CN103852574B - 一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置及其使用方法，所述模拟装置包括外壳(1)、套设于外壳(1)内的圆筒形盾壳(2)和套设于盾壳(2)内的内管(3)，当盾壳(2)沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动时，盾壳(2)在储存腔(4)与内管(3)之间留下封闭的环形空间(5)，注浆口(22)能够将砂浆注满环形空间(5)。由于该盾构隧道背填注浆实验的模拟装置能够很好的模拟盾构隧道的背填注浆过程，通过测试分析注浆后的混凝土浆壳就可以得到适合该地层及盾构姿态下的浆液参数和注浆工艺，为解决盾构施工过程中易出现的地表沉降、管片渗漏和变形等问题提供指导。另外，该实验方法简单方便、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道实验模拟技术领域，特别是一种在盾构隧道背填注浆实验中使用的模拟装置以及该装置的使用方法。
背景技术
为了保证盾构隧道施工的安全性及效率，人们通常采用实验模拟装置对盾构隧道施工过程进程模拟，如中国专利CN102221474A，公开日期2011年10月19日，公开了《一种泥水平衡式盾构模拟试验系统》，该系统可以模拟目标地层中的地质环境，为指导盾构隧道施工提供方便，但该系统无法模拟盾构隧道的背填注浆过程，更无法对注浆后形成的混凝土浆壳进行测试。
在盾构隧道的施工过程中，不同地层及不同地质条件下的背填注浆参数和工艺会有所不同，通过模拟不同盾构姿态下背填注浆过程并测试分析注浆后的浆壳，可以得到适合该地层及盾构姿态下的注浆参数和工艺，为解决盾构施工过程中易出现的地表沉降、管片渗漏和变形等问题提供指导。
发明内容
为了解决现有技术中盾构模拟实验系统无法模拟背填注浆过程的技术问题，本发明提供了一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置及其使用方法，由于该盾构隧道背填注浆实验的模拟装置能够很好的模拟盾构隧道的背填注浆过程，通过测试分析注浆后的浆壳就可以得到适合该地层及盾构姿态下的浆液参数和注浆工艺。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置，包括筒形的外壳、套设于外壳内的筒形盾壳和套设于盾壳内的筒形内管，外壳的一端和内管的一端与端盖密封连接，外壳的另一端设有圆环状的盘盖，盾壳套设于盘盖内，外壳的另一端和盾壳通过盘盖密封连接，盾壳的一端与内管之间密封连接，外壳与盾壳之间形成用于充填土样的封闭环形储存腔，盾壳的一端还设置有用于注入砂浆的注浆口，盾壳能够沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动，注浆口能够将砂浆注满盾壳移动后在储存腔与内管之间留下的封闭的环形空间。
使用时，将目标地层的土样填充到储存腔内同时向储存腔内注水使储存腔内的环境模拟目标地层的地质环境，然后使盾壳沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动，由于盾壳被储存腔与内管包围，盾壳移动的过程中会在储存腔与内管之间留下封闭的环形空间，该环形空间的横截面为圆环形，该圆环的外径与盾壳的外径相对应，该圆环的内径与内管的外径相对应，该环形空间的长度等于盾壳沿着盾壳轴线方向移动的距离。在盾壳移动的同时，注浆泵通过注浆管从注浆口将砂浆注满所述的环形空间，这样该盾构隧道背填注浆实验的模拟装置能够很好的模拟盾构隧道施工中的背填注浆过程，通过测试分析注浆后的浆壳，即环形空间内砂浆凝固后的固体样品，就可以得到适合该地层及盾构姿态下的浆液参数和注浆工艺。
优选端盖为圆形，外壳的一端与端盖通过螺栓连接，内管的一端与端盖焊接。
优选外壳的另一端还设置有圆筒状的密封筒，盾壳和内管套设于密封筒内，密封筒的一端与盘盖通过焊接密封，盘盖与外壳的另一端为螺栓连接，密封筒的另一端与盾壳密封连接。
优选盾壳的一端与内管通过第一密封刷密封连接，密封筒的另一端与盾壳通过第二密封刷密封连接，密封筒的侧壁设置有注油孔，注油孔通过注油管与第一密封刷和第二密封刷连通。
优选密封筒的侧壁设置有注浆孔，注浆孔通过设置在盾壳与内管之间的注浆管与注浆口连通。
优选盾壳与内管之间设置有多个万向行走轮，万向行走轮与盾壳固定连接，万向行走轮能够在内管的表面滚动。
优选外壳的侧壁设置有注水孔、主填料孔、副填料孔和安全阀。
优选还包括底座，外壳与底座的一端固定连接，底座的另一端设置有能够使盾壳沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动的牵引装置。
优选底座上固定连接有盾壳支撑轮，盾壳的外表面能够在盾壳支撑轮上滑动。
一种上述任何一种形式的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将预模拟地层的土样充填到储存腔内；
步骤2：沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端牵引盾壳，从注浆口将砂浆注满环形空间；
步骤3：保持24小时，取出环形空间内的砂浆样品。
本发明的有益效果是：由于该盾构隧道背填注浆实验的模拟装置能够很好的模拟盾构隧道的背填注浆过程，通过测试分析注浆后的混凝土浆壳就可以得到适合该地层及盾构姿态下的浆液参数和注浆工艺，为解决盾构施工过程中易出现的地表沉降、管片渗漏和变形等问题提供指导。另外，该实验方法简单方便、效率高。
附图说明
下面结合附图对本发明所述的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置作进一步详细的描述。
图1是本发明所述盾构隧道背填注浆实验的模拟装置的初始状态结构示意图。
图2是图1中A-A方向的剖视示意图。
图3是本发明所述盾构隧道背填注浆实验的模拟装置中外壳部位的结构示意图。
图4是本发明所述盾构隧道背填注浆实验的模拟装置的工作状态结构示意图。
其中1.外壳，11.注水孔，12.主填料孔，13.副填料孔，2.盾壳，21.注浆管，22.注浆口，23.第一密封刷，24.第二密封刷，25.万向行走轮，26.第一支撑环，27.第二支撑环，3.内管，31.斜拉杆，4.储存腔，5.环形空间，6.端盖，71.密封筒，72.盘盖，73.注油孔，74.注油管，75.注浆孔，8.底座，81.牵引装置，82.盾壳支撑轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置详细说明。一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置，包括筒形的外壳1、套设于外壳1内的筒形盾壳2和套设于盾壳2内的筒形内管3，外壳1的一端和内管3的一端与端盖6密封连接，外壳1的另一端设有圆环状的盘盖72，盾壳2和内管3套设于盘盖72内，外壳1的另一端和盾壳2通过盘盖72密封连接，盾壳2的一端与内管3之间密封连接，外壳1与盾壳2之间形成用于充填土样的封闭环形储存腔4，盾壳2的一端还设置有用于注入砂浆的注浆口22，盾壳2能够沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动，注浆口22能够将砂浆注满盾壳2移动后在储存腔4与内管3之间留下的封闭的环形空间5，如图1、图3所示。
使用时，将目标地层的土样填充到储存腔4内同时向储存腔4内注水使储存腔4内的环境模拟目标地层的地质环境，然后使盾壳2沿着盾壳的轴线向盾壳2的另一端移动，由于盾壳2被储存腔4与内管3包围，盾壳2移动的过程中会在储存腔4与内管3之间留下封闭的环形空间5，该环形空间5在垂直于盾壳轴线的平面上的投影形状为盾壳2的外径和内管3的外径而围成的环形，该环形空间5的长度等于盾壳2沿着盾壳轴线方向移动的距离。在盾壳2移动的同时，注浆泵通过注浆管21从注浆口22将砂浆注满所述的环形空间5，如图4所述，这样该盾构隧道背填注浆实验的模拟装置能够很好的模拟盾构隧道施工中的背填注浆过程，通过测试分析注浆后的浆壳，即环形空间5内砂浆凝固后的固体样品，就可以得到适合该地层及盾构姿态下的浆液参数和注浆工艺。
为了更加真实的模拟盾构施工环形，外壳1为圆筒形、盾壳2为圆筒形、内管3为圆筒形，外壳1、盾壳2和内管3同轴。
为了便于取出环形空间5内砂浆凝固后的固体样品，端盖6为圆形，外壳1的一端与端盖6通过螺栓连接，内管3的一端与端盖6焊接，如图1所示，端盖6设置在外壳1的右侧，端盖6远离盾壳2的另一端，外壳1的一端与端盖6通过螺栓密封连接，内管3的一端与端盖6焊接。拧下螺栓后，将端盖和内管一起卸下就可以方便的取出砂浆样品。
外壳1的另一端还设置有圆筒状的密封筒71，盾壳2和内管3套设于密封筒71内，密封筒71的一端与盘盖72的内边缘通过焊接密封，盘盖72的外边缘与外壳1的另一端为螺栓连接，密封筒71的另一端与盾壳2密封连接。盾壳2和盘盖72之间通过密封筒71实现密封连接。设置密封筒71可以使盾壳2相对于外壳1移动的过程中进一步保证储存腔4的密封状态，全程模拟盾构隧道施工过程。
盾壳2的一端与内管3通过第一密封刷23密封连接，密封筒71的另一端与盾壳2通过第二密封刷24密封连接，密封筒71的侧壁设置有注油孔73，注油孔73通过注油管74与第一密封刷23和第二密封刷24连通。共有4个注油管74，其中2个注油管74设置在盾壳2与内管3之间的环形空间内，注油管74的一端与注油孔73连接，注油管74的另一端连接第一密封刷23；另外2个注油管设置在盾壳2与密封筒71之间的环形空间内，注油管74的一端与注油孔73连接，74的另一端连接第二密封刷24。工作时，可随着盾壳2一起移动，油脂泵通过注油孔73和注油管74将油脂注入第一密封刷23和第二密封刷24，起密封及润滑盾尾刷作用，如图3所示。
盾壳2的一端与内管3之间设置有第一支撑环26，密封筒71的另一端与盾壳2之间设置有第二支撑环27，由于盾壳2较重，第一支撑环26和第二支撑环27为金属环主要起支撑作用。第一支撑环26和第二支撑环27分别位于第一密封刷23和第二密封刷24的远离端盖6一侧，即图1中，第一支撑环26设置在第一密封刷23的左侧，第二支撑环27设置在第二密封刷24的左侧，由于有了第一支撑环26和第二支撑环27，第一密封刷23和第二密封刷24不会被压坏，可以充分发挥密封作用。
密封筒71的侧壁设置有注浆孔75，注浆孔75通过设置在盾壳2与内管3之间的注浆管21与注浆口22连通。注浆管21设置在盾壳2与内管3之间可以使注浆管2受到保护，使注浆过程不受影响，如图2所示。
盾壳2与内管3之间设置有多个万向行走轮25，万向行走轮25与盾壳2固定连接，万向行走轮25能够在内管3的表面滚动。设置万向行走轮25可以方便盾壳2与内管3之间的相对移动，万向行走轮25沿盾壳2的轴向设置的一列为一组，盾壳2与内管3之间可以沿盾壳2的周向均匀设置4～10组，优选设置6～8组。
内管3内设有至少一个斜拉杆31，斜拉杆31的一端与内管3的内壁连接，斜拉杆31的另一端与端盖6连接。设置斜拉杆31可使内管3更加稳固，不易形变，保证万向行走轮的正常、顺畅的运行。斜拉杆的数量优选为6个。
外壳1的侧壁设置有注水孔11、主填料孔12、副填料孔13和安全阀。注水孔11用于向储存腔4内注水，主填料孔12和副填料孔13用于向储存腔4内注入土样，通过设定安全阀的不同开启压力，可以模拟不同地层的水土压力，确保外壳1内的压力恒定，真实的模拟实际地层工况。另外，注水孔11、主填料孔12和副填料孔13上分别设置有阀门，主填料孔12和副填料孔13也可以用一个填料口来替代。
为了便于操作，本发明所述的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置还包括底座8，外壳1与底座8的一端固定连接，底座8的另一端设置有使盾壳沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动的牵引装置81。作为另一种选择，在盾壳2和底座8之间设有液压缸，液压缸的缸体与底座8连接，液压缸的伸缩杆与盾壳2连接。通过液压缸来控制盾壳2沿盾壳2的轴向上移动，液压缸采用变量泵和比例阀驱动，速度实时可调，能够真实的模拟盾构机在地层中的行走速度。
另外，底座8上固定连接有盾壳支撑轮82，盾壳2的外表面能够在盾壳支撑轮82上滑动，避免盾壳变形。外壳1的下方还可以设置有调节所述盾构隧道背填注浆实验的模拟装置倾斜角度的油缸装置，以模拟盾构机的不同掘进姿态。
下面介绍上述任何一种形式的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置的使用方法，该方法主要包括以下步骤：
步骤1：将预模拟地层的土样充填到储存腔4内；
步骤2：沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端牵引盾壳2，从注浆口22将砂浆注满环形空间5；
步骤3：保持24小时，取出环形空间5内的砂浆样品进行相关测试。
但是根据不同的地层条件，该模拟装置的使用方法也会不同。下面介绍模拟不稳定地层时的使用方法和模拟不稳定地层时的使用方法。
模拟不稳定地层的使用方法步骤如下：
首先检查实验装置安装是否正确，密封是否完好。
步骤1：根据预模拟的广州绥江盾构工程地层的含水量、密度、土粒含量等参数拌制土样，将拌制好的土样填充至储存腔4内，填好后关闭所有阀门。从注水孔11注水，使注水压力控制在2～3Bar。
步骤2：调试好注浆装置、注油装置、牵引装置后，启动牵引装置81，使牵引装置81沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端牵引盾壳2，盾壳2的行进速度控制在25mm/min以下。同时启动注浆泵和油脂泵，使砂浆从注浆口22均匀注满环形空间5，油脂通过注油管74均匀注入第一密封刷23和第二密封刷24。其中油脂注入量不少于5Kg/m，注入压力不超过6Bar，砂浆填充系数控制在1.5～2，也可根据检测效果进行调整，注入压力控制在3～4Bar，注浆压力应低于密封击穿压力高于地层水压，具体压力值可根据上述原则和实际情况调整。在模拟掘进的过程中，通过设置在外壳1上的压力表观察储存腔4内的地层水土压力，压力波动超过0.5Bar时应进行调整，以维持压力的相对稳定。
步骤3：完成一个行程约4m后，静止24h，待环形空间5的砂浆初凝后拆下端盖6，将土样分区域取出，观察砂浆填筑效果，取出部分砂浆试块，进行强度、渗透性等进行测定，同时根据实验情况调整砂浆配比。模拟不稳定地层时，如强透水的砂层和弱透水的粘土层，各种地层实验次数不少于3次。
数据记录：将实验参数如水土压力、土样掺和量、注浆配合比、注浆量、注浆压力、油脂压力、油脂注入量、牵引速度、牵引力、填充率、砂浆强度等记录。
清理实验部件、更换密封件后，重新组装实验装置，从步骤1重新开始循环模拟不稳定地层实验。
模拟稳定地层的使用方法步骤如下：
首先检查实验装置安装是否正确，密封是否完好。
步骤1：由于稳定性好的地层影响砂浆注入效果的主要因素为地层水，将预模拟的绥江盾构工程石英片岩土样填充至储存腔4内，然后关闭所有阀门。从注水孔11注水，模拟绥江盾构工程的含水量和透水率参数加注清水，注水压力控制在1～2Bar。
步骤2：调试好注浆装置、注油装置、牵引装置后，启动牵引装置81，使牵引装置81沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端牵引盾壳2，盾壳2的行进速度控制在15mm/min以下。同时启动注浆泵和油脂泵，使砂浆从注浆口22均匀注满环形空间5，油脂通过注油管74均匀注入第一密封刷23和第二密封刷24。其中油脂注入量不少于4Kg/m，注入压力不超过25Bar，砂浆填充系数控制在1.3～1.5，也可根据检测效果进行调整，注入压力控制在3～4Bar，注浆压力应低于密封击穿压力高于地层水压，具体压力值可根据上述原则和实际情况调整。在模拟掘进的过程中，通过设置在外壳1上的压力表观察储存腔4内的地层水土压力，压力波动超过0.5Bar时应进行调整，以维持压力的相对稳定。
步骤3：完成一个行程约4m后，静止24h，待环形空间5的砂浆初凝后拆下端盖6，将土样分区域取出，观察砂浆填筑效果，取出部分砂浆试块，进行强度、渗透性等进行测定，同时根据实验情况调整砂浆配比。模拟不稳定地层时，如强透水的砂层和弱透水的粘土层，各种地层实验次数不少于3次。
数据记录：将实验参数如水土压力、土样掺和量、注浆配合比、注浆量、注浆压力、油脂压力、油脂注入量、牵引速度、牵引力、填充率、砂浆强度等记录。
清理实验部件、更换密封件后，重新组装实验装置，从步骤1重新开始循环模拟稳定地层实验。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。
Claims (10)
1.一种盾构隧道背填注浆实验的模拟装置，其特征在于：包括筒形的外壳(1)、套设于外壳(1)内的筒形盾壳(2)和套设于盾壳(2)内的筒形内管(3)，外壳(1)的一端和内管(3)的一端与端盖(6)密封连接，外壳(1)的另一端设有圆环状的盘盖(72)，盾壳(2)套设于盘盖(72)内，外壳(1)的另一端和盾壳(2)通过盘盖(72)密封连接，盾壳(2)的一端与内管(3)之间密封连接，外壳(1)与盾壳(2)之间形成用于充填土样的封闭环形储存腔(4)，盾壳(2)的一端还设置有用于注入砂浆的注浆口(22)，盾壳(2)能够沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动，注浆口(22)能够将砂浆注满盾壳(2)移动后在储存腔(4)与内管(3)之间留下的封闭的环形空间(5)。
2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：端盖(6)为圆形，外壳(1)的一端与端盖(6)通过螺栓连接，内管(3)的一端与端盖(6)焊接为一体。
3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于：外壳(1)的另一端还设置有圆筒状的密封筒(71)，盾壳(2)和内管(3)套设于密封筒(71)内，密封筒(71)的一端与盘盖(72)通过焊接密封，盘盖(72)与外壳(1)的另一端为螺栓连接，密封筒(71)的另一端与盾壳(2)密封连接。
4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于：盾壳(2)的一端与内管(3)通过第一密封刷(23)密封连接，密封筒(71)的另一端与盾壳(2)通过第二密封刷(24)密封连接，密封筒(71)的侧壁设置有注油孔(73)，注油孔(73)通过注油管(74)与第一密封刷(23)和第二密封刷(24)连通。
5.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于：密封筒(71)的侧壁设置有注浆孔(75)，注浆孔(75)通过设置在盾壳(2)与内管(3)之间的注浆管(21)与注浆口(22)连通。
6.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：盾壳(2)与内管(3)之间设置有多个万向行走轮(25)，万向行走轮(25)与盾壳(2)固定连接，万向行走轮(25)能够在内管(3)的表面滚动。
7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：外壳(1)的侧壁设置有注水孔(11)、主填料孔(12)、副填料孔(13)和安全阀。
8.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：还包括底座(8)，外壳(1)与底座(8)的一端固定连接，底座(8)的另一端设置有能够使盾壳沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端移动的牵引装置(81)。
9.根据权利要求8所述的模拟装置，其特征在于：底座(8)上固定连接有盾壳支撑轮(82)，盾壳(2)的外表面能够在盾壳支撑轮(82)上滑动。
10.一种权利要求1～9中任何一项所述的盾构隧道背填注浆实验的模拟装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将预模拟地层的土样充填到储存腔(4)内；
步骤2：沿着盾壳的轴线向盾壳的另一端牵引盾壳(2)，从注浆口(22)将砂浆注满环形空间(5)；
步骤3：保持24小时，取出环形空间(5)内的砂浆样品。
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