CN106226497B - 模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置和方法，所述装置包括：试验箱，隧道模型，盾构机模型，固定盖板，位移测量部件，位移测量部件安装支架，水平牵引设备，气压供给设备，气压测量部件和浆液盛放容器。所述方法基于所述装置。本发明可以准确模拟不同注浆量，不同注浆压力，以及不同注浆位置条件下盾构隧道同步注浆对周围地层沉降的影响机理，为盾构隧道同步注浆对控制地层沉降机理的理论研究提供一种试验平台。

Description

模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的模型试验装置和方法。

背景技术

近二十年来，随着盾构技术的日益成熟，盾构法施工技术在隧道建设中得到了广泛应用。盾构法施工过程中，在盾构机不断前进的同时，盾尾间隙也不断形成，这就要求在盾尾间隙形成的同时需要同步注浆进行及时填充，防止因周围地层沉降过大，导致地表建筑以及邻近构筑物变形过大而发生破坏。然而，同步注浆量的大小，注浆压力的大小以及注浆位置等的不同，又会给周围地层变形带来不同的影响，因此急需研究清楚盾构隧道施工过程中，同步注浆对周围地层沉降的影响机理，来指导现场选取合理的注浆参数进行施工。

目前，对于同步注浆对周围地层沉降影响的研究主要集中在现场监测、有限元模拟和模型试验。但现场监测的相关数据一般都是针对某一特定工况，而且比较滞后，很难被有效利用。有限元模拟设计大量土体参数和施工参数，很难全部准确假定，而且有限元计算技术比较复杂，一般的现场技术人员很难熟练掌握。模型试验方法可以有效避开有限元分析中的各种假定，而且操作简单，可以研究不同工况下的同步注浆对周围地层沉降的影响机理，因此可以作为一种有效的研究手段。但是目前国内外关于盾构隧道同步注浆对地层沉降影响机理的模型试验研究还鲜有报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置和方法，运用该试验装置和方法，可以得到不同注浆量，不同注浆压力，以及不同注浆位置条件下盾构隧道同步注浆对周围地层沉降的影响机理，为盾构隧道同步注浆对控制地层沉降机理的理论研究提供一种试验平台。

根据本发明的一个方面，提供一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的模型试验装置，包括：试验箱、隧道模型、盾构机模型、固定盖板、位移测量部件、位移测量部件安装支架、水平牵引设备、气压供给设备、气压测量部件和浆液盛放容器；其中：

所述试验箱为一顶部开口的长方体容器，其内部用于盛放试验土体和水；

所述隧道模型为根据实际隧道尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，隧道模型的右端固定在固定盖板上；

所述盾构机模型为根据实际盾构机尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，盾构机模型紧密套在隧道模型的外侧；

所述固定盖板用来固定隧道模型，并通过紧固件固定在试验箱上；

所述位移测量部件安装在地层中的不同深度和位置，用于测量同步注浆过程中周围地层的位移大小；

所述位移测量部件安装支架固定在试验箱的上部，用于固定安装位移测量部件；

所述水平牵引设备通过紧固件固定在地面上，并与盾构机模型相连，用于提供盾构机模型开挖需要的牵引力；

所述气压供给设备通过气压管与浆液盛放容器相连，用于给浆液盛放容器提供气压；

所述气压测量部件显示气压值大小，用于精确控制气压供给设备施加到浆液盛放容器的压力；

所述浆液盛放容器，用于盛放同步注浆浆液；浆液盛放容器的一端与气压供给设备相连，浆液盛放容器的另一端与盾构机模型相连。

优选地，在所述试验箱的底部设置有出水口，并在出水口处安装球阀以控制出水口的开关。

优选地，在所述试验箱平行的左、右两个侧面各设有一个圆孔，且左、右两侧圆孔的圆心在同一高度，其中：

右侧圆孔的直径与隧道模型的外径相等，以方便隧道模型的安装；

左侧圆孔的直径比盾构机模型的外径大，且在左侧圆孔边缘设有一凹槽，用于在圆孔边缘和盾构机模型外侧之间安装密封圈，以防止土体和水外漏。

优选地，所述盾构机模型的长度大于试验箱左、右两侧面之间的距离，盾构机模型从试验箱左侧圆孔伸出，以方便盾构机模型模拟开挖。

优选地，所述盾构机模型的内径等于隧道模型的外径，使盾构机模型能够紧密套在隧道模型外侧。

更优选地，在所述盾构机模型壁上设有若干个平行于盾构机模型径向的圆形注浆通道，同步注浆浆液经注浆通道进入盾构机模型，用于进行同步注浆；

所述注浆通道的孔径比盾构机模型的壁厚小。

优选地，所述隧道模型的下边缘距离试验箱的底部至少1倍于隧道模型的直径；所述隧道模型的左、右两侧边缘距离试验箱的左、右两侧至少各4倍于隧道模型的直径。

优选地，所述浆液盛放容器设有浆液盛放容器排气阀，通过浆液盛放容器排气阀随时释放浆液盛放容器内的压力。

优选地，所述浆液盛放容器的上端通过气压管与气压供给设备相连，并在气压管上设置气压按控制阀，通过气压控制阀控制气压的进入；

所述浆液盛放容器的下端通过注浆管与盾构机模型相连，并在注浆管上设置浆液控制阀，通过浆液控制阀控制浆液的流出。

根据本发明的另一个方面，提供一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验方法，所述方法包括如下步骤：

1)将隧道模型通过试验箱左侧圆孔穿过，并固定到固定盖板上，将固定盖板安装到试验箱上；

2)将密封圈安装到试验箱左侧圆孔边缘的凹槽里，将盾构机模型穿过密封圈和左侧圆孔，一直伸到试验箱的另一端，并紧密套在隧道模型外侧；

3)关闭试验箱的出水口球阀开关，在试验箱内部装入试验土体，直到需要的深度，并加入需要的水进行土体饱和；

4)固定位移测量部件安装支架，并将位移测量部件安装到位移测量部件安装支架的指定位置；

5)土体饱和完成后，将盾构机模型与水平牵引设备连接；

6)通过注浆管连接浆液盛放容器和盾构机模型壁上的圆形注浆通道；

7)关闭浆液盛放容器的上端气压控制阀和浆液盛放容器排气阀以及浆液盛放容器的下端浆液控制阀，在浆液盛放容器中加入同步注浆浆液；

8)启动气压供给设备，使气压达到试验需要大小；

9)启动水平牵引设备，将盾构机模型按照设定速度拉出，同时打开浆液盛放容器上端的气压控制阀和浆液盛放容器的下端的浆液控制阀，使同步注浆浆液通过注浆管注入到盾构机模型拉出形成的盾尾空隙中；

10)盾构机模型拉到盾尾距离试验箱左侧圆孔一定距离的位置，以防止盾构模型全部拉出导致试验箱内部试验土体和水漏出，关闭水平牵引设备以及浆液盛放容器上端的气压控制阀和浆液盛放容器下端的浆液控制阀，关闭气压供给设备，打开浆液盛放容器上端的浆液盛放容器排气阀，释放浆液盛放容器内部气压；

11)读取位移测量部件的数值，即得到在指定开挖速度、注浆压力、注浆量以及四点注浆工况下的地层沉降情况；

12)改变开挖速度、注浆压力、注浆量以及注浆位置，模拟不同施工工况下盾构隧道同步注浆对地层沉降的影响机理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述试验装置，可以准确模拟不同注浆量，不同注浆压力，以及不同注浆位置条件下对盾构隧道同步注浆周围地层沉降的影响机理，为盾构隧道同步注浆对控制地层沉降机理的理论研究提供一种试验平台。

附图说明

图1为本发明一优选实施例地试验装置的纵断面结构示意图；

图2为本发明一优选实施例地同步注浆装置的横断面结构示意图；

图中：

1—试验箱，2—隧道模型，3—盾构机模型，4—试验土体，5—出水口，6—球阀，7—有机玻璃盖板，8—同步注浆浆液，9—固定螺栓，10—位移测量部件，11—位移测量部件安装支架，12—密封圈，13—电动卷扬机，14—钢丝绳，15—空气压缩机，16—浆液盛放容器，17—气压管，18—气压测量部件，19—气压控制阀，20—浆液盛放容器排气阀，21—浆液控制阀，22—注浆管，23—注浆通道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，所述装置包括：试验箱1、隧道模型2、盾构机模型3、试验土体4、出水口5、球阀6、有机玻璃盖板7、同步注浆浆液8、固定螺栓9、位移测量部件10、位移测量部件安装支架11、密封圈12、电动卷扬机13、钢丝绳14、空气压缩机15、浆液盛放容器16、气压管17、气压测量部件18、气压控制阀19、浆液盛放容器排气阀20、浆液控制阀21、注浆管22，其中：

所述试验箱1为一顶部开口的长方体容器，其内部用于盛放试验土体4和水；并在试验箱1的底部设置出水口5，并在出水口5处安装球阀6以控制出水口5的开关；

所述隧道模型2为根据实际隧道尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，其右端固定在有机玻璃盖板7上；

所述盾构机模型3为根据实际盾构机尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，并紧密套在隧道模型2的外侧；

所述有机玻璃盖板7用于固定隧道模型2，并通过固定螺栓9固定在试验箱1上；

所述位移测量部件10安装在试验土体4中的不同深度和位置，用于测量同步注浆过程中试验土体4的位移大小；

所述位移测量部件安装支架11固定在试验箱1的上部，用于固定安装位移测量部件10；

所述电动卷扬机13通过固定螺栓9固定在地面上，电动卷扬机13通过钢丝绳14与盾构机模型3相连，用于提供盾构机模型3开挖需要的牵引力；

所述空气压缩机15通过气压管17与浆液盛放容器16相连，用于给浆液盛放容器16提供气压；

所述气压测量部件18用于显示气压值大小，以精确控制施加到浆液盛放容器16的压力；

所述浆液盛放容器16为上、下两端封闭的圆柱形桶，用于盛放同步注浆浆液8；浆液盛放容器16的上端通过气压管17与空气压缩机15相连，气压管17上安装有气压控制阀19，通过气压控制阀19控制气压的进入；浆液盛放容器16的旁边设有浆液盛放容器排气阀20，用于随时释放浆液盛放容器16内的压力；浆液盛放容器16的下端通过注浆管22与盾构机模型3连接，注浆管22上安装有浆液控制阀21，通过浆液控制阀21控制浆液的流出。

作为一优选的实施方式，在所述试验箱1平行的左、右两个侧面各开有一个圆孔，且左、右两侧的圆孔圆心在同一高度，其中：

右侧圆孔的直径与隧道模型2的外径相等，以方便隧道模型2的安装；

左侧圆孔的直径比盾构机模型3的外径大1mm，且在左侧圆孔边缘有一凹槽，用于在左侧圆孔边缘和盾构机模型3外侧之间安装密封圈12，以防止土体和水外漏。

作为一优选的实施方式，所述隧道模型2的下边缘距离试验箱1的底部至少一倍于隧道模型2的直径；所述隧道模型2的左、右两侧边缘距离试验箱1的左、右两侧至少各四倍于隧道模型2的直径。

作为一优选的实施方式，所述盾构机模型3的长度大于试验箱1左、右两侧面之间的距离10cm，以方便盾构机模型3模拟开挖。

作为一优选的实施方式，所述盾构机模型3的内径等于隧道模型2的外径，从而使盾构机模型3能够紧密套在隧道模型2外侧。

如图2所示，在所述盾构机模型3壁上设有四个平行于盾构机模型3径向的圆形注浆通道23，四个注浆通道23的孔径比盾构机模型3的壁厚稍小，用来进行同步注浆，且每个注浆通道23与竖向轴之间的夹角为40°；四个注浆通道23分别通过注浆管22与浆液盛放容器16相连，每条注浆管22都安装有浆液控制阀21并通过浆液控制阀21控制同步注浆浆液8的注入与否。

应用所述装置进行盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的模型试验，具体方法步骤如下：

1)、将隧道模型2通过试验箱1左侧圆孔穿过，并固定到有机玻璃盖板7上，将有机玻璃盖板7通过固定螺栓9安装到试验箱1上；

2)、将密封圈12安装到试验箱1左侧圆孔边缘的凹槽里，将盾构机模型3穿过密封圈12和左侧圆孔，一直伸到试验箱1的另一端，并紧密套在隧道模型2外侧；

3)、关闭试验箱1的出水口5球阀6开关，在试验箱1内部装入试验土体4，直到需要的深度，并加入需要的水进行土体饱和；

4)、固定位移测量部件安装支架11，并将位移测量部件10安装到位移测量部件安装支架11的指定位置；

5)、土体饱和完成后，通过钢丝绳14将盾构机模型3与电动卷扬机13连接，并设置电动卷扬机13的线速度为1cm/min；

6)、通过注浆管22连接浆液盛放容器16和盾构机模型3壁上的圆形注浆通道23；

7)、关闭浆液盛放容器16的上端气压控制阀19和浆液盛放容器排气阀20以及浆液盛放容器16的下端浆液控制阀21，在浆液盛放容器16中加入同步注浆浆液8；

8)、启动空气压缩机15，使气压达到试验需要大小；

9)、启动电动卷扬机13，将盾构机模型3按照设定速度拉出，同时打开浆液盛放容器16上端的气压控制阀19和浆液盛放容器16下端的浆液控制阀21，使同步注浆浆液8通过注浆管22注入到盾构机模型3拉出形成的盾尾空隙中；

10)、盾构机模型3盾尾拉到距离试验箱1左侧圆孔5cm位置，以防止盾构模型3全部拉出导致试验箱1内部试验土体4和水漏出，关闭电动卷扬机13以及浆液盛放容器16上端的气压控制阀19和浆液盛放容器16下端的浆液控制阀21，关闭空气压缩机15，打开浆液盛放容器16上端的浆液盛放容器排气阀20，释放浆液盛放容器16内部气压；

11)、读取位移测量部件10的数值，即得到在指定开挖速度、注浆压力、注浆量以及四点注浆工况下的地层沉降情况；

12)、改变开挖速度、注浆压力、注浆量以及注浆位置，模拟不同施工工况下盾构隧道同步注浆对地层沉降的影响机理。

本发明所述装置可模拟不同注浆压力、注浆量以及注浆位置工况下，盾构隧道同步注浆对周围地层沉降的影响机理，为盾构隧道同步注浆对控制地层沉降机理的理论研究提供一种试验平台。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，包括：试验箱、隧道模型、盾构机模型、固定盖板、位移测量部件、位移测量部件安装支架、水平牵引设备、气压供给设备、气压测量部件和浆液盛放容器；其中：

所述试验箱为一顶部开口的长方体容器，其内部用于盛放试验土体和水；

所述隧道模型为根据实际隧道尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，隧道模型的右端固定在固定盖板上；

所述盾构机模型为根据实际盾构机尺寸按照比例缩小制作的中空圆筒结构，盾构机模型紧密套在隧道模型的外侧；

所述固定盖板用来固定隧道模型，并通过紧固件固定在试验箱上；

所述位移测量部件安装在地层中的不同深度和位置，用于测量同步注浆过程中周围地层的位移大小；

所述位移测量部件安装支架固定在试验箱的上部，用于固定安装位移测量部件；

所述水平牵引设备通过紧固件固定在地面上，并与盾构机模型相连，用于提供盾构机模型开挖需要的牵引力；

所述气压供给设备通过气压管与浆液盛放容器相连，用于给浆液盛放容器提供气压；

所述气压测量部件显示气压值大小，用于精确控制气压供给设备施加到浆液盛放容器的压力；

所述浆液盛放容器，用于盛放同步注浆浆液；浆液盛放容器的一端与气压供给设备相连，浆液盛放容器的另一端与盾构机模型相连；

在所述试验箱的底部设置有出水口，并在出水口处安装球阀以控制出水口的开关；

在所述试验箱平行的左、右两个侧面各设有一个圆孔，且左、右两侧圆孔的圆心在同一高度，其中：

右侧圆孔的直径与隧道模型的外径相等，以方便隧道模型的安装；

左侧圆孔的直径比盾构机模型的外径大，且在左侧圆孔边缘设有一凹槽，用于在圆孔边缘和盾构机模型外侧之间安装密封圈，以防止土体和水外漏。

2.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，所述盾构机模型的长度大于试验箱左、右两侧面之间的距离，盾构机模型从试验箱左侧圆孔伸出，以方便盾构机模型模拟开挖。

3.根据权利要求2所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，所述盾构机模型的内径等于隧道模型的外径，使盾构机模型能够紧密套在隧道模型外侧。

4.根据权利要求2所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，在所述盾构机模型壁上设有若干个平行于盾构机模型径向的圆形注浆通道，同步注浆浆液经注浆通道进入盾构机模型，用于进行同步注浆；

所述注浆通道的孔径比盾构机模型的壁厚小。

5.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，所述隧道模型的下边缘距离试验箱的底部至少1倍于隧道模型的直径；所述隧道模型的左、右两侧边缘距离试验箱的左、右两侧至少各4倍于隧道模型的直径。

6.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，所述浆液盛放容器设有浆液盛放容器排气阀，通过浆液盛放容器排气阀随时释放浆液盛放容器内的压力。

7.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验装置，其特征在于，所述浆液盛放容器的上端通过气压管与气压供给设备相连，并在气压管上设置气压按控制阀，通过气压控制阀控制气压的进入；

所述浆液盛放容器的下端通过注浆管与盾构机模型相连，并在注浆管上设置浆液控制阀，通过浆液控制阀控制浆液的流出。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述装置的模拟盾构隧道同步注浆对地层沉降影响的试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)将隧道模型通过试验箱左侧圆孔穿过，并固定到固定盖板上，将固定盖板安装到试验箱上；

2)将密封圈安装到试验箱左侧圆孔边缘的凹槽里，将盾构机模型穿过密封圈和左侧圆孔，一直伸到试验箱的另一端，并紧密套在隧道模型外侧；

3)关闭试验箱的出水口球阀开关，在试验箱内部装入试验土体，直到需要的深度，并加入需要的水进行土体饱和；

4)固定位移测量部件安装支架，并将位移测量部件安装到位移测量部件安装支架的指定位置；

5)土体饱和完成后，将盾构机模型与水平牵引设备连接；

6)通过注浆管连接浆液盛放容器和盾构机模型壁上的圆形注浆通道；

7)关闭浆液盛放容器的上端气压控制阀和浆液盛放容器排气阀以及浆液盛放容器的下端浆液控制阀，在浆液盛放容器中加入同步注浆浆液；

8)启动气压供给设备，使气压达到试验需要大小；

9)启动水平牵引设备，将盾构机模型按照设定速度拉出，同时打开浆液盛放容器上端的气压控制阀和浆液盛放容器的下端的浆液控制阀，使同步注浆浆液通过注浆管注入到盾构机模型拉出形成的盾尾空隙中；

10)盾构机模型拉到盾尾距离试验箱左侧圆孔一定距离的位置，以防止盾构模型全部拉出导致试验箱内部试验土体和水漏出，关闭水平牵引设备以及浆液盛放容器上端的气压控制阀和浆液盛放容器下端的浆液控制阀，关闭气压供给设备，打开浆液盛放容器上端的浆液盛放容器排气阀，释放浆液盛放容器内部气压；

11)读取位移测量部件的数值，即得到在指定开挖速度、注浆压力、注浆量以及四点注浆工况下的地层沉降情况；

12)改变开挖速度、注浆压力、注浆量以及注浆位置，模拟不同施工工况下盾构隧道同步注浆对地层沉降的影响机理。

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