CN104989423B - 可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台及其应用 - Google Patents

Abstract

一种可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，包括：模型箱装置，其为整个试验提供空间；与所述模型箱装置连接的同步注浆物理过程模拟试验装置，其用以实现对同步注浆过程的控制、模拟实际注浆过程；PIV数字图像处理系统，其用以观察并记录浆液在盾尾间隙的扩散过程，获取试验数据用于分析。其应用包括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，并利用商用的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，该平台的优势在于首次在室内试验中整体性地观测单圆盾构机型同步注浆浆液的动态复杂扩散过程，为不同地层内单圆盾构同步注浆理论和控制技术提供有效的研究平台。

Description

可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台及其应用

技术领域

本发明属于隧道及地下工程领域，涉及适用于盾构隧道同步注浆和控制技术。

背景技术

盾构隧道施工过程中，随着盾构机的不断掘进，位于盾构壳内部的拼装管片会脱出盾壳，由于盾构机外径比管片外径大，不可避免在盾尾形成一定厚度的圆环形空隙，称为盾尾间隙。对于单圆形盾构机械同步注浆孔布置位置一般为直角坐标系斜45度角对称布置同步注浆理想状态下完全填充盾尾间隙，并不对周边地层产生土体扰动时，地层变形控制得较好，而实际工程盾构推进同步注填浆液时，盾尾间隙外侧的土体也在同步变形，注浆填充效果、浆液层和外部土层的相互接触渗透受同步注浆浆液扩散模式的影响，但此动态非线性复杂物理过程难以通过理论进行有效推导，同时试验观测由受制于土体内部注浆难以观测。

目前通过建立可视化环境研究同步注浆浆液扩散模式的模型试验研究未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可视化环境下单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散模式研究平台。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种可视化环境下单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，包括为实现室内可视化环境功能而配置的模型箱装置、缩尺单圆盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置和观测可视化环境下浆液扩散的PIV(Particle Image Velocimetry)数字图像处理系统。

整个系统大致可分为三个部分：第一部分为模型箱装置，该装置为整个试验提供空间；第二部分为同步注浆物理过程模拟试验装置，该装置是系统的主要组成部分，主要用以实现对同步注浆过程的控制，模拟实际注浆过程；第三部分为PIV数字图像处理系统，该装置用以观察并记录浆液在盾尾间隙的扩散过程，获取试验数据用于分析。

第一部分为模型箱，在其内部充填透明土，模型箱左侧壁预留孔径，第二部分与第一部分的连接主要通过模型箱左端预留的相应尺寸的孔径进行连接并沿孔径环向布置密封垫，即第二部分中的模拟盾尾通过第一部分中模型箱左侧壁上的预留孔径安装在模型箱内。

第二部分中的模拟管片通过专用固体胶粘结在第一部分模型箱的右侧壁上，而第二部分中的模拟管片同轴的套在模拟盾尾内部并保证其能够沿模拟盾尾内壁轴向滑动，模拟管片和模拟盾尾交界处沿环向布置密封垫，密封垫被专用胶粘接在交接处模拟管片外壁上，第二部分的同步注浆系统中的注浆桶、注浆泵经注浆管连接到模拟盾尾的左侧壁上，实现在盾尾间隙注浆的功能，第二部分中盾构推进系统经液压推进缸连接到模拟盾尾的左端面，保证模拟盾尾受盾构推进系统控制沿轴向滑移。

第三部分中的CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机布置在第一部分模型箱右侧壁外，使相机正对模拟管片横截面，保证其能够拍摄到清楚的断面图像，第三部分中的高功率激光器布置在模型箱外正面，保证激光能够照亮模拟盾尾的某一横断面，计算机的布置无特别讲究，不影响试验进行即可，CCD相机、计算机和高功率激光器间通过专用数据线电缆连接，保证数据传输的同时性和完整性。

进一步，所述的可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台包括试验土箱、模拟管片、模拟盾尾、同步注浆控制系统、盾尾刷、密封胶垫、密封胶垫、透明模型土、左端盖、盾构液压顶进缸、盾构推进控制系统、注浆泵、浆液通、注浆管、CCD相机、支杆、激光源；

所述试验土箱内装有透明模型土用以模拟地层，试验土箱一端带有左端盖，该端连接盾构机液压推进缸，模拟管片右端固结在试验土箱左右侧壁上，轴线与地面水平，模拟管片横截面设置有注浆孔，注浆孔内设置有注浆管，注浆管一端连接浆液通，一端伸向盾尾间隙实现注浆，注浆速度受注浆泵控制；试验土箱、左端盖与模拟管片接缝处采用橡胶密封垫密封，模拟管片与模拟盾尾接缝处采用橡胶密封垫及盾尾刷密封；盾构机液压推进缸端部连接盾构推进控制系统；在模型土箱上方及侧面分别设置激光片源，同时配备高像素CCD相机，高像素CCD相机与计算机连接。

所述试验土箱横截面为方形，采用钢材料制成。

所述模拟管片采用透明材料优选有机玻璃制成，呈圆筒状，用以模拟隧道砌衬，其右端固结在试验土箱右侧壁，试验土箱左侧开口，右侧封闭。

所述模拟盾尾与模拟管片同轴布置，模拟管片在模拟盾尾内侧，模拟盾尾受盾构推进系统作用而能够沿模拟管片外侧滑移；模拟盾尾上对称布置有注浆孔，优选4个注浆孔，利用注浆系统将模型浆液注入盾尾空隙；在试验土箱左侧开口与模拟盾尾结合处沿整个环向布置盾尾密封圈，模拟管片与模拟盾尾间设置两处密封装置，用以隔绝盾尾空隙内的浆液沿着模拟盾尾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、注浆管路设备；注浆控制系统能够对同步注浆压力、流量、速度等注浆参数进行实时调节；注浆管路设备包括盛放模型浆液的浆液桶，优选为四个，分别服务于每个注浆孔；包括为注浆提供动力装置的注浆泵，优选共四套，分别服务于每个注浆孔；包括满足盾尾空隙尺寸要求的注浆管，优选共四根，将四个注浆孔分别经注浆泵连接到注浆桶。

设置以下三处密封装置以防止浆液流失：在模拟管片左端部环向设置有密封垫；在模拟管片与模拟盾尾之间设置有盾构刷，其间充填油脂；在模拟盾尾与试验土箱左侧壁上设置有密封垫。

所述模型土和模型浆液具有相近的物理性质及稳定的化学性质，二者的折射系数相匹配，粘度和密度相近；合成透明土的土体颗粒的材料具有与自然土相近的物理性质、稳定的化学性质以及良好的透明性；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；优选的，配置所述模型土的材料为无定形硅石凝胶、无定形硅石粉末或熔融石英砂；优选的，通过正十二烷与白矿油混合或由溴化钙溶于水之后配置所述模型浆液。

通过缩尺单圆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；另外，在不对土层结构造成扰动的情况下，利用PIV数字图像处理系统对单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散过程进行全方位观察并记录，为浆液扩散模式的理论研究提供试验基础。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：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，并通过缩尺单圆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；另外，在不对土层结构造成扰动的情况下，利用PIV数字图像处理系统对单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散过程进行全方位观察并记录，为浆液扩散模式的理论研究提供试验基础。

本发明可以实现在可视化环境下对浆液的扩散进行更为精确、高效地观察；同时，本发明将PIV数字图像处理技术应用到对盾构隧道同步注浆浆液扩散过程的观察，在此观测过程，观测仪器并未与模型土、模型浆液直接接触，确保了数据的可信度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1中所示A-A截面示意图(注浆孔布置示意图)。

图3为CCD相机、激光源布置示意图。

图4为本发明实施例盾构刷的放大示意图。

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。

请参阅图1，图示可视化条件下单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，包括试验土箱1、模拟管片2、模拟盾尾3、同步注浆控制系统4、盾尾刷5、密封胶垫6、密封胶垫7、模型土8、左端盖9、盾构液压顶进缸10、盾构推进控制系统11、注浆泵12、浆液通13、注浆管14、CCD相机15、支杆16、激光源17。

试验土箱1内装有透明模型土8用以模拟地层，试验土箱1一端带有左端盖9，该端连接盾构机液压推进缸10，模拟管片2右端固结在试验土箱1右侧壁上，轴线与地面水平，模拟盾尾3横截面设置有注浆孔，注浆孔内设置有注浆管14，注浆管一端连接浆液通13，一端伸向盾尾间隙实现注浆，注浆速度受注浆泵12控制；试验土箱1、左端盖9与模拟管片3接缝处采用橡胶密封垫7密封，模拟管片2与模拟盾尾3接缝处采用橡胶密封垫6及盾尾刷5密封。盾构机液压推进缸10端部连接盾构推进控制系统11。在模型土箱1上方及侧面分别布置激光片源17，同时配备高像素CCD相机，高像素CCD相机15与计算机例如PC机连接。

所述试验土箱1横截面为方形，采用钢材料制成，试验土箱1为整个试验平台提供场所，在土箱内部充填透明模型土8并布设其它设备，主要包括模拟管片2、模拟盾尾3。

所述模拟管片2采用透明有机玻璃制作而成，呈圆筒状，用以模拟隧道砌衬，模拟管片2的右端固结在试验土箱1上，其轴线与地面(试验土箱1箱底)保持水平。

所述模拟盾尾3为圆筒状构件，用以模拟盾构掘进机的尾部，模拟盾尾3同轴的布置在模拟管片2外侧，并受盾构推进系统11控制能够沿模拟管片2外侧滑移。如图2所示，所述模拟盾尾3的筒壁内对称设置有4个注浆孔，各注浆孔自模拟盾尾3筒壁的前端贯通至该筒壁的后端，用于向模拟盾尾3后方的间隙(盾尾间隙)注入浆液，4个注浆孔沿所述模拟盾尾3横截面对称分布；所述模拟盾尾3与模拟管片2之间设置有密封圈6，且模拟管片2与模拟盾尾3之间设置了盾构刷5，其间可充填适量油脂，以起到密封目的，并在模拟盾尾3左侧贴近箱壁处设置密封圈7，用以模拟真实盾构掘进机盾尾密封的效果，阻止浆液流失。

如图1所示，所述注浆泵12能够实现对浆液流量的调节，注浆泵12一端经注浆管14连接好浆液通13，另一端与注浆孔经注浆管14连接，用以同步注入浆液，该过程受注浆控制系统4控制。

所述盾构推进系统11主要确保模拟盾尾3受液压顶进缸10作用，能够沿着模拟管片2的外侧滑移，并可对推进速度等推进参数实时调节，在模拟盾尾3沿模拟管片2外侧滑移的同时，进行同步注浆。

在使用本发明所述模拟试验平台进行试验之前，必须确保平台各设备能够正常工作，并且模拟盾尾3处于初始状态，即模拟盾尾3应贴合在试验土箱1右侧壁。本发明进行试验的过程可参阅图1，试验开始后盾构推进控制系统11工作，左端盖9受液压顶进缸10作用运动，进而使得模拟盾尾3以一定的速度沿模拟管片2的外侧壁向左滑移，以此模拟盾构机的掘进，模拟盾尾3的推进速度可由盾构推进控制系统11调节；与此同时，注浆泵12以与模拟盾尾3推进速度相匹配的注浆速度通过模拟盾尾3的注浆孔向后侧的盾尾间隙进行同步注浆，此时还可通过注浆控制系统4调节注浆速度、压力、流量等注浆参数；盾构掘进机同步注浆过程的同时，浆液已经开始在盾尾扩散，此时试验土箱1外侧的PIV数字图像处理系统持续工作，主要通过系统中的高速摄像机将不同时刻的土体状态拍摄成片，再经相关软件处理，得出不同时刻浆液的位移，试验人员据此可对浆液在盾尾间隙的扩散进行分析。

模拟盾尾3右端部滑移至模拟管片2左端部时标志着一次试验结束。

利用本发明进行盾构隧道同步注浆模拟试验，能够直接观察浆液在盾尾间隙的扩散过程并对其记录，进而服务于浆液扩散模式的理论研究。

该平台的优势在于首次在室内试验中整体性地观测单圆盾构机型同步注浆浆液的动态复杂扩散过程，为不同地层内单圆盾构同步注浆理论和控制技术提供有效的研究平台。

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 (16)

1.一种可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，其特征在于：包括：

模型箱装置，其为整个试验提供空间；与所述模型箱装置连接的同步注浆物理过程模拟试验装置，其用以实现对同步注浆过程的控制、模拟实际注浆过程；PIV数字图像处理系统，其用以观察并记录浆液在盾尾间隙的扩散过程，获取试验数据用于分析；

所述模型箱装置内部充填透明土，模型箱装置左侧壁预留孔径；所述同步注浆物理过程模拟试验装置中的模拟盾尾通过所述模型箱装置左侧壁上的预留孔径安装在所述同步注浆物理过程模拟试验装置内；

所述同步注浆物理过程模拟试验装置中的模拟管片粘结在模型箱装置的右侧壁上，而所述同步注浆物理过程模拟试验装置中的模拟管片同轴的套在模拟盾尾内部并保证其能够沿模拟盾尾内壁轴向滑动，模拟管片和模拟盾尾交界处沿环向布置密封垫，密封垫被粘接在交接处模拟管片外壁上；所述同步注浆物理过程模拟试验装置的同步注浆系统中的注浆桶、注浆泵经注浆管连接到模拟盾尾的左侧壁上，实现在盾尾间隙注浆的功能；所述同步注浆物理过程模拟试验装置中盾构推进系统经液压推进缸连接到模拟盾尾的左端面，保证模拟盾尾受盾构推进系统控制沿轴向滑移；

所述PIV数字图像处理系统中的CCD相机布置在所述模型箱装置右侧壁外，使CCD相机正对模拟管片横截面，保证其能够拍摄到清楚的断面图像；所述PIV数字图像处理系统中的高功率激光器布置在模型箱外正面，保证激光能够照亮模拟盾尾的某一横断面；CCD相机、计算机和激光器间通过数据线电缆连接，保证数据传输的同时性和完整性。

2.根据权利要求1所述的可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台，其特征在于：所述的可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台包括试验土箱、模拟管片、模拟盾尾、同步注浆控制系统、盾尾刷、密封胶垫、透明模型土、左端盖、盾构液压顶进缸、盾构推进控制系统、注浆泵、浆液桶、注浆管、CCD相机、支杆和激光源；

所述试验土箱内装有透明模型土用以模拟地层，试验土箱一端带有左端盖，该端连接盾构机液压推进缸，模拟管片右端固结在试验土箱左右侧壁上，轴线与地面水平，模拟管片横截面设置有注浆孔，注浆孔内设置有注浆管，注浆管一端连接浆液桶，一端伸向盾尾间隙实现注浆，注浆速度受注浆泵控制；试验土箱、左端盖与模拟管片接缝处采用橡胶密封垫密封，模拟管片与模拟盾尾接缝处采用橡胶密封垫及盾尾刷密封；盾构机液压推进缸端部连接盾构推进控制系统；在模型土箱上方及侧面分别设置激光片源，同时配备CCD相机，CCD相机与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述试验土箱横截面为方形，采用钢材料制成。

4.根据权利要求2所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述模拟管片采用透明材料制成，呈圆筒状，用以模拟隧道砌衬，其右端固结在试验土箱右侧壁，试验土箱左侧开口，右侧封闭。

5.根据权利要求2所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述模拟管片采用有机玻璃制成。

6.根据权利要求2所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述模拟盾尾与模拟管片同轴布置，模拟管片在模拟盾尾内侧，模拟盾尾受盾构推进系统作用而能够沿模拟管片外侧滑移；模拟盾尾上对称布置有注浆孔，利用注浆系统将模型浆液注入盾尾空隙；在试验土箱左侧开口与模拟盾尾结合处沿整个环向布置盾尾密封圈，模拟管片与模拟盾尾间设置两处密封装置，用以隔绝盾尾空隙内的浆液沿着模拟盾尾与模拟管片之间的间隙渗漏。

7.根据权利要求6所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述模拟盾尾上对称布置的注浆孔的个数为四。

8.根据权利要求7所示的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散模式研究平台，其特征在于：所述的注浆系统包括注浆控制系统、注浆管路设备；注浆控制系统能够对同步注浆压力、流量、速度注浆参数进行实时调节；注浆管路设备包括盛放模型浆液的浆液桶，服务于每个注浆孔；所述注浆泵为注浆提供动力，服务于每个注浆孔；所述注浆管满足盾尾空隙尺寸要求，将四个注浆孔分别经注浆泵连接到注浆桶。

9.根据权利要求8所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述浆液桶的个数为四。

10.根据权利要求8所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述注浆泵的套数为四。

11.根据权利要求8所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述注浆管的根数为四。

12.根据权利要求2所示的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散模式研究平台，其特征在于：设置以下三处密封装置以防止浆液流失：在模拟管片左端部环向设置有密封垫；在模拟管片与模拟盾尾之间设置有盾构刷，其间充填油脂；在模拟盾尾与试验土箱左侧壁上设置有密封垫。

13.根据权利要求2所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：所述模型土和模型浆液具有相近的物理性质及稳定的化学性质，二者的折射系数相匹配，粘度和密度相近；合成透明土的土体颗粒的材料具有与自然土相近的物理性质、稳定的化学性质以及良好的透明性；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。

14.根据权利要求13所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：配置所述模型土的材料为无定形硅石凝胶、无定形硅石粉末或熔融石英砂。

15.根据权利要求13所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，其特征在于：通过正十二烷与白矿油混合或由溴化钙溶于水之后配置所述模型浆液。

16.权利要求1至15中任一所述的可视化单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台的应用，其特征在于：通过缩尺单圆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；另外，在不对土层结构造成扰动的情况下，利用PIV数字图像处理系统对单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散过程进行全方位观察并记录，为浆液扩散模式的理论研究提供试验基础。