本發(fā)明涉及隧道工程防災減災，具體涉及一種通過圍巖注漿試驗獲取注漿方案的方法及其試驗裝置。

背景技術：

1、由于隧道區(qū)域內圍巖裂隙多、地質構造應力大、深大斷裂帶豐富，因此在遇到富含高壓氣體或水體時往往引起流體的瞬時、大量噴射。若不采取切實有效、安全可靠的注漿封堵方案，不僅無法掘進通過，人員安全也無法得到保障。特別是在高海拔特長隧道內施工時由于低壓環(huán)境加之施工工區(qū)跨度大，當遇到突泥涌水或有害氣體突出時常表現(xiàn)出有害氣體或水體排出距離長、機械裝置負荷重、處置時間長、應急響應慢等問題，極易威脅現(xiàn)場施工人員生命安全和造成隧道結構的長期性損害，這無疑給施工安全和施工正常秩序帶來了潛在的巨大威脅。

2、目前，注漿封堵作為處置隧道突泥涌水、有害氣體突出等災害問題的常用手段，雖然具有高效封堵、有效隔絕、使用靈活、節(jié)約成本、增強結構、環(huán)?？沙掷m(xù)等突出優(yōu)勢，但無法根據(jù)前期勘察得到的賦存特性等參數(shù)提前制定，必須通過多次進行現(xiàn)場注漿封堵試驗才能確定出較為具有系統(tǒng)、準確、合理的注漿參數(shù)及施工方案，這無疑導致封堵效果不可預見、作業(yè)時間長、人工成本增加、現(xiàn)場人機風險大等問題。

3、為了解決以上問題，目前通常會對封堵作業(yè)進行模擬，例如公告號為cn210690337u的中國實用新型專利，提供了一種動水條件下注漿封堵效果評價裝置，其結構包括動水系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、模擬裂隙設備、廢液收集桶、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，該技術利用上下板之間的填充地層材質(如塑膠條、碎石、砂礫等)模擬地層填充裂隙，與實際地下工程中由于地質作用形成的巖層裂隙具有構造節(jié)理、強度等方面的差異性。

4、進一步地，當利用注漿孔進行注漿封堵方案實施時，填充地層材質也無法真實模擬出實際地層中的注漿劈裂效果。其次，注漿孔主要調節(jié)注漿壓力及注漿速度，缺少實際注漿方案中關鍵性的注漿封堵參數(shù)，如鉆孔間距、鉆桿長度等，從而在現(xiàn)場應用時具有較大的寬容度，無法制定出準確、有效的注漿封堵方案。

5、因此，上述方案重點著力于在試驗室內獲得不同動水流速和流向條件下漿液的擴散過程和規(guī)律，存在缺少具體注漿封堵方案實施參數(shù)以及還原度較低的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種通過圍巖注漿試驗獲取注漿方案的方法及其試驗裝置，解決目前封堵效果不可預見、作業(yè)時間長、人工成本增加、現(xiàn)場人機風險大等問題。

2、本發(fā)明解決上述技術問題的方案：

3、一種通過圍巖注漿試驗獲取注漿方案的方法，包括以下步驟：

4、s1、確定待封堵圍巖區(qū)域，并在待封堵圍巖區(qū)域獲取巖樣試件，得到待封堵圍巖區(qū)域的縮尺模型，并確定縮尺比例；

5、s2、設定縱向實際注漿間距da、橫向實際注漿間距db、實際鉆孔深度dc和注漿壓力p+δp，得到實際注漿方案m，其中δp為隧道現(xiàn)場圍巖內氣體或水體賦存壓力，p為額外壓力；

6、s3、根據(jù)縮尺比例將實際注漿方案m轉化為對應的試件注漿方案m；

7、s4、根據(jù)步驟s3得到的試件注漿方案m在巖樣試件中進行鉆孔并注漿，完成試驗封堵；

8、s5、在巖樣試件的頂部施加帶壓氣體或帶壓流體，隨后判斷巖樣試件是否存在滲漏，若是，則舍棄對應的實際注漿方案，重新調整實際注漿方案，并執(zhí)行步驟s2；若否，則保留對應的實際注漿方案。

9、進一步限定，所述步驟s1包括以下步驟：

10、s11、對待封堵區(qū)域進行勘測，確定待封堵圍巖區(qū)域，得到待封堵圍巖的縱向長度l1、環(huán)向寬度l2和徑向長度l3；

11、s12、在待封堵圍巖區(qū)域中心位置進行鉆芯取樣，得到巖樣試件，將得到的巖樣試件作為待封堵圍巖區(qū)域的縮尺模型；

12、s13、根據(jù)待封堵圍巖的尺寸與巖樣試件的尺寸，確定縮尺比例：

13、

14、其中，l1為巖樣試件的長度，l2為巖樣試件的寬度，l3為巖樣試件的高度，n1為長度縮尺比例，n2為寬度縮尺比例，n3為高度縮尺比例。

15、進一步限定，所述步驟s3具體為：

16、根據(jù)縮尺比例將實際注漿方案轉化為對應的試件注漿方案m，試件注漿方案m包括縱向試件注漿間距da、橫向試件注漿間距db、試件鉆孔深度dc和注漿壓力p+δp：

17、da＝n1da

18、db＝n2db

19、dc＝n3dc

20、其中，p取值范圍為1mpa～2mpa。

21、進一步限定，所述步驟s4具體為：

22、s41、根據(jù)步驟s3得到的縱向試件注漿間距da、橫向試件注漿間距db和試件鉆孔深度dc在巖樣試件的底部進行鉆孔得到陣列布設的多個注漿孔；所述注漿孔與巖樣試件邊界之間的縱向距離不超過注漿孔與巖樣試件邊界之間的橫向距離不超過

23、s42、按照注漿壓力p+δp對每一個注漿孔中注入漿液，完成試驗封堵；每一個注漿孔的注漿量q為：

24、q＝vsα(1+β)

25、v＝dadbdc

26、其中，s為地層空隙率或裂隙度，α為地層充填率，β為漿液損失率。

27、進一步限定，所述步驟s5具體為：

28、s51、將完成試驗封堵后的巖樣試件放置在密閉空間內，并在巖樣試件的頂部注入壓力為δp的氣體或者水流；

29、s52、判斷巖樣試件底部是否存在氣體或者流體泄漏，若是，則執(zhí)行步驟s53，若否，則執(zhí)行步驟s54；

30、s53、執(zhí)行步驟s2，并調整縱向實際注漿間距da、橫向實際注漿間距db、實際鉆孔深度dc和注漿壓力p+δp；

31、s54、確定此次巖樣試件試驗封堵所采用的試件注漿方案m，并根據(jù)確定的試件注漿方案m匹配對應的實際注漿方案m，作為優(yōu)選注漿方案并保留，并執(zhí)行步驟s53，直至完成所有試件注漿方案；

32、s55、計算步驟s54得到的每一個優(yōu)選注漿方案的成本，選擇成本最低的優(yōu)選注漿方案作為最優(yōu)注漿方案；

33、其中，成本＝漿液單價×實際注漿量×鉆孔數(shù)量。

34、一種圍巖注漿試驗裝置，包括壓漿單元、注水/氣單元、試驗箱、注漿單元及電力單元，所述試驗箱包括試驗箱本體、與試驗箱本體密封連接的箱門和設置在試驗箱本體內的隔板；

35、所述注漿單元設置在試驗箱本體內并與試驗箱本體活動連接，注漿單元位于隔板的下方，所述壓漿單元與注漿單元連通，所述注水/氣單元的輸出端穿過試驗箱本體延伸至隔板的上方；所述電力單元分別與壓漿單元、注水/氣單元和注漿單元電連接。

36、進一步限定，所述壓漿單元包括壓漿箱體、壓漿板、壓漿桿、壓漿驅動和注漿管；所述壓漿箱體上設置有與其內部連通的入漿口，壓漿箱體的底部設置有出漿口，所述壓漿板設置在壓漿箱體的內部，壓漿驅動通過壓漿桿與壓漿板的頂部連接，所述注漿管的一端與出漿口密封連接，注漿管的另一端穿過試驗箱本體與注漿單元連通，注漿管與試驗箱本體密封連接，壓漿驅動設置在壓漿箱體的外側；所述電力單元與壓漿驅動電連接。

37、進一步限定，所述注水/氣單元包括注水/氣箱體、壓注水/氣板、壓注水/氣桿、壓注水/氣驅動和注水/氣管道；

38、所述注水/氣箱體通過注水/氣管道與試驗箱本體的內部連通，所述注水/氣管道的一端與注水/氣箱體的底部密封連接，注水/氣管道的另一端穿過試驗箱本體延伸至隔板的上方，注水/氣管道的另一端與試驗箱本體密封連接；所述壓注水/氣板設置在注水/氣箱體的內部，壓注水/氣驅動通過壓注水/氣桿與壓注水/氣板的頂部連接，壓注水/氣驅動位于注水/氣箱體的外側，所述注水/氣管道位于壓注水/氣板的下方；所述電力單元與壓注水/氣驅動電連接。

39、進一步限定，所述注漿單元包括橫向移動機構、縱向移動機構和注漿伸縮頭，所述縱向移動機構通過橫向移動機構與壓漿箱體活動連接，所述注漿伸縮頭與橫向移動機構連接，注漿伸縮頭的輸出端與隔板相對設置，所述電力單元分別與橫向移動機構、縱向移動機構和注漿伸縮頭電連接。

40、進一步限定，所述電力單元包括注漿開關閥、注水/氣開關和封堵控制開關，所述封堵控制開關包括控制面板、橫向封堵開關、縱向封堵開關和豎向伸縮開關；

41、所述注漿開關閥設置在壓漿驅動上并與壓漿驅動電連接，所述注水/氣開關設置在壓注水/氣驅動上并與壓注水/氣驅動電連接；

42、所述控制面板設置在試驗箱本體的外側，橫向封堵開關、縱向封堵開關和豎向伸縮開關均設置在控制面板上，所述橫向封堵開關與橫向移動機構電連接，所述縱向封堵開關與縱向移動機構電連接，所述豎向伸縮開關與注漿伸縮頭電連接。

43、進一步限定，所述壓漿箱體的內壁設置有密封件，所述密封件位于隔板與注水/氣管道末端之間；

44、所述箱門通過密封膠條與試驗箱本體密封連接；

45、所述注漿管通過密封接口分別與出漿口和試驗箱本體密封連接；

46、所述注水/氣管道通過密封接口分別與注水/氣箱體和試驗箱本體密封連接。

47、進一步限定，所述圍巖注漿試驗裝置還包括氣體濃度傳感器，所述氣體濃度傳感器設置在壓漿箱體的內壁，氣體濃度傳感器位于注漿單元的周側，氣體濃度傳感器位于隔板的下方。

48、本發(fā)明的有益效果在于：

49、1、本發(fā)明根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境獲取圍巖的巖樣試件，從而根據(jù)真實圍巖屬性進行模擬，模擬結果更加可靠穩(wěn)定；同時根據(jù)實際注漿作業(yè)的要求，按照巖樣試件的尺寸按比例縮小，從而實現(xiàn)在巖樣試件上鉆取注漿孔并注漿，最后通過在巖樣試件上注入帶壓氣體或帶壓水流模擬實際工況，判斷封堵效果是否滿足要求，在不滿足要求時重新設計注漿孔的布設與尺寸，直至得到滿足封堵效果的注漿方案；因此通過模擬實際工況的作業(yè)環(huán)境與作業(yè)要求，得到的封堵結果更加精準，也更加貼合實際結果，如此即可提前確定滿足實際封堵效果的注漿方案，避免現(xiàn)場多次進行封堵，提高工作效率，降低施工風險。

50、2、本發(fā)明同時還提供一種實現(xiàn)圍巖注漿封堵試驗的裝置，按照注漿方案開設有注漿孔的巖樣試件放置在隔板上，再通過密封件將巖樣試件與壓漿箱體之間進行密封處理，從而保證注水/氣單元注入水/氣后能夠準確判斷封堵效果，提高判斷結果的可靠性；隨后通過電力單元控制注漿伸縮頭對每一個注漿孔進行注漿封堵，真實模擬實際注漿作業(yè)，進一步提高封堵試驗的準確性與可靠性，同時降低試驗難度與試驗成本，提高試驗效率，滿足實際使用需求。