CN104897527A - 可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台及应用 - Google Patents

Abstract

一种可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，包括实现室内可视化环境功能而配置的模型土和模型浆液、缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置和商用粒子图像测速系统，所述模型土、模型浆液均采用透明土配置而成，模型土用来实现可视化的盾构环境，模型浆液通过缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置扩散。本发明还公开了该平台的应用，利用可视化环境能够动态模拟且精确观测不同工况下类矩形盾构机同步注浆的全过程，为类矩形盾构机注浆管的布设方案研究提供方便的研究平台，为类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究提供了条件。

Description

可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台及应用

技术领域

本发明属于隧道及地下工程领域，涉及适用于隧道工程中的类矩形盾构同步注浆技术。

背景技术

盾构法因其先进的施工工艺和不断完善的施工技术、地层适应性强以及对周围环境影响小、不受气候及地面交通影响等优点,在国内外城市地下隧道的建设中得到了广泛应用。然而,由于受地质条件和施工工艺的限制,实践表明盾构法施工不可避免地会对周围土体产生扰动,引起地层移动、土体应力和细观结构的变化等,严重时可能造成周围建筑物、地下管线等设施的破坏。迄今已有许多学者对盾构隧道施工引起土体变形的一系列问题进行过研究,可以概括为：1)现场观测或模型试验；2)随机介质理论、孔柱扩张理论和弹塑性理论分析；3)有限元、差分法等数值模拟。其中后面两种方法的正确性必须用实际测量的数据予以检验。由于现场观测盾构施工对土体的扰动,实际操作比较困难,目前模型试验仍然不失为一种直接有效的方法。

现阶段基于透明土的常规模型试验有：Nakai等在砂土的盾构隧道试验中，用实心圆柱体模拟隧道，通过逐步移走隧道周围的空心套管来模拟盾构推进形成的地层损失。Kirsch试验研究了干密砂和干松砂的开挖面失稳模式，发现在相同开挖面位移下，密砂的破坏区没有到达地表，而松砂则成烟囱形破坏。朱合华、徐前卫等在人工配制的模型土中进行掘进模拟，探讨盾构机工作参数和地层物理力学特性之间的地层适应性理论。李君、陈仁朋进行了1g模型试验，研究干砂地层中盾构开挖面破坏模式，揭示了开挖面支护力及地表沉降与开挖面位移之间的关系。

可见，现有模型试验多偏重于盾构开挖后土体表面的变形、支护压力与开挖面的稳定性以及地层适应性研究，而对于盾构施工尤其是类矩形盾构施工过程同步注浆浆液扩散模式的研究则处于空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可视化环境下类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，利用可视化环境能够动态模拟且精确观测不同工况下类矩形盾构机同步注浆的全过程，为类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究提供了条件。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种可视化环境下类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，包括透明玻璃箱、模拟盾尾、注浆管布设点位、模拟管片、紧固螺栓、推进液压缸、密封垫圈、遇水膨胀盾尾圈、盾尾刷、注浆泵、激光片光源、CCD照相机、图像采集设备、装有图像处理软件的计算机终端、支架；

所述模拟盾尾沿中轴线水平地固接于有机玻璃箱的左侧壁上；所述模拟管片沿前述同一中轴线利用紧固螺栓水平地固接于有机玻璃箱的右侧壁上；所述模拟盾尾和模拟管片的间隙设置盾尾刷；模拟管片的末端固结遇水膨胀盾尾圈；所述模拟盾尾同轴地套置于模拟管片的外周以借助推进液压缸进行轴向滑移，其筒壁内设置有注浆孔，注浆孔的分布与注浆管布设点位相对应，所述注浆孔与外设注浆泵通过对称的上下两个管路连接；激光片光源固定在支架上对同步注浆发生的断面提供面光源；CCD相机垂直于同步注浆发生的断面以记录土颗粒的位置变化并将信息传输给图像采集设备，连接装有图像处理软件的计算机终端进行数据的处理。

所述透明箱优选有机玻璃箱。

所述模拟盾构机的截面形式为类矩形以模拟类矩形盾构机同步注浆浆液施工过程。

所述模拟盾构外壳与有机玻璃箱左壁间加设密封衬垫圈，用以隔绝透明土间隙液的渗漏。

所述模拟管片与模拟盾构外壳接缝处加设模型盾尾刷；在接缝末端设有遇水膨胀盾尾圈，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。

所述有机玻璃箱中设有透明土，通过在有机玻璃箱内填入不同高度的模型土以及必要时

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；

优选的，所述透明土由正十二烷与白矿油按重量比混合而成，要求与自然土的比重接近；无色形态，稳定性良好；不溶于水且不与水以及模拟孔隙流体的液体发生反应；耐高压，透光性好，具有良好的透明度等特征。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。

向模拟盾尾间隙中注入的浆液为模型浆液，为保证PIV系统的成像清晰度，所述模型浆液必须与透明土有相同折射率。模型浆液必须严格按照浆液重度、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。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。

透明土采用的石英砂的颗粒粒径在0.1～1cm，而激光器的线宽越小，在光源到达的一定距离内需要的功率越大，仪器的精度也越高；另外，用于测试系统的光源还应当有充足的照度且光源亮度均一稳定，本系统规定激光片光源在1m范围内厚度不得大于1mm。

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，该方法包括模型土的配置和模型浆液的配置。

借助所述模型和方法，可视化环境下类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台可完成盾尾空隙浆液充填过程与扩散机理试验。

借助所述模型和方法，可视化环境下类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台可完成不同浆液注入率下盾尾空隙充填效果试验。

借助所述模型和方法，在不计类矩形盾构开挖面地层稳定性与隧道周围地层水土压力影响的前提下，在体积相对固定的盾尾空隙环状空间内，在确保盾尾空隙的有效充填的情况下，研究不同注浆孔数量、不同注浆位置与不同的浆液流量分配的浆液在盾尾空隙内的填充过程及其扩散机理。

借助所述模型和方法，可以研究在特定的注浆方式下，盾尾空隙浆液注入率的变化对周围地层水土压力与位移趋势的影响，可对比分析盾尾空隙从不完全充填到完全充填，再到过量充填过程中盾尾空隙的充填效果与周围地层的具体反应。

优选的，预制注浆管连接点位可用于模型试验中多种注浆孔排布方式的模拟，提供15°、25°、30°、45°、60°、90°点位，共24个点位，可在此基础上调整注浆管的数量和布设方式，设计多重模拟方案。所述注浆管点位通过密封胶塞封住以在不连接注浆管时可以防止模型浆液沿管路回流。

优选的，所述注浆管布设点位按照以下规律分布在盾尾的截面上：注浆管布设点位关于类矩形断面的两个对称轴对称分布，每个象限中设有15°、25°、30°、45°、60°、90°六个点位，共计24个点位；注浆管外径与盾尾间隙相同。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：通过本发明所进行的可视化环境下类矩形盾构掘进机同步注浆试验，能够动态模拟且精确观测不同工况下类矩形盾构机同步注浆的全过程，技术人员能够观察和研究不同工况下类矩形盾构机的同步注浆过程，以及研究推进速度、注浆流量、注浆压力等不同工艺参数对同步注浆效果的影响，利用本发明为建立类矩形盾构同步注浆浆液扩散模型的研究奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例可视化环境下类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究研究平台的示意图。

图2是本发明实施例模拟盾尾刷和遇水膨胀盾尾圈局部放大图。

图3是本发明实施例注浆界面注浆管布设点位示意图。

图4是本发明实施例粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，以下简称PIV)观测平台设备连接示意图。

图中标号：1—有机玻璃箱，2—模拟盾尾，3—注浆管布设点位，4—模拟管片，5—紧固螺栓，6—推进液压缸，7—密封垫圈，8—遇水膨胀盾尾圈，9—盾尾刷，10—注浆泵，11—激光片光源，12—CCD照相机，13—图像采集设备，14—装有图像处理软件的计算机终端，15—支架。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

一种可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，该平台能全断面、多维度、高精度、全过程观测类矩形盾构同步注浆浆液扩散。该模拟研究平台由为实现室内可视化环境功能而配置的模型土和模型浆液、缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置和商用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，以下简称PIV)系统三部分组成。所述模型土、模型浆液均采用透明土配置而成，模型土用来实现可视化的盾构环境，模型浆液通过缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置扩散。本发明主要通过缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置实现在可视化的土体内部环境下同步注浆浆液的物理扩散，并利用PIV数字图像处理系统直接观测、记录和显现同步注浆浆液的扩散过程。所述模型浆液通过布设位点可调的注浆管注射，可模拟不同工况下同步注浆浆液的物理扩散。所述系统配备了特制的防水密封装置，防止机构衔接处的间隙渗漏。本发明利用可视化环境能够动态模拟且精确观测不同工况下类矩形盾构机同步注浆的全过程，为类矩形盾构机注浆管的布设方案研究提供方便的研究平台，为类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究提供了条件。

如图1所示，类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，包括有机玻璃箱1、模拟盾尾2、注浆管布设点位3、模拟管片4、紧固螺栓5、推进液压缸6、密封垫圈7、遇水膨胀盾尾圈8、盾尾刷9、注浆泵10、激光片光源11、CCD照相机12、图像采集设备13、装有图像处理软件的计算机终端14、支架15。

模拟盾尾2沿中轴线水平地固接于有机玻璃箱1的左侧壁上，二者接缝处设密封垫圈7。模拟管片4沿前述同一中轴线利用紧固螺栓5水平地固接于有机玻璃箱1的右侧壁上。模拟盾尾2和模拟管片4的间隙设置三圈盾尾刷9，模拟管片4的末端固结遇水膨胀盾尾圈8。模拟盾尾2同轴地套置于模拟管片4的外周且能够借助推进液压缸6进行轴向滑移，其筒壁内设置有注浆孔，注浆孔的分布与注浆管布设点位3相对应，注浆孔与外设注浆泵10通过对称的上下两个管路连接。激光片光源11固定在支架15上对同步注浆发生的断面提供面光源，CCD相机12垂直于同步注浆发生的断面记录土颗粒的位置变化，并将信息传输给图像采集设备13，最终通过装有图像处理软件的计算机终端14进行数据的处理。

如图2所示，模拟管片与模拟盾构外壳接缝处加设三处模型盾尾刷9，在接缝末端设遇水膨胀盾尾圈8，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。

如图3所示，注浆管布设点位3按照一定规律分布在盾尾的截面上，具体如下：注浆管布设点位3关于类矩形断面的两个对称轴对称分布，每个象限中设有15°、25°、30°、45°、60°、90°六个点位，共计24个点位，点位编号如图3。注浆管外径与盾尾间隙相同。

如图4所示，激光片光源11固定在支架15上对同步注浆发生的断面提供面光源，CCD相机12垂直于同步注浆发生的断面布设，CCD相机12与图像采集设备13连接，图像采集设备13连至装有图像处理软件的计算机终端14。

实施时，首先按照土工实验规程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。

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，并满足PIV系统需要的透明度要求。

在使用本发明所述类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台进行试验之前，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，在现场将模型土以每层15cm的厚度分层填入有机玻璃箱，并分层压实，模型土的现场固结时间用土体密度进行控制，之后在注浆泵中放入足量的模型浆液。根据试验方案，选择合适的注浆管数量和注浆管布设点位，其余空置点位用密封胶塞封住，防止注浆时浆液回流。例如：图3中a、b、c、d、a-3、b-3、c-3、d-3八个点位连接注浆管，其余点位用密封胶塞封住，即可模拟在0°、30°、90°布设注浆管这种工况下的同步注浆浆液扩散。

试验开始后，推进液压缸6以一定的速度回缩，具体回缩速度由实际施工中盾构机推进速度按照比例确定。推进液压缸6拉动模拟盾尾2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。利用注浆泵10可监测注浆过程中的注浆量和注浆压力。PIV系统可记录下注浆过程，基本流程如下：CCD相机记录浆液的流动与扩散过程并传递给图像采集设备，最终由装有图像处理软件的计算机终端对数据进行处理便于浆液扩散规律的直观显现。

综上所述，本发明所述的可视化环境下类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台经试制试用被证明效果良好，实践证明具有如下长足之处：

1)结构简单明了，安装及拆卸简便，可重复利用；

2)与同步注浆相关的各个参数精确可控；

3)适用各种工况下类矩形盾构机同步注浆施工过程的模拟；

4)采用了透明土和PIV等新技术新方法，实验结果准确可信；

本发明通过特殊材料配置透明的模型土和模型浆液，利用透明模型土、透明模型浆液、透明模型盾壳、透明模型土箱构建一套盾构同步注浆可视化环境，并通过缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置在室内实现盾构掘进过程中同步注浆的物理扩散行为，同时借助PIV数字图像处理技术，观测、记录和显现不同性质土层、不同控制参数下同步注浆扩散模式，探索类矩形盾构机型注浆管合理布设方式。

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)

1.一种可视化类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：包括透明箱、模拟盾尾、注浆管布设点位、模拟管片、紧固螺栓、推进液压缸、密封垫圈、遇水膨胀盾尾圈、盾尾刷、注浆泵、激光片光源、CCD照相机、图像采集设备、装有图像处理软件的计算机终端、支架；

所述模拟盾尾沿中轴线水平地固接于透明箱的左侧壁上；所述模拟管片沿前述同一中轴线利用紧固螺栓水平地固接于透明箱的右侧壁上；所述模拟盾尾和模拟管片的间隙设置盾尾刷；模拟管片的末端固结遇水膨胀盾尾圈；所述模拟盾尾同轴地套置于模拟管片的外周以借助推进液压缸进行轴向滑移，其筒壁内设置有注浆孔，注浆孔的分布与注浆管布设点位相对应，所述注浆孔与外设注浆泵通过对称的上下两个管路连接；激光片光源固定在支架上对同步注浆发生的断面提供面光源；CCD相机垂直于同步注浆发生的断面以记录土颗粒的位置变化并将信息传输给图像采集设备，连接装有图像处理软件的计算机终端进行数据的处理。

2.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：所述模拟盾构机的截面形式为类矩形以模拟类矩形盾构机同步注浆浆液施工过程。

3.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：所述模拟盾构外壳与透明箱左壁间加设密封衬垫圈，用以隔绝透明土间隙液的渗漏；

所述透明箱为有机玻璃箱。

4.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：所述模拟管片与模拟盾构外壳接缝处加设模型盾尾刷；在接缝末端设有遇水膨胀盾尾圈，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。

5.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：所述透明箱中设有透明土，通过在透明箱内填入不同高度的透明土以及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；

优选的，所述透明土由正十二烷与白矿油按重量比混合而成，与自然土的比重接近；无色形态，稳定性良好；不溶于水且不与水以及模拟孔隙流体的液体发生反应；耐高压，透光性好，具有良好的透明度等特征。

6.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：为保证PIV系统的成像清晰度，向模拟盾尾间隙中注入的模型浆液满足以下要求：

所述模型浆液与透明土有相同折射率；所述模型浆液必须严格按照浆液重度、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。

7.根据权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台，其特征在于：所述透明土采用的石英砂的颗粒粒径为0.1～1cm；用于测试系统的光源具有充足的照度且光源亮度均一稳定；优选的，所述激光片光源在1m范围内厚度不得大于1mm。

8.权利要求1至7中任一所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台的应用，，其特征在于：通过缩尺类矩形盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置实现在可视化的土体内部环境下同步注浆浆液的物理扩散，并利用PIV数字图像处理系统直接观测、记录和显现同步注浆浆液的扩散过程；所述模型浆液通过布设位点可调的注浆管注射，模拟不同工况下同步注浆浆液的物理扩散；利用可视化环境能够动态模拟且精确观测不同工况下类矩形盾构机同步注浆的全过程，为类矩形盾构机注浆管的布设方案研究提供方便的研究平台，为类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究提供了条件。

9.根据权利要求8所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台的应用，其特征在于：

借助所述可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台能完成盾尾空隙浆液充填过程与扩散机理试验；或者，

借助所述可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台能完成不同浆液注入率下盾尾空隙充填效果试验；或者，

借助所述可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，在不计类矩形盾构开挖面地层稳定性与隧道周围地层水土压力影响的前提下，在体积相对固定的盾尾空隙环状空间内，在确保盾尾空隙的有效充填的情况下，研究不同注浆孔数量、不同注浆位置与不同的浆液流量分配的浆液在盾尾空隙内的填充过程及其扩散机理；或者，

借助所述可视化类矩形盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，研究在特定的注浆方式下，盾尾空隙浆液注入率的变化对周围地层水土压力与位移趋势的影响，对比分析盾尾空隙从不完全充填到完全充填，再到过量充填过程中盾尾空隙的充填效果与周围地层的具体反应。

10.根据权利要求8所述的类矩形盾构同步注浆模拟研究平台的应用，其特征在于：

预制注浆管连接点位能用于模型试验中多种注浆孔排布方式的模拟，提供15°、25°、30°、45°、60°、90°点位，共24个点位；在此基础上调整注浆管的数量和布设方式，设计多重模拟方案；优选的，所述注浆管布设点位按照以下规律分布在盾尾的截面上：注浆管布设点位关于类矩形断面的两个对称轴对称分布，每个象限中设有15°、25°、30°、45°、60°、90°六个点位，共计24个点位；注浆管外径与盾尾间隙相同。