阅读说明：本技术 一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法 (Method for testing permeability and bearing capacity of surrounding rock of deep-buried high-pressure grouting tunnel ) 是由 王如宾 阳龙 赵颖 吴瑾 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法,该方法基于蒙特卡洛Monte-Carlo模拟深埋高压隧洞裂隙围岩真实损伤裂隙网络；采用裂隙网络逆向重构岩体结构面虚拟模型,3D打印出岩体结构面试样；采用高压涌水注浆堵水对打印出的岩体试样注浆；在全自动三轴力学伺服实验系统中进行注浆裂隙岩体试样的渗透性和承载能力测试。将已进行三轴力学实验的岩体试件进行CT电镜扫描所获得的数据、图像进行比对分析,获得岩体试件内部结构变化规律。本发明通过分析得到注浆裂隙围岩的渗透特性与承载能力,并运用于深埋高压隧洞注浆裂隙围岩工程,检测隧洞开挖注浆裂隙围岩内部结构的稳定性,提高了隧洞开挖施工的安全性。(The invention discloses a method for testing permeability and bearing capacity of a deeply-buried high-pressure grouting tunnel surrounding rock, which simulates a real damage fracture network of a deeply-buried high-pressure tunnel fractured surrounding rock based on Monte-Carlo; reversely reconstructing a rock mass structural plane virtual model by adopting a fracture network, and 3D printing a rock mass structural plane sample; grouting the printed rock mass sample by adopting high-pressure water burst grouting and water plugging; and testing the permeability and the bearing capacity of the grouting fractured rock mass sample in a full-automatic triaxial mechanical servo experiment system. And comparing and analyzing data and images obtained by scanning the rock mass test piece subjected to the triaxial mechanical experiment by using a CT (computed tomography) electron microscope to obtain the change rule of the internal structure of the rock mass test piece. The permeability and the bearing capacity of the grouting fractured surrounding rock are obtained through analysis, the method is applied to deep-buried high-pressure tunnel grouting fractured surrounding rock engineering, the stability of the internal structure of the tunnel excavation grouting fractured surrounding rock is detected, and the safety of tunnel excavation construction is improved.)

一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法

技术领域

本发明涉及深埋高压隧洞注浆方法，尤其涉及一种深埋高压隧洞注浆裂隙围岩渗透特性与承载能力测试方法。

背景技术

在岩土工程实践中，由于地质条件复杂、高压隧洞埋深大，在施工中容易出现孔壁垮塌、涌水现象，大多采用注浆技术增加岩体的承载力与结构的稳定性。但就目前的施工工艺与技术来说，常规的钻孔灌浆堵漏方法在隧洞中施工难度较大，施工人员的安全性得不到保障，施工进度无法保证，并且施工效果难以精确掌握。

发明内容

发明目的：本发明提供一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法，以克服现有技术中在隧洞中施工难度较大，施工效果难以精确掌握的技术问题。

技术方案：本发明深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法包括以下步骤：

(1)基于蒙特卡洛Monte-Carlo模拟深埋高压隧洞裂隙围岩真实损伤裂隙网络；

(2)采用裂隙网络逆向重构岩体结构面虚拟模型，3D打印出岩体自然结构面试样；

(3)采用高压涌水注浆堵水方法对打印出的岩体试样进行注浆；

(4)在全自动三轴力学伺服实验系统中进行注浆裂隙岩体试样的渗透性和承载能力测试；

(5)将已进行三轴力学实验的岩体试件进行CT无损电镜扫描所获得的数据、图像与三轴力学实验前后试件的内部机理进行比对分析，分析、验证岩体试件内部结构变化规律。

步骤(1)中，本发明基于蒙特卡洛Monte-Carlo模拟方法，结合三维岩土工程软件对实际深埋高压隧洞注浆裂隙进行测量与分组，模拟出深埋高压隧洞裂隙围岩真实损伤裂隙网络。

步骤(2)中，逆向重构岩体结构面虚拟模型，采用逆向工程软件，利用现有的样品，通过蒙特卡洛Monte-Carlo技术与三维岩土工程软件所构建的裂隙网络获取轮廓坐标值，反向构建得到三维模型；然后3D打印出岩体自然结构面试样，采用高分子塑料为打印材料，按照三维模型逐层堆积形成岩石试件，批量得到结构面形貌一致的岩石试件。

步骤(4)中，在全自动三轴力学伺服实验系统中进行注浆裂隙岩体试样的渗透性测试，先对各组岩石试件进行饱水试验，保证岩样在放入实验仪器前处于饱水状态，放入实验仪器，密封三轴室。在围压、轴压不变的前提下，打开试件上端通水阀门，在设定限度范围内增大渗透压，获得在同一时间段内不同大小的渗透压渗过岩样的水流量，当单位时间内渗过试样的水流量稳定不变时，该岩样已产生稳定的渗流，从而得到该时间段内该岩样对应的渗透率。结合对岩石试样弹性模量测定所得到的损伤变量与渗透率对岩石试样内部结构的影响，衡量、分析得到岩石试样的渗透特性。

在全自动三轴力学伺服实验系统中进行注浆裂隙岩体试样的承载能力测试时，通过增加轴压卸载围压压实实验，对不同初始轴压的实验试件轴向与侧向应力应变的关系进行拟合，建立一个注浆裂隙岩样的承载能力模型。

由于CT电镜扫描能观察到岩样内部结构，并且在扫描过程中不会给岩样内部结构造成伤害，本发明根据CT电镜扫描出的CT图像与三轴力学实验前后试件的内部机理相比对，分析、验证试件内部结构的变化规律。

步骤(5)中，将已进行三轴力学实验的岩体试件进行CT无损电镜扫描所获得的数据、图像进行比对分析，其具体操作步骤如下：

(51)对不同荷载、不同加载时间的岩样进行扫描，每个试件扫描多层，使用实验系统的探测器探测试件不同位置对X射线的吸收数据；

(52)计算机分析计算处理后，得到岩样的内部变化投影CT图像；

(53)将不同荷载、不同加载时间的图像进行对比，分析得到试件内部结构的变化规律。

工作原理：蒙特卡洛Monte-Carlo模拟法,是一种以概率和统计理论为基础的随机模拟方法，它将概率模型与所求问题联系起来，实现了用电子计算机来统计模拟或抽样，求得近似解。

本发明将蒙特卡洛Monte-Carlo模拟方法应用于深埋高压隧洞注浆裂隙围岩网络的模拟，并结合3D打印打印出裂隙岩样，从而在实验室中进行注浆与渗透特性与承载能力测试，进而总结出注浆加固后裂隙围岩渗透特性和后期长时间演化性能规律。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的采用蒙特卡洛Monte-Carlo模拟技术与三维岩土工程软件结合使用的方法，将随机模拟计算方法与三维建模方法相结合，生成裂隙网络参数与实际工程中的岩石相同的岩体试样，提升了实验的准确性与可靠性。

(2)本发明提出的结合全自动三轴力学伺服试验与CT扫描电镜的方法，使用CT扫描电镜技术研究在三轴力学试验前后试件的内部机理，比对CT电镜扫描试件内部发生应力、应变过程前后的结构变化，分析得到试件内部结构变化规律，将其余全自动三轴力学伺服实验所得到的岩石试样内部结构的演化规律作比对，相互验证实验结果的准确性与在实际工程中的可操作性。

(3)本发明通过分析得到注浆裂隙围岩的渗透特性与承载能力，并运用于深埋高压隧洞注浆裂隙围岩工程，检测隧洞开挖注浆裂隙围岩内部结构的稳定性，提高了隧洞开挖施工的安全性。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为蒙特卡洛Monte-Carlo模拟技术流程图；

图3为3D打印岩体自然结构面试样制作方法流程图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法包括以下步骤：

(1)采用蒙特卡洛Monte-Carlo模拟方法模拟深埋高压隧洞开挖的围岩损伤裂隙网络，对实际裂缝进行测量，获得倾角、位置、半径、隙宽裂隙参数，采用三维岩土软件确定分组数，使用统计分析软件进行精确分组并确定分布函数类型，编写程序生成裂隙网络；

(2)基于蒙特卡洛Monte-Carlo模拟所构建的岩石裂隙网络通采用逆向工程软件，利用现有的样品，通过蒙特卡洛Monte-Carlo方法与三维岩土工程软件所构建的裂隙网络获取轮廓坐标值，反向构建得到三维模型；

(3)采用高分子塑料为打印材料，按照三维模型逐层堆积形成岩石试件，批量3D打印得到结构面形貌一致的岩石试件；

(4)通过高压涌水注浆堵水的方式对制作的裂隙岩石试样进行注浆，利用注浆孔仪来封堵孔口，在第一次开孔完成后，用直径10mm的钻头将孔口端扩孔20mm，将注浆孔仪放置在钻孔中，手动试压水泵注水，水压为4Mpa,注浆完成后退出钻杆。通过预先做好的接头注浆管和封孔仪内的管道注水，保持稳定水压4到5分钟，一次卸掉钻孔和胶囊中的水压，取出封孔仪，在封孔仪管道前端安装单项阀，重复上一步注水步骤。依次拌制水灰质量比为1:5，1:4,1:3,1：2,1:1,1:0.5的水泥浆，连接管路，并分别注入水泥浆，直到注浆压力达到10Mpa；关闭连接头，卸下注浆管并清洗注浆泵，取出封孔仪并清洗封孔仪内的管道和单项阀；

(5)采用全自动三轴力学伺服实验系统进行对注浆裂隙岩石试样的渗透特性和承载能力的测试，对各组件进行饱和实验，并将其岩样放入实验仪器，其具体实验步骤如下：

(51)在保持围压、轴压不变的前提下，改变渗透压大小，将渗透压等级分为1Mpa,1.5Mpa,2Mpa,2.5Mpa,3Mpa,3.5Mpa,4Mpa，渗透压加载速率定位为0.5Mpa/min，在实验过程中，机器每个单位时间都采集一次水压泵行程，根据行程计算出设定时间内渗过岩样的水流量，但单位时间内渗过岩样的水流量稳定不变时，表明此时岩样内部已产生稳定渗流，可得出此时间段内试件相对应的渗透率，并结合对岩样弹性模量测定求出的损伤变量，分析出岩样内部结构的变化规律；

(52)初始轴压分别为5Mpa,10Mpa,15Mpa,20Mpa,25Mpa,30Mpa,35Mpa，相对应试验组的初始围压与初始轴压大小一致，加荷与卸荷的时间分别为5min,7.5min,10min,12.5min,15min,17.5min,20min，按照静水压力的条件，均匀速加轴压和围压达到目标值后，再以2.5Mpa/min的卸载速率降低围压，2.5Mpa/min的加载速率增加轴压，每隔1min记录一次岩样轴向与侧向的应力、应变的数据，实验结束后，对不同初始轴压的实验岩样轴向与侧向应力应变关系进行拟合；

将上述实验分析结果和力学参数进行综合分析，建立一个注浆裂隙岩石试样的渗透特性和承载能力模型；

(6)将已进行三轴力学实验的岩体试件进行CT无损电镜扫描所获得的数据、图像进行比对分析，获得岩体试件内部结构变化规律，其具体操作步骤如下：

(61)对不同荷载、不同加载时间的岩样进行扫描，每个试件扫描2000层，使用实验系统的探测器探测试件不同位置对X射线的吸收数据；

(62)计算机分析计算处理后，得到岩样的内部变化投影CT图像；

(63)将不同荷载、不同加载时间的图像进行对比，分析得到试件内部结构的变化规律。