CN109826652A - 盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，包括：环状的透明箱体；与透明箱体连接的水循环系统，用于模拟实际的承压水环境，包括流量计；置于透明箱体的内侧面的隔离体，开设有透水孔；置于隔离体内并与透明箱体连接的模拟管片，与隔离体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位于模拟管片外侧的注浆间隙，进而通过注浆孔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。本发明能够提供不同的承压水环境条件，模拟同步注浆的全过程，且可推算出浆液损失量与承压水压力直接的关系，提高了所获得的浆液损失量的精准度。

Description

盾构同步注浆中浆液损失量的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，特指一种盾构同步注浆中浆液损失量 的模拟试验装置及方法。

背景技术

苏州河调蓄管道工程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。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、施工参数确定方法、以及 注浆损失体量计算等内容，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 填充率、填充状态、浆液损失量的计算方法尚不精准。

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 液固化过程中不同强度承压水的冲刷和浆液渗流导致的浆液损失，浆液填 充率和损失率不同将会导致浆液填充效果不同。

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过 程研究而进行室内大型模型试验的研究尚未可见，目前获取浆液损失体量 的计算方法多由浆液充填率表示，由于盾尾间隙体积和浆液充填体积的难 以获取，因此难以精确获得浆液充填率和损失率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构同步注浆中浆 液损失量的模拟试验装置及方法，解决现有的由浆液充填率表示浆液损失 量存在的难以精确的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，包 括：

环状的透明箱体，内部形成有环形的土仓室，所述土仓室内装有模型 土，所述透明箱体的内侧形成有隧道模拟空间；

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，所述水循环系统包括设于进水端和出水 端的流量计，用以计量进水量和出水量；

置于所述隧道模拟空间内并与所述透明箱体的内侧面相贴合的隔离 体，所述隔离体为透明结构且其上开设有透水孔，所述透明箱体的内侧面 为透水结构；

置于所述隧道模拟空间内并与所述透明箱体连接的模拟管片，所述模 拟管片为透明结构，且所述模拟管片与所述隔离体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。

本发明提供了一种全透明的可视化的模拟试验装置，能够提供不同的 承压水环境条件，模拟深层盾构隧道所处的地层环境，利用透明封闭塞体 的移动模拟盾构的掘进施工，并对产生的注浆间隙进行同步注浆，进而能 够模拟同步注浆的全过程，根据封闭的土仓室内饱和砂土多余水分会直接 排除的原理，在相同的注浆参数下，由于承压水压力的变化，浆液中的水 分透过透水结构扩散至模型土中的量，通过流量计可以直接计算出来，从而推算出浆液损失量与承压水压力直接的关系，提高了所获得的浆液损失 量的精准度。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的进一步改进在 于，还包括设于所述透明箱体一端处的同步注浆控制系统，所述同步注浆 控制系统的注浆管从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并穿过所 述注浆孔而与所述透明封闭塞体固定连接，进而通过所述注浆管向所述注 浆间隙内注入模拟浆液。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的进一步改进在 于，还包括设于所述透明箱体一端处的驱动系统，所述驱动系统的牵引绳 索从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并与所述透明封闭塞体固 定连接，从而拉动所述透明封闭塞体进行移动。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的进一步改进在 于，还包括置于所述模拟管片内部的图像采集系统，所述图像采集系统与 所述透明封闭塞体同步移动，且用于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。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的进一步改进在 于，所述透明箱体包括透明管体、置于所述透明管体内的透明滤网以及密 封连接于所述透明管体和所述透明滤网两端的端封板；

所述端封板、所述透明管体以及所述透明滤网之间围合形成所述土仓 室；

所述透明滤网为管状结构，内部形成所述隧道模拟空间；

所述端封板的中部开设有对应所述隧道模拟空间的开口。

本发明还提供了一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，包 括如下步骤：

提供环状的透明箱体，所述透明箱体内部形成有环形的土仓室，所述 透明箱体的内侧形成有隧道模拟空间且所述透明箱体的内侧面为透水结 构；

向所述土仓室内装入模拟土；

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

提供流量计，将所述流量计安装于所述水循环系统的进水端和出水端 处，通过所述流量计计量进水量和出水量；

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 透明箱体的内侧面相贴合，于所述隔离体上开设透水孔；

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 所述透明箱体连接，且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，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，将所 述透明封闭塞体置于所述模拟通道内；以及

移动所述透明封闭塞体而使得所述模拟通道内形成位于所述模拟管 片外侧的注浆间隙，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。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法的进一步改进在 于，还包括：

提供同步注浆控制系统，将所述同步注浆控制系统中的注浆管从所述 透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并穿过所述注浆孔而与所述透明封 闭塞体固定连接，进而通过所述注浆管向所述注浆间隙内注入模拟浆液。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法的进一步改进在 于，还包括：

提供驱动系统，将所述驱动系统中的牵引绳索从所述透明箱体的一端 伸入所述模拟通道内并与所述透明封闭塞体固定连接，进而实现通过所述 牵引绳索拉动所述透明封闭塞体进行移动。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法的进一步改进在 于，还包括：

提供图像采集系统，将所述图像采集系统置于所述模拟管片内部，并 令所述图像采集系统与所述透明封闭塞体同步移动，通过所述图像采集系 统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。

本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法的进一步改进在 于，提供透明箱体的步骤包括：

提供透明管体、透明滤网以及端封板，将所述透明滤网置于所述透明 管体内，且所述透明滤网和所述透明管体之间界定形成一定的空间；

所述透明滤网为管状结构，内部形成所述隧道模拟空间，于所述端封 板的中部开设对应所述隧道模拟空间的开口；

将所述端封板密封连接于所述透明管体和所述透明滤网的两端，从而 所述端封板、所述透明管体以及所述透明滤网之间围合形成所述土仓室。

附图说明

图1为本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的系统图。

图2为本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的进水端的 侧视图且图中省去了端板中部处的环形钢板以示意出透明封闭塞体。

图3为本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置中透明管 体、透明滤网、隔离体以及模拟管片的结构示意图。

图4为本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置中两个端部 处的剖视图。

图5为本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置中透明封闭 塞体的侧视图。

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，本发明提供了一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验 装置及方法，能够测试并且观察超深覆土高承压水环境下盾构同步注浆浆 液在盾尾的填充和浆液冲刷损失情况，为深层盾构的研究提供准确的试验 数据。该模拟试验装置，通过设置透明状的试验装置和使用数字图像技术， 使得观察同步注浆过程中的浆液在盾尾间隙的填充扩散情况成为可能；该 装置还配置了压力检测装置、水流量检测装置和外部水路循环系统，压力 检测装置用于实时检测水管和注浆管线上的压力，间接测量注浆压力和承 压水压力，流量计直接获取不同大小承压水设置条件下，进出饱和模型土 的水流体量；外部水循环系统与试验装置内的模型土仓形成环路连接，向 水土仓内注入高压低速的水流，模拟超深地层的高承压水地下水环境，通 过改变注水压力，模拟不同的承压水环境；通过对浆液在模拟盾尾间隙的 填充扩散过程进行数字图像采集，以及对饱和状态模型土注浆过程中，进 出土仓压力水的体量变化，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扩散情况和浆液损失状况，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盾构同步注浆中浆液损失量 的模拟试验装置及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置 的系统图。下面结合图1，对本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试 验装置进行说明。

如图1所示，本发明的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置包 括透明箱体20、水循环系统30、隔离体50、模拟管片40及透明封闭塞体 60，透明箱体20为环状结构，内部形成有环形的土仓室21，在土仓室21 内装有模型土，透明箱体20的内侧形成有隧道模拟空间22，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。水循环系统30包括 设于进水端和出水端的流量计，用以计量进水量和出水量；隔离体50置 于隧道模拟空间22内并与透明箱体20的内侧面相贴合，隔离体50为透 明结构且其上开设有透水孔51，透明箱体20的内侧面为透水结构；模拟 管片40置于隧道模拟空间22内并与透明箱体20连接，该模拟管片40为透明结构，且模拟管片40与隔离体50之间形成有模拟通道52，通过模拟 通道52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2所示，透明封闭塞体60上开设有贯通的注浆孔61，注浆孔61的设置 方向与透明封闭塞体60的移动方向相一致，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。 也即随着透明封闭塞体60的向前移动，在透明封闭塞体60的后方形成注 浆间隙，进而通过注浆孔61向着透明封闭塞体60后方的注浆间隙注入模 拟浆液。

本发明的盾构同步注浆中浆液损失量的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的内侧面而进入到试验箱体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，且浆液向模拟中的渗透量可通过同步注浆的前后的水流量精确计算出 来，进而可推算处浆液损失量和承压水压力之间的关系。通过模拟盾构隧 道同步注浆试验装置在室内实现盾构掘进过程中注浆的填充和损失体量 计算的试验研究，同时借助数字图像技术，观测、记录和显现在模拟富含 不同承压水砂性土环境下，不同注浆控制参数下浆液的填充效果，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扩散运动状态进行 观察记录，为注浆效果研究分析提供试验基础。

作为本发明的一较佳实施方式，结合图1和图3所示，透明箱体20 包括透明管体23、置于透明管体23内的透明滤网24以及密封连接于透明 管体23和透明滤网24两端的端封板25，该端封板25、透明管体23以及 透明滤网24围合形成土仓室21，透明滤网24为管状结构，内部形成有隧 道模拟空间22，结合图2和图4所示，端封板25的中部开设有对应隧道模拟空间22的开口，通过两个端封板25中部的开口而使得模拟管片40 内侧的隧道空间与外界相连通。

较佳地，透明管体23、透明滤网24、隔离体50以及模拟管片40均 为圆形管状结构，用以模拟圆形盾构。为提高透明管体23的支设稳定性， 如图1和图2所示，本发明的试验装置还包括支座26，支座26用以保持 透明管体23的整体稳定和无遮挡。具体地，支座26包括置于承载面(比 如地面或支撑台面)上的底板、设于底板上方的并与透明管体23的弧度 相适配的弧形撑板以及支撑连接在底板和弧形撑板之间的加强板，较佳 地，底板、弧形撑板以及加强板均采用钢板。

为提高试验装置的结构强度，结合图2和图4所示，两个端板25上 设置有钢骨架253，利用钢骨架253提高端板25的结构强度，进而提高试 验装置的整体强度。钢骨架253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，从而形成了端板25。具体地，端板25的钢骨架253 包括位于内侧的内环板、位于外侧的外环板以及支撑连接于内环板和外环 板之间的加固杆，在内环板和外环板之间围合形成的空间内设置透明的玻 璃板，且内环板和外环板与对应的玻璃板密封连接，玻璃板为环形状。

其中的外环板的内环面上设有卡接板，该卡接板与外环板的外端面具 有一定的距离，端板25上的玻璃板的端部抵靠在外环板的内环面且该端 部的内表面贴设于卡接板上，进而通过螺栓将玻璃板紧固连接于卡接板 上。为提高密封效果，在卡接板和玻璃板之间垫设有透明密封垫。该外环 板的外环面上设有抵靠板，该抵靠板靠近外环板的外端面设置并与内端面 具有一定的距离，透明管体23的端部抵靠于抵靠板上，且端部处的内表 面置于外环板的外环面上，进而通过螺栓将透明管体23紧固连接于外环 板上，为提高密封效果，在透明管体23和外环板之间垫设透明密封垫。

其中的内环板的外环面上设有靠近内端面的凸起，该凸起距外端面有 一定的距离，端板25上的玻璃板的端部抵靠在内环板的外环面上并且该 端部的内表面贴设于凸起上，进而通过螺栓将玻璃板紧固连接于凸起上。 为提高密封效果，在凸起和玻璃板之间垫设有透明密封垫。该内环板的内 环面上设有靠近外端面的凸台，该凸台距内端面有一定的距离，模拟管片 40的外弧面贴设于内环板的内环面且模拟管片40的端部抵靠于凸台，通过螺栓将模拟管片40紧固连接于内环板上。为提高密封效果，在内环板 和模拟管片40之间垫设透明密封垫。内环板的内端面上对应透明滤网24 和隔离体50的端部设置有插槽，透明滤网24和隔离体50的端部插设于 对应的插槽内进而实现固定。

结合图2所述，在端板25的玻璃板上均匀布设多个贯通孔，其中一 个端板25上的贯通孔为进水孔251，另一个端板25上的贯通孔为出水孔 252。进水孔251和出水孔252相对应设置。较佳地，进水孔251和出水 孔252均设置四个。

作为本发明的另一较佳实施方式，结合图1所示，水循环系统30包 括水箱32、压力计33、增压水泵34、储水罐35、过滤设备36、滤渣收集 桶37、水管38以及开关阀门39，水箱32通过水管38连通在透明箱体20 上的进水孔251处，在水管38上设有开关阀门39，水管38对应各个进水 孔251设置单独的供水支管，在供水支管上依序设置流量计31、压力计 33以及开关阀门39，通过流量计31计量对应的供水支管上的水流量，压 力计33测量对应的供水支管的水流压力，开关阀门39用于控制对应的供 水支管的通断。水箱32依序连接压力计33、增压水泵34、储水罐35、过 滤设备36，过滤设备36连接滤渣收集桶37，过滤设备36通过一水管38 连通在透明箱体20上的出水孔252处，水管38对应各个出水孔252设置 单独的集水支管，在集水支管上依序设置流量计31、压力计33以及开关 阀门39，通过流量计31计量对应的集水支管上的水流量，压力计33测量 对应的集水支管的水流压力，开关阀门39用于控制对应的集水支管的通 断。进水孔251和出水孔252设于透明水箱20两个端板25上，且均匀布设于上部和下部。通过增压水泵34将储水罐35的水以设定压力泵入到土 仓室21内，通过压力计33可检测注水压力，土仓室21内的水有部分从 出水孔252流至过滤设备36，并滤除杂质而回到储水罐35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。

作为本发明的又一较佳实施方式，如图1所示，本发明的模拟试验装 置还包括设于透明箱体20一端处的同步注浆控制系统70，较佳该同步注 浆控制系统70位于透明封闭塞体60的移动方向的前方，同步注浆控制系 统70的注浆管71从透明箱体20的一端伸入模拟通道52内并穿过注浆孔 61而与透明封闭塞体60固定连接，进而通过注浆管71向注浆间隙内注入 模拟浆液。

较佳地，同步注浆控制系统70设于设有出水孔252的端板25的外侧， 在设有出水孔252的端板25的内环板上对应注浆管71开设通孔，以令注 浆管71通过通孔而穿入到模拟通道52内，为确保密封效果，在通孔处设 置有透明密封垫。

结合图5所示，注浆管71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711，通过固定螺栓711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711随着透明封闭塞体60一起移 动，在产生注浆间隙时，注浆管711对该注浆间隙进行同步注浆。

同步注浆控制系统70还包括注浆泵72和浆液桶73，浆液桶73内装 有模拟浆液，提供浆液存储环境，注浆管71通过注浆泵72与浆液桶73 连接，注浆泵72将浆液桶73内的模拟浆液泵送至注浆管71内，进而通 过注浆管71而注入到注浆间隙中，实现了模拟实际的同步注浆过程。

较佳地，如图2所示，在透明封闭塞体60上均匀布设有四个注浆孔 61，对应地，注浆管71也设有四个，每一注浆管71配备一个注浆泵72。 以使得注浆间隙内的浆液填充能够更加均匀。

作为本发明的再一较佳实施方式，如图1所示，本发明的模拟试验装 置还包括设于透明箱体20一端处的驱动系统80，较佳该驱动系统80位于 透明封闭塞体60的移动方向的前方，驱动系统80的牵引绳索81从透明 箱体20的一端伸入模拟通道52内并与透明封闭塞体60固定连接，从而 拉动透明封闭塞体60进行移动，以模拟盾构的掘进过程。

较佳地，驱动系统80与同步注浆控制系统70设于同一侧，在设有出 水孔252的端板25的内环板上对应牵引绳索81开设穿设孔，以令牵引绳 索81穿过穿设孔而与设于模拟通道52内的透明封闭塞体60固定连接， 进而实现拉动透明封闭塞体60移动。为提高模拟通道52的密封性，在穿 设孔处设置密封圈。

驱动系统80还包括驱动结构82，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4和图5所示， 牵引绳索81的另一端穿过端板25上对应的穿设孔与对应的透明封闭塞体 60上的固定环62固定连接，随着牵引绳索81的收回而拉动透明封闭塞体 60向前移动。

较佳地，将牵引绳索81固设于透明封闭塞体60上的注浆孔61的两 侧，在透明封闭塞体60的钱嵌有环形钢骨，在环形钢骨上固定连接固定 环62，且固定环62置于透明封闭塞体60的前端面，利用设置的固定环 62为牵引绳索81提供固定基础。在注浆孔61设有四个时，牵引绳索81 设有八根，成对的均匀布设于透明封闭塞体60上。

较佳地，驱动结构82为电动卷扬机，将牵引绳索81上远离透明封闭 塞体60的一端缠绕固定在电动卷扬机上，利用电动卷扬机卷收牵引绳索 81而实现拉动透明封闭塞体60向前移动。为每对牵引绳索81配置一个电 动卷扬机，并控制多个电动卷扬机同步运行。

在透明封闭塞体60向前移动的过程中，注浆管71也会逐渐的从透明 箱体20内退出，这样使得注浆管71位于透明箱体20外侧的长度也慢慢 的变长，为了避免注浆管71产生弯折影响注浆压力和连续性，在透明箱 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71位 于透明箱体20外的部分中的一部分缠绕在该转盘上，并保持注浆管71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71 向透明箱体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71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。

作为本发明的再又一较佳实施方式，如图1所示，本发明的模拟试验 装置还包括置于模拟管片40内部的图像采集系统90，该图像采集系统90 与透明封闭塞体60同步移动，且用于对模拟管片40的内弧面进行实时的 图像采集以形成对应的图像数据。图像采集系统90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浆液冲刷损 失的分析数据。

如图1和图2所示，图像采集系统90包括多个相机93，多个相机93 呈一定的夹角布设，以对模拟管片40的整个内弧面进行无死角的全覆盖 拍摄，形成对应的图像数据。较佳地，相机93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。

对应圆形的模拟管片40，相机93设置四个，四个相机呈45°夹角布 设，正对模拟管片40的内弧面，用以记录和获取同步注浆时浆液填充状 态图像数据。

较佳地，图像采集系统90还包括置于模拟管片40内部的滑轨91和 套设于滑轨91上的安装座92将四个相机均匀地固设于安装座92的外周。 较佳地，安装座92为方形管，滑轨91也为方形管，利用方形管的滑轨91 限位安装座92的旋转，提高了相机的稳定性。进一步地，将安装座92与 一拉索固定连接，将拉索的另一端缠绕固定于一电动卷扬机上，将该电动 卷扬机与驱动系统80的电动卷扬机同步运动，从而通过拉索拉动安装座 92沿着滑轨91与透明封闭塞体61进行同步移动。又佳地，将滑轨91设 于模拟管片40的中轴线处，滑轨91的两端从模拟管片40的两端伸出并 通过撑杆261固定于支座26上，从而确保了滑轨91的稳定性。为了便于 安装座92移动的平稳，在安装座92和滑轨91之间夹设滚珠，通过滚珠 的转动而提高安装座92沿着滑轨92移动的平滑性。较佳在安装座92内 壁面设置多个容槽，将滚珠设置于容槽内，且滚珠部分凸伸出容槽而与滑 轨91的外侧面相接触，容槽对滚珠进行限位，可避免滚珠的脱落。

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。

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71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。

透明滤网24采用透明纤维网，具有透水不透砂的特性，透明纤维网 能够防止模型土透过而进入到模拟通道52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和透明纤维网模拟浆液和土层接 触界面，提供渗透条件。较佳该透明纤维网采用单向透水网，以防止模拟 土内的水进入到模拟通道52内。

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。

下面对本发明盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置的模拟试 验过程进行说明。

土仓室21充填一定颗粒级配石英砂模型土后，固定密封之后可以开 始试验，试验开始后水循环系统30首先开始工作，通过增压水泵34、压 力计33以及四台水流量计33随时控制注水压力和流量计算，而后，同时 打开电动卷扬机和同步注浆控制系统70，调节电动卷扬装置的档位来控制 透明封闭塞体60、注浆管71和牵引绳索81的移动速度，通过注浆泵72 随时控制注浆压力，并通过注浆管71将浆液桶73中的模拟浆液注入到隔 离体50和模拟管片40之间的模拟通道52内，并随着透明封闭塞体60拉 动注浆管71向前运动而实现并模拟同步注浆过程。在通过调节开关阀门 39、压力计33和增压水泵34使土仓室21和水循环系统30达到稳定工作 状态，使土仓室21内的石英砂内部处于饱和承压水压力状态，并维持稳定，按时记录水流量计读数；按照步骤调节电动卷扬机和注浆泵72使模 拟的盾构推进系统和同步注浆控制系统到达稳定工作状态，通过注浆管71 将模拟浆液注入试验装置内，并通过模拟盾尾的透明封闭塞体60的运动 改变注浆点位置，浆液开始进入模拟管片40外侧，同时打开位于模拟40 内侧的相机，四台高速相机同时开始工作，配合计算机进行数据记录，将 注浆和盾尾运动过程中浆液在模拟管片40外侧的填充过程拍摄成片，直 至模拟盾尾的透明封闭塞体60移动至透明箱体20的另一端，试验结束。

浆液损失量的计算：

在同步注浆开始之前，先向土仓室21内注入水使其具有饱和状态， 通过流量计记录下砂间空隙完全填充的水量A，而后改变注水压力值为K 至其稳定状态，记录稳定状态下的进出水量分别为B1和B2。之后开始模 拟同步注浆和盾构推进过程，注浆压力值设为M，透明封闭塞体60的移 动速度设为V，同时采集图像数据，流量计记录模拟同步注浆的整个过程 中，进出土仓室21的水量分别为D1和D2，那么在条件注水压力K，注 浆压力M以及移动速度V下，浆液经压力水冲刷造成的浆液损失量为浆 液渗透量和流失量之和，等于D1-(B1-B2)-D2。控制单一变量，依次改 变注水压力值和注浆压力值，分别计量出不同承压水环境和不同等注浆条 件下的浆液损失量，进而通过比较浆液注入量获取浆液损失率，从而对注浆效果进行评价。

下面对本发明提供的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法进 行说明。

本发明提供的一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，包括 如下步骤：

如图1所示，提供环状的透明箱体20，透明箱体20内部形成有环形 的土仓室21，透明箱体20的内侧形成有隧道模拟空间22且透明箱体20 的内侧面为透水结构；

向土仓室21内装入模拟土；

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

提供流量计31，将流量计31安装于水循环系统30的进水端和出水端 处，通过流量计31计量进水量和出水量；

提供透明的隔离体50，将隔离体50置于隧道模拟空间22内并与透明 箱体20的内侧面相贴合，于隔离体50上开设透水孔51；

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 透明箱体20连接，且模拟管片40与隔离体50之间形成有模拟通道52；

结合图1所示，提供透明封闭塞体60，透明封闭塞体60上开设有贯 通的注浆孔61，将透明封闭塞体60置于模拟通道52内；以及

移动透明封闭塞体60而使得模拟通道52内形成位于模拟管片40外 侧的注浆间隙，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。

本发明的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法的工作原理为： 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的内侧面而进入到试验箱体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，且浆液向模拟中的渗透量可通过同步注浆的前后的水流量精确计算出 来，进而可推算处浆液损失量和承压水压力之间的关系。通过模拟盾构隧 道同步注浆试验装置在室内实现盾构掘进过程中注浆的填充和损失体量 计算的试验研究，同时借助数字图像技术，观测、记录和显现在模拟富含 不同承压水砂性土环境下，不同注浆控制参数下浆液的填充效果，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扩散运动状态进行 观察记录，为注浆效果研究分析提供试验基础。

作为本发明的一较佳实施方式，该试验方法还包括：

如图1、图2和图4所示，提供同步注浆控制系统70，将同步注浆控 制系统70中的注浆管71从透明箱体20的一端伸入模拟通道52内并穿过 注浆孔61而与透明封闭塞体60固定连接，进而通过注浆管71向注浆间 隙内注入模拟浆液。

本发明模拟实验方法中的同步注浆控制系统70与模拟实验装置中的 同步注浆控制系统70的结构相同，具体可参见上述的同步注浆控制系统 70的描述，在此不再赘述。

作为本发明的另一较佳实施方式，该试验方法还包括：提供驱动系统 80，将驱动系统80中的牵引绳索81从透明箱体20的一端伸入模拟通道 52内并与透明封闭塞体60固定连接，进而实现通过牵引绳索81拉动透明 封闭塞体60进行移动。

本发明模拟实验方法中的驱动系统80与模拟实验装置中的驱动系统 80的结构相同，具体可参见上述的驱动系统80的描述，在此不再赘述。

作为本发明的又一较佳实施方式，该试验方法还包括：提供图像采集 系统90，将图像采集系统90置于模拟管片40内部，并令图像采集系统 90与透明封闭塞体60同步移动，通过图像采集系统90对模拟管片40的 内弧面进行实时的图像采集以形成对应的图像数据。

本发明模拟实验方法中的图像采集系统90与模拟实验装置中的图像 采集系统90的结构相同，具体可参见上述的图像采集系统90的描述，在 此不再赘述。

作为本发明的再一较佳实施方式，提供透明箱体20的步骤包括：

如图1和图3所示，提供透明管体23、透明滤网24以及端封板25， 将透明滤网24置于透明管体23内，且透明滤网24和透明管体23之间界 定形成一定的空间；

透明滤网24为管状结构，内部形成隧道模拟空间22，于端封板25的 中部开设对应隧道模拟空间22的开口；

将端封板25密封连接于透明管体23和透明滤网24的两端，从而端 封板25、透明管体23以及透明滤网24之间围合形成土仓室21。

本发明模拟实验方法中的透明箱体20与模拟实验装置中的透明箱体 20的结构相同，具体可参见上述的透明箱体20的描述，在此不再赘述。

本发明的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置及方法的有益 效果为：

本发明的模拟试验装置及方法的目的主要是解决两个问题：一是盾构 注浆浆液损失计量问题，在深层隧道所处的超深覆土承压水总体环境下， 不同埋深会直接导致的承压水压力存在差异，在深层盾构同步注浆过程中 同等注浆条件下，强度越高的承压水会导致渗透进土层内的浆液损失量越 大，通过本发明试验装置本身和土层特性，计算出不同控制条件下的浆液 损失量，剖析承压水强度对注浆效果的影响；另一个是不同控制条件下，深层隧道同步注浆浆液在盾尾间隙的填充问题，深层隧道特有的高承压水 环境直接影响到同步注浆过程中浆液控制参数设置的问题，例如注浆压力 怎样设置使其注浆填充效果最优的问题。最终解决现有对超深覆土高承压 水环境下盾构同步注浆研究少，尚未能揭示深层盾构在高水压砂性环境中 的填充和损失状态难以明晰问题。

本发明按照深层盾构隧道所处的地层环境和土的颗粒级配，配置相应 颗粒级配的石英砂能够直接模拟出深层隧道的富砂环境；通过水循环系统 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；根据封 闭土仓室内饱和砂土多余水分会直接排除的原理，相同注浆参数下，由于 承压水压力的变化，浆液中的水分透过滤网扩散至土层中的量，通过水流 量计可以直接计算出来，依此推算出浆液损失量与承压水压力之间的关系；通过使用透明玻璃管体、透明滤网、透明端板、透明封闭塞体、透明 透明密封垫构建出同步注浆的可视化环境；通过模拟圆形盾构隧道同步注 浆实验装置在室内实现盾构掘进过程中注浆的填充和损失体量计算的试 验研究，同时借助数字图像技术，观测、记录和显现在模拟富含不同承压 水砂性土环境下，不同注浆控制参数下浆液的填充效果，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扩散运动状态进行观察记 录，为注浆效果研究分析提供试验基础。

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)

1.一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，其特征在于，包括：

环状的透明箱体，内部形成有环形的土仓室，所述土仓室内装有模型土，所述透明箱体的内侧形成有隧道模拟空间；

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，所述水循环系统包括设于进水端和出水端的流量计，用以计量进水量和出水量；

置于所述隧道模拟空间内并与所述透明箱体的内侧面相贴合的隔离体，所述隔离体为透明结构且其上开设有透水孔，所述透明箱体的内侧面为透水结构；

置于所述隧道模拟空间内并与所述透明箱体连接的模拟管片，所述模拟管片为透明结构，且所述模拟管片与所述隔离体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所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，其特征在于，还包括设于所述透明箱体一端处的同步注浆控制系统，所述同步注浆控制系统的注浆管从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并穿过所述注浆孔而与所述透明封闭塞体固定连接，进而通过所述注浆管向所述注浆间隙内注入模拟浆液。

3.如权利要求1所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，其特征在于，还包括设于所述透明箱体一端处的驱动系统，所述驱动系统的牵引绳索从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并与所述透明封闭塞体固定连接，从而拉动所述透明封闭塞体进行移动。

4.如权利要求1所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，其特征在于，还包括置于所述模拟管片内部的图像采集系统，所述图像采集系统与所述透明封闭塞体同步移动，且用于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。

5.如权利要求1所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验装置，其特征在于，所述透明箱体包括透明管体、置于所述透明管体内的透明滤网以及密封连接于所述透明管体和所述透明滤网两端的端封板；

所述端封板、所述透明管体以及所述透明滤网之间围合形成所述土仓室；

所述透明滤网为管状结构，内部形成所述隧道模拟空间；

所述端封板的中部开设有对应所述隧道模拟空间的开口。

6.一种盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供环状的透明箱体，所述透明箱体内部形成有环形的土仓室，所述透明箱体的内侧形成有隧道模拟空间且所述透明箱体的内侧面为透水结构；

向所述土仓室内装入模拟土；

提供水循环系统，将所述水循环系统与所述土仓室连通，并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；

提供流量计，将所述流量计安装于所述水循环系统的进水端和出水端处，通过所述流量计计量进水量和出水量；

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透明箱体的内侧面相贴合，于所述隔离体上开设透水孔；

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透明箱体连接，且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，所述透明封闭塞体上开设有贯通的注浆孔，将所述透明封闭塞体置于所述模拟通道内；以及

移动所述透明封闭塞体而使得所述模拟通道内形成位于所述模拟管片外侧的注浆间隙，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。

7.如权利要求6所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，其特征在于，还包括：

提供同步注浆控制系统，将所述同步注浆控制系统中的注浆管从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并穿过所述注浆孔而与所述透明封闭塞体固定连接，进而通过所述注浆管向所述注浆间隙内注入模拟浆液。

8.如权利要求6所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，其特征在于，还包括：

提供驱动系统，将所述驱动系统中的牵引绳索从所述透明箱体的一端伸入所述模拟通道内并与所述透明封闭塞体固定连接，进而实现通过所述牵引绳索拉动所述透明封闭塞体进行移动。

9.如权利要求6所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，其特征在于，还包括：

提供图像采集系统，将所述图像采集系统置于所述模拟管片内部，并令所述图像采集系统与所述透明封闭塞体同步移动，通过所述图像采集系统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。

10.如权利要求6所述的盾构同步注浆中浆液损失量的模拟试验方法，其特征在于，提供透明箱体的步骤包括：

提供透明管体、透明滤网以及端封板，将所述透明滤网置于所述透明管体内，且所述透明滤网和所述透明管体之间界定形成一定的空间；

所述透明滤网为管状结构，内部形成所述隧道模拟空间，于所述端封板的中部开设对应所述隧道模拟空间的开口；

将所述端封板密封连接于所述透明管体和所述透明滤网的两端，从而所述端封板、所述透明管体以及所述透明滤网之间围合形成所述土仓室。