浆处治过程中，断层内部为注浆加固的关键区域，此区域温度场、渗流场、应力场发生明显变化，在断层内部重点布置温度、渗压、土压和位移传感器。
[0095]隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统试验方法，步骤为:
[0096]步骤一:在钢筋混凝土支撑架19上安装试验台架。固定试验台架的底板3，将两个半圆弧单元通过高强螺栓4连接成模型环单元5，通过螺栓连接模型环单元5、底板3与支撑钢板20，所有螺栓连接处放置橡胶垫13以保证密封性。随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元，这样可以避免一次性架设试验台架所带来的填料与埋设监测元件操作空间不足的问题。
[0097]步骤二:安装内部预埋分段注浆器52。在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设计的隧道位置布设4个内部预埋分段注浆器52，12根注浆软管48均匀布置在隧道53周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管46的尺寸调整注浆软管48位置。预埋分段注浆器的布置如图11所示。
[0098]步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质54。在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质55，目的是提高其强度并降低其渗透率，防止浆液或水沿试验台架内部侧壁流动，影响实验结果。其他区域的围岩介质54正常填料。
[0099]步骤四:根据断层倾角、厚度及断层与隧道相对位置等参数预置断层56。根据上述断层参数填筑断层介质，并在断层介质56下方设置测压管57，测压管57的作用是验证断层内部是否达到饱水状态。
[0100]步骤五:布置监测元件。光纤传感器布置在相应过程的关键区域观测特定物理场的变化。突水突泥灾害发生前后，断层56与围岩54交界附近为灾害发生前后的关键区域，此区域渗流场、位移场、应力场发生明显变化，在监测断面59的1、I1、III断面重点布置渗压、位移、土压和应变传感器。注浆处治过程中，断层内部为注浆加固的关键区域，此区域温度场、渗流场、应力场发生明显变化，在监测断面59的断层内部在II1、IV、V、VI重点布置温度、渗压、土压和位移传感器。监测元件布置如图13所示。
[0101]步骤六:放置加压水箱39。在断层56顶部预置一层砾石滤层58防止断层相似材料通过水箱排水孔进入水箱堵塞排水孔45，在砾石滤层58上方预置加压水箱39，加压水箱39底面积与断层56在水平面上的截断面积相同，保证加压水箱39与断层56有最大的接触面积。
[0102]步骤七:若不需要加载地应力，则不安装顶盖2，填料在自重下达到试验设计要求的应力水平。若需要加载地应力，则安装地应力加载系统，在围岩介质上方放置水囊26，保证水囊26与围岩介质及试验台架内壁紧密贴合，之后将顶盖2与侧壁I通过高强螺栓连接，通过活节连接输水管与水囊连接管35。
[0103]步骤八:启动监测系统。在完成全部填料、监测元件埋设、预埋分段注浆器52安装、地应力加载系统安装等工作后，启动监测系统，开始监测各个物理场数据直到模型试验结束。
[0104]步骤九:形成承压静水环境。连接空压机36、水泵37、水力承压筒38、加压水箱39、P-Q-t记录仪40设备,打开水泵使水力承压筒38充满水,充满水后关闭输水阀门42。按实验目标要求设定空压机压力，打开相关阀门使压力水进入模型内部，直到断层内部达到饱水状态，从而形成承压静水环境。
[0105]步骤十:隧道开挖。用导向钢板63替换弧形封闭钢板12，以导向钢板63上的开挖隧道口 66为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后等待一段时间，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖。实时记录隧道开挖期间的涌水量，并记录突水突泥发生时的突水突泥量。
[0106]步骤十一:对隧道围岩实施注浆。清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圆柱形自制止浆墙，防止注浆过程中浆液从已开挖的隧道空间流出。由于设置了 4个不同位置的内部预埋分段注浆器52并且每个预埋分段注浆器52内部有两个注浆分隔器，整个注浆过程分4序次、每序次分3段注浆，总共注浆12次。按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆堵水加固。注浆过程中利用P-Q-t记录仪记录注浆压力、注浆速率随时间的变化。
[0107]步骤十二:注浆后开挖隧道。注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯通。隧道贯通之后不断增加供水压力，使隧道重新发生突水突泥，检验注浆加固后的隧道围岩所能承受的最大水压力，进而评判注浆效果。
[0108]步骤十三:模型试验系统拆除。关闭供水系统及地应力加载系统，拆除侧壁1，拆模过程中记录浆液扩散形态，并在重要位置取样用于后续研究。模型试验结束。
[0109]试验台架可通过调整组成侧壁I的模型环单元5数量改变模型高度。侧壁I由模型环单元5组装而成，组装与拆卸方便，模型试验可重复性强。在模型实验准备过程中由下往上逐层组装，为填料与布设监测元件提供更大的操作空间；在模型试验结束后，由上往下逐层拆模，保证地层结构及注浆浆脉完整地保留下来并可以观察浆液扩散形态。
[0110]试验台架内部的带丝钢管端部通过丝扣与4个预埋分段注浆器52连接，内部预埋分段注浆器52由PVC注浆管46、注浆分隔器47和注浆软管48构成。注浆分隔器47的材质为普通铝制薄片，在前一段注浆完成后，利用钻头破坏铝制薄片即可进行下一次注浆。每个预埋分段注浆器52内部设置有2个注浆分隔器47和3根注浆软管48，预埋分段注浆器可以实现分序次分段注浆。
[0111]注浆软管48采用软材质的塑料管制成，软管上间隔设置溢浆口 68，注浆软管48与PVC注浆管46通过PVC变径连接。注浆软管48没有支撑能力，对断层突水突泥不造成影响。12根注浆软管48均匀布置在隧道53周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管46的尺寸调整注浆软管48位置。
[0112]加压水箱39为扁平状的水箱，水箱上部与水力承压筒38连接，水箱下部等间距密布排水孔45。加压水箱39底面积与断层在水平面上的截断面积相同，保证了模型试验过程中水压更均匀。加压水箱39下部预置一层砾石滤层58，防止围岩相似材料通过水箱排水孔进入水箱堵塞排水孔45。
[0113]断层介质、密实性介质、普通围岩介质均为相似材料，相似材料的力学参数根据相似理论及实际试验需求确定。
[0114]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范围以内。
【权利要求】
1.一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碌石滤层，供水系统设置于碌石滤层上；地应力加载系统位于围岩介质顶部，注衆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，第三接口水囊连通，为模型试验架内的介质提供压力。
2.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，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、竖直肋板，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竖直肋板；且所述竖直肋板的在竖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。
3.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，所述的顶盖为圆形，其顶部设有用于提高顶盖的强度和刚度交叉肋板，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。
4.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，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。
5.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，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O~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。
6.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，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内壁，水囊直径与试验台架内壁内径相等，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内壁和所填围岩介质的贴合； 试验台架承受水囊加压过程中产生的反力作用，试验台架的顶盖设置垂直交叉的肋板。
7.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，所述供水系统包括空压机、水泵、水力承压筒和加压水箱，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，通过调节压力调节器控制输出压力，输出压力范围为O~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； 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。
8.如权利要求1所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，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竖直的注浆管，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加固区域相对应的注浆软管，每两根注浆软管之间的注浆管中设有一注浆分隔器，注浆管的进口与注浆泵相连； 所述注浆分隔器为边缘带锯齿的圆形薄片，圆形薄片的直径与注浆管的外径相同，将薄片锯齿弯折后套入注浆管端部，并利用粘接剂将两者粘接固定，将粘结注浆分隔器的注浆管和不粘结注浆分隔器的注浆管通过接头连接，从而固定注浆分隔器。
9.如权利要求8所述的隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统，其特征是，所述注浆管为PVC材质，注浆管下端口通过PVC接箍与钢制丝管连接，钢制丝管穿过底板并与底板焊接连接； 所述钢制丝管下端通底板阀门与注浆管路相连，注浆管路与注浆泵相连； 所述圆形薄片为厚度为0.23mm的铝制薄片，该铝制薄片能够承受IMPa的注浆压力，完全满足模型试验对注浆压力的要求； 所述注浆软管采用软材质的塑料管制成，软管上间隔设置溢浆口，注浆软管与注浆管通过PVC变径连接； 相对的两根注浆软管布置在同一直线上，两对前后设置的分段注浆器共12根注浆软管呈正六棱柱以隧道为中心布置。
10.一种利用如权利要I所述隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统的试验方法，其特征是，步骤为: 步骤一:在钢筋混凝土支撑架上安装试验台架；固定试验台架的底板，将两个半圆弧单元通过高强螺栓连接成模型环单元，通过螺栓连接模型环单元、底板与支撑钢板，所有螺栓连接处放置橡胶垫以保证密封性；随着填料方量的增加，实时架设下一层模型环单元，这样能够避免一次性架设试验台架所带来的填料与埋设监测元件操作空间不足的问题；步骤二:安装内部预埋分段注浆器，在隧道设计位置架设含有隧道洞口的模型环单元，按照设计的隧道位置布设4个内部预埋分段注浆器，12根注浆软管均匀布置在隧道周围，根据隧道尺寸通过调整PVC注浆管的尺寸调整注浆软管位置； 步骤三:采用夯实填筑法在试验台架内部充填围岩介质，在试验台架内部边缘附近区域提高夯实强度与夯实次数，使之形成密实性介质，目的是提高其强度并降低其渗透率，防止浆液或水沿试验台架内部侧壁流动，影响实验结果，其他区域的围岩介质正常填料；步骤四:根据断层倾角、厚度及断层与隧道相对位置参数预置断层，根据上述断层参数填筑断层介质，并在断层介质下方设置测压管，测压管的作用是验证断层内部是否达到饱水状态； 步骤五:布置监测元件，光纤传感器布置在相应过程的关键区域观测特定物理场的变化，突水突泥灾害发生前后，断层与围岩交界附近为灾害发生前后的关键区域，此区域渗流场、位移场、应力场发生明显变化，在交界附近断面重点布置渗压、位移、土压和应变传感器；注浆处治过程中，断层内部为注浆加固的关键区域，此区域温度场、渗流场、应力场发生明显变化，在断层内部重点布置温度、渗压、土压和位移传感器； 步骤六:放置加压水箱，在断层顶部预置一层砾石滤层防止断层相似材料通过水箱排水孔进入水箱堵塞排水孔，在砾石滤层上方预置加压水箱，加压水箱底面积与断层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； 步骤七:若不需要加载地应力，则不安装顶盖，填料在自重下达到试验设计要求的应力水平，若需要加载地应力，则安装地应力加载系统，在围岩介质上方放置水囊，保证水囊与围岩介质及试验台架内壁紧密贴合，之后将顶盖与侧壁通过高强螺栓连接，通过活节连接输水管与水囊连接管； 步骤八:启动监测系统，在完成全部填料、监测元件埋设、预埋分段注浆器安装、地应力加载系统安装等工作后，启动监测系统，开始监测各个物理场数据直到模型试验结束；步骤九:形成承压静水环境，连接空压机、水泵、水力承压筒、加压水箱、P-Q-t记录仪设备，打开水泵使水力承压筒充满水，充满水后关闭输水阀门；按实验目标要求设定空压机压力，打开相关阀门使压力水进入模型内部，直到断层内部达到饱水状态，从而形成承压静水环境； 步骤十:隧道开挖，用导向钢板替换弧形封闭钢板，以导向钢板上的开挖隧道口为隧道开挖基准并按设计步长分次开挖隧道，在每一步开挖完成后等待一段时间，待各个物理场数据稳定后进行下一步长的开挖，实时记录隧道开挖期间的涌水量，并记录突水突泥发生时的突水突泥量； 步骤十一:对隧道围岩实施注浆，清理隧道突出的泥水混合物，在突泥口附近放置圆柱形自制止浆墙，防止注浆过程中浆液从已开挖的隧道空间流出；由于设置了 4个不同位置的内部预埋分段注浆器并且每个预埋分段注浆器内部有两个注浆分隔器，整个注浆过程分4序次、每序次分3段注浆，总共注浆12次；按实验方案对加固区域的优先顺序要求，对隧道围岩实施注浆堵水加固，注浆过程中利用P-Q-t记录仪记录注浆压力、注浆速率随时间的变化； 步骤十二:注浆后开挖隧道，注浆后待各项监测数据稳定后继续开挖隧道，直至隧道贯通，隧道贯通之后不断增加供水压力，使隧道重新发生突水突泥，检验注浆加固后的隧道围岩所能承受的最大水压力，进而评判注浆效果； 步骤十三:模型试验系统拆除，关闭供水系统及地应力加载系统，拆除侧壁，拆模过程中记录浆液扩散形态，并在重要位置取样用于后续研究，模型试验结束。
【文档编号】G01N33/00GK103926383SQ201410183058
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】张庆松, 张连震, 张霄, 严绍洋, 王德明, 李鹏, 朱明听, 李相辉 申请人:山东大学