CN103913289A - 盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中；所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中。本发明还公开了运用前述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，包括：1）、配制模型土；2）、配制模型浆液；3）、构建盾构—土体—浆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。

Description

盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法

技术领域

本发明属于地下建筑工程技术领域，涉及盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法。

背景技术

盾构法隧道施工过程中，在盾构机不断被顶进的同时，拼装好的管片不断脱出盾尾，由于管片外径小于盾壳外径，因而形成了盾尾建筑空隙，由于隧道周围软黏土自稳能力很差，盾尾空隙如未被浆液及时充填，将导致周围地层的坍塌变形，如盾尾空隙内注入的浆液过多、压力过大，土体超孔隙水压力的消散将导致地层后期沉降加剧。目前，软土地区盾构法隧道施工引起的地层变形中，施工后期由于超孔隙水压力消散与地层次固结导致的地层位移占总沉降量的30%～90%。因此，了解与掌握盾尾空隙内浆液的流动与扩散过程，以及浆液压力与浆液性态的转变过程及其影响因素，对确保盾尾空隙的有效充填与盾尾处地层的稳定至关重要。

目前，盾构同步注浆理论的研究主要从现场监测、数值解析、模型试验和数值仿真四个方面展开的。但理论解析往往需要以大量的假设为前提，数值模拟涉及的大量参数很难准确设定，复杂的数值建模技术很难被一般的技术人员熟练掌握，现场实测的相关数据又很难被有效利用，模拟试验研究可以有效地避免理论分析中各种假设条件的限制，更加真实地反映岩土工程的各种物理现象及其内在规律，因此成为了一种非常有效的研究方法。

国内外关于同步注浆浆液和方法的研究较多，而用于研究同步注浆规律及机理的模型试验研究还鲜见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统。

为了克服现有注浆方法无法进行不同注浆方式下同步注浆模拟试验的缺陷，本发明的另一个目的是提供一种盾构隧道同步注浆模拟试验方法。该方法能够模拟盾构掘进过程中管片脱出盾尾形成的建筑空隙的充填过程，同时可以模拟不同的掘进速度与不同的盾构埋深条件等工况，进而为盾构隧道同步注浆的地层适应性理论研究提供一个平台。

本发明的技术方案如下：

一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中；

所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中，盾构推进控制系统推动模拟盾构机向前掘进过程中，通过加载系统对模型土施加荷载，同时注浆系统将模型浆液注入模型土，通过压力传感器测得模型土的压力变化。

进一步，所述的模拟盾构机包括模拟管片、模拟盾壳、推进液压缸、注浆管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端盖上连接杆、右端盖下连接杆、左端盖、右端盖、导向桶、拉杆、左限位钢管、右限位钢管；

所述导向桶通过两根固定连接在土箱两侧的左限位钢管、右限位钢管固定在土箱中，其左侧开口端用螺栓与左端盖连接，右侧开口端紧密套在左端开口、右端封闭的模拟盾壳外侧；模拟盾壳右端与焊接在土箱上的右端盖上连接杆、右端盖下连接杆搭接；模拟盾壳与推进液压缸的拉杆采用螺栓连接，模拟盾壳紧密地套在左端封闭右端开口的模拟管片外侧，通过推进液压缸的拉杆实现沿导向桶内壁和模拟管片外壁进行轴向滑移；模拟管片右端与右端盖用螺栓固定；推进液压缸的缸体与左端盖采用螺栓固定，右端固定在模拟盾壳左封闭端上；利用注浆管路将模型浆液注入盾尾空隙，盾尾密封圈设于模拟盾壳的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙内浆液沿着模拟盾壳与模拟管片之间的间隙渗漏。

所述的注浆系统包括注浆控制系统、上路注浆泵、下路注浆泵、上路浆液桶、下路浆液桶、第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀、左限位钢管、右限位钢管、第一注浆管、第二注浆管、第三注浆管、第四注浆管；

第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、沿模拟盾壳右端面均匀布置，第一注浆孔与第一球阀通过第一注浆管路相连，第二注浆孔与第二球阀通过第二注浆管路相连，第一注浆管路和第一注浆管路由上部注浆泵控制，第三注浆孔与第三球阀通过第三注浆管路相连，第四注浆孔与第四球阀通过第四注浆管路相连，第三注浆管路和第四注浆管路由下部注浆泵控制。

所述注浆泵为能够调节浆液的流量的螺杆计量泵，通过上部注浆泵、下部注浆泵的流量控制与管路球阀的开关，可以单独控制4个注浆孔中的浆液流量，进而实现不同注浆方式下的同步注浆试验；或/和，

所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀。

所述的压力传感器包括水土压力传感器和衬砌压力传感器；衬砌压力传感器设置于模拟管片的外筒壁内，沿模拟管片环向均匀设置有多个衬砌压力传感器，用以量测盾尾空隙内的浆液压力；沿隧道周围模型土中设置有多个水土压力传感器，用以量测模拟盾壳掘进过程中地层水土压力的变化情况。所述的土箱为方形箱体构件。

运用上述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，包括：

1）、配制模型土；

2）、配制模型浆液；

3）、构建盾构-土体-浆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。

进一步，步骤1）中所述模型土的配置，按照等土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量主要参数对应的相似比进行换算，利用室内压缩试验、直接剪切试验配置符合相似比要求的模型土；或/和，

模型土的主要原料为粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土，试验时，首先对室内一定上覆荷载作用下特定含水量的土体进行密度测试，得到在多大的上覆荷载下固结多长时间才能得到所要的土体密度，再对该密度的土样试验，直至它的粘聚力、摩擦角与压缩模量达到相似比要求。

步骤2）中所述模型浆液的配置，严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制符合相似比要求的模型浆液；或/和，

模型浆液的主要原料为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水，试验时，首先对一定重度的浆液在室内进行初凝时间与泌水率的测试，得到初凝时间符合相似比要求的浆液，再对该浆液进行试验，直至它的初始粘度与屈服强度达到相似比要求。

步骤3）中通过控制液压油缸推进速度的变化，实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验。

步骤3）中通过在模型土箱内填入不同高度的所述模型土，必要时在土体顶部施加一定的上覆荷载，实现不同盾构埋深条件下的同步注浆试验。

所述钢质导向桶底部需用两根限位钢管固定，钢管两端分别焊接在土箱的左右侧壁上，用以限制所述导向桶与所述模型盾构的竖向位移；所述模型土箱的左、右侧壁上盾构所在位置需做开孔处理，所述钢质导向桶左侧密封端与推进液压缸的缸体与左端盖螺栓固定，所述模拟管片的开口端与右端盖螺栓固定，左侧封闭端置于模拟盾壳内；所述模拟盾壳端部按圆周方向均匀设置了多个注浆孔，与所述的多台注浆泵连接，并且在模拟盾壳端部圆周方向设置有橡胶密封圈。

所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀，通过所述注浆泵的流量控制与所述球阀的开关，实现不同注浆位置、不同注浆孔数量与不同浆液流量分配比例的同步注浆试验。

更具体的，本发明提供的一种盾构隧道同步注浆模拟试验方法，该方法包括以下步骤：

1、模型土的配制。模型土是严格按照土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量等主要参数对应的相似比进行换算，并通过室内压缩试验、直接剪切试验检验后配置而成的。用于配置模型土的主要原料包括粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土等。采用该系统进行试验时，可根据实际土层的性质配置相应的模型土。

2、模型浆液的配制。模型浆液是严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间等主要参数对应的相似比进行换算，并利用旋转粘度计检验后配置而成的。用于配置模型浆液的原料主要包括水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水。采用该系统进行试验时，可根据实际使用的浆液配置相应的模型浆液。

本发明中根据量纲分析方法确定各参数的相似比，然后根据所得的相似比利用特定原料配制模型土和模型浆液，以下对进行详细说明。

（1）相似常数的确立

设原型土体材料与模型土体材料的几何相似比为C_l，强度相似比为重度相似比为则由相似理论可知，各相似比满足

对于模型土的配制，只需保证密度相似比C_ρ为1，则

对于模型浆液的配制，确保则有C_τ≈C_l≈C_E。

因此，可以得到配制模型土和模型浆液的相似常数如下所示：

（2）模型土的配制

试验选取φ800mm的模型盾构机，则由原型盾构和模型盾构的直径确定几何相似比为C_l=7.9（模拟实际盾构直径φ6340mm）。

试验所针对的土体为典型的软土地层，按照一定范围内土层厚度（如地表以下30m）加权平均得到原型土体的各参数。其中，土体的重度γ，粘聚力C，内摩擦角与压缩模量E_S是最主要的参数，可以用室内固结试验与直剪试验测试得到。配制过程中，应注意含水量，渗透系数K的相似性，其它参数尽量与原型保持相似。另外，由于土体的几何尺寸也应该保持相似，因此试验中涉及的土体全部进行过筛处理，尽量使土体颗粒保持较小的量级。

模型土的配制主要采用如下原料：重晶石粉、双飞粉、粉煤灰、膨润土、原状黏土和水。其中黏土采用软土地区典型的淤泥质土，先将其晾干，之后再用压路机碾碎，最后过2mm筛。模型土配置需要满足的目标为：保证重度不变，凝聚力减小，内摩擦角不变，压缩模量减小，其余参数如含水量、孔隙比等尽量保持相近。

现场配制时，将混合的模型土在一定的上覆荷载作用下进行固结，测试在多长的时间下才能达到所需的密度，之后再对其它参数进行测试，直至各参数值满足相应的换算关系（如表1所示），实验前后，都要取样进行土体的物理、力学性质试验，确保配制的模型土符合相似比要求（试验前，土箱内模型土的固结时间用土体密度控制）。最终配制的模型土各参数如表2所示，模型土材料配比结果如表3所示。

表1典型软土参数与模型土参数的换算关系

表2典型软土参数及配制的模型土参数

表3模型土相似材料配比结果(重量百分比)

⑤号黏土（%）	重晶石粉（%）	双飞粉（%）	粉煤灰（%）	膨润土（%）
					60	10	5	5	20

（3）模型浆液的配制

为了使试验结果更具代表性，试验所针对的浆液为软土地区盾构隧道中同步注浆普遍采用的单液可硬性浆液，模型浆液的配制所用的原材料与原型浆液基本相同，主要为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水。为了减小粘聚力与粘度，水泥、膨润土等胶凝材料含量较少，为了减小屈服强度，粉细砂含量也较少。主要参数的转换关系如表4所示。

对于浆液的粘度，可以采用NDJ—1型粘度计进行测试，对于屈服强度（剪切应力），可以采用NXS—11A型旋转粘度计进行测试，泌水率的测定参照GB/T3183—1997《砌筑水泥》中附录A的方法进行，浆液密度可以参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的相关规定进行，浆液的初凝时间为材料加水拌合起，至浆液开始失去塑性所需的时间，通过现场观察可以大致确定，即：浆液基本收水了，手指按上去有轻微痕迹时就是初凝；或在局部用振动棒试震，泌水不易，浆液流淌明显减慢时可以判断为初凝。

与模型土的配制过程相似，试验时，首先以浆液重度为控制指标，确保浆液重度的相似性，之后再测试浆液的粘度与屈服强度等参数，实验前后，都要取样进行浆液的物理、力学性质试验，确保配制的模型浆液符合相似比要求。最后配制得到的模型浆液的各参数值如表5所示，模型浆液的配比结果如表6所示。

表4原型浆液参数与模型浆液参数的换算关系

表5原型浆液参数与配置的模型浆液参数

表6模型浆液相似材料配比结果(重量百分比)

水泥	粉煤灰	粉细砂	膨润土	减水剂	水
						14%	38%	2%	13%	1%	32%

3、进行试验时，在方形箱体形状的土箱中添加模型土，将模拟盾构机埋设在模型土中，同时在模拟盾构机周围的模型土埋设水土压力传感器以及模拟管片的桶壁上埋设衬砌压力传感器，再将模型浆液通过由注浆管路、注浆泵等构成注浆系统充填到模拟盾构机中模拟盾尾空隙中，构成了盾构-土体-浆液的相似系统，达到模拟盾构隧道同步注浆的效果；在进行模型试验时，可通过调节液压油缸推进速度，实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验；通过在土箱内填入不同高度的模型土，必要时在土体顶部施加一定的上覆荷载，可实现不同盾构埋深条件下的同步注浆试验；通过控制注浆泵的流量以及模拟注浆管路中球阀的开关，通过数据采集系统可实现不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明装置中的模拟管片是有机玻璃质的透明筒状结构，因而可以在试验中通过摄像或照片的形式，全过程监测注浆过程中浆液在盾尾空隙内的流动路径与扩散方式，为盾尾空隙充填机理的研究提供了条件。

2、本发明装置在模拟管片与隧道周边的模型土内，均埋设有压力传感器，能够实时监测浆液压力与地层土压力的变化情况，为浆液与地层的相互作用方式的研究提供了条件。

3、本发明能够通过土体顶部上覆荷载的变化，来模拟隧道不同埋深下的同步注浆试验，还可以通过油缸拉伸速度的变化，来模拟盾构不同掘进速度下的同步注浆试验。

4、本发明可以通过注浆管路中球阀的开关，实现单孔注浆、双孔同时注浆（上部双孔注浆、下部双孔注浆、单侧双孔注浆以及对角线双孔注浆）或四孔同时注浆，管路球阀的开关与注浆泵流量的控制相结合，还可以实现不同注浆孔处不同的浆液流量，进而可以实现不同注浆方式下盾尾空隙充填效果的对比分析，为盾尾空隙的最佳充填模式的研究提供了条件。

5、本发明所述盾构隧道同步注浆试验方法可以动态地模拟盾构掘进过程中盾尾空隙被充填的全过程，不但可以实时观测浆液在盾尾空隙内的流动过程与扩散方式，还可以监测浆液压力与地层土压力的实时变化情况，并且可以通过注浆泵流量与管路球阀的开关实现不同注浆方式下的同步注浆试验，为浆液与地层的相互作用方式的研究提供了条件，进而为软土地区盾构隧道同步注浆方式的地层适应性理论研究提供了条件。

6、本发明能够动态地模拟且直观地观测盾构隧道同步注浆的全过程，进行不同注浆方式（不同的注浆位置、不同的注浆孔数量与不同的浆液流量）、不同盾构掘进速度以及不同盾构埋深条件下的同步注浆试验，为盾尾空隙的最佳充填模式以及浆液与地层的相互作用机理的研究提供了平台，为完善软土地区盾构隧道同步注浆的地层适应性理论提供了条件。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1所示实施例中A部的局部放大图。

图3为图1所示实施例中注浆系统示意图。

其中：1为土箱、2为模拟管片、3为模拟盾壳、4为注浆控制系统、5为数据采集系统、6为水土压力传感器、7为加载系统、8为模型土、9为推进液压缸、10为衬砌压力传感器、11为注浆管路、12为盾尾密封圈、13为盾尾空隙、14为右端盖上连接杆、15为右端盖下连接杆、16为上路注浆泵、17为下路注浆泵、18为上路浆液桶、19为下路浆液桶、20为左端盖、21为右端盖、22为钢制导向桶、23为拉杆、24为盾构推进控制系统、25为第一注浆孔、26为第二注浆孔、27为第三注浆孔、28为第四注浆孔、29为第一球阀、30为第二球阀、31为第三球阀、32为第四球阀、33为左限位钢管、34为右限位钢管、35为第一注浆管路、36为第二注浆管路、37为第三注浆管路、38为第四注浆管路。

具体实施方式

本发明提供了一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，该模拟系统包括模型土8、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；通过同步注浆模拟试验平台将模型浆液注入模型土8中。

所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱1、数据采集系统5、加载系统7、盾构推进控制系统24、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；

模拟盾构机位于土箱1中，模型土8位于土箱1中，盾构推进控制系统24推动模拟盾构机向前掘进过程中，通过加载系统7对模型土8施加荷载，同时注浆系统将模型浆液注入模型土8，压力传感器测得模型土8的压力变化。

土箱1为方形箱体构件。

所述的模拟盾构机包括模拟管片2、模拟盾壳3、推进液压缸9、注浆管路11、盾尾密封圈12、盾尾空隙13、右端盖上连接杆14、右端盖下连接杆15、左端盖20、右端盖21、钢制导向桶22、拉杆23、左限位钢管33、右限位钢管34。

钢制导向桶22通过两根焊接在土箱1两侧的左限位钢管33、右限位钢管34固定在土箱1中，其左侧开口端用螺栓与左端盖连接，右侧开口端紧密套在左端开口右端封闭的模拟盾壳3外侧；模拟盾壳3右端与焊接在土箱上的右端盖上连接杆14、右端盖下连接杆15具有一定长度的搭接，同时模拟盾壳3与推进液压缸9的拉杆23采用螺栓连接，模拟盾壳3紧密地套在左端封闭右端开口的模拟管片2外侧，能通过推进液压缸的拉杆23实现沿钢制导向桶11内壁和模拟管片2外壁进行轴向滑移；模拟管片2右端与右端盖21用螺栓固定；推进液压缸9的缸体与左端盖20采用螺栓固定，右端固定在模拟盾壳3左封闭端上；利用注浆管路11将模型浆液注入盾尾空隙13，盾尾密封圈12设于模拟盾壳3的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙13内浆液沿着模拟盾壳3与模拟管片2之间的间隙渗漏。

所述的注浆系统包括注浆控制系统4、上路注浆泵16、下路注浆泵17、上路浆液桶18、下路浆液桶19、第一注浆孔25、第二注浆孔26、第三注浆孔27、第四注浆孔28、第一球阀29、第二球阀30、第三球阀31、第四球阀32、左限位钢管33、右限位钢管34、第一注浆管路35、第二注浆管路36、第三注浆管路37、第四注浆管路38。

第一注浆孔25、第二注浆孔26、第三注浆孔27、第四注浆孔28、沿模拟盾壳3右端面均匀布置，第一注浆孔25与第一球阀29通过第一注浆管路35相连，第二注浆孔26与第二球阀30通过第二注浆管路36相连，第一注浆管路35和第二注浆管路36用上部注浆泵16控制，第三注浆孔27与第三球阀31通过第三注浆管路37相连，第四注浆孔28与第四球阀32通过第四注浆管路38相连，第三注浆管路37和第四注浆管路38用下部注浆泵17控制。注浆泵为螺杆计量泵，能够调节浆液的流量，通过上部注浆泵16、下部注浆泵17的流量控制与管路球阀的开关，可以单独控制4个注浆孔中的浆液流量，进而实现不同注浆方式下的同步注浆试验。

所述的压力传感器包括水土压力传感器6和衬砌压力传感器10；衬砌压力传感器10位于模拟管片2的外筒壁内，沿模拟管片2环向均匀设有多个衬砌压力传感器10，用以量测盾尾空隙13内的浆液压力，水土压力传感器6位于隧道周围模型土8中，沿隧道周围设有多个，用以量测模拟盾壳3掘进过程中地层水土压力的变化情况。

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

图1为本发明的结构示意图。其中，管片2为透明的有机玻璃质圆筒状构件，右侧开口端与右端盖21固定，且同轴设置。钢制导向桶22为两端开口的钢质圆管状构件，其轴线水平地设置于所述土箱1之中，钢制导向桶22左侧开口端与所述左端盖20同轴设置，用螺栓固定，并与左侧土箱开口处焊接固定，右侧开口端紧密地套在钢质模拟盾壳3外侧，模拟盾壳3则紧密地套在模拟管片2外侧，模拟盾壳3的右端与右端盖上连接杆14、右端盖下连接杆15搭接，模拟管片2的右端与右端盖螺栓固定，右端盖上连接杆14、右端盖下连接杆15分别与土箱1焊接固定，模拟盾壳3能沿钢制导向桶22的内壁与模拟管片2的外壁进行轴向水平滑移。

推进液压缸9的缸体与左端盖20螺栓固定，其拉杆23与模拟盾壳3螺栓固定，拉杆23的伸缩带动模拟盾壳3的水平移动。通过推进液压缸9的拉杆24的伸缩速度，可以实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验，同时，浆液的总流量需要与盾构掘进速度相匹配；通过模型土8顶部的加载系统7，对模型土体施以不同的上覆荷载，实现不同盾构埋深下的同步注浆试验。

图2为图1中A部的局部放大图。所述衬砌压力传感器10埋设在管片2的外筒壁内，并确保压力计的受力端与管片外弧面齐平，沿管片环向均匀布置多个，用以量测盾尾空隙13内的浆液压力，地层水土压力传感器6埋设于隧道周围模型土8中，沿隧道周围布置多个，用以量测模拟盾壳3掘进过程中地层水土压力的变化情况，所有的压力传感器均与用于记录数据的检测电路相连接。盾尾密封圈12设于模拟盾壳3的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙13内浆液沿着模拟盾壳3与模拟管片2之间的间隙渗漏。

图3为图1中注浆系统示意图。共有4个注浆孔沿模拟盾壳3右端面均匀布置，所述钢质导向桶22紧密地套在模拟盾壳3外围，所述限位钢管设于钢质导向桶22底部。第一注浆孔25与第一球阀29通过第一注浆管路35相连，第二注浆孔26与第二球阀30通过第二注浆管路36相连，第一注浆管路35和第二注浆管路36用上部注浆泵16控制，第三注浆孔27与第三球阀31通过第三注浆管路37相连，第四注浆孔28与第四球阀32通过第四注浆管路38相连，第三注浆管路37和第四注浆管路38用下部注浆泵17控制。

注浆泵为螺杆计量泵，能够调节浆液的流量，通过上部注浆泵16、下部注浆泵17的流量控制与管路球阀的开关，可以单独控制4个注浆孔中的浆液流量，进而实现不同注浆方式下的同步注浆试验。

在使用本发明所述盾构隧道同步注浆模拟试验方法进行试验之前，首先要在室内配置符合相似比要求的模型浆液与模型土，随后将盾构系统安装就位（参见图1），在现场将模型土以每层15cm的厚度分层填入土箱1，并分层压实，模型土的现场固结时间用土体密度进行控制，之后在上路浆液桶18、下路浆液桶19内放入足量的模型浆液。试验开始后，推进液压缸9以一定的速度回缩，通过拉杆24拉动模拟盾壳3以相同的速度向左侧水平移动，同时调节注浆泵流量，以相匹配的浆液流量将模型浆液通过选定的注浆管路注入盾尾空隙13，注浆过程中，以摄像或照片的形式记录浆液的流动与扩散过程，并实时采集衬砌压力与地层水土压力。

通过本发明所进行的盾构隧道同步注浆试验，技术人员能够观察和研究不同工况与不同注浆方式下的同步注浆过程，进而可以研究盾构掘进速度、盾构覆土深度、注浆位置、浆液流量（注浆压力）等参数对同步注浆效果的影响，可以研究浆液在盾尾空隙内的流动与扩散机理，进而可以得出不同注浆方式下盾尾空隙的最佳充填模式，通过监测的衬砌压力与地层水土压力随注浆方式的变化情况，可以研究浆液与地层的相互作用机理，为减少同步注浆对地层扰动的研究提供了良好的研究平台，为盾构隧道同步注浆的地层适应性研究提供了条件。

本模拟系统中的模型浆液也是严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间等主要参数对应的相似比进行换算，并利用旋转粘度计检验后配置而成的。用于配置模型浆液的原料主要包括水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水。采用该系统进行试验时，可根据实际使用的浆液配置相应的模型浆液。

本模拟系统中的模型土是严格按照土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量等主要参数对应的相似比进行换算，并通过室内压缩试验、直接剪切试验检验后配置而成的。用于配置模型土的主要原料包括粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土等。采用该系统进行试验时，可根据实际土层的性质配置相应的模型土。

本模拟系统同步注浆试验平台中的土箱为方形箱体构件，可根据模型试验的比例及盾构的埋深来确定土箱的尺寸及大小。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于：包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中；

所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中，盾构推进控制系统推动模拟盾构机向前掘进过程中，通过加载系统对模型土施加荷载，同时注浆系统将模型浆液注入模型土，通过压力传感器测得模型土的压力变化。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于：所述的模拟盾构机包括模拟管片、模拟盾壳、推进液压缸、注浆管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端盖上连接杆、右端盖下连接杆、左端盖、右端盖、导向桶、拉杆、左限位钢管、右限位钢管；

所述导向桶通过两根固定连接在土箱两侧的左限位钢管、右限位钢管固定在土箱中，其左侧开口端用螺栓与左端盖连接，右侧开口端紧密套在左端开口、右端封闭的模拟盾壳外侧；模拟盾壳右端与焊接在土箱上的右端盖上连接杆、右端盖下连接杆搭接；模拟盾壳与推进液压缸的拉杆采用螺栓连接，模拟盾壳紧密地套在左端封闭右端开口的模拟管片外侧，通过推进液压缸的拉杆实现沿导向桶内壁和模拟管片外壁进行轴向滑移；模拟管片右端与右端盖用螺栓固定；推进液压缸的缸体与左端盖采用螺栓固定，右端固定在模拟盾壳左封闭端上；利用注浆管路将模型浆液注入盾尾空隙，盾尾密封圈设于模拟盾壳的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙内浆液沿着模拟盾壳与模拟管片之间的间隙渗漏。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于：

所述的注浆系统包括注浆控制系统、上路注浆泵、下路注浆泵、上路浆液桶、下路浆液桶、第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀、左限位钢管、右限位钢管、第一注浆管、第二注浆管、第三注浆管、第四注浆管；

第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、沿模拟盾壳右端面均匀布置，第一注浆孔与第一球阀通过第一注浆管路相连，第二注浆孔与第二球阀通过第二注浆管路相连，第一注浆管路和第一注浆管路由上部注浆泵控制，第三注浆孔与第三球阀通过第三注浆管路相连，第四注浆孔与第四球阀通过第四注浆管路相连，第三注浆管路和第四注浆管路由下部注浆泵控制。

4.根据权利要求3所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于：

所述注浆泵为能够调节浆液的流量的螺杆计量泵；或/和，

所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于：

所述的压力传感器包括水土压力传感器和衬砌压力传感器；衬砌压力传感器设置于模拟管片的外筒壁内，沿模拟管片环向均匀设置有多个衬砌压力传感器，用以量测盾尾空隙内的浆液压力；沿隧道周围模型土中设置有多个水土压力传感器，用以量测模拟盾壳掘进过程中地层水土压力的变化情况。

6.运用权利要求1所述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，其特征在于：包括：

1）、配制模型土；

2）、配制模型浆液；

3）、构建盾构—土体—浆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。

7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤1）中所述模型土的配置，按照等土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量主要参数对应的相似比进行换算，利用室内压缩试验、直接剪切试验配置符合相似比要求的模型土；或/和，

模型土的主要原料为粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土，试验时，首先对室内一定上覆荷载作用下特定含水量的土体进行密度测试，得到在多大的上覆荷载下固结多长时间才能得到所要的土体密度，再对该密度的土样试验，直至它的粘聚力、摩擦角与压缩模量达到相似比要求。

8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤2）中所述模型浆液的配置，严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制符合相似比要求的模型浆液；或/和，

模型浆液的主要原料为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水，试验时，首先对一定重度的浆液在室内进行初凝时间与泌水率的测试，得到初凝时间符合相似比要求的浆液，再对该浆液进行试验，直至它的初始粘度与屈服强度达到相似比要求。

9.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤3）中通过控制液压油缸推进速度的变化，实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验。

10.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤3）中通过在模型土箱内填入不同高度的所述模型土，必要时在土体顶部施加一定的上覆荷载，实现不同盾构埋深条件下的同步注浆试验。