一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置及方法与流程

本发明涉及一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置及方法，属于隧道与地下工程领域。

背景技术：

伴随着经济的发展，隧道交通等一系列的地下工程问题日益凸显，由于其规模和难度的提升，工程的安全的尤为重要。隧道开挖过程中，围岩的强度占据重要地位，要随时准备对掌子面后的围岩进行注浆加固。针对黏土，砂土和碎石土等围岩介质的变形和强度问题，本发明可以用实验装置来模拟应对围岩大变形和塌方的危险。将工程的实际地质情况布置于实验装置中，加载相应的地应力，进行注浆加固，开挖检验注浆效果。

在实际的工程地质中，目前国内已开展了一系列注浆模型试验，但受制于试验条件，无法最大限度的还原充填介质的真实受力情况，如地应力、孔隙水压力等重要力学参数，导致研究结果无法直接运用于工程实践，注浆理论的发展仍然滞后。

技术实现要素：

本发明涉及一种围岩注浆加固开挖模拟装置及方法，通过高强度钢板焊接成耐高压的围岩注浆箱模拟相应的注浆地质情况，通过地应力加载设备进行隧道注浆加固区域的地应力加载，由外部注浆设备在注浆口注入一定浆液，放置一定时间，待浆液凝结加固稳定后，人工模拟开挖隧道，同时布置一定数量的位移和压力传感器，模拟相应地质条件下隧道围岩注浆加固效果，安全可靠，经济方便，危险性降低。

本发明所涉及的技术方案如下：

一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置，包括高强度钢板焊接成耐高压的注浆试验箱和地应力加载设备两个主要部分；

所述注浆试验箱，在其前、后两面留有隧道开挖洞口，在其前面留有注浆洞口；

所述的地应力加载设备包括一个加载架、加载板、双向液压油缸、液压站；所述的双向液压油缸安装在所述的加载架上，所述的加载板水平设置，且加载板与双向液压油缸的活塞杆相连；所述的双向液压油缸与液压站相连；液压站给双向液压油缸提供动力，所述的双向液压油缸驱动加载板上下移动，实现加载幅度的控制。

进一步，在所述的加载架上设有加载板导轨，所述的加载板沿着所述的加载导轨上下移动。

进一步，在所述的隧道开挖洞口设有隧道洞盖板，所述的隧道洞盖板上通过连接装置与试验箱相连。

进一步的，所述的一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置，所述注浆试验箱保证实验过程中要有足够的刚度和强度；开挖隧洞可用半径r为150mm的隧洞挡板封堵；

进一步的，预留的注浆洞口可由螺栓封堵，且注浆口内丝要与注浆口相适应。

进一步的，所述地应力加载设备中液压油缸可加载30t，行程大于150mm；加载板要在上部焊接加强肋，保证最大挠度小于5mm；油缸行程置于原点时，加载板与下底面板距离1050mm。

进一步的，所述的一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置，其特征在于，注浆试验箱钢板为10mm厚；所述的加载板钢板为15mm厚。

本发明适用于隧道注浆加固开挖的模型实验，不需耗费大量的人力物力财力。稍微复杂的地质下，大的模型试验需要较长时间，本发明采用注浆试验箱和预留开挖洞口进行地质模拟，地应力采用地应力加载系统进行模拟，方便快捷。

本发明还公开了一种隧道围岩注浆加固开挖模拟方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1，在进行实验模拟之前，将注浆实验箱放在地应力加载设备上，使注浆箱上部顶面对准地应力加载板；

步骤2，在注浆试验箱内部依次布置各地层，启动液压站，控制加载板对地层施加相应的地应力，直至地应力稳定，静置；

步骤3，在注浆实验箱前面，卸掉注浆口螺栓，由注浆口注入定量的浆液，在保证无溢出的情况下，上紧螺栓，待浆液凝结；

步骤4，卸掉隧道洞盖板，在注浆试验箱前后两面同时开挖隧洞，通过预先埋设的传感器观测相应的位移和压力变化；

步骤5，控制加载板继续加压，观察注浆试验箱内隧洞变化，直至破坏。

本发明的有益效果为：

本发明采用注浆试验箱和预留开挖洞口进行地质模拟，地应力采用地应力加载系统进行模拟，在稍微复杂的地质下，方便快捷，不需耗费大量的人力物力财力。

本发明在所需材料均为普通的器材，制作简单方便，并且适合地质稍微复杂的情况。

本发明最大限度的还原充填介质的真实受力情况，可以直观的检测到相开挖过程中地应力和位移的变化。

本发明在注浆加固时，浆液可定量定压控制，方便可调。

本发明涉通过高强度钢板焊接成耐高压的围岩注浆实验箱，当地应力加载设备达到预应力值时，由外部注浆设备通过预留注浆口注入定量的浆液，待浆液凝结加固稳定后开挖隧道，检测相应的位移和压力，模拟相应地质条件下隧道围岩隧道注浆加固效果，安全可靠，危险性降低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是注浆试验箱前壁示意图；

图2是注浆试验箱前壁示意图；

图3是地应力加载系统连接及示意图；

其中1.液压泵站；2.压力表；3.阀门；4.油路；5.加载板；6.限位螺丝；7.双向液压油缸；8.加载板导轨；9.立柱；10.地板；11.轮子；12.隧道洞盖板；13.隧道盖板螺丝；14.预留隧道洞口；15.预留注浆口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在实际的工程地质中，目前国内已开展了一系列注浆模型试验，但受制于试验条件，无法最大限度的还原充填介质的真实受力情况，如地应力、孔隙水压力等重要力学参数，导致研究结果无法直接运用于工程实践，注浆理论的发展仍然滞后，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种本发明适用于隧道注浆加固开挖的模型实验，不需耗费大量的人力物力财力。稍微复杂的地质下，大的模型试验需要较长时间，本发明采用注浆试验箱和预留开挖洞口进行地质模拟，地应力采用地应力加载系统进行模拟，方便快捷。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置；如图1、图2和图3所示，本发明由注浆试验箱和地应力加载系统组成；在所述注浆实验箱前、后两面留有隧道开挖洞口14；在注浆试验箱前面还留有注浆洞口15；

所述的地应力加载设备由液压泵站1，压力表2，阀门3，油路4，加载板5，双向液压油缸7，加载板导轨8、加载架组成；其中液压站1与双向液压油缸7需由耐高压油路管4密封连接，可以自由控制加载板5加载幅度；所述的加载板5要通过加载板导轨8来回移动。

双向液压油缸7包括两个，安装在加载架上，双向液压油缸7驱动加载板5，所述的加载板5水平设置，且加载板5与双向液压油缸7的活塞杆相连；所述的双向液压油缸7与液压站相连；液压站给双向液压油缸提供动力，所述的双向液压油缸7驱动加载板上下移动，实现加载幅度的控制。

进一步，在所述的加载架上设有加载板导轨，所述的加载板沿着所述的加载导轨上下移动。

在所述注浆试验箱前壁预留的注浆洞15由标准的六边螺栓封堵，可使用生胶带进行密封处理；预留的开挖隧洞14需要半径为150mm的隧道洞盖板12进行封堵，盖板与注浆试验箱前后两壁的接触面需要放置硅胶垫片；

进一步，在所述的隧道开挖洞口设有隧道洞盖板，所述的隧道洞盖板上通过连接装置与试验箱相连。

进一步的，所述的一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置，所述注浆试验箱保证实验过程中要有足够的刚度和强度；开挖隧洞可用半径r为150mm的隧洞挡板封堵；

进一步的，预留的注浆洞口可由螺栓封堵，且注浆口内丝要与注浆口相适应。

进一步的，所述地应力加载设备中液压油缸可加载30t，行程大于150mm；加载板要在上部焊接加强肋，保证最大挠度小于5mm；油缸行程置于原点时，加载板与下底面板距离1050mm。

进一步的，所述的一种隧道围岩注浆加固开挖模拟装置，其特征在于，注浆试验箱钢板为10mm厚；所述的加载板钢板为15mm厚。

本发明所涉及一种隧道围岩注浆加固开挖模拟方法，其具体步骤如下所示：

步骤1，在进行实验模拟之前，将注浆实验箱放在地应力加载设备上，使注浆实验箱上部顶面对准地应力加载板5；

步骤2，在注浆试验箱内部依次布置各地层，启动液压站1，控制加载板5对地层施加相应的地应力，观察压力表2，直至地应力稳定在相应数值，静置；

步骤3，在注浆实验箱前面，卸掉注浆口螺栓，由注浆口15注入定量的浆液，在保证无溢出的情况下，上紧螺栓，待浆液凝结；

步骤4，卸掉隧洞挡板12，在注浆试验箱前后两面预留隧道洞口15同时开挖隧洞，通过内部预先放置的压力位移传感器观测相应的位移和压力变化；

步骤5，待隧洞开完完成，控制加载板5继续加压，观察注浆试验箱内隧洞变化，直至破坏。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明采用注浆试验箱和预留开挖洞口进行地质模拟，地应力采用地应力加载系统进行模拟，在稍微复杂的地质下，方便快捷，不需耗费大量的人力物力财力。

本发明在所需材料均为普通的器材，制作简单方便，并且适合地质稍微复杂的情况。

本发明最大限度的还原充填介质的真实受力情况，可以直观的检测到相开挖过程中地应力和位移的变化。

本发明在注浆加固时，浆液可定量定压控制，方便可调。

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。