一种多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置和方法与流程

本发明涉及隧道注浆与突涌水灾害治理技术领域，具体涉及一种多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置和方法。主要适用于隧道地层注浆模拟的室内模型试验。

背景技术：

随着交通运输和水利水电等领域内重大基础工程建设的加快，我国现已成为世界上隧道修建规模最大、数量最多、难度最高的国家。在地质条件极端复杂的山区和岩溶地区修建的隧道，路线往往穿越富水风化花岗岩地质层，其施工过程中，经常要面临突涌水灾害的威胁。突涌水灾害多以“强突发、高水压、大流量、多类型”为特点，严重危及隧道施工安全、影响隧道施工进度，其治理工作堪称世界级工程难题。

在我国云贵高原以东，包括秦岭—大别山在内的广大东南部地区，花岗岩地质层分布广泛，在隶属亚热带—热带区的福建、广东和湘南、赣南一带，长期炎热的气温和丰沛的降水更会促使岩体发生风化。风化作用沿节理面深入岩体内部，形成很厚的风化层，使其整体性遭到破坏，强度和稳定性都大为降低，故在富水风化花岗岩地质层中修建隧道，施工扰动很容易引发岩层突涌水灾害，需要采用注浆技术(隧道掌子面全帷幕劈裂注浆技术)来提高地层强度和稳定性，以确保隧道施工安全进行。注浆方案的科学制定和注浆效果的可靠评估，需依靠对加固土层中浆液扩散范围、路径及形态的准确判断，而正确把握浆液扩散规律也是确定注浆加固土层物理、力学指标的前提，其研究方法现多以试验为主。

试验可分为两种，即现场原位测试和室内试验。现场原位测试成本高昂，对环境要求苛刻，大量普及并不现实，科研人员和工程师们研究注浆加固土物理、力学特性的主要手段还是室内模型试验。试验结果可信度的高低取决于所采用的模型试样工程适用性是否良好，是否能够反映实际注浆加固土的真实状态。截至目前，所有室内制备的注浆试样，采用的方法均是在表面几何中心位置进行单孔垂直劈裂注浆，其工程状态与实际隧道掌子面帷幕劈裂注浆相去甚远，物理、力学参数均不具备工程指导性。

因此，如何制备出符合客观工程注浆状态、物理及力学参数可信度高的试样已经成为了一个亟待解决的难题，急需发明一种高效、可靠、易于操作的注浆试样制备方法，以及相应的配套试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是在于为各种突涌水试验提供物理、力学参数更为可信的注浆试样。本装置制备出的试样能够真实模拟全帷幕劈裂注浆方式下，隧道掌子面后方被加固地质层的工程状态。

为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：

多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置，包括一个注浆室和制浆池，在所述注浆室的外壁上设有至少一个注浆孔，每个注浆孔内安装一个接头，通过旋转该接头能开启或关闭其对应的注浆孔，所述的接头通过注浆管与注浆泵相连，且注浆管的角度可调，所述的注浆泵抽吸制浆池内的浆液，并提供一定压力将其注入注浆室，所述的注浆室通过排液管与集水室相连，所述的集水室的底部安装有称重元件，所述的称重元件与数据采集器相连，所述的数据采集器与数据处理装置相连。

试样制备全程可对多个参数进行有效控制，包括原土体密实度、浆液种类及水灰比、注浆流速及流量、注浆孔组合方式、注浆角度、注浆深度、浆液充填量等等，能够在短时间内高效地制备出符合不同试验要求的注浆试样。

进一步的，所述的注浆管内设置有与数据采集器相连的流速调节器和压力计，所述的流速调节器能够调节注浆管中浆液流动速度的大小，所述的压力计用于测定注浆管中液体流压的大小。

进一步的，所述的注浆孔相对于注浆室外壁在法线方向上的截面呈圆形，在所述的注浆孔的周围设有一圈螺孔I。

进一步的，所述的接头为球形接头，其卡在注浆孔的弧形开口内且在注浆孔内可以360度自由旋转，在所述的球形接头内沿直径方向设有贯穿其外表面的圆孔，在圆孔的内侧布设有螺纹，靠近圆孔的一端周围均匀布设两圈螺孔II，当球形接头的贯穿圆孔被旋转至隐于前壁时，该位置的注浆孔即处于封闭状态，反之，处于开启状态。

进一步的，所述的注浆室采用透明有机玻璃制成，在其顶部设有一个用于连通排液管的孔；制样过程中土体裂缝扩展、浆液扩散范围、路径及形态均可被试验人员实时掌握，实现可视化。

进一步的，所述的注浆管的角度调整后，通过预制三角形钢支架固定，所述的预制三角形钢支架上设有螺孔III,所述的螺孔III与螺孔I、螺孔II配合，通过螺钉固定注浆管的角度。

进一步的，所述的注浆管的端部开有梅花孔。

进一步的，所述的注浆管与球形接头通过螺纹连接；其可跟随球形接头运动而实现角度变化，以注浆室前壁所在平面为参照，角度变化范围为45至90度，完全覆盖工程实际中可能会使用到的各种注浆角度。

多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备方法，如下：

步骤1安装上述的装置，打开所需注浆孔，插入注浆硬管，调整后固定其角度和入室深度；

步骤2制备原土：将所选种类原土分批倒入注浆室，依次分层振捣压实；待土体填满整个注浆室后，封住顶盖；

步骤3制备浆液：取所选种类的水泥细粉和水，按试验方案要求的水灰比分别称取相应质量，然后将它们一并放入制浆池并搅拌；

步骤4劈裂注浆：

打开注浆泵，将浆液吸进吸浆管，借助注浆泵提供的压力，使浆液得以流经注浆软管、注浆硬管，最后注入到注浆室内的土样中。在此过程中，需要控制流速调节器，使浆液在注浆软管内的流速达到预定值，并随时记录压力计的读数；

步骤5排泄液：读取集水室下的称重元件的读数，随时记录集水室中水的质量；结合数据处理装置上呈现的信息，分析试验数据。

进一步的，所述的步骤1过程如下：

1-1选定注浆位置，通过旋转球形接头来开启该位置上的注浆孔，与此同时，保证其他位置上的注浆孔处于封闭状态；

1-2在注浆孔处于开启状态的各位置上，分别旋入注浆硬管，直至管端伸进注浆室内预定深度；

1-3调整注浆硬管角度，待角度确定后，借助合适形状和倾角的预制三角形钢支架将其固定。

本发明的有益效果如下：

试样制备全程可对多个参数进行有效控制，包括原土体密实度、浆液种类及水灰比、注浆流速及流量、注浆孔组合方式、注浆角度、注浆深度、浆液充填量等等，能够在短时间内高效地制备出符合不同试验要求的尺寸为0.75m×0.75m×0.75m的立方体注浆试样。另外，整个注浆室由透明有机玻璃制成，制样过程中土体裂缝扩展、浆液扩散范围、路径及形态均可被试验人员实时掌握。将制备完成的试样应用于土体物理指标测定试验，可以得到注浆土密度、含水率、土粒比重三项基本物理指标，再通过公式换算得出注浆土孔隙率、孔隙比、饱和度等更多物理指标；将制备完成的试样经简单再处理，钻取成标准尺寸应用于各类力学指标测定试验，如单轴压缩、三轴压缩、直剪、渗透和抗冲刷试验等等，可以得到各种力学指标。此种多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备方法显然实现了对传统制备方法的升级，是对既往难题的突破。涉及的装置可完成从原土样制备、浆液配比，到劈裂注浆，再到注浆流速、流量实时监测全套的制样过程，效率高，“一体化”特点显著。

附图说明

图1为一种多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置图；

图2a注浆硬管未插入球形接头；图2b注浆硬管已插入球形接头；

图3a、图3b、图3c为预制三角形钢支架三视图。

图中：1—注浆室，2—注浆孔，3—球形接头，4—预制三角形钢支架，5—注浆硬管，6—制浆池，7—搅拌器，8—L型支架，9—注浆软管，10—注浆泵，11—吸浆管，12—流速调节器，13—压力计，14—电子秤，15—排液管，16—集水室，17—过滤网，18—数据采集器，19—终端设备。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明做进一步说明。

本发明公开的多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置和方法的根本创新点是实现了从制土拌浆伊始到劈裂注浆结束，全流程、各环节的多参数控制，诸如注浆位置、注浆角度、注浆深度等等，能够有效模拟任意工况下的各类实际注浆土层；核心优势是流程简单、制样高效：一种方法、一套装置，实现短时间内低误差快速制样；基本竞争力是试样适用范围广：不仅可基于其上直接测定各种物理指标，钻取成标准试样后经简单处理，还可服务于单轴压缩、三轴压缩、直剪、渗透及抗冲刷等主流土工力学试验。另外，试验过程中注浆全程的可视化也不失为整个装置的一大亮点；具体如下：

实施例1

如图1所示，一种多孔多角度孔深可调型劈裂注浆试样制备装置，包括注浆室1、注浆孔2、球形接头3、预制三角形钢支架4、注浆硬管5、制浆池6、搅拌器7、L型支架8、注浆软管9、注浆泵10、吸浆管11、流速调节器12、压力计13、电子秤14、排液管15、集水室16、过滤网17、数据采集器18、终端设备19及若干线路。它们的连接关系是：注浆孔2分三行三列均匀排布在注浆室1的前壁上；每个注浆孔2位置上各安装有一个球形接头3，球形接头3在注浆孔2槽内的旋转可用预制三角形钢支架4约束；注浆硬管5与球形接头3之间采用细螺纹连接，其一端伸入注浆室1的内部，另一端与注浆软管9相连；注浆泵10一端与注浆软管9相连，另一端的吸浆管11伸入制浆池6内；制浆池6上方是搅拌器7，搅拌器7通过L型支架8固定。另外，在注浆软管9上分别安装有流速调节器12和压力计13；注浆室1顶盖正中心位置连有排液管15，排液管15内部装有过滤网17，其另一端伸入集水室16内，集水室16放置于电子秤14之上；流速调节器12、压力计13、电子秤14各自通过线路与数据采集器18相连，最终将数据信息反馈到终端设备19上。

注浆室1是采用高强度透明有机玻璃制成的内部尺寸为0.75m×0.75m×0.75m的立方体试验箱。箱身由六块厚度均为5cm的玻璃板拼接而成，两两之间分别采用5组长螺栓固定(每隔15cm安装一组，一组中有3个螺栓，两两间相距1cm)，玻璃板之间可拼装和拆卸，便于土样的填入和取出，其中，顶盖指立方体试验箱最上面的玻璃板；注浆室1内壁涂有凡士林层，保证取样时不与试样粘连；顶盖正中心开有一个直径为0.8cm的圆孔。

注浆孔2共有9个，分三行三列均匀排布在注浆室1的前壁上，其在法方向上(相对于前壁)的截面呈圆形，最大直径为10cm；注浆孔2周围均匀布设一圈螺孔I，孔径5mm，孔深8mm，孔间距5mm，共24个，如图1所示。注浆孔2沿前壁厚度方向为贯穿型弧形开口，弧形开口边界正好与球形接头3边界相吻合，两截面之间涂有凡士林层，可起到润滑和密封的作用，如图2a、图2b所示。

球形接头3由高强度有机玻璃制成，直径为10cm，卡在注浆孔2弧形开口内，可空间360度自由旋转；球形接头3沿直径方向打出贯穿圆孔，贯穿圆孔内直径为4cm，内侧布满细螺纹。靠近圆孔一端周围均匀布设两圈螺孔II，其中处于外圈的孔径5mm，孔深5mm；间距5mm，共16个，处于内圈的孔径5mm，孔深5mm；间距5mm，共12个，内外圈孔间距5mm。当球形接头3的贯穿圆孔被旋转至隐于前壁时，该位置的注浆孔2即处于封闭状态，反之，处于开启状态，如图2a、图2b所示。

预制三角形钢支架4由精钢制成，在其三个顶点上各制有一个螺孔III，螺孔III的内直径为5mm，与注浆孔2周围的螺孔I和球形接头3的螺孔II内径一致，两两之间通过螺丝固定。预制三角形钢支架4需要按任意不同形状及倾角批量预制，以便任何时候，都可以让试验人员找到适合的支架来分别对应合适的螺孔，约束球形接头3的旋转，从而固定注浆硬管5的角度，如图3a、图3b、图3c所示。

注浆硬管5是由精钢制成的端部开有梅花孔的圆管，内径3.7cm，外径4cm，长为0.6m；梅花孔的使用可以改善浆液喷射效果，也更符合隧道工程注浆实际；注浆硬管5可跟随球形接头3运动而实现角度变化，以注浆室1前壁所在平面为参照，角度变化范围为45至90度，完全覆盖工程实际中可能会使用到的各种注浆角度。

制浆池6是由有机玻璃制成的内体积尺寸为0.5m×0.5m×0.5m的无盖立方体池，壁厚4cm。

搅拌器7型号为强源JZC350 500，其功率足可带动搅拌叶，以应对150L水泥浆液的搅拌。

L型支架8由精钢制成，横截面为圆形，直径为4cm，用于固定搅拌器7，同时可对搅拌器7的高低位置进行调整；搅拌制浆时，需将其位置放低，注浆时，需将其拉高。

注浆软管9是由硬橡胶制成的圆管，内直径为4cm，管壁厚0.2cm，长度为1m；

注浆泵10选用市场上常见的型号(例如I-1B螺杆泵浓浆泵等)，能够提供0.5MPa—10MPa的注浆压力以及0.1—1L/s的注浆流量，换算为注浆流速，则为0.8—8L/s。

吸浆管11是由硬橡胶制成的圆管，内径为4cm，管壁厚0.2cm，长度为2m。

流速调节器12能够调节注浆软管9中浆液流动速度的大小，调节范围为0.8—8L/s。

压力计13用于测定注浆软管9中液体流压的大小，其最小可感知0.1MPa的流压变化，数据结果可精确到小数点后2位，通过线路与数据采集器18相连，最终将数据信息反馈到终端设备19上。

电子秤14采用市场上常见型号，量程为10kg，精度为0.001kg。

排液管15是由软橡胶制成的圆管，内径为0.8cm，管壁厚0.1cm，长度为0.7m。

集水室16是由有机玻璃制成的内体积尺寸为0.4m×0.4m×0.4m的无盖立方体容器。

过滤网17共分为3层，选用不亲水材料制成，布置在排液管15内部，靠近注浆室1顶盖开孔的一端，其中，各网孔直径按距顶盖开孔远近顺序由大至小排布，分别为0.2mm、0.1mm和0.05mm，它们可以有效拦截注浆室1流出的水泥颗粒，保证只有原土孔隙水进入集水室16。

数据采集器18选用美国Omega CL3001传感器，可以采集并记录来自流速调节器12、压力计13和电子秤14三个装置传来的数据信息。

终端设备19主要是指终端计算机。终端计算机采用市场上主流的计算机型号，操作系统为windows7，软件为Labview。

依据上述装置制备试样的方法如下：其步骤是：

注浆室1的调整与布置：(根据注浆试验方案操作)

1)选定注浆位置(或位置组合)，通过旋转球形接头3来开启该位置上的注浆孔2，与此同时，保证其他位置上的注浆孔2处于封闭状态；(选定注浆位置组合)

2)在注浆孔2处于开启状态的各位置上，分别旋入注浆硬管5，直至管端伸进注浆室(1)内预定深度；(选定注浆深度)

3)调整注浆硬管5角度，待角度确定后，借助合适形状和倾角的预制三角形钢支架(4)将其固定；(选定注浆角度)

原土的制备：

4)打开注浆室1顶盖；将所选种类原土分批倒入注浆室1，依次分层振捣压实；待土体填满整个注浆室1后，封起顶盖；由于注浆室1容积确定，原土样密度可用倒入土体的质量控制，原土样密度等于土体质量除以注浆室1容积；

浆液的制备：

5)取所选种类的水泥细粉和水，按试验方案要求的水灰比分别称取相应质量，然后将它们一并放入制浆池6；

6)向下调节L型支架8，使搅拌器7的搅拌叶伸到液面以下，将水泥浆搅拌均匀，然后向上调节L型支架8；将搅拌叶提出液面；

劈裂注浆：

7)将注浆软管9两端分别与注浆硬管5和注浆泵10相连并各自旋紧，将与注浆泵10另一端相连的吸浆管11伸入制浆池6内，端部靠近池底，保证其在试验过程中，管头能始终位于液面之下；

8)打开注浆泵10，将浆液吸进吸浆管11，借助注浆泵10提供的压力，使浆液得以流经注浆软管9、注浆硬管5，最后注入到注浆室1内的土样中。在此过程中，需要控制流速调节器12，使浆液在注浆软管9内的流速达到预定值，并随时记录压力计13的读数；

排泄液：

9)读取集水室16下的电子秤14读数，随时记录集水室16中水的质量。结合终端设备19上呈现的信息，分析试验数据。

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。