CN105545325A - 类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，包括：透明状的模拟管片，所述模拟管片置于土体中；套设于所述模拟管片上的外套筒，所述外套筒设有注浆孔；与所述外套筒连接的动力装置，所述动力装置推动所述外套筒移动以使得所述模拟管片与所述土体之间形成注浆间隙；与所述注浆孔连接的注浆装置，用于通过所述注浆孔向所述注浆间隙内注入浆液；以及装设于所述模拟管片外壁面上的压力检测装置，用于测得注浆压力数据和土压力数据。本发明通过透明状的模拟管片设置模拟试验系统，能够直观观测模拟类矩形盾构推进注浆时的浆液状态，还能够直接测得注浆过程中的压力变化，能够较好的进行试验分析。

Description

类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及同步注浆模拟试验系统，特指一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法。

背景技术

随着市政交通建设的加快和周边环境保护要求的提高，在软土地区城市地下通道等工程的施工，对非开挖技术提出了更高的要求，要能够减小对环境影响，适应浅埋的施工条件。类矩形盾构隧道因其断面利用率高、施工成本低、地面沉降控制效果好等特点，受到了广泛的关注，对其的研究应用可谓大势所趋。随着大断面矩形顶管案例的成功实施，对类矩形盾构隧道的研究更是迫在眉睫。当前正处于我国地下空间飞速发展的时期，蕴含着巨大的潜力。类矩形盾构相关技术的研究，能极大提高我国在国际隧道掘进行业中的竞争优势，将我国类矩形盾构设备与施工技术提升到一个全新的水平。同时还将带动类矩形盾构相关配套产品的发展，进而带动整个产业链的发展，对瞄准国际先进水平，开展隧道盾构前沿技术、共性关键技术研究，促进科研成果产业化，实现可持续发展和保持经济稳定增长，具有重要的战略意义。

类矩形盾构的注浆过程在施工过程中非常重要，注浆材料的选取，注浆比例的调配，注浆速度的控制等等都直接影响了管片在土体中的状态。目前，国内对类矩形盾构注浆的研究较少，还没能较好地揭示类矩形盾构注浆过程中的形态和机理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法，解决现有对类矩形盾构注浆研究少，尚未能揭示类矩形盾构注浆过程中的形态和机理的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，包括：

透明状的模拟管片，所述模拟管片置于土体中；

套设于所述模拟管片上的外套筒，所述外套筒的筒壁上设有轴向的注浆孔；

与所述外套筒连接的动力装置，所述动力装置推动所述外套筒移动以使得所述模拟管片与所述土体之间形成注浆间隙；

与所述注浆孔连接的注浆装置，用于通过所述注浆孔向所述注浆间隙内注入浆液；以及

装设于所述模拟管片外壁面上的压力检测装置，用于测得注浆压力数据和土压力数据。

本发明通过透明状的模拟管片设置模拟试验系统，能够直观观测模拟类矩形盾构推进注浆时的浆液状态，还能够直接测得注浆过程中的压力变化，包括注浆压力数据和土压力数据，能够较好的进行试验分析，并且较好的揭示类矩形盾构注浆过程中的形态和机理。本发明的试验系统能够设定不同的注浆比例、不同的注浆率、以及注浆孔位来模拟各种工况，较全面的模拟真实注浆过程，为同步注浆施工提供了可靠的试验数据，对同步注浆具有较大的效益。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的进一步改进在于，还包括装设于所述模拟管片内部的视频监测装置，用于拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况以形成注浆视频数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的进一步改进在于，所述模拟管片的内圈固设有支撑梁，所述支撑梁的顶部和底部固设有安装板，所述安装板用于安装所述视频监测装置，位于顶部的视频监测装置用于拍摄记录所述模拟管片下方的注浆情况，位于底部的视频监测装置用于拍摄记录所述模拟管片上方的注浆情况。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的进一步改进在于，还包括与所述压力检测装置连接的数据采集装置，用于采集所述压力检测装置测得的注浆压力数据和土压力数据，以将所采集的注浆压力数据和土压力数据传送至终端。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的进一步改进在于，所述压力检测装置包括多个土压力盒，所述土压力盒装设于所述模拟管片外壁面上设置的安装槽内。

本发明还提供了一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，包括：

提供透明状的模拟管片，为所述模拟管片套设外套筒，所述外套筒的筒壁上设有轴向的注浆孔；

将所述模拟管片和所述外套筒置于土体中；

推动所述外套筒以使得所述模拟管片和所述土体之间形成注浆间隙；

于所述注浆间隙内通过所述注浆孔注入浆液；以及

监测并获取所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法的进一步改进在于，于所述注浆间隙内通过所述注浆孔注入浆液时，拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况以形成注浆视频数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法的进一步改进在于，拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况，包括：

于所述模拟管片的内圈嵌套支撑梁；

于所述支撑梁的顶部和底部设置安装板；以及

于所述安装板上装设视频监测装置，通过所述视频监测装置拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况，以形成所述注浆视频数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法的进一步改进在于，监测并获取所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据，包括：

于所述模拟管片的外壁面设置压力检测装置，通过所述压力检测装置实时测量所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据；

于所述模拟管片处设置与所述压力检测装置连接的数据采集装置，通过所述数据采集装置采集所述压力检测装置测得的注浆压力数据和土压力数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法的进一步改进在于，所述压力检测装置包括多个土压力盒，所述土压力盒装设于所述模拟管片外壁面上设置的安装槽内。

附图说明

图1为本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的侧视图。

图2为本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的断面结构示意图。

图3为本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统中模拟管片上安装压力检测装置的结构示意图。

图4为本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统中模拟管片外壁面上布设压力检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法，能够测试并且观察类矩形盾构同步注浆试验过程中浆液的流动情况和压力分布情况，为类矩形盾构的研究提供准确的实验数据。该可视化模拟试验系统及方法，通过设置透明状的模拟管片，使得观察同步注浆过程中的浆液情况成为可能；该系统及方法还配置有压力检测装置和视频监测装置，压力检测装置用于实时检测模拟管片外的注浆压力数据和土压力数据，视频监测装置用于拍摄记录注浆过程中的浆液情况，再通过对压力变化和浆液情况进行试验分析，能够综合分析类矩形盾构同步注浆过程中浆液的流动情况，以指导实际施工中的同步注浆过程。下面结合附图对本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的侧视图。参阅图2，显示了本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的断面结构示意图。下面结合图1和图2，对本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统进行说明。

如图1和图2所示，本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统包括模拟管片1、外套筒13、动力装置(图中未示出)、注浆装置(图中未示出)、以及压力检测装置3，模拟管片1为透明状管片，具有一定的强度和较好的可视性，能够用来观测管片外的注浆情况。模拟管片1置于土体中，且模拟管片1为固定状态。外套筒13套设于模拟管片1上，且同模拟管片1一起置于土体中，在外套筒13的筒壁内设有贯通的注浆孔7，该注浆孔7在外套筒13的端面处形成注浆口。动力装置与外套筒13连接，用于推动外套筒13移动使得模拟管片1与土体之间形成注浆间隙。注浆装置与注浆孔7连接，在形成注浆间隙时通过注浆孔7向注浆间隙内注入浆液14，通过注浆孔7向模拟管片1和土体之间注入浆液14实现了模拟同步注浆的过程。压力检测装置3装设于模拟管片1的外壁面上，用于检测模拟管片1外壁面的注浆压力数据和土压力数据。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统还包括装设于模拟管片1内部的视频监测装置5，视频监测装置5用于透过透明状的模拟管片1拍摄记录模拟管片1外的注浆情况以形成注浆视频数据。较佳地，在模拟管片1的内圈嵌套固定有支撑梁2，支撑梁2包括与模拟管片1的类矩形断面相同的环形梁和沿模拟管片1的长度方向设置的连接梁，环形梁沿着模拟管片1的长度方向间隔设置，环形梁之间通过连接梁连接，支撑梁2通过螺栓4与模拟管片1连接紧固，在连接处采用密封胶密封，螺栓4等间距分布，螺栓4距离模拟管片1的端部50mm。在支撑梁2的顶部和底部固设有安装板12，该安装板12用于安装视频监测装置5，位于顶部的视频监测装置5用于拍摄记录模拟管片1下方的注浆情况，位于底部的视频监测装置5用于拍摄记录模拟管片1上方的注浆情况。在支撑梁2的顶部设有两个交叉固定的安装板12，通过交叉固定的安装板12安装的视频监测装置5之间呈一定的角度设置，同样地，在支撑梁的底部设有两个交叉固定的安装板12，通过交叉固定的安装板12安装的视频监测装置5之间呈一定的角度设置，通过呈一定角度设置的视频监测装置5，能够获得较大的拍摄面积，可以对试验全过程进行观测记录，该视频监测装置5较佳为摄像机。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统还包括与压力检测装置3连接的数据采集装置6，数据采集装置6通过导线11与压力检测装置3连接，用于采集压力检测装置3测得的注浆压力数据和土压力数据，该数据采集装置6与终端8连接，用于将采集的注浆压力数据和土压力数据传送至终端8。该终端8可以为计算机。数据采集装置6采用datataker数据采集仪。

本发明中的压力检测装置3包括多个土压力盒，土压力盒装设在模拟管片1外壁面上设置的安装槽内，安装槽的形状适配于土压力盒的外形，安装槽为上宽下窄的结构，使得土压力盒恰好的嵌入到安装槽内。如图3所示，在模拟管片1的外壁面上安装压力检测装置3，且模拟管片1上开设贯通内外的通孔，用于穿设导线11，压力检测装置3通过导线11与邻近的数据采集装置6连接。在压力检测装置3装设于安装槽内后，采用密封胶对缝隙进行密封。

如图4所示，显示了环向展开的模拟管片1上的土压力盒的分布图，为了获得不同位置的注浆压力分布情况，又尽可能的减少土压力盒的布置，土压力盒安装槽稀疏不一、错落有致地布置在模拟管片1的表面，布置较密集的位置以某一点为中心，扩散开来，布置较稀疏的位置间隔较大，但满足一定的分析要求，可较大效益的用于注浆压力的后期分析。结合图2所示，模拟管片1的弧段A和弧段C为位于顶部和底部的弧段，弧段B和弧段D为位于两侧的弧段，在布设土压力盒时，弧段A处的土压力盒设置最为密集，其次是弧段B处的土压力盒较为密集，弧段C和弧段D处的土压力盒较为稀疏，根据需要测量压力的位置布设土压力盒。图4中的方向F为管节延伸的方向。

模拟管片1采用有机玻璃制成，断面为类矩形，长高分别为1800mm、1100mm，跨度为1500mm，通过无色透明的有机玻璃可以清晰的观察模拟管片1外侧的注浆情况。有机玻璃制成的模拟管片1，具有可视性，强度能够满足一定的土压力和轴力要求。

在本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统中，如图1所示，模拟管片1的前端连接有普通管节10，外套筒13部分套设于普通管节10上，由动力装置将外套筒13向前推动，使得外套筒13向普通管节10的方向移动。该动力装置较佳为千斤顶，通过千斤顶将外套筒13拉出，进而通过注浆孔7向模拟管片1和土体之间的注浆间隙注入浆液14，由视频监测装置5拍摄记录注浆的全过程，由压力检测装置3测得注浆压力计稳定后的土压力等数据，进而通过数据采集装置6传输至终端8。

如图1和图2所示，下面对本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统的制作和使用方法进行说明：将模拟管片1置于土体内，并与土体内的普通管节10连接；将压力检测装置3安装在模拟管片1外壁面的安装槽内，并用密封胶密封固定；将支撑梁2套入到模拟管片1的内部，使用螺栓4将支撑梁2与模拟管片1连接；将模拟管片1套入到外套筒13内，外套筒13为钢质结构；将压力检测装置3的导线11就近连接到数据采集装置6上；在模拟管片1内的支撑梁2上设置安装板12，将视频监测装置5安装在安装板12上，调整视频监测装置5的角度以调试摄像范围；为外套筒13连接动力装置和注浆装置；设定数据采集装置6的采集频率，开始采集，数据采集装置6通过压力检测装置3采集压力数据，并传输至终端8，确认无误后进行初始读数。打开视频监测装置5，开始拍摄记录，然后启动动力装置，使得外套筒13向外抽拉，在模拟管片1和土体之间形成注浆间隙，开启注浆装置，通过注浆孔7向注浆间隙内注入浆液14，通过视频监测装置5记录注浆过程中浆液在注浆间隙中的运动情况。数据采集装置6不间断地进行注浆压力和土压力数据的采集。在一组试验完毕后，获取数据采集装置6的各项数据，结合记录数据及照片和录像，综合分析类矩形盾构同步注浆过程中浆液的流动情况。通过设定不同的注浆比例、不同的注浆率、以及注浆孔位来模拟各种不同的工况，能够得到适应于各种工况的试验数据，为实际施工提供指导。

下面对本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法进行说明。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法包括：结合图1和图2所示，提供透明状的模拟管片1，为模拟管片1套设外套筒13，外套筒13具有注浆孔7，该注浆孔7沿着外套筒13的长度方向设置，注浆孔7置于外套筒13的筒壁内，在外套筒13的端面处形成有注浆口；将模拟管片1和外套筒13置于土体中；推动外套筒13以使得模拟管片1和土体之间形成注浆间隙；再通过注浆孔7向注浆间隙内注入浆液14，推动外套筒13形成注浆间隙的同时向注浆间隙内注入浆液14，推动外套筒13和向注浆间隙内注入浆液为同步进行，即边推动边注浆。监测并获取模拟管片1外壁处的注浆压力数据和土压力数据。实现在同步注浆过程中实时监测模拟管片1外壁的压力变化，用于进行试验分析。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法还包括，在通过注浆孔7向注浆间隙内注入浆液14时，拍摄记录模拟管片1外的注浆情况以形成注浆视频数据，由于模拟管片1为透明状，使得拍摄记录注浆情况成为可能。拍摄记录模拟管片1外的注浆情况，包括：于模拟管片1内设置支撑梁2；于支撑梁2的顶部和底部设置安装板12；于安装板12上装设视频监测装置5，通过视频监测装置5拍摄记录模拟管片1外的注浆情况，以形成注浆视频数据。较佳地，视频监测装置5为摄像机，在模拟管片1的内部设置摄像机，调整摄像机的角度，以获得较大的拍摄面积，通过摄像机透过透明状的模拟管片1，将注浆的全过程进行记录拍摄，便于对同步注浆的过程进行全程的观测。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法中监测并获取模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据，包括：于模拟管片1的外壁面设置压力检测装置3，通过压力检测装置3实时测量模拟管片1外壁处的注浆压力数据和土压力数据；于模拟管片1处设置与压力检测装置3连接的数据采集装置6，通过数据采集装置6采集压力检测装置3测得的注浆压力数据和土压力数据。压力检测装置3较佳为多个土压力盒，土压力盒装设在模拟管片1外壁面上设置的安装槽内。

本发明类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法可以通过如下过程来实现，将模拟管片1置于土体内，并与土体内的普通管节10连接；将压力检测装置3安装在模拟管片1外壁面的安装槽内，并用密封胶密封固定；将支撑梁2套入到模拟管片1的内部，使用螺栓4将支撑梁2与模拟管片1连接；将模拟管片1套入到外套筒13内，外套筒13为钢质结构；将压力检测装置3的导线11就近连接到数据采集装置6上；在模拟管片1内的支撑梁2上设置安装板12，将视频监测装置5安装在安装板12上，调整视频监测装置5的角度以调试摄像范围；为外套筒13连接动力装置和注浆装置；设定数据采集装置6的采集频率，开始采集，数据采集装置6通过压力检测装置3采集压力数据，并传输至终端8，确认无误后进行初始读数。打开视频监测装置5，开始拍摄记录，然后启动动力装置，使得外套筒13向外抽拉，在模拟管片1和土体之间形成注浆间隙，同时开启注浆装置，通过注浆孔7向注浆间隙内注入浆液14，通过视频监测装置5记录注浆过程中浆液在注浆间隙中的运动情况。数据采集装置6不间断地进行注浆压力和土压力数据的采集。在一组试验完毕后，获取数据采集装置6的各项数据，结合记录数据及照片和录像，综合分析类矩形盾构同步注浆过程中浆液的流动情况。通过设定不同的注浆比例、不同的注浆率、以及注浆孔位来模拟各种不同的工况，能够得到适应于各种工况的试验数据，为实际施工提供指导。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，其特征在于，包括：

透明状的模拟管片，所述模拟管片置于土体中；

套设于所述模拟管片上的外套筒，所述外套筒的筒壁上设有轴向的注浆孔；

与所述外套筒连接的动力装置，所述动力装置推动所述外套筒移动以使得所述模拟管片与所述土体之间形成注浆间隙；

与所述注浆孔连接的注浆装置，用于通过所述注浆孔向所述注浆间隙内注入浆液；以及

装设于所述模拟管片外壁面上的压力检测装置，用于测得注浆压力数据和土压力数据。

2.如权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，其特征在于，还包括装设于所述模拟管片内部的视频监测装置，用于拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况以形成注浆视频数据。

3.如权利要求2所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，其特征在于，所述模拟管片的内圈固设有支撑梁，所述支撑梁的顶部和底部固设有安装板，所述安装板用于安装所述视频监测装置，位于顶部的视频监测装置用于拍摄记录所述模拟管片下方的注浆情况，位于底部的视频监测装置用于拍摄记录所述模拟管片上方的注浆情况。

4.如权利要求1或2所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，其特征在于，还包括与所述压力检测装置连接的数据采集装置，用于采集所述压力检测装置测得的注浆压力数据和土压力数据，以将所采集的注浆压力数据和土压力数据传送至终端。

5.如权利要求1所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验系统，其特征在于，所述压力检测装置包括多个土压力盒，所述土压力盒装设于所述模拟管片外壁面上设置的安装槽内。

6.一种类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，其特征在于，包括：

提供透明状的模拟管片，为所述模拟管片套设外套筒，所述外套筒的筒壁上设有轴向的注浆孔；

将所述模拟管片和所述外套筒置于土体中；

推动所述外套筒以使得所述模拟管片和所述土体之间形成注浆间隙；

于所述注浆间隙内通过所述注浆孔注入浆液；以及

监测并获取所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据。

7.如权利要求6所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，其特征在于，于所述注浆间隙内通过所述注浆孔注入浆液时，拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况以形成注浆视频数据。

8.如权利要求7所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，其特征在于，拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况，包括：

于所述模拟管片的内圈嵌套支撑梁；

于所述支撑梁的顶部和底部设置安装板；以及

于所述安装板上装设视频监测装置，通过所述视频监测装置拍摄记录所述模拟管片外的注浆情况，以形成所述注浆视频数据。

9.如权利要求6或7所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，其特征在于，监测并获取所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据，包括：

于所述模拟管片的外壁面设置压力检测装置，通过所述压力检测装置实时测量所述模拟管片外壁处的注浆压力数据和土压力数据；

于所述模拟管片处设置与所述压力检测装置连接的数据采集装置，通过所述数据采集装置采集所述压力检测装置测得的注浆压力数据和土压力数据。

10.如权利要求所述的类矩形盾构同步注浆可视化模拟试验方法，其特征在于，所述压力检测装置包括多个土压力盒，所述土压力盒装设于所述模拟管片外壁面上设置的安装槽内。