CN109667589B - 超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法，该装置包括：透明的试验箱体，内装有模型土；与试验箱体连接的水循环系统，用以模拟实际的承压水环境；与试验箱体连接的且透明的模拟管片；与试验箱体连接的且透明的隔离体，置于模拟管片和试验箱体之间，通过开设的透水孔而与模型土相连通，隔离体和模拟管片之间形成有模拟通道；设于模拟通道内且可移动的透明封闭塞体，开设有贯通的注浆孔，通过透明封闭塞体的移动而在模拟通道内形成注浆间隙，进而通过注浆孔注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。本发明可直观地观测同步注浆浆液固化过程中浆液渗流速度的变化规律，及其在高水压环境中的扩散模式和填充效果。

Description

超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及盾构工程技术领域，特指一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法。

背景技术

根据《上海市城市排水(雨水)防涝综合规划》，“十三五”期间上海将在中心城区先行实施苏州河调蓄管道工程。该项目是上海首次进行60m级的深层地下空间开发建设，隧道全长15.7km，在深层隧道高内、外水压力反复作用及超深软弱覆土环境下采用10m级以上大直径盾构进行施工，隧道所处的地层为

年代的粉砂夹粉质黏土层。同步注浆层作为盾构推进后盾尾空隙的主要充填材料以及隧道衬砌结构与外部水土环境隔开的唯一屏障，起到了减少环境影响、防止隧道变形和抗浮抗渗等不可或缺的作用。同步注浆研究主要围绕环境变形和结构受力两个关键问题展开，另外重点涵盖注浆扩散和固结机制、注浆材料和施工参数确定方法、以及注浆效果评估等内容，但这类研究通常集中在中浅覆土地层中，在深层隧道工程上缺乏借鉴作用。

目前，深隧工程的建设主要集中在欧美等发达地区(如芝加哥蓄洪隧道工程、亚特兰大深隧工程、香港荔枝角雨水排放深层隧道系统)，且绝大部分都建设在硬土、岩石等地层环境中，地质条件与上海较为接近的日本东京外廓放水路工程近年来建设的深隧工程同步注浆则以双液浆施工为主，对国内主要沿用的单液浆施工工艺指导意义较小。此外，由于苏州河深层排水调蓄管道系统首期工程——苗圃至云岭西施工试验段隧道才刚刚启动，关于上海地区60m级的深层地下空间内的大直径盾构施工同步注浆的相关研究内容较少，室内大型模拟试验研究尚少，且同步注浆浆液填充和渗透扩散运动模式尚不清晰。

针对超深覆土高水压地层，隧道开挖后，衬砌管片的受力状况以及注浆后，浆液的运动状态均会随着埋深增加而大幅改变，盾构掘进过程中同步注浆时浆液注入的流淌性、充填率和均匀性难以保证，在富含承压水砂性环境及可能含有渗流通道的情况下的同步注浆的浆体材料的稳定性，浆液固化过程中浆液渗流速度的变化规律，及其在高水压环境中的扩散模式和填充效果难以明晰。

目前不通过覆土加载，直接进行超深覆土富含承压水环境进行模拟的试验尚未见报道，直接利用试验装置的可视化同时对同步注浆浆液填充和渗透扩散模式进行室内大型模型试验的研究尚未可见。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法，解决现有在富含承压水砂性环境及可能含有渗流通道情况下的同步注浆浆体材料的稳定性，浆液固化过程中浆液渗流速度的变化规律，及其在高水压环境中的扩散模式和填充效果难以明晰的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，包括：

透明的试验箱体，内部形成有土仓室并于所述土仓室的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间，所述土仓室内装有模型土；

与所述土仓室连通的水循环系统，用于向所述土仓室内注入设定压力值的水以模拟实际的承压水环境；

与所述试验箱体连接的、且透明的模拟管片，所述模拟管片置于所述隧道模拟空间内；

与所述试验箱体连接的、且透明的隔离体，所述隔离体置于所述模拟管片和所述土仓室之间，所述隔离体通过开设于所述隔离体和所述试验箱体上的透水孔而与所述土仓室相连通，所述隔离体和所述模拟管片之间形成有模拟通道；以及

设于所述模拟通道内且可沿所述模拟通道移动的透明封闭塞体，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，通过所述透明封闭塞体的移动而在所述模拟通道内形成位于所述模拟管片外侧的注浆间隙，进而通过所述注浆孔向所述注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

本发明的可视化模拟试验装置，采用透明试验箱体、透明模拟管片、透明隔离体以及透明封闭塞体，整体为可视化环境，进而在模拟盾构施工中的同步注浆过程时，可直观地观测同步注浆的浆体材料的稳定性，浆液固化过程中浆液渗流速度的变化规律，及其在高水压环境中的扩散模式和填充效果，且通过水循环系统加载高压低流的水至土仓室内，能够模拟不同的承压水环境，真实地模拟了高富含承压水砂性土环境。本发明的可视化模拟试验装置，能够综合分析超深覆土高承压水环境下深层盾构同步注浆过程中的浆液的填充和渗透扩散情况，以指导实际施工中的同步注浆过程。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述试验箱体的一侧设有连通所述隧道模拟空间的开口；

所述模拟管片、所述隔离体以及所述透明封闭塞体的形状适配于所述土仓室的内侧面的形状。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述试验箱体包括相互连通且沿所述模拟管片走向而截面逐渐变小的多个箱体单元，从而使得每一箱体单元上位于所述透明封闭塞体移动方向的前方的端面露于外部而形成观察区域，多个箱体单元的观察区域拼接形成截面最大的箱体单元的截面形状。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述透明封闭塞体包括与每一箱体单元相对应的塞体分段，相邻的两个塞体分段间通过设置的磁铁和金属件的相互吸引而拼接连接。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，还包括图像采集系统，包括面对所述观察区域设置的第四相机，所述第四相机用于对所述观察区域进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，还包括图像采集系统，置于所述隧道模拟空间内并与所述透明封闭塞体一同移动，进而对所述模拟管片的内弧面进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述图像采集系统包括设于所述试验箱体上带有所述开口的一侧外的移动轨道、滑设于所述移动轨道上的支撑架以及安装于所述支撑架上的多个第一相机；

所述支撑架上设有部分从所述开口伸入所述隧道模拟空间内的安装支架，多个所述第一相机以一定夹角固设于所述安装支架的端部，用以覆盖所述模拟管片的内弧面并进行实时的图像采集。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述试验箱体上靠近所述移动轨道的一侧设有位于所述开口两侧的上表面和下表面；

所述图像采集系统还包括设于所述支撑架上并对应所述上表面的第二相机和对应所述下表面的第三相机，所述第二相机和所述第三相机用于对所述上表面和所述下表面进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的进一步改进在于，所述试验箱体包括相互连通且沿所述模拟管片走向而截面逐渐变小的多个箱体单元，多个箱体单元上的上表面位于不同平面上；

所述第二相机通过一长度可调节地调节支架连接于所述支撑架，通过所述调节支架的长度调节而使得所述第二相机能够靠近与对应的箱体单元上的上表面，且所述第二相机可转动地安装于所述调节支架上，通过转动调节所述第二相机可使得所述第二相机的镜头面对对应的箱体单元上的上表面。

本发明还提供了一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验方法，包括如下步骤：

提供透明的试验箱体，所述试验箱体内部形成有土仓室且于所述土仓室的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间；

向所述土仓室内装入模型土；

提供水循环系统，将所述水循环系统与所述土仓室连通，通过所述水循环系统向土仓室内注入设定压力值的水以模拟实际的承压水环境；

提供透明的隔离体，将所述隔离体置于所述隧道模拟空间内并与所述试验箱体连接，所述隔离体和所述试验箱体上设有相对的透水孔，从而所述隔离体通过所述透水孔与所述土仓室相连通；

提供透明的模拟管片，将所述模拟管片置于所述隧道模拟空间内并与所述试验箱体连接，所述模拟管片与所述隔离体之间形成有模拟通道；

提供透明封闭塞体，将所述透明封闭塞体可移动地设于所述模拟通道内，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，移动所述透明封闭塞体而在所述模拟通道内形成位于模拟管片外侧的注浆间隙，进而通过所述注浆口向所述注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

附图说明

图1为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的结构示意图。

图2为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中试验箱体的第一实施例的透视图。

图3为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中试验箱体的第二实施例的透视图。

图4为图3的侧视图。

图5为图4中A2-A2的剖视图。

图6为图4中A3-A3的剖视图。

图7为图4中A4-A4的剖视图。

图8为图4中A5-A5的剖视图。

图9为图1中A1处的局部结构放大示意图。

图10为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中一箱体单元端面处的连接结构的局部结构放大示意图。

图11为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中一端封板的正视图。

图12为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置一端部的剖视图。

图13为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中透明封闭塞体的正视图。

图14为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中透明封闭塞体的侧视图。

图15为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置中相邻两个塞体分段连接结构示意图。

图16为本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的侧视图。

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。

参阅图1，本发明提供了一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法，能够测试并观察超深覆土高承压水环境下盾构同步注浆浆液在盾尾的填充和在地层中的渗透扩散情况，为深层盾构的研究提供准确的试验数据。本发明的可视化模拟试验装置设计为全透明结构，能够直观地观看到同步注浆的全过程，进一步通过设置的多截面，能够观察整个隧道同步注浆全过程中浆液在盾尾间隙的填充和在地层中的渗透扩散情况。本发明的可视化模拟试验装置还设有水循环系统，能够模拟不同的高承压水环境的工况，从而可综合分析超深覆土高承压水环境下深层盾构同步注浆过程中的浆液的填充和渗透扩散情况，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超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的结构示意图。下面结合图1，对本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置进行说明。

如图1所示，本发明的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置包括试验箱体20、水循环系统30、模拟管片40、隔离体50以及透明封闭塞体60；其中试验箱体20为透明状箱体，利用其透明特性实现可视性，试验箱体20内部形成有土仓室21，试验箱体20于土仓室21的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间22，土仓室21内装有模型土；水循环系统30与土仓室21连通，用于向土仓室21内注入设定压力值的水，通过水循环系统30和模型土模拟实际的超深覆土承压水环境；模拟管片40为透明的结构，模拟管片40与试验箱体20连接，该模拟管片40置于隧道模拟空间22内，用以模拟实际施工中盾构的管片；隔离体50与试验箱体20连接，且该隔离体50也为透明的结构，隔离体50置于模拟管片40和土仓室21之间，结合图9所示，隔离体50通过开设于隔离体50上的透水孔51与开设于试验箱体20上的透水孔23而与土仓室21相连通，隔离体50和模拟管片40之间形成有模拟通道52，利用隔离体50分隔开土仓室21内的模拟土和模拟管片40，隔离体50和模拟管片40之间形成的模拟通道52用以模拟盾构掘进土体所形成的隧道内壁和盾构管片外弧面之间的间隙；透明封闭塞体60设于模拟通道52内且可沿模拟通道52移动，结合图13所示，该透明封闭塞体60上开设有贯通的注浆孔61，通过透明封闭塞体60的移动而在模拟通道52内形成位于模拟管片40外侧的注浆间隙，进而通过注浆孔61向注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

本发明的可视化模拟试验装置的工作原理为：利用透明试验箱体20内装设模拟土以模拟实际盾构施工处的土体状况，通过水循环系统30向试验箱体20内注入设定压力值的水以模拟实际盾构施工处的承压水环境，从而实现了对盾构实际工况的真实模拟；通过模拟管片40模拟盾构的管片，在模拟管片40的外侧与土仓室21的内侧之间设置隔离体50，隔离体50和模拟管片40之间形成的模拟通道52用于为透明封闭塞体60提供移动的空间，该透明封闭塞体60在模拟通道52内从一端向另一端移动，向前移动的过程中，在模拟通道52的后方形成有注浆间隙，从而模拟通道52模拟了盾构实际的掘进施工过程，在形成的注浆间隙内注入同步注浆浆液，该浆液会从隔离体50上的透水孔51和试验箱体20上的透水孔23而进入到试验箱体20内，进而在模拟土中渗透扩散，本发明的模拟试验装置均采用透明可视的结构，从而使得同步注浆的全过程均处于可视状态，同步注浆浆液对注浆间隙处的填充效果可直观地观看到，且浆液向模型土中的渗透量可通过浆液的注入量和注浆间隙的实际容量来计算得出，从而本发明的可视化模拟试验装置能够明晰在富含承压水砂性环境及可能含有渗流通道的情况下的同步注浆的浆体材料的稳定性，浆液固化过程中浆液渗流速度的变化规律，及其在高水压环境中的扩散模式和填充效果。

作为本发明的一较佳实施方式，结合图2和图3所示，试验箱体20的一侧设有连通隧道模拟空间22的开口24，通过在试验箱体20的一侧设置开口24，使得通过开口24能够方便的观测到模拟管片40的内侧；进一步地，模拟管片40、隔离体50以及透明封闭塞体60的形状适配于土仓室21的内侧面的形状。

在第一实施例中，如图2所示，透明的试验箱体20整体形状如图2所示，包括有顶板201、底板202、侧板203以及端封板204，顶板201和底板202相对设置，侧板203有两个，端封板204也有两个，两个侧板203相对设置并与顶板201和底板202密封连接固定，两个端封板204相对设置并与对应的顶板201、底板202以及两个侧板203密封连接固定，其中的一个侧板203包括两个平面段以及连接在两个平面段之间的弧形段，从而两个平面段之间形成了开口24，弧形段的内侧形成隧道模拟空间22。在该第一实施例的结构中，两个端封板204与设有开口24的侧板203的两个平面段处均能够观看到同步注浆浆液向模型土内渗透的情况，再结合通过开口24可观看模拟管片40的整个内弧面的浆液渗透扩散情况，从而使得观察整个隧道同步注浆全过程中的浆液在盾尾间隙的填充和在地层中的渗透扩散情况成为可能。在第一实施例的结构中，模拟管片40、隔离体50以及透明封闭塞体60的形状与具有开口24的侧板203上的弧形段的形状相适配。较佳地，侧板203上的弧形段的弧度大于180°小于360°，可选择190°，200°。将弧形段设计为超过半圆的圆弧状可避免同步注浆过程中的边界效应。

在第二实施例中，如图3和图4所示，试验箱体20的一侧同样设置有贯通两个端面的开口24，利用开口24可方便观看模拟管片40的内弧面的情况，试验箱体20的形状为具有不同截面的变截面形状，利用变截面提供多个观察区域，可获得不同位置以及不同角度的浆液渗透扩散的情况，提高模拟结果的精确性。同样地，模拟管片40、隔离体50以及透明封闭塞体60的形状适配于对应截面形状的土仓室21的内侧面的形状。在透明封闭塞体60上设置的注浆孔沿透明封闭塞体60的端面均匀布设，该注浆孔的数量较佳设计为4个。

进一步地，第二实施例中的试验箱体20包括相互连通且沿模拟管片40走向而截面逐渐变小的多个箱体单元，从而使得每一箱体单元上位于透明封闭塞体60移动方向的前方的端面露于外部而形成观察区域25，多个箱体单元的观察区域25拼接形成截面最大的箱体单元的截面形状。通过设置的多个箱体单元，为同步注浆浆液的观察提供多个观察区域25，即不同的箱体单元的端面。在一较佳实施方式中，试验箱体20包括四个箱体单元，分别是箱体单元20a、20b、20c以及20d，结合图5至图8所示，显示了各箱体单元的截面形状，其中的箱体单元20d的截面形状与第一实施例中试验箱体20的截面形状相同；箱体单元20c的截面形状为箱体单元20d的上部斜向切去部分而形成的形状，所切去部分的形状与箱体单元20d上的观察区域25的形状相同；箱体单元20b的截面形状为箱体单元20c的上部切去部分而形成的形状，所切去的部分的形状与箱体单元20c上的观察区域25的形状相同；箱体单元20a的截面形状为箱体单元20b的上部斜向切去部分而形成的形状，所切去部分的形状与箱体单元20b上的观察区域25的形状相同。较佳地，箱体单元20c的上表面26为斜135°的倾斜面，箱体单元20b的上表面26为平面，箱体20a的上表面26为斜45°的倾斜面。

具体地，结合图3和图4所示，箱体单元20a至20d通过多个透明板密封连接形成，其各箱体单元密封连接形成试验箱体20，结合图11和图12所示，位于模拟试验装置的始发端(也即实际盾构的尾部)的端封板204包括钢骨架2042和玻璃板，钢骨架2042起到加固作用，提高端封板204的结构强度。钢骨架2042包括多个型钢件，型钢件间连接在一起形成内部设有中空结构的框架，在中空结构处放置玻璃板并将玻璃板与对应的型钢件密封固接，从而形成了端封板204。型钢件上设置有与玻璃板端部相适配的L型卡接台，玻璃板的端部抵靠于L型卡接台的一个卡接面上，玻璃板的内侧面贴设于另一个卡接面并通过螺栓固定连接于该卡接面处，为提高密封效果，在玻璃板的内侧面和对应的卡接面处垫设密封垫，起到密封的作用。

钢骨架2042的中部设置有环形型钢件，该环形型钢件的内侧面对应隔离体50、透明纤维网53以及试验箱体20的侧板的弧形段设置有弧形卡槽，隔离体50、透明纤维网53以及试验箱体20的侧板的弧形段的端部插设于该卡槽内以实现安装固定。环形型钢件的内侧面设有一环形台面，模拟管片40的外弧面部分贴设于环形型钢件的内侧面并通过螺栓固定连接，模拟管片40的端面与环形台面相抵接，为提高密封效果，在模拟管片40的端面和环形台面间垫设有密封垫。

如图9和图10所示，显示了箱体单元20a至20d上的端封板的结构示意图，该端封板为玻璃板结构，玻璃板对应侧板的弧形段、透明纤维网53、隔离体50以及模拟管片40设置有端盖体2041，端盖体2041的内侧设置一凹槽，在凹槽的槽底上部和下部设置有嵌槽，上部的嵌槽用于插接连接侧板的弧形段、透明纤维网53、隔离体50，下部的嵌槽用于插接连接模拟管片40，凹槽对应模拟通道52设置，该凹槽用于收置透明封闭塞体60。端盖体2041的顶部设置有向外弯折并贴设于对应玻璃板的连接端部，进而通过螺栓连接固定，端盖体2041的底部同样向外弯折形成一连接端部，模拟管片40上设置有与该连接端部相贴的连接台42，该连接台42垂直于模拟管片40的内弧面41，连接台42和对应的连接端部通过螺栓固定连接。

试验箱体20内部形成密闭的空间，也即土仓室21。如图5至图9所示，为便于注浆浆液向土仓室21内进行渗透，在土仓室21的内侧面也即试验箱体20的侧板的弧形段上开设透水孔23，开设于隔离体50上的透水孔51与透水孔23相对设置，进一步为防止土仓室21内的模型土进入模拟通道52内，在隔离体50的外侧覆设透明纤维网53，该透明纤维网53具有透水不透砂的特性，透明纤维网53能够防止模型土透过而进入到模拟通道53内，又能够使得同步注浆浆液通过而进入到模拟土内。利用隔离体50和透明纤维网53以及试验箱体20的弧形段模拟浆液和土层接触界面，提供渗透条件。

作为本发明的另一较佳实施方式，如图13所示，透明封闭塞体60包括与每一箱体单元相对应塞体分段，相邻的两个塞体分段间通过设置的磁铁和金属件相互吸引而拼接连接。具体地，如图15所示，相邻的两个塞体分段的端部通过相适配的凹凸结构相对接，并在对接面上对应的设置磁铁64和金属件65，金属件65较佳采用铁片，利用磁铁64吸附住铁片而将两个塞体分段固定连接。相邻的两个塞体分段中的一个塞体分段的端部的上部设置向外凸伸的第一凸块，另一个塞体分段的端部的下部设置向外凸伸的第二凸块，这样第一凸块和第二凸块相对接，且第一凸块和第二凸块的端面均对应的抵靠于塞体分段的端部，在第一凸块贴合于第二凸块的表面固设磁铁64，在第二凸块上贴合于第一凸块的表面固设铁片，从而磁铁64吸附住铁片而固定两个塞体分段。

较佳地，对应图3所示的四个箱体单元，结合图13所示，塞体分段也设有四个，分别是塞体分段60a、60b、60c以及60d，每一塞体分段上设置有贯通的注浆孔61，注浆孔61的设置方向同模拟管片40的设置方法，结合图9所示，定义透明封闭塞体60的移动方向为前方，对应前方的透明封闭塞体60的端面为前端面，对应后方的透明封闭塞体60的的端面为后端面，透明封闭塞体60的注浆孔61贯通前端面和后端面，且透明封闭塞体60在前端面上还设置有硬质板62，注浆孔61位于前端面处的孔口设于硬质板62的中部，硬质板62上对应孔口的两侧设置有固定环63，该固定环63用于连接驱动系统80，以通过驱动系统80拖拽透明封闭塞体60而实现透明封闭塞体60的移动。

结合图3和图9所示，下面对透明封闭塞体60的移动过程进行说明。结合图13所示，透明封闭塞体60的四个塞体分段置于截面较大的箱体单元处的模拟通道52内，而后通过驱动系统80移动该透明封闭塞体60，随着透明封闭塞体60的移动而使得其后端面与模拟通道52的端部处形成注浆间隙，通过注浆孔61向透明封闭塞体60的后部进行同步注浆，在从箱体单元20d移动到箱体单元20c处时，箱体单元20d处的端盖体2041的凹槽阻挡了塞体分段60d，克服对应的磁铁和金属件的吸附力，可使得塞体分段60d与塞体分段60c脱离连接，进而剩下三个塞体分段进入到箱体单元20c处，以此类推的向前移动透明封闭塞体60，直至模拟通道52的端部为止。

如图1所示，本发明的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置还包括同步注浆控制系统90，该同步注浆控制系统90设于试验箱体20的前方，用于向注浆间隙内注入同步注浆浆液，该同步注浆控制系统90包括注浆管91、注浆泵92、浆液桶93以及第二压力计94，浆液桶93内装有同步注浆浆液，提供浆液存储环境，注浆管91通过注浆泵92与浆液桶93连接，第二压力计94设于注浆管91上，通过第二压力计94和注浆泵92控制注浆压力，注浆管91的另一端穿过对应的塞体分段上的注浆孔61，结合图14所示，注浆管91的端部在透明封闭塞体60的前端面处紧固连接一固定螺栓911，通过固定螺栓911抵在透明封闭塞体60的前端面而与该透明封闭塞体60紧固连接，注浆管91随着透明封闭塞体60一起移动，随着移动而产生注浆间隙，注浆泵92将浆液桶93内的浆液通过注浆管91而泵送至注浆间隙内，实现模拟实际注浆过程。

如图1所示，本发明的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置还包括驱动系统80，该驱动系统80包括牵引绳索81和驱动结构82，驱动系统80设于试验箱体20的前方，其中的牵引绳索81一端缠绕于驱动结构82上，通过驱动结构82的旋转而收回牵引绳索81，结合图9和图10所示，牵引绳索81的另一端穿过端盖体2041与对应的塞体分段上的固定环63固定连接，随着牵引绳索81的收回而拉动塞体分段向前移动。每一塞体分段上连接有两个牵引绳索81，而所有的牵引绳索81均与驱动结构82连接，通过驱动结构82驱动所有的牵引绳索81同步移动。较佳地，驱动结构82为电动卷扬机，牵引绳索81为钢丝。对应每一塞体分段设置一个电动卷扬机，并控制所有电动卷扬机一同运行，就能够实现所有的塞体分段同步移动，在一塞体分段抵靠在对应的端盖体2041上时，停止对应的电动卷扬机的运行即可。

牵引绳索81和注浆管91均通过对应的端盖体2041上开设的孔穿入到模拟通道52内进而与对应的透明封闭塞体60连接。在端盖体2041上的孔处设置有挤压式软橡胶防水，以起到防漏水的作用。

在塞体分段向前移动的过程中，注浆管91也会逐渐的从试验箱体20内退出，这样使得注浆管91位于试验箱体20外侧的长度也慢慢的变长，为了避免注浆管91产生弯折影响注浆压力和连续性，在试验箱体20的外侧设置一与对应的电动卷扬机联动旋转的转盘，将注浆管91位于试验箱体20外的部分中的一部分缠绕在该转盘上，并保持注浆管91位于转盘和透明封闭塞体60间的部分呈水平状，转盘的转动会将注浆管91向试验箱体20的外侧拉动，该拉动的速度与牵引绳索81的拉动速度相一致，从而保证了注浆管91和牵引绳索81同步地被拉动。较佳将转盘的旋转轴与电动卷扬机的驱动轴相连接，从而利用电动卷扬机一同驱动转盘旋转。在转盘和注浆泵之间的注浆管部分会随着转盘的旋转而变长，在转盘和注浆泵之间设置一挂架，在挂架的顶部设置多个挂钩，在注浆管较长时，将注浆管部分挂在挂钩上，从而形成呈波浪形的注浆管，能够避免发生弯折影响注浆压力和连续性的问题，确保注浆的顺利进行。

如图1所示，水循环系统30包括水箱31、第一压力计32、增压水泵33、储水罐34、过滤设备35、滤渣收集桶36、水管37以及开关阀门38，水箱31通过水管37连通在试验箱体20上的进水口211处，在水管37上设有一个开关阀门38，水箱31依序连接第一压力计32、增压水泵33、储水罐34、过滤设备35，过滤设备35连接滤渣收集桶36，过滤设备35通过一水管37连通在试验箱体20上的出水口212处，在该出水口212处的水管37上也设有一个开关阀门38。进水口211和出水口212设于试验水箱20两个端封板上，且设于下部。通过增压水泵33将储水罐34的水以设定压力泵入到土仓室21内，通过第一压力计32可检测注水压力，土仓室21内的水有部分从出水口212流至过滤设备35(过滤设备35用于防止土颗粒进入仪器设备而造成损坏)，并滤除杂质而回到储水罐34内，从而形成了进水和出水的水循环，且能够模拟不同承压水环境，真实模拟了地层扰动时水流变化状态。

结合图2和图3所示，在该两个实施例的试验箱体20的结构上设置的进水口211和出水口212均位于呈C型的箱体的下部，也即位于模拟通道52的底部的下方，使得在土仓室21内的流动的水不会进入到模拟通道52内，不会影响到同步注浆的过程。

作为本发明的又一较佳实施方式，本发明的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置还包括图像采集系统70，图像采集系统70用于对试验装置模拟的整个同步注浆的全过程进行图像采集，提供用于浆液填充和渗透扩散的分析数据。图像采集系统70置于隧道模拟空间22内并与透明封闭塞体60一同移动，进而对模拟管片40的内弧面41进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。通过分析采集的图像数据，可得出同步注浆浆液填充效果和渗透扩散速度以及路径。

进一步地，结合图1和图16所示，图像采集系统70包括设于试验箱体20上带有开口24的一侧外的移动轨道71、滑设于移动轨道71上的支撑架72以及安装于支撑架72上的多个第一相机73，支撑架71上设有部分从开口24处伸入隧道模拟空间22内的安装支架721，多个第一相机73以一定夹角固设于安装支架721的端部，用以覆盖模拟管片40的内弧面41并进行实时的图像采集。较佳地，第一相机73设置三个，分别呈60°夹角固设于安装支架721的端部，该三个第一相机73的广角设为120°，从而能够完全覆盖模拟管片40的内弧面41。为实现支撑架72与透明封闭塞体60的一同移动，将该支撑架72通过一牵引绳索81连接，帮将牵引绳索81与对应的电动卷扬机缠绕固定连接，从而使得电动卷扬机驱动对应的透明封闭塞体60移动时，也同步的带动支撑架72移动，使得支撑架72上的第一相机73能够对应拍摄同步注浆的图像。

进一步地，试验箱体20上靠近移动轨道71的一侧设有位于开口24两侧的上表面26和下表面27，图像采集系统70还包括设于支撑架72上并对应上表面26的第二相机74和对应下表面27的第三相机75，第二相机74和第三相机75用于对上表面26和下表面27进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

结合图3所示，在变截面的试验箱体20中，上表面26包括位于不同平面内的多个面，为便于第二相机74对于当前注浆过程的实时图像采集，支撑架72上设置有长度可调节地调节支架722，第二相机74固设于调节支架722的端部，通过调节支架722的长度调节而使得第二相机74能够靠近对应的箱体单元的上表面26，进一步地，第二相机74可转动地安装在调节支架722上，通过转动调节第二相机74可使得第二相机74的镜头面对对应的箱体单元的上表面26。从而在同步注浆的全过程中，能够对上表面26上的注浆情况实现实时的图像采集。转动调节第二相机74时，较佳将镜头调节至垂直于对应的上表面26。

再进一步地，结合图1所示，图像采集系统70还包括面对观察区域25设置的第四相机76，第四相机70用于对观察区域25进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。在移动轨道71的末端设置有固定架77，第四相机70固定于固定架77上，结合图3所示，固定架77上的第四相机76分别对应观察区域25设置，用于采集观察区域25处的同步注浆的图像数据。第四相机76所采集的观察区域25处的图像为渗透扩散图像，能够反映浆液的渗透情况。

以图3为例，对本发明的图像采集系统70的采集数据的过程进行说明。透明封闭塞体60沿着模拟通道52的一端移动至另一端，以模拟盾构的掘进过程，在移动的过程中对产生的注浆间隙进行同步注浆，浆液注入到注浆间隙，也即透明封闭塞体60的后方的模拟通道52内，浆液在填充注浆间隙的过程中会经过隔离体50的透水孔51、透明纤维网53以及试验箱体20的侧板203上的透水孔23，而进入到模型土中，浆液会向着模型土中进行渗透，渗透面为试验箱体20的侧板203的弧形段的表面，在箱体单元20d处，浆液的填充及渗透情况可从上表面26、下表面27、观察区域25和模拟管片40的内弧面进行观测，而第一相机73可与同步注浆同步的采集到模拟管片40的内弧面的图像数据，第二相机74可采集到上表面26的图像数据，第三相机75可采集到下表面27的图像数据，第四相机76可采集到观察区域25的图像数据，其余的箱体单元处同样能够全方位的进行图像采集。籍此，观察区域25的图像数据对应反映隧道横截面的多个位置处渗透情况，上表面26和下表面27对应反映隧道沿垂直圆周的多个截面且多个位置处渗透情况及填充情况，从而通过观察区域25和上表面26及下表面27的渗透情况可拟合出近似真实的同步注浆的浆液渗透扩散路径。模拟管片40的内弧面41处的图像数据反映同步注浆浆液的填充情况，通过内弧面41、上表面26和下表面27的图像数据可分析出同步注浆的浆液的填充效果。

较佳地，本发明的模型土采用规定颗粒级配的石英砂，以模拟盾构所处的砂性土层环境。石英砂具有稳定的物理化学性质，和自然砂性土具有相近的物理化学性质、折射系数、粘度和密度；不溶于水且不会与水以及模拟空隙流体的液体发生反应；耐高压，透光性好。同步注浆浆液内添加有颜料染剂，增加图像数据中的浆液识别力。较佳地同步注浆浆液采用正十二烷与白矿油或者溴化钙溶于水之后配置呈透明模型浆液，而后加入红色铁粉作为颜料染剂，形成了红色的模拟浆液，以便于图像采集区分和凸显浆液位置。

本发明的隔离体50和模拟管片40、试验箱体20均采用透明玻璃制成，玻璃采用高强度的硬化玻璃，能够避免因压力产生变形。为确保试验箱体20的密闭性，连接的位置处均设置密封垫，密封垫采用橡胶防水垫和膨胀型的橡胶防水结构。

本发明的透明封闭塞体60的材质采用橡胶，具有一定的柔性，能够密封模拟通道52上被透明封闭塞体60分隔的前后空间，使得同步注浆浆液仅注入到注浆间隙内，而不会进入到透明封闭塞体60的前方的空间内。为减少透明封闭塞体60与模拟管片40和隔离体50间的摩擦，在透明封闭塞体60、注浆管91以及牵引绳索81上涂抹油脂，即可减少摩擦又能具有防水的效果。透明封闭塞体60内嵌入有分段的环形钢骨，在环形钢骨上固定连接固定环63，该固定环63位于透明封闭塞体60的前端面上。

第一至第四相机均采用CCD相机，采用高分辨率的相机进行高速图像信息采集，确保获取短间隔浆液渗透扩散运动图像。将所有的CCD相机通过专用数据电缆连接计算机，使得所有的CCD相机采集的图像数据均能够传输到计算机内，保持数据的完整性。

在进行模拟试验时，通过设定不同的注浆比例、不同的注浆压力、不同的注浆速度、不同的水压力以及不同级配的石英砂来模拟不同的工况，以得到适用于各种工况的试验数据。

根据超深覆土盾构隧道所处的地层环境特点，位于地下水位以下，含有高承压水的砂性环境背景，所述的实验装置模型土采用的是一定颗粒级配石英砂，通过水循环系统向模型土内注入不同埋深计算出的不同水压力，用于模拟不同埋深条件下承压水砂性环境。

下面对本发明超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置的模拟同步注浆的过程进行说明。

根据承压水砂性环境选择适合的颗粒级配的石英砂，开启水循环系统向土仓室内注入设定压力值的水，模拟出实际的承压水砂性环境条件后，启动驱动系统、同步注浆控制系统以及图像采集系统，驱动系统拉动透明封闭塞体从试验箱体的一端向另一端移动，同步注浆控制系统向形成的注浆间隙内注入模拟的同步注浆浆液，图像采集系统对试验箱体进行同步注浆全过程的实时的图像数据采集，其中的水循环系统通过进水和出水的水循环模拟地层扰动时水流变化状态；驱动系统驱动透明封闭塞体进行移动以模拟实际的盾构掘进过程，驱动系统还同步驱动图像采集系统进行移动，同步注浆控制系统注入浆液用以模拟实际的同步注浆过程，图像采集系统用于对同步注浆的全过程进行实时的图像数据采集，以分析同步注浆过程的浆液渗透扩散路径及填充情况。其中试验箱体的断面变化和透明封闭塞体的分段设计，为整个注浆过程中浆液在模型土中的渗透扩散提供更多的截面和角度进行观测和数据采集，为了解整个三维空间的浆液渗透扩散研究提供图像数据支持。

下面对本发明提供的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验方法进行说明。

本发明提供了一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验方法，包括如下步骤：

如图1所示，提供透明的试验箱体20，试验箱体20内部形成有土仓室21且于土仓室21的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间22；

向土仓室21内装入模型土；

提供水循环系统30，将水循环系统30与土仓室21连通，通过水循环系统30向土仓室21内注入设定压力值的水以模拟实际的承压水环境；

提供透明的隔离体50，将隔离体50置于隧道模拟空间22内并与试验箱体20连接，隔离体50和试验箱体20上设有相对的透水孔，从而隔离体50通过透水孔与土仓室21相连通；

提供透明的模拟管片40，将模拟管片40置于隧道模拟空间22内并与试验箱体20连接，模拟管片40与隔离体50之间形成有模拟通道52；

提供透明封闭塞体60，将透明封闭塞体60可移动地设于模拟通道52内，透明封闭塞体60上开设有贯通的注浆孔，移动透明封闭塞体60而在模拟通道52内形成位于模拟管片40外侧的注浆间隙，进而通过注浆口向注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

本发明的可视化模拟试验方法通过上述的可视化模拟试验装置进行盾构同步注浆的全过程的模拟，具体可参见上述的可视化模拟实验装置的部分描述，本发明的可视化模拟试验方法可获得不同注浆控制参数下及不同承压水砂性环境下的，同步注浆的浆液的填充和渗透扩散运动模式。

本发明的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置及方法的有益效果为：

通过试验装置本身使用透明玻璃管、透明滤网、透明密封盖、透明橡胶塞、透明密封垫构建一套同步注浆的可视化环境；模型土采用一定颗粒级配的石英砂，通过模型土仓水循环系统向模型土内注入不同压力值的水，用以模拟不同承压水砂性环境；试验装置主体断面的变化设计，为整个注浆过程中浆液在模型土中的渗透扩散提供更多的截面和角度进行观测和数据采集，为了解整个三维空间的浆液渗透扩散研究提供图像数据支持；透明封闭塞体和部分相机的联动作用，实现了整个同步注浆过程中注浆孔和相机的同步位置变化，以及整个隧道内侧浆液填充的全图像数据获取；借助数字图像技术，观测、记录和显现在模拟富含承压水砂性土环境下，不同注浆控制参数下浆液的填充和渗透扩散运动模式，而且数字图像处理系统所采用的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，对整个盾构隧道注浆时浆液的填充和渗透扩散运动状态进行观察记录，为浆液填充和渗透扩散机理理论研究提供试验基础。

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)

1.一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，包括：

透明的试验箱体，内部形成有土仓室并于所述土仓室的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间，所述土仓室内装有模型土；

与所述土仓室连通的水循环系统，用于向所述土仓室内注入设定压力值的水以模拟实际的承压水环境；

与所述试验箱体连接的、且透明的模拟管片，所述模拟管片置于所述隧道模拟空间内；

与所述试验箱体连接的、且透明的隔离体，所述隔离体置于所述模拟管片和所述土仓室之间，所述隔离体通过开设于所述隔离体和所述试验箱体上的透水孔而与所述土仓室相连通，所述隔离体和所述模拟管片之间形成有模拟通道；以及

设于所述模拟通道内且可沿所述模拟通道移动的透明封闭塞体，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，通过所述透明封闭塞体的移动而在所述模拟通道内形成位于所述模拟管片外侧的注浆间隙，进而通过所述注浆孔向所述注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

2.如权利要求1所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体的一侧设有连通所述隧道模拟空间的开口；

所述模拟管片、所述隔离体以及所述透明封闭塞体的形状适配于所述土仓室的内侧面的形状。

3.如权利要求2所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体包括相互连通且沿所述模拟管片走向而截面逐渐变小的多个箱体单元，从而使得每一箱体单元上位于所述透明封闭塞体移动方向的前方的端面露于外部而形成观察区域，多个箱体单元的观察区域拼接形成截面最大的箱体单元的截面形状。

4.如权利要求3所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述透明封闭塞体包括与每一箱体单元相对应的塞体分段，相邻的两个塞体分段间通过设置的磁铁和金属件的相互吸引而拼接连接。

5.如权利要求3所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，还包括图像采集系统，包括面对所述观察区域设置的第四相机，所述第四相机用于对所述观察区域进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

6.如权利要求2所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，还包括图像采集系统，置于所述隧道模拟空间内并与所述透明封闭塞体一同移动，进而对所述模拟管片的内弧面进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

7.如权利要求6所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述图像采集系统包括设于所述试验箱体上带有所述开口的一侧外的移动轨道、滑设于所述移动轨道上的支撑架以及安装于所述支撑架上的多个第一相机；

所述支撑架上设有部分从所述开口伸入所述隧道模拟空间内的安装支架，多个所述第一相机以一定夹角固设于所述安装支架的端部，用以覆盖所述模拟管片的内弧面并进行实时的图像采集。

8.如权利要求7所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体上靠近所述移动轨道的一侧设有位于所述开口两侧的上表面和下表面；

所述图像采集系统还包括设于所述支撑架上并对应所述上表面的第二相机和对应所述下表面的第三相机，所述第二相机和所述第三相机用于对所述上表面和所述下表面进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

9.如权利要求8所述的超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体包括相互连通且沿所述模拟管片走向而截面逐渐变小的多个箱体单元，多个箱体单元上的上表面位于不同平面上；

所述第二相机通过一长度可调节的调节支架连接于所述支撑架，通过所述调节支架的长度调节而使得所述第二相机能够靠近与对应的箱体单元上的上表面，且所述第二相机可转动地安装于所述调节支架上，通过转动调节所述第二相机可使得所述第二相机的镜头面对对应的箱体单元上的上表面。

10.一种超深地层盾构同步注浆全截面可视化模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供透明的试验箱体，所述试验箱体内部形成有土仓室且于所述土仓室的内侧设有贯通两端面的隧道模拟空间；

向所述土仓室内装入模型土；

提供水循环系统，将所述水循环系统与所述土仓室连通，通过所述水循环系统向土仓室内注入设定压力值的水以模拟实际的承压水环境；

提供透明的隔离体，将所述隔离体置于所述隧道模拟空间内并与所述试验箱体连接，所述隔离体和所述试验箱体上设有相对的透水孔，从而所述隔离体通过所述透水孔与所述土仓室相连通；

提供透明的模拟管片，将所述模拟管片置于所述隧道模拟空间内并与所述试验箱体连接，所述模拟管片与所述隔离体之间形成有模拟通道；

提供透明封闭塞体，将所述透明封闭塞体可移动地设于所述模拟通道内，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，移动所述透明封闭塞体而在所述模拟通道内形成位于模拟管片外侧的注浆间隙，进而通过所述注浆孔 向所述注浆间隙内注入模拟浆液，以模拟盾构施工中的同步注浆过程。

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