耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法

技术领域

本发明涉及堵水注浆材料性能试验技术领域，尤其涉及一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法。

背景技术

隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。随着我国公路铁路建设范围逐步向高原地区发展，伴随而来的复杂地质条件的情况也越来越多。高原地区隧道施工极易受到地质构造、高温热水及高地温等多因素影响，导致部分区域隧道施工存在高温热水渗漏问题。同时，隧道渗漏水中可能具有侵蚀性，如含盐、含碱、含硫、含硫酸根等离子时，可能造成隧道侵蚀破坏，危害隧道结构的耐久性。在渗漏水的长期作用下，有些环境水中含有侵蚀性，造成注浆材料的侵蚀以及衬砌混凝土和砂浆腐蚀损坏，降低堵水注浆材料的封堵效果以及衬砌的支承能力，增加大运营隧道的维修费用。在高温热水和侵蚀性离子耦合作用下隧道渗漏水环境对注浆堵水材料物理力学性能影响很大，面临施工效率低以及注浆堵水可注性和可靠性差、耐久性差等难题。

传统的注浆材料在高水温和侵蚀性离子耦合环境下其工作性能，力学稳定性和长期耐久性都会受到严重影响。因此，对于适用于高温热水和侵蚀性离子耦合作用环境下隧道堵水注浆材料的研发及性能研究是非常重要且急需解决的。对于复杂环境下堵水注浆材料的研发需要合适的试验设备装置作为研究工具是至关重要的。但是，目前还未发现有适用于不同温度及侵蚀性离子耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法。

寻求一种可考虑实际隧道建设中存在的多种因素耦合作用的影响，并通过调整不同的参数，最大限度模拟实际隧道渗漏水封堵过程中注浆材料注入的环境，以填补不同温度及侵蚀性离子耦合环境下注浆材料性能试验装置及方法，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法。

发明内容

本发明第一目的是针对现有技术中，目前还未发现有适用于不同温度及侵蚀性离子耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法等缺陷提供一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置。

本发明第二目的是针对现有技术中，目前还未发现有适用于不同温度及侵蚀性离子耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法等缺陷提供一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验方法。

为实现本发明之第一目的，本发明提供一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置，所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置，包括：

环境模拟试验箱，由具有保温夹层的壳体围闭形成容置空间，所述容置空间内设置试件放置仓、温度检测装置、温度加热装置，并在所述环境模拟试验箱的上部设置具有进水球阀的进水管道，下部设置具有出水球阀的出水管道；

试件放置仓，通过纵向受拉的第一支架和纵向受压的第二支架固定设置在所述环境模拟试验箱的中部，并在所述试件放置仓洞口外围处的环境模拟试验箱上沿洞口圆周间隔设置紧固螺杆；

温度检测装置，间隔设置在环境模拟试验箱的壳体上，并对环境模拟试验箱中临近壳体和临近试件放置仓的温度进行独立检测；

温度加热装置，设置在环境模拟试验箱内，并与设置在环境模拟试验箱外部的温控面板电连接；

试件套筒，具有连接圆环和与所述连接圆环固定连接的筒形格栅骨架，所述连接圆环紧邻筒形格栅骨架的一侧设置与紧固螺杆配套使用的紧固螺母，所述筒形格栅骨架内设置具有注浆装置的试件，所述试件与所述试件放置仓之间从内向外依次设置密封垫层和防水垫层，所述连接圆环与所述环境模拟试验箱的接触面设置防水密封层。

可选地，所述环境模拟试验箱的壳体采用亚克力材料或者不锈钢材料制作。

可选地，所述环境模拟试验箱具有设置在壳体底部的结构底板，所述结构底板进一步包括从上往下呈纵向叠置的底板绝缘排线层和底座底板，所述底板绝缘排线层内设置温度监测装置和温度加热装置的电连接导线，所述底座底板用于承载所述环境模拟试验箱。

可选地，所述温度检测装置为从壳体指向试件放置仓方向延伸长度长短不等的温度计，延伸长度长的温度计用于测量临近试件放置仓的温度，延伸长度短的温度计用于测量临近壳体的温度。

可选地，所述温度检测装置间隔设置在环境模拟试验箱的壳体上，并穿设所述保温夹层，所述温度检测装置与保温夹层之间设置防水密封圈。

可选地，所述温度加热装置为螺纹加热管。

可选地，所述温度加热装置的数量依据加热时长、升温速度、加热温度的设计参数确定。

可选地，所述筒形格栅骨架为采用不锈钢杆件所组成的圆筒形骨架。

可选地，所述试件套筒进一步包括设置在连接圆环异于筒形格栅骨架一侧的吊环。

可选地，所述注浆装置为止水钉，并通过钻孔工艺布设在试件的注浆面。

可选地，所述止水钉进一步包括与注浆机连接的止水钉头和固定在试件上的止水钉身。

为实现本发明之第二目的，本发明提供一种耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验的方法，所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验的方法，包括：

执行步骤S1：按照试验要求，配制设计浓度的侵蚀性离子水溶液，并通过温控面板设定注浆试验所需的水温；

执行步骤S2：将试件固定设置在试件套筒内，并在试件的注浆面通过钻孔工艺布设注浆用的止水钉；

执行步骤S3：将具有试件的试件套筒置于试件放置仓，并通过紧固螺杆和紧固螺母将试件套筒与试件放置仓锁固，且将试件的注浆面采用密封罩密封；

执行步骤S4：关闭出水管道，通过进水管道将设计浓度的侵蚀性离子水溶液注入到环境模拟试验箱；

执行步骤S5：开启温度加热装置，使得水溶液温度达到试验设计值时准备进行注浆试验；

执行步骤S6：待环境模拟试验箱水溶液温度达到试验设计值，拆下注浆面的密封罩，将注浆装置的注浆口与止水钉连接，进行温度与侵蚀溶液耦合环境下堵水注浆试验；

执行步骤S7：等到注浆封堵完成后，继续在环境模拟试验箱中进行温度和侵蚀溶液耦合环境下长期浸泡达到设计龄期后，对注浆材料结石体的长期耐久性能进行试验，注浆试验结束后，先打开出水球阀将水溶液排出后，取出装有试件的试件套筒，再用清水将环境模拟试验箱内部进行清洗；

执行步骤S8：性能测试从试件套筒中取出浆液结石体试件，通过钻芯取样按照相关规范或者技术规程进行力学性能测试、微观形貌分析测试和耐久性能测试来分析注浆材料的各项性能指标，用于进一步指导注浆材料的改进和研发。

综上所述，本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法不仅可以最大限度模拟实际隧道渗漏水封堵过程中注浆材料注入的环境，其工况环境模拟程度高，具有更加广义的适用性，而且简单方便易操作，各个环节协调性好，能提高测试效率，保证测试的准确性，有助于从事相关隧道工程领域的科研人员以及建设人员通过该装置进一步对隧道建设工程中复杂工况环境下的注浆材料进行研发。

附图说明

图1所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的结构示意图；

图2所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的内部结构示意图；

图3所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置沿A-A剖视图；

图4所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的温度加热装置示意图；

图5所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置沿B-B剖视图；

图6所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的试件放置仓组装示意图；

图7所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的注浆装置结构示意图；

图8所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验的方法流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1～图5，图1所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置结构示意图。图2所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置内部结构示意图。图3所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置沿A-A剖视图。图4所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的温度加热装置示意图。图5所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置沿B-B剖视图。所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置，包括：

环境模拟试验箱1，所述环境模拟试验箱1由具有保温夹层111的壳体11围闭形成容置空间12，所述容置空间12内设置试件放置仓2、温度检测装置3、温度加热装置4，并在所述环境模拟试验箱1的上部设置具有进水球阀131的进水管道13，下部设置具有出水球阀141的出水管道14；

试件放置仓2，所述试件放置仓2通过纵向受拉的第一支架21和纵向受压的第二支架22固定设置在所述环境模拟试验箱1的中部，并在所述试件放置仓2洞口23外围处的环境模拟试验箱1上沿洞口圆周间隔设置紧固螺杆24；

温度检测装置3，所述温度检测装置3间隔设置在环境模拟试验箱1的壳体11上，并对环境模拟试验箱1中临近壳体11和临近试件放置仓2的温度进行独立检测；

温度加热装置4，所述温度加热装置4设置在环境模拟试验箱1内，并与设置在环境模拟试验箱1外部的温控面板5电连接；

试件套筒6，所述试件套筒6具有连接圆环61和与所述连接圆环61固定连接的筒形格栅骨架62，所述连接圆环61紧邻筒形格栅骨架62的一侧设置与紧固螺杆24配套使用的紧固螺母63，所述筒形格栅骨架62内设置具有注浆装置7的试件8，所述试件8与所述试件放置仓2之间从内向外依次设置密封垫层64和防水垫层65，所述连接圆环61与所述环境模拟试验箱1的接触面设置防水密封层66。

请继续参阅图2，作为具体实施方式，在本发明中，所述环境模拟试验箱1的壳体11可采用高强度亚克力材料或者不锈钢材料制作。所述环境模拟试验箱1具有设置在壳体11底部的结构底板10，所述结构底板10进一步包括从上往下呈纵向叠置的底板绝缘排线层13和底座底板14，所述底板绝缘排线层13内设置温度监测装置3和温度加热装置4的电连接导线131，所述底座底板14用于承载所述环境模拟试验箱1。

请继续参阅图2，所述温度检测装置3对环境模拟试验箱1中临近壳体11和临近试件放置仓2的温度进行独立检测。优选地，所述温度检测装置3可为从壳体11指向试件放置仓2方向延伸长度长短不等的温度计，延伸长度长的温度计用于测量临近试件放置仓2的温度，延伸长度短的温度计用于测量临近壳体11的温度。所述温度检测装置3间隔设置在环境模拟试验箱1的壳体11上，并穿设所述保温夹层111，则所述温度检测装置3与保温夹层111之间设置防水密封圈15。

请继续参阅图4、图5，并结合参阅图2，所述温度加热装置4与设置在环境模拟试验箱1外部的温控面板5电连接，并通过温控面板5进行温度监测和设置。更具体地，所述温度加热装置4为螺纹加热管。作为本领域技术人员，容易理解地，所述温度加热装置4的数量可依据加热时长、升温速度、加热温度等设计参数确定。

请参阅图6，并结合参阅图1，图6所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的试件放置仓组装示意图。所述试件套筒6具有连接圆环61和与所述连接圆环61固定连接的筒形格栅骨架62，所述筒形格栅骨架62为采用不锈钢杆件所组成的圆筒形骨架，所述筒形格栅骨架62内设置具有注浆装置7的试件8，则所述试件8可与环境模拟试验箱1中设计浓度的侵蚀性离子水溶液充分接触。非限制性地，所述试件8可为不同孔隙率的岩芯或者混凝土试件。优选地，为了便于所示试件套筒6与所述试件放置仓2的组装，所述试件套筒6进一步包括设置在所述连接圆环61异于筒形格栅骨架62一侧的吊环67。同时，所述试件8与所述试件放置仓2之间从内向外依次设置密封垫层64和防水垫层65，以将试件8与试件放置仓2之间的缝隙填充密封，进而防止环境模拟试验箱1中的水溶液沿着试件8与试件放置仓2之间的缝隙渗漏。所述连接圆环61与所述环境模拟试验箱1的接触面设置防水密封层66。

请参阅图7，并结合参阅图1，图7所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置的注浆装置结构示意图。所述筒形格栅骨架62内设置具有注浆装置7的试件8。更具体地，所述注浆装置7为止水钉70，并通过钻孔工艺布设在试件8的注浆面，所述止水钉70进一步包括与注浆机(未图示)连接的止水钉头71和固定在试件8上的止水钉身72。

为了更直观的揭露本发明之技术方案，凸显本发明之有益效果，现结合具体实施方式对所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法的工作原理进行阐述。在具体实施方式中，所述各功能部件的数量、形状、尺寸，以及试验参数等仅为列举，不应视为对本发明技术方案的限制。

请参阅图8，并结合参阅图1～图7，图8所示为本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验的方法流程图。所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验的方法，包括：

执行步骤S1：按照试验要求，配制设计浓度的侵蚀性离子水溶液，并通过温控面板5设定注浆试验所需的水温；

执行步骤S2：将试件8固定设置在试件套筒6内，并在试件8的注浆面通过钻孔工艺布设注浆用的止水钉70；

执行步骤S3：将具有试件8的试件套筒6置于试件放置仓2，并通过紧固螺杆24和紧固螺母63将试件套筒6与试件放置仓2锁固，且将试件8的注浆面采用密封罩密封；

执行步骤S4：关闭出水管道14，通过进水管道13将设计浓度的侵蚀性离子水溶液注入到环境模拟试验箱1；

执行步骤S5：开启温度加热装置4，使得水溶液温度达到试验设计值时准备进行注浆试验；

执行步骤S6：待环境模拟试验箱1水溶液温度达到试验设计值，拆下注浆面的密封罩，将注浆装置7的注浆口与止水钉70连接，进行温度与侵蚀溶液耦合环境下堵水注浆试验；

执行步骤S7：等到注浆封堵完成后，继续在环境模拟试验箱1中进行温度和侵蚀溶液耦合环境下长期浸泡达到设计龄期后，对注浆材料结石体的长期耐久性能进行试验，注浆试验结束后，先打开出水球阀141将水溶液排出后，取出装有试件8的试件套筒6，再用清水将环境模拟试验箱1内部进行清洗；

执行步骤S8：性能测试从试件套筒6中取出浆液结石体试件，通过钻芯取样按照相关规范或者技术规程进行力学性能测试、微观形貌分析测试和耐久性能测试来分析注浆材料的各项性能指标，用于进一步指导注浆材料的改进和研发。

作为本领域技术人员，容易理解地，本发明所述耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法具有如下有益效果：

(1)本发明通过调整不同的参数(不同孔隙率的岩芯或者混凝土试件、水溶液温度，以及水溶液中侵蚀性离子类型及浓度)，以达到室内实验室中最大限度模拟实际隧道渗漏水封堵过程中注浆材料注入的环境，有助于从事相关隧道工程领域的科研人员以及建设人员通过该装置进一步对隧道建设工程中复杂工况环境下的注浆材料进行研发，深入分析研究注浆材料在复杂耦合环境下工作性能、力学性能以及耐久性能。

(2)本发明提供的不同温度及侵蚀性离子耦合环境下隧道的堵水注浆材料试验装置及方法，其工况环境模拟程度高，具有更加广义的适用性，简单方便易操作，各个环节协调性好，能提高测试效率，保证测试的准确性。

(3)本发明适用于各种实际隧道工程钻芯试件和制备的具有各种孔隙率混凝土样品，具有拆卸方便，减小了占地面积，并可实现循环利用等特点。

综上所述，本发明耦合环境下隧道堵水注浆材料性能试验装置及方法不仅可以最大限度模拟实际隧道渗漏水封堵过程中注浆材料注入的环境，其工况环境模拟程度高，具有更加广义的适用性，而且简单方便易操作，各个环节协调性好，能提高测试效率，保证测试的准确性，有助于从事相关隧道工程领域的科研人员以及建设人员通过该装置进一步对隧道建设工程中复杂工况环境下的注浆材料进行研发。

本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。