CN107831073B - 盾构施工同步注浆试验装置及试验方法 - Google Patents

盾构施工同步注浆试验装置及试验方法 Download PDF

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    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants

Abstract

本发明公开了一种盾构施工同步注浆试验装置及试验方法，其通过固设于模拟盾壳两端的端板与开设于模拟盾壳端壁的轴向的环形通孔形成容纳空间，并通过隔板将容纳空间上下分隔成第一浆液通道和第二浆液通道，可大幅度提高输送浆液的通道的横截面积，从而大幅度降低浆液的流动阻力，使试验可以根据实际的浆液配比进行注浆，更有利于研究不同的注浆压力和注浆量对隧道管片结构受力及地层变形的影响机理。另外，第一入浆口和第二入浆口分别与第一注浆系统和第二注浆系统相连，可分别控制第一浆液通道和第二浆液通道的注浆压力和注浆量，从而可研究第一浆液通道和第二浆液通道采用相同以及不同注浆压力和注浆量对试验土体变形的影响。

Description

盾构施工同步注浆试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及盾构施工模拟试验技术领域，特别涉及一种盾构施工同步注浆试验装置及试验方法。
背景技术
在隧道的盾构施工过程中，随着盾构机不断地在土体中推进并拼装管片，土体会因管片外径小于盾构机盾壳外径而不断形成盾尾空隙。这就要求在盾构机推进的过程中进行同步注浆，以及时将形成的空隙填充，从而防止周围地层发生较大程度的坍塌变形对周围的地表建筑造成破坏。此外，同步注浆过程中产生的浆液压力会改变隧道管片结构的内力分布，增大管片变形量，是施工过程中造成管片错台、上浮的重要原因。
在同步注浆的过程中，注浆压力、注浆量等注浆参数的不同会给隧道管片结构受力及地层变形带来不同的影响，因此，通过试验将盾构施工中同步注浆对隧道管片结构受力及周围地层变形的影响机理研究清楚，对在实际的盾构施工中，选取出合理的注浆压力和注浆量具有重要的指导意义。
为此，中国专利公布号为“CN 106198921 A”的发明专利申请公开了一种地铁盾构施工扰动模型试验装置及其试验方法，其有在一定程度上研究不同的注浆压力和注浆量对地层变形的影响机理。但仍有不足，原因在于：1、其注浆管过细且长，对浆液的流动阻力非常大，无法使用实际的浆液配比进行注浆，同时无法有效控制每个注浆管的注浆量和注浆压力，会对所述影响机理的研究产生不良影响。2、没有考虑到同步注浆的注浆压力和注浆量对隧道管片结构的受力和变形的影响，例如，注浆压力和注浆量对隧道管片错台、上浮的影响。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种盾构施工同步注浆试验装置及试验方法，旨在。
为实现上述目的，本发明提出一种盾构施工同步注浆试验装置，包括：
模型箱；
试验土体，装于模型箱内；
模拟管片环，由多节管片拼装而成，水平埋设于试验土体中，一端固定在模型箱的一侧；
模拟盾壳，水平埋设于试验土体中，一端活动套于模拟管片环，另一端伸出模型箱，并可相对模拟管片环轴向移动，模拟盾壳的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳两端的端板封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳两端的端板围成容纳空间，容纳空间内设有隔板将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道和第二浆液通道，模拟盾壳两端的端板对应第一浆液通道的位置分别开设有通连第一浆液通道的第一入浆口和第一出浆口，模拟盾壳两端的端板对应第二浆液通道的位置分别开设有通连第二浆液通道的第二入浆口和第二出浆口，第一出浆口和第二出浆口朝向盾尾空隙；
第一注浆系统，与第一入浆口通连，用于将浆液注入第一浆液通道，并经第一出浆口流到盾尾空隙；
第二注浆系统，与第二入浆口通连，用于将浆液注入第二浆液通道，并经第二出浆口流到盾尾空隙；
推进系统，与模拟盾壳的所述另一端连接，用于驱使模拟盾壳轴向推进；以及
监测系统，用于采集试验土体变形前后的数据。
本发明还提出一种盾构施工同步注浆试验方法，包括如下步骤：
S1、将模拟管片环的一端固定在模型箱内部的一侧，并保持水平；
S2、将模拟盾壳的一端活动套于模拟管片环，另一端伸出模型箱，所述模拟盾壳的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳两端的端板封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳两端的端板围成容纳空间，容纳空间内设有隔板将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道和第二浆液通道，模拟盾壳两端的端板对应第一浆液通道的位置分别开设有通连第一浆液通道的第一入浆口和第一出浆口，模拟盾壳两端的端板对应第二浆液通道的位置分别开设有通连第二浆液通道的第二入浆口和第二出浆口，第一出浆口和第二出浆口朝向产生盾尾空隙的位置；
S3、按工程实际覆土情况，往模型箱内分层加入试验土体并压实，以将模型箱内的模拟管片环和模拟盾壳埋没，并设置监测系统；
S4、将第一注浆系统和第二注浆系统分别与第一入浆口和第二入浆口通连，并将推进系统与模拟盾壳的所述另一端连接；
S5、通过推进系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度推进，并分别通过第一注浆系统和第二注浆系统按设定的合理注浆压力和注浆量往第一浆液通道和第二浆液通道注浆，以使浆液从第一出浆口和第二出浆口流出并填充模拟盾壳推进所产生的盾尾空隙；
S6、通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，并分析试验土体变形情况。
本发明技术方案通过固设于模拟盾壳两端的端板与开设于模拟盾壳端壁的轴向的环形通孔形成容纳空间，并通过隔板将容纳空间上下分隔成第一浆液通道和第二浆液通道，可大幅度提高输送浆液的通道的横截面积，从而大幅度降低浆液的流动阻力，使试验可以根据实际的浆液配比进行注浆，更有利于研究不同的注浆压力和注浆量对地层变形的影响机理。另外，第一入浆口和第二入浆口分别与第一注浆系统和第二注浆系统相连，可分别控制第一浆液通道和第二浆液通道的注浆压力和注浆量，从而可研究第一浆液通道和第二浆液通道采用相同以及不同注浆压力和注浆量对试验土体变形的影响。
附图说明
图1为本发明盾构施工同步注浆试验装置的局部示意图；
图2为本发明盾构施工同步注浆试验装置一个位置的截断面示意图；
图3为本发明盾构施工同步注浆试验装置另一个位置的截断面示意图；
图4为本发明模拟盾壳与第一输浆管和第二输浆管的连接示意图；
图5为模拟管片环与微型土压力盒以及电阻应变计的装配示意图；
图6模型箱的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向......)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种盾构施工同步注浆试验装置。
本发明实施例中，如图1至6所示，该盾构施工同步注浆试验装置，包括模型箱1、试验土体(未图示)、模拟管片环2、模拟盾壳3、第一注浆系统4、第二注浆系统5、推进系统6以及监测系统7。
其中，模型箱1为顶部开口的方形容器。
试验土体装于模型箱1内，具体地，试验土体以几何相似比CL＝20和容重相似比Cr＝1为基础相似比，实现弹性范围内各物理力学参数的全相似性。基于相似关系换算出对应原型土体的相似材料物理力学参数，通过配比试验得到符合要求的试验土体材料。其中试验土体材料由粉煤灰、重晶石粉、石英砂、凡士林等材料混合而成，具体配比与尺寸根据实际工程需要进行调整。当然，试验土体也可以采用现有技术，例如采用中国专利公布号为“CN 106198921 A”的发明专利申请所公开的试验土体。
模拟管片环2，由多节管片拼装而成，水平埋设于试验土体中，一端固定在模型箱1的一侧。
具体地，管片由水、石膏、硅藻土、铁丝等材料混合制成，其中，水、石膏和硅藻土的质量比为1∶1.4∶0.1，铁丝的直径优选1mm，管片环间接头开槽缝的方式模拟，纵向接头采用钢棒(钢棒优选直径3mm，长度20mm)进行模拟。
所述模型箱1的所述一侧开设有第一模拟洞口11，模拟管片环2的所述一端插入第一模拟洞口11，并通过螺栓与第一模拟洞口11固连，以防止模拟管片环2移动，且模拟管片环2与第一模拟洞口11的接合处密封处理，以防止浆液和试验土体从接合处外流。
模拟盾壳3水平埋设于试验土体中，一端活动套于模拟管片环2，另一端伸出模型箱1，并可相对模拟管片环2轴向移动，模拟盾壳3的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳3两端的端板31封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳3两端的端板31围成容纳空间，容纳空间内设有隔板32将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道33和第二浆液通道34，模拟盾壳3两端的端板31对应第一浆液通道33的位置分别开设有通连第一浆液通道33的第一入浆口331和第一出浆口332，模拟盾壳3两端的端板31对应第二浆液通道34的位置分别开设有通连第二浆液通道34的第二入浆口341和第二出浆口342，第一出浆口332和第二出浆口342朝向盾尾空隙100。
具体地，所述模型箱1的另一侧开设有第二模拟洞口12，所述模拟盾壳3的所述另一端从第二模拟洞口12伸出模型箱1，且第二模拟洞口12处装有与模拟盾壳3密封配合的密封圈13，以防止浆液和试验土体从第二模拟洞口12和模拟盾壳的接合处外流。
具体地，浆液采用实际同步注浆所采用的浆液材料，主要材料为水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水和减水剂，并按相似比关系进行配比。水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水和减水剂的优选质量配比为187.0∶313.0∶49.6∶770∶375∶5。
进一步地，模拟盾壳3和模拟管片环2的配合面(模拟盾壳3的内侧和模拟管片环2外侧之间)设有一层油脂(未图示)，以起润滑配合面及密封作用，可防止浆液倒流。
第一注浆系统4与第一入浆口331通连，用于将浆液注入第一浆液通道33，并经第一出浆口332流到盾尾空隙100，以对盾尾空隙100进行填充。
具体地，所述第一注浆系统4包括第一储浆桶41、第一注浆泵42、第一输浆管43、第一流量计44和第一压力计45，第一注浆泵42的输入端与第一储浆桶41通连，第一注浆泵42的输出端通过所述第一输浆管43与所述第一入浆口331通连，试验过程中，可通过第一注浆泵42将第一储浆桶41的浆液泵入第一浆液通道33，并经第一浆液通道33的第一出浆口332进入盾尾空隙100，第一流量计44和第一压力计45设于第一注浆泵42中，分别用于监测第一注浆泵42的注浆压力和注浆量，所述第一注浆泵42可根据需要调整注浆压力和注浆量。
第二注浆系统5与第二入浆口341通连，用于将浆液注入第二浆液通道34，并经第二出浆口342流到盾尾空隙100，以对盾尾空隙100进行填充。
同理，所述第二注浆系统5包括第二储浆桶51、第二注浆泵52、第二输浆管53、第二流量计54和第二压力计55，第二注浆泵52的输入端与第二储浆桶51通连，第二注浆泵52的输出端通过所述第二输浆管53与所述第二入浆口341通连，试验过程中，可通过第二注浆泵52将第二储浆桶51的浆液泵入第二浆液通道34，并经第二浆液通道34的第二出浆口342进入盾尾空隙100，第二流量计54和第二压力计55设于第二注浆泵52中，分别用于监测第二注浆泵52的注浆压力和注浆量，所述第二注浆泵52可根据需要调整注浆压力和注浆量。
推进系统6与模拟盾壳3的所述另一端连接，用于驱使模拟盾壳3轴向推进。
具体地，所述推进系统6设于模型箱1外，包括驱动机构61和连接架62，所述连接架62一端与模拟盾壳3可拆卸连接，具体可通过卡箍可拆卸连接，另一端与驱动机构61连接，驱动机构61可以按照设定的指令，以设定的速度驱使模拟盾壳3推进(即驱使模拟盾壳3往轴向远离模拟管片环2所述一端的方向运动)。可以理解地，驱动机构61可以为气缸，液压缸或者电缸等。
监测系统7用于采集试验土体变形前后的数据，以供研究同步注浆过程中，不同注浆压力和注浆量对地层变形的影响。
在本发明实施例中，所述试验土体的顶面平坦，所述试验土体顶面间隔设置有多块垫片14，模型箱1的上部固设有位于垫片14上方的安装架10，所述监测系统包括多个百分表71，每个百分表71与数据采集系统连接，数据采集系统(未图示)则与监控电脑(未图示)连接。每个所述百分表71装于安装架10与相应的垫片14相对，且百分表71的测头与相应垫片14的顶面相抵，当试验土体发生变形(或称扰动)时，垫片14随试验土体沉降，不同位置的百分表71检测到的数据发生变化，并由数据采集系统收集后发送给监控电脑。
具体地，优选在土体顶面的横向方向上，对应模拟管片环2自身以及横向两侧一倍外径范围内横向间隔设置7个垫片14，在所述范围两侧的区域分别设置1个垫片14；在土体顶面的纵向(以模拟管片环2的轴向方向为纵向)方向上间隔设置11个位于模拟管片环2正上方的垫片14，所述百分表71的数量与所述垫片14的数量一致。在试验过程中，通过相应的百分表71获取试验土体不同位置的沉降值。应当说明的是，所述垫片14和所述百分表71的数量以及布置方式不局限于上述实施例，试验人员可根据试验需求而作出相应调整。
进一步地，在至少一个位于模拟管片环2正上方的垫片14上固设下端延伸至与模拟管片环2的连接的连杆15，当模拟管片环2上浮时，模拟管片环2的上浮量通过连杆15和相应垫片14传递给相应的百分表71，从而通过百分表71获取管片环的上浮量，进而可研究注浆压力和注浆量对管片上浮的影响。所述研究注浆压力和注浆量对管片上浮影响的试验，包括对第一浆液通道33和第二浆液通道34采用相同以及不同注浆压力和注浆量进行的模拟试验，通过此方式，一方面可研究注浆压力和注浆量对管片上浮的影响机理，另一方面，对于在实际同步注浆中，如何避免或者消除模拟管片环2上浮有较好的指导意义。
进一步地，如图6所示，所述监测系统7还包括多组绕模拟管片环2的外周壁分布，并嵌入模拟管片环2的微型土压力盒72，以及多组绕模拟管片环2的内周壁和外周壁分布，且嵌入模拟管片环2的电阻应变计73，每个微型土压力盒72和电阻应变计73均与数据采集系统连接，在试验过程中，数据采集系统可通过微型土压力盒72和电阻应变计73获取模拟管片环2处的应力和压力变化数据，从而可在研究不同注浆压力和注浆量对地层变形影响的同时，研究不同注浆压力和注浆量对隧道管片结构受力影响。
进一步地，如图2所示，所述监测系统7还包括与数据采集系统连接的微型测斜仪74，所述微型测斜仪74的数量为一根或者多根，优选两根，两根微型测斜仪74对称埋设于模拟管片环2的两侧，顶端伸出试验土体顶面，下端竖直延伸至试验土体的底部，在试验过程中，通过微型测斜仪74测量试验土体内部的水平位移。
进一步地，所述模型箱1的侧板优选采用透明或者半透明的玻璃板或者玻璃钢板制成，试验土体的不同深度的土层分界面之间沿玻璃面边缘位置埋设彩色线16，当试验土体发生变型时，彩色线16随土层变形，可模拟出土层变形曲线，便于试验人员观测试验土体在不同注浆压力和注浆量的情况下的变形情况。进一步地，如图6所示，所述模型箱1的侧板的外侧绘制有细线网格，可根据试验情况绘制试验土体的变型曲线。细线网格的大小可根据实际需要而定，例如，采用50MM×50MM。
进一步地，本发明盾构施工同步注浆试验装置还包括第三注浆系统9，所述模拟管环片的内壁开设有通连盾尾空隙100的注浆孔(未图示)，第三注浆系统9与注浆孔相连。必要时可通过第三注浆系统9将浆液经注浆孔注入盾尾空隙100，实现模拟管片环2的壁后注浆，使试验过程更贴近实际的同步注浆。
同理，第三注浆系统9包括第三储浆桶91、第三注浆泵92、第三输浆管93、第三流量计94和第三压力计95，第三注浆泵92的输入端与第三储浆桶91通连，第三注浆泵92的输出端通过所述第三输浆管93与所述注浆口通连，试验过程中，可通过第三注浆泵92将第三储浆桶91的浆液泵入注浆孔，并经注浆孔进入盾尾空隙100，第三流量计94和第三压力计95设于第三注浆泵92中，分别用于监测第三注浆泵92的注浆压力和注浆量，所述第三注浆泵92可根据需要调整注浆压力和注浆量。
具体地，所述模拟盾壳3由四片中空的弧形钢板焊接而成，四片弧形钢板的大小相同，位于上方的两片弧形钢板形成所述第一浆液通道33，位于下方的两片弧形钢片形成所述第二浆液通道34。位于上方每个弧形钢板的两个端壁分别开设有一个所述第一入浆口331和三个所述第一出浆口332，位于下方的每个弧形钢板的两个端壁分别开设有一个所述第二入浆口341和三个所述第二出浆口342，其中，每个所述第一出浆口332和所述第二出浆口342可独立控制开启与关闭，例如通过加装螺帽将其关闭，取下螺帽将其开启，从而可以在试验中，实现多点注浆控制。必要时，还可以在第一浆液通道33和第二浆液通道34内的中间位置设置隔板35以分别将第一浆液通道33和第二浆液通道34分隔成左右独立的区域。
本发明还提出了一种盾构施工同步注浆试验方法。
在本发明实施例中，如图1至6所示，该盾构施工同步注浆试验方法，包括如下步骤：
S1、将模拟管片环的一端固定在模型箱内部的一侧，并保持水平。
具体地，模型箱1为顶部开口的方形容器，模拟管片环2由多节管片拼装而成。管片由水、石膏、硅藻土、铁丝等材料混合制成，其中，水、石膏和硅藻土的质量比为1∶1.4∶0.1，铁丝的直径优选1mm，管片环间接头开槽缝的方式模拟，纵向接头采用钢棒(钢棒优选直径3mm，长度20mm)进行模拟。
所述模型箱1的所述一侧开设有第一模拟洞口11，模拟管片环2的所述一端插入第一模拟洞口11，并通过螺栓与第一模拟洞口11固连，以防止模拟管片环2移动，且模拟管片环2与第一模拟洞口11的接合处密封处理，以防止浆液和试验土体从接合处外流。
S2、将模拟盾壳的一端活动套于模拟管片环，另一端伸出模型箱，所述模拟盾壳的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳两端的端板封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳两端的端板围成容纳空间，容纳空间内设有隔板将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道和第二浆液通道，模拟盾壳两端的端板对应第一浆液通道的位置分别开设有通连第一浆液通道的第一入浆口和第一出浆口，模拟盾壳两端的端板对应第二浆液通道的位置分别开设有通连第二浆液通道的第二入浆口和第二出浆口，第一出浆口和第二出浆口朝向产生盾尾空隙的位置。
具体地，在所述模型箱1的另一侧开设第二模拟洞口12，使模拟盾壳3的所述另一端从第二模拟洞口12伸出模型箱1，且在第二模拟洞口12处安装与模拟盾壳3密封配合的密封圈13，以防止浆液和试验土体从第二模拟洞口12和模拟盾壳的接合处外流。
进一步地，在模拟盾壳3和模拟管片环2的配合面(模拟盾壳3的内侧和模拟管片环2外侧之间)设置一层油脂(未图示)，以起润滑配合面及密封作用，可防止浆液倒流。
S3、按工程实际覆土情况，往模型箱内分层加入试验土体并压实，以将模型箱内的模拟管片环和模拟盾壳埋没，并设置监测系统。
具体地，试验土体以几何相似比CL，＝20和容重相似比Cr＝1为基础相似比，实现弹性范围内各物理力学参数的全相似性。基于相似关系换算出对应原型土体的相似材料物理力学参数，通过配比试验得到符合要求的试验土体材料。其中试验土体材料由粉煤灰、重晶石粉、石英砂、凡士林等材料混合而成，具体配比与尺寸根据实际工程需要进行调整。当然，试验土体也可以采用现有技术，例如采用中国专利公布号为“CN 106198921 A”的发明专利申请所公开的试验土体。
S4、将第一注浆系统和第二注浆系统分别与第一入浆口和第二入浆口通连，并将推进系统与模拟盾壳的所述另一端连接。
具体地，所述第一注浆系统4包括第一储浆桶41、第一注浆泵42、第一输浆管43、第一流量计44和第一压力计45，第一注浆泵42的输入端与第一储浆桶41通连，第一注浆泵42的输出端通过所述第一输浆管43与所述第一入浆口331通连，试验过程中，可通过第一注浆泵42将第一储浆桶41的浆液泵入第一浆液通道33，并经第一浆液通道33的第一出浆口332进入盾尾空隙100，第一流量计44和第一压力计45设于第一注浆泵42中，分别用于监测第一注浆泵42的注浆压力和注浆量，所述第一注浆泵42可根据需要调整注浆压力和注浆量。
同理，所述第二注浆系统5包括第二储浆桶51、第二注浆泵52、第二输浆管53、第二流量计54和第二压力计55，第二注浆泵52的输入端与第二储浆桶51通连，第二注浆泵52的输出端通过所述第二输浆管53与所述第二入浆口341通连，试验过程中，可通过第二注浆泵52将第二储浆桶51的浆液泵入第二浆液通道34，并经第二浆液通道34的第二出浆口342进入盾尾空隙100，第二流量计54和第二压力计55设于第二注浆泵52中，分别用于监测第二注浆泵52的注浆压力和注浆量，所述第二注浆泵52可根据需要调整注浆压力和注浆量。
浆液采用实际同步注浆所采用的浆液材料，主要材料为水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水和减水剂，并按相似比关系进行配比。水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水和减水剂的优选质量配比为187.0∶313.0∶49.6∶770∶375∶5。
S5、通过推进系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度推进，并分别通过第一注浆系统和第二注浆系统按设定的合理注浆压力和注浆量往第一浆液通道和第二浆液通道注浆，以使浆液从第一出浆口和第二出浆口流出并填充模拟盾壳推进所产生的盾尾空隙。
具体地，所述推进系统6设于模型箱1外，包括驱动机构61和连接架62，所述连接架62一端与模拟盾壳3可拆卸连接，具体可通过卡箍可拆卸连接，另一端与驱动机构61连接，驱动机构61可以按照设定的指令，以设定的速度驱使模拟盾壳3推进(即驱使模拟盾壳3往轴向远离模拟管片环2所述一端的方向运动)。可以理解地，驱动机构61可以为气缸，液压缸或者电缸等。
S6、通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，并分析试验土体变形情况。
具体地，在步骤S3中，所述监测系统包括多个百分表，设置监测系统的过程包括将所述试验土体的顶面整理平坦，在所述试验土体顶面间隔设置多块垫片14，在模型箱1的上部固设置位于垫片14上方的安装架10，将每个所述百分表71装于安装架10与相应的垫片14的顶面相抵，将每个百分表71与数据采集系统连接，并将数据采集系统(未图示)则与监控电脑(未图示)连接的过程。当试验土体发生变形(或称扰动)时，垫片14随试验土体沉降，不同位置的百分表71检测到的数据发生变化，并由数据采集系统收集后发送给监控电脑。
更具体地，优选在土体顶面的横向方向上，对应模拟管片环2自身以及横向两侧一倍外径范围内横向间隔设置7个垫片14，在所述范围两侧的区域分别设置1个垫片14；在土体顶面的纵向(以模拟管片环2的轴向方向为纵向)方向上间隔设置11个位于模拟管片环2正上方的垫片14，所述百分表71的数量与所述垫片14的数量一致。在试验过程中，通过相应的百分表71获取试验土体不同位置的沉降值。应当说明的是，所述垫片14和所述百分表71的数量以及布置方式不局限于上述实施例，试验人员可根据试验需求而作出相应调整。
进一步地，在至少一个位于模拟管片环2正上方的垫片14上固设下端延伸至与模拟管片环2的连接的连杆15，当模拟管片环2上浮时，模拟管片环2的上浮量通过连杆15和相应垫片14传递给相应的百分表71，从而通过百分表71获取管片环的上浮量，进而可研究注浆压力和注浆量对管片上浮的影响。所述研究注浆压力和注浆量对管片上浮影响的试验，包括对第一浆液通道33和第二浆液通道34采用相同以及不同注浆压力和注浆量进行的模拟试验，通过此方式，一方面可研究注浆压力和注浆量对管片上浮的影响机理，另一方面，对于在实际同步注浆中，如何避免或者消除模拟管片环2上浮有较好的指导意义。
进一步地，如图6所示，所述监测系统7还包括多组微型土压力盒72和多组电阻应变计73，设置监测系统的过程还包括将多组微型土压力盒绕模拟管片环2的外周壁分布嵌入模拟管片环2，以及将多组电阻应变计73绕模拟管片环2的内周壁和外周壁分布嵌入模拟管片环2，并将每个微型土压力盒72和电阻应变计73与数据采集系统连接的过程，在试验过程中，数据采集系统可通过微型土压力盒72和电阻应变计73获取模拟管片环2处的应力和压力变化数据，从而可在研究不同注浆压力和注浆量对地层变形影响的同时，研究不同注浆压力和注浆量对隧道管片结构受力影响。
进一步地，如图2所示，所述监测系统7还包括微型测斜仪74，所述微型测斜仪74的数量为一根或者多根，优选两根，设置监测系统的过程还包括将两根微型测斜仪74对称设于模拟管片环2的两侧，使微型测斜仪74顶端伸出试验土体顶面，下端竖直延伸至试验土体的底部，并将微型测斜仪74与数据采集系统连接的过程，在试验过程中，通过微型测斜仪74测量试验土体内部的水平位移。
进一步地，在步骤S3中，所述模型箱1的侧板优选采用透明或者半透明的玻璃板或者玻璃钢板制成，在往模型箱内分层加入试验土体并压实的过程中，还包括在试验土体的不同深度的土层分界面之间沿玻璃面边缘位置埋设彩色线16的过程，当试验土体发生变型时，彩色线16随土层变形，可模拟出土层变形曲线，便于试验人员观测试验土体在不同注浆压力和注浆量的情况下的变形情况。进一步地，如图6所示，所述模型箱1的侧板的外侧绘制有细线网格，可根据试验情况绘制试验土体的变型曲线。细线网格的大小可根据实际需要而定，例如，采用50MM×50MM。
进一步地，在步骤S4中，还包括将第三注浆系统9与开设在模拟管环片的注浆孔通连，并，盾尾空隙100的注浆孔(未图示)，第三注浆系统9与注浆孔相连，并在必要时，通过第三注浆系统9将浆液经注浆孔注入盾尾空隙100的过程。使试验过程更贴近实际的同步注浆。
同理，第三注浆系统9包括第三储浆桶91、第三注浆泵92、第三输浆管93、第三流量计94和第三压力计95，第三注浆泵92的输入端与第三储浆桶91通连，第三注浆泵92的输出端通过所述第三输浆管93与所述注浆口通连，试验过程中，可通过第三注浆泵92将第三储浆桶91的浆液泵入注浆孔，并经注浆孔进入盾尾空隙100，第三流量计94和第三压力计95设于第三注浆泵92中，分别用于监测第三注浆泵92的注浆压力和注浆量，所述第三注浆泵92可根据需要调整注浆压力和注浆量。
具体地，所述模拟盾壳3由四片中空的弧形钢板焊接而成，四片弧形钢板的大小相同，位于上方的两片弧形钢板形成所述第一浆液通道33，位于下方的两片弧形钢片形成所述第二浆液通道34。位于上方每个弧形钢板的两个端壁分别开设有一个所述第一入浆口331和三个所述第一出浆口332，位于下方的每个弧形钢板的两个端壁分别开设有一个所述第二入浆口341和三个所述第二出浆口342，其中，每个所述第一出浆口332和所述第二出浆口342可独立控制开启与关闭，例如通过加装螺帽将其关闭，取下螺帽将其开启，从而可以在试验中，实现多点注浆控制。必要时，还可以在第一浆液通道33和第二浆液通道34内的中间位置设置隔板35以分别将第一浆液通道33和第二浆液通道34分隔成左右独立的区域。
应当说明的是，所述模拟管片环2、模拟盾壳3以及模型箱1等零部件的尺寸可以根据试验的实际需要而设定，这里不对具体尺寸进行赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种盾构施工同步注浆试验装置，包括：
模型箱；
试验土体，装于模型箱内；
模拟管片环，由多节管片拼装而成，水平埋设于试验土体中，一端固定在模型箱的一侧；
模拟盾壳，水平埋设于试验土体中，一端活动套于模拟管片环，另一端伸出模型箱，并可相对模拟管片环轴向移动，模拟盾壳的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳两端的端板封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳两端的端板围成容纳空间，容纳空间内设有隔板将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道和第二浆液通道，模拟盾壳两端的端板对应第一浆液通道的位置分别开设有通连第一浆液通道的第一入浆口和第一出浆口，模拟盾壳两端的端板对应第二浆液通道的位置分别开设有通连第二浆液通道的第二入浆口和第二出浆口，第一出浆口和第二出浆口朝向盾尾空隙；
第一注浆系统，与第一入浆口通连，用于将浆液注入第一浆液通道，并经第一出浆口流到盾尾空隙；
第二注浆系统，与第二入浆口通连，用于将浆液注入第二浆液通道，并经第二出浆口流到盾尾空隙；
推进系统，与模拟盾壳的所述另一端连接，用于驱使模拟盾壳轴向推进；以及
监测系统，用于采集试验土体变形前后的数据。
2.如权利要求1所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：所述试验土体的顶面平坦，所述试验土体顶面间隔设置有多块垫片，模型箱的上部固设有位于垫片上方的安装架，所述监测系统包括多个百分表，每个百分表与数据采集系统连接，数据采集系统则与监控电脑连接，每个所述百分表装于安装架与相应的垫片相对，且百分表的测头与相应垫片的顶面相抵。
3.如权利要求2所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：至少有一个位于模拟管片环正上方的垫片上固设下端延伸至与模拟管片环的连接的连杆，当模拟管片环上浮时，模拟管片环的上浮量通过连杆和相应垫片传递给相应的百分表。
4.如权利要求3所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：所述监测系统还包括多组绕模拟管片环的外周壁分布，并嵌入模拟管片环的微型土压力盒，以及多组绕模拟管片环的内周壁和外周壁分布，且嵌入模拟管片环的电阻应变计，每个微型土压力盒和电阻应变计均与数据采集系统连接。
5.如权利要求3所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：所述监测系统还包括两根与数据采集系统连接的微型测斜仪，两根微型测斜仪对称埋设于模拟管片环的两侧，顶端伸出试验土体顶面，下端竖直延伸至试验土体的底部。
6.如权利要求3所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：所述模型箱的侧板采用透明或者半透明的玻璃板或者玻璃钢板制成，试验土体的不同深度的土层分界面之间沿玻璃面边缘位置埋设彩色线，当试验土体发生变型时，彩色线随土层变形。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的盾构施工同步注浆试验装置，其特征在于：还包括第三注浆系统，所述模拟管环片的内壁开设有通连盾尾空隙的注浆孔，第三注浆系统与注浆孔相连，通过第三注浆系统可将浆液经注浆孔注入盾尾空隙，实现模拟管片环的壁后注浆。
8.一种盾构施工同步注浆试验方法，包括如下步骤：
S1、将模拟管片环的一端固定在模型箱内部的一侧，并保持水平；
S2、将模拟盾壳的一端活动套于模拟管片环，另一端伸出模型箱，所述模拟盾壳的端壁开设有轴向的环形通孔，环形通孔的两端由固设于模拟盾壳两端的端板封闭，所述环形通孔以及模拟盾壳两端的端板围成容纳空间，容纳空间内设有隔板将容纳空间上下分隔成独立的第一浆液通道和第二浆液通道，模拟盾壳两端的端板对应第一浆液通道的位置分别开设有通连第一浆液通道的第一入浆口和第一出浆口，模拟盾壳两端的端板对应第二浆液通道的位置分别开设有通连第二浆液通道的第二入浆口和第二出浆口，第一出浆口和第二出浆口朝向产生盾尾空隙的位置；
S3、按工程实际覆土情况，往模型箱内分层加入试验土体并压实，以将模型箱内的模拟管片环和模拟盾壳埋没，并设置监测系统；
S4、将第一注浆系统和第二注浆系统分别与第一入浆口和第二入浆口通连，并将推进系统与模拟盾壳的所述另一端连接；
S5、通过推进系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度推进，并分别通过第一注浆系统和第二注浆系统按设定的合理注浆压力和注浆量往第一浆液通道和第二浆液通道注浆，以使浆液从第一出浆口和第二出浆口流出并填充模拟盾壳推进所产生的盾尾空隙；
S6、通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，并分析试验土体变形情况。
9.如权利要求8所述的盾构施工同步注浆试验方法，其特征在于：在步骤S3中，所述监测系统包括多个百分表，设置监测系统的过程包括将所述试验土体的顶面整理平坦，在所述试验土体顶面间隔设置多块垫片，在模型箱的上部固设置位于垫片上方的安装架，将每个所述百分表装于安装架与相应的垫片的顶面相抵的位置，将每个百分表与数据采集系统连接，并将数据采集系统则与监控电脑连接，以在试验过程中获取试验土体沉降数据的过程，以及在至少一个位于模拟管片环正上方的垫片上固设下端延伸至与模拟管片环的连接的连杆，以在试验中通过百分表获取管片环的上浮量的过程。
10.如权利要求8或者9所述的盾构施工同步注浆试验方法，其特征在于：在步骤S3中，所述模型箱的侧板采用透明或者半透明的玻璃板或者玻璃钢板制成，在往模型箱内分层加入试验土体并压实的过程中，还包括在试验土体的不同深度的土层分界面之间沿玻璃面边缘位置埋设彩色线的过程，在步骤S4中，还包括将第三注浆系统与开设在模拟管环片的注浆孔通连，并通过第三注浆系统将浆液经注浆孔注入盾尾空隙的过程。
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