CN110307008B - 用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法，包括试验仓、激振系统以及测量系统；所述试验仓包括仓体、模型、注浆加固体以及填充物，所述仓体具有开口，所述模型覆盖在所述开口上，所述模型与所述仓体共同限定出容腔，所述填充物填充在所述容腔内，所述注浆加固体用于加固所述填充物；所述测量系统配置为检测所述模型承受来自所述填充物的载荷；所述激振系统配置为向所述模型施加循环载荷。本申请的一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法，具有分析结果精确的优点。

Description

用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法

技术领域

本申请涉及隧道工程装备，尤其涉及一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法。

背景技术

当下，采用明挖法进行地铁车站开挖并利用盾构进行区间隧道掘进已成为我国大中城市地铁建设的基本模式，受到业内人士的一致肯定和好评。盾构施工也逐渐摆脱了用于软土地层地铁隧道修建的设定，应用范围不断拓宽，遍及公路、铁路、城际、水工、电力、管道、共同沟、地下深隧等诸多领域，几乎在所有地质条件下都能找到采用盾构进行隧道修建的工程实例。

但由于我国在地铁隧道运营方面的技术经验积累比较缺乏。近些年来，以上海地铁等早期盾构地铁隧道为首的一批隧道在运营过程中出现了较为明显的不均匀沉降问题。如上海地铁4号线在2006～2015年运营期间，区间隧道最大沉降达到160mm，区间最大抬升量达到28mm。为了治理该问题，上海地铁在运营过程中每年投入治理隧道不均匀沉降的花费高达数千万至数亿元不等。

由于影响深远且经济价值较高，行业内已经从理论分析和数值计算方面对盾构隧道在运营期间的不均匀沉降及长期沉降控制问题展开了研究；但由于区间隧道穿越地质条件复杂，围岩与区间隧道的相互作用难以用常规试验参数表征清楚，因此，理论分析和数值计算在盾构隧道长期沉降方面的分析结果往往都差强人意。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种分析结果精确的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置及方法。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，包括试验仓、激振系统以及测量系统；所述试验仓包括仓体、模型、注浆加固体以及填充物，所述仓体具有开口，所述模型覆盖在所述开口上，所述模型与所述仓体共同限定出容腔，所述填充物填充在所述容腔内，所述注浆加固体用于加固所述填充物；所述测量系统配置为检测所述模型承受来自所述填充物的载荷；所述激振系统配置为向所述模型施加循环载荷。

进一步地，所述仓体包括第一固定板、第二固定板以及连接部，所述第一固定板与所述第二固定板分别与所述连接部的两侧连接，所述第一固定板与所述第二固定板之间形成有所述开口，所述第一固定板与所述第二固定板均为透明板。

进一步地，所述第一固定板中与所述连接部接触的部位表面设置有防水层，所述第二固定板中与所述连接部接触的部位表面设置有防水层。

进一步地，所述模型包括多个模型管段、第一限位挡板以及第二限位挡板，相邻的所述模型管段可拆卸连接，所述第一限位挡板固定在所述第一固定板上，所述第二限位挡板固定在所述第二固定板上，所述第一限位挡板与所述第二限位挡板相向延伸到所述开口范围内，所述模型管段的两端分别抵接在所述第一限位挡板与所述第二限位挡板上。

进一步地，所述模型包括第一垫板，所述第一垫板设置在所述第一限位挡板与所述模型管段之间；和/或，所述模型包括第二垫板，所述第二垫板设置在所述第二限位挡板与所述模型管段之间。

进一步地，所述模型包括多个垫片，所述垫片设置在相邻的所述模型管段之间。

进一步地，所述试验装置还包括用于注入加固浆液的注浆管，沿所述开口指向所述容腔的方向，所述注浆管从所述模型管段处插入所述容腔内，所述注浆加固体由注入所述容腔内的加固浆液凝固形成。

进一步地，所述测量系统包括多个压力盒，多个所述压力盒间隔设置在所述模型靠近所述容腔的迎土面上。

进一步地，所述激振系统包括激振器以及连接板，所述激振器通过所述连接板固定在所述模型远离所述迎土面的另一侧。

一种应用于上述试验装置的试验方法，包括：

S1、向填充物注入加固浆液以形成注浆加固体；

S2、测量系统检测模型在加固浆液渗入填充物凝固形成注浆加固体的过程中的载荷变化，其中，所述载荷由填充物施加给模型的作用力；

S3、激振系统对模型施加循环荷载；

S4、拆除模型，观察填充物注入加固浆液后的加固情况，测量有效加固范围。

有益效果是：与现有技术相比，本申请实施例通过设置仓体、模型以及填充物，仓体具有开口以便于安装模型，模型覆盖在开口上，模型与仓体共同限定出容腔，填充物填充在容腔内从而模拟出土壤土层对隧道的压力，设计者可根据实地的土壤结构决定不同搭配的填充物并合理设定充填高度和充填角度，从而模拟隧道穿越不良地质体的各种工况进行研究，并结合激振系统以及测量系统，获得模型载荷变化以及长期沉降规律，使得最终的模拟分析结果精确。

附图说明

图1为本申请实施例的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置结构示意图；

图2为图1的A向视图；

图3为部件仓体结构实施例的爆炸图，其中，第一固定板与第二固定板为分体式结构；

图4为部件模型的其中一截结构示意图；

图5为图4的B向视图；

图6为图2的C局部放大图；

图7为部件垫片的结构示意图；

图8为部件仓体结构另一实施例的爆炸图，其中，第一固定板与第二固定板为一体连接结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

在本申请实施例的描述中，若无单独说明，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如图1至图8所示，一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，包括试验仓1、激振系统3以及测量系统4。

试验仓1包括仓体11、按比例仿制隧道的模型12、注浆加固体21以及模拟土壤土层的填充物14，仓体11的一端部开口以便于填充填充物14，仓体11的壁面上具有开口111以便于安装模型12；模型12可拆卸的与仓体11的壁面连接，连接的方式可以是螺栓连接、卡接或者销钉连接，模型12覆盖在开口111上，由此模型12与仓体11共同限定出容腔13，填充物14填充在容腔13内从而模拟出土壤土层，注浆加固体21由注入容腔13内的加固浆液凝固形成，注浆加固体21可用于加固填充物14从而模拟出加固后的土壤土层对隧道的压力。

模拟分析开始，在模型12背后的容腔13中逐层填入填充物14至试验标高，填充物14可为沙、石、土或砂砾的一种或多种，设计者可根据实地的土壤结构决定不同搭配的填充物14并合理设定充填高度和充填角度，从而模拟隧道穿越不良地质体的各种工况进行研究，可操作性强，可重复性高，并且模拟结果相对理论计算更为真实可靠。

模拟分析第一阶段，从模型12处的注浆孔125向填充物14注入加固浆液以形成注浆加固体21，设计者可从仓体11的侧壁以及端部开口等区域观察加固浆液渗透情况。

需要说明的是，试验装置还可包括用于注入加固浆液的注浆管2，具体地，沿开口111指向容腔13的方向，注浆管2插入容腔13内，从而更好的模拟实际情况；具体地，注浆管2可为直径2cm，壁厚1mm，长17.5cm的空心长管，注浆管2的侧壁上布置有直径8mm的孔方便注浆。注浆管2的一端为尖端，用于贯穿注浆孔125插入填充物14中，另一端为螺纹中空结构，与外部的注浆装置(图中未标出)连接，由注浆装置中的注浆泵(图中未标出)向注浆管2中送入加固浆液，并从侧壁上的孔中流出到填充物14中进而实现注浆过程。

模拟分析第二阶段，随着加固浆液注入凝固形成注浆加固体21加固填充物14，填充物14之间的应力关系也发生变化，填充物14对迎土面129的载荷发生变化，导致模型12的载荷也发生变化；其中，载荷是由填充物14施加给模型12的作用力。通过测量系统4可检测模型12承受来自填充物14的载荷，尤其是检测加固浆液渗入填充物14凝固形成注浆加固体21的过程中的载荷变化；例如，加固浆液渗入填充物14但尚未凝固形成注浆加固体21的阶段，填充物14施加给模型12的作用力为第一载荷；加固浆液渗入填充物14且凝固形成注浆加固体21的阶段，填充物14施加给模型12的作用力为第二载荷，通过比较第一载荷与第二载荷的差值，以及这从第一载荷变化为第二载荷的时间曲线即可有效的体现加固浆液形成注浆加固体21过程的载荷变化，进而方便设计人员判断注浆加固体21的加固效果并作出相应参数调整，最终起到模拟优化的效果。

如图4和图5所示，测量系统4包括显示装置(图中未标出)以及多个用于感应载荷变化的压力盒41，压力盒41可呈条形，压力盒41与显示装置电性连接，多个压力盒41可间隔设置在模型12靠近容腔13的迎土面129上，尤其是迎土面129的两端与中部，以较好的感应填充物14以及加固浆液的压力变化，并通过显示装置显示。

模拟分析第三阶段中，通过激振系统3向模型12施加循环载荷，例如提供规律性的振动，从而模拟地铁运营过程中的列车循环荷载作用，进而可以观察模拟隧道的长期沉降规律，研究盾构穿越不良地层中注浆加固对于控制地铁运营期不均匀沉降的作用，评价盾构穿越不良地层洞内注浆加固方案的适用性和参数的合理性。具体地，如图1和图2所示，激振系统3包括激振器31以及连接板32，激振器31通过连接板32固定在模型管段121远离迎土面129的另一侧方便施加振动力。

除此以外，在加固浆液达到龄期后，将模型12拆卸以便从开口111的方向观察填充物14注入加固浆液后在容腔13内加固情况，从而模拟盾构隧道的壁面注浆加固效果，测量有效加固范围，通过评价加固浆液从模型12渗入容腔13的填充物14的加固有效性，设计人员可有效准确的判断实际工程中盾构隧道壁面注浆加固的有效性，并作出相应参数调整，最终起到模拟优化的效果。

具体设计试验装置时，仓体11可为长2m，宽1m，高2m的长方体形体，长方形的一端为开口端作为填充物14的填充进口，如图2和图3所示，仓体11包括第一固定板112、第二固定板113以及开口式的连接部114，第一固定板112与第二固定板113可采用分体式结构，即两者为相对独立的两块整板，第一固定板112与第二固定板113分别与连接部114的两侧连接，连接方式可以是螺栓连接、焊接、粘接或者卡接。以图2中的方位为例，第二固定板113安装在距连接部114的底面0～0.65m高范围内，第一固定板112装在距连接部114的底面1～2m高范围内，第一固定板112与第二固定板113之间的0.65～1m范围形成有开口111以便装入模型12；第一固定板112与第二固定板113可采用透明板，例如钢化玻璃板或塑料板，方便从第一固定板112与第二固定板113观察加固浆液渗透情况。

需要说明的是，第一固定板112与第二固定板113也可采用一体连接结构，如图2和图8所示，即第一固定板112与第二固定板113实际为一块整板，第一固定板112为整板的上半部，第二固定板113为整板的下半部，第一固定板112与第二固定板113分别与连接部114的两侧连接，连接方式可以是螺栓连接、焊接、粘接或者卡接，在第一固定板112与第二固定板113相邻的部分开设有通孔或者开口槽以作为开口111。

此外，第一固定板112与第二固定板113采用一体连接结构还是采用分体式结构，第一固定板112中与连接部114接触的部位表面可设置防水层(图中未标出)，第二固定板113中与连接部114接触的部位表面可设置有防水层(图中未标出)，其作用都是防止加固浆液从该处泄漏。

较佳的实施方式，如图1、图2、图4、图5和图6所示，模型12可包括多个模型管段121、第一限位挡板122以及第二限位挡板122a，第一限位挡板122以及第二限位挡板122a可由有机玻璃材料制成，模型管段121的横截面呈半圆形或者半口形，可按实际工程中盾构管片1：20缩尺由混凝土制成，相邻的模型管段121可拆卸连接，连接的方式可以是螺栓连接、卡接或者销钉连接，第一限位挡板122固定在第一固定板112上，第二限位挡板122a固定在第二固定板113上，第一限位挡板122与第二限位挡板122a相向延伸到开口111范围内，模型管段121的两端分别抵接在第一限位挡板122与第二限位挡板122a上，防止模型管段121在填充物14的作用下从开口111挤出。

较佳的实施方式，如图2和图6所示，模型12包括第一固定件126，第一限位挡板122通过第一固定件126与第一固定板112固定连接，同理第二限位挡板122a通过第一固定件126与第二固定板113连接，固定效果好且拆卸维护方便。具体地，第一固定件126可为羊角螺栓，第一固定板112与第二固定板113上可留有对应的螺纹孔(图中未标出)。

较佳的实施方式，如图2和图6所示，模型12包括第一垫板127，第一垫板127设置在第一限位挡板122与模型管段121之间；模型12包括第二垫板127a，第二垫板127a设置在第二限位挡板122a与模型管段121之间，防止出现间隙，影响振动效果。具体地，可先将第一垫板127与第一限位挡板122粘胶粘为一体，再由模型管段121抵触在第一垫板127上，第二垫板127a同理。

较佳的实施方式，如图4和图5所示，模型12包括多个第二固定件123，第二固定件123可以为螺栓，相邻的模型管段121通过第二固定件123连接从而按比例仿制挖掘形成的隧道，以便贴近模拟盾构隧道的实际情况，使得模拟效果好；具体地，模型管段121的侧面包括若干个与第二固定件123配合的预留孔121a，预留孔121a通常为六个并沿周向均布在模型管段121的侧面上，相邻的模型管段121拼接时，第二固定件123插入至少两个预留孔121a中使两侧的模型管段121连接为一体，第二固定件123承受模型管段121之间的剪切力，模拟盾构隧道中各段之间的复杂剪切应力变化情况。

较佳的实施方式，如图4和图7所示，模型12包括多个模型管段121的横截面形状适配的垫片124，通常垫片124可为2mm厚的半圆环橡胶垫，垫片124设置在相邻的模型管段121之间，用于模拟实际工程中橡胶止水条起到防水渗漏的作用；垫片124上可包括小孔128，小孔128应对应预留孔121a的位置以方便第二固定件123穿过。

较佳的实施方式，如图2、图4和图5所示，模型管段121的壁面包括有多个注浆孔125，注浆孔125可对称的分布在条形的压力盒41的两侧，注浆管2从模型管段121远离容腔13的一侧贯穿注浆孔125插入容腔13内，以图5中方位为例，注浆孔125应当沿径向分布在1、3以及5点钟的部位，以确保注浆管2能均匀的向填充物14注浆。

本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：包括试验仓(1)、激振系统(3)以及测量系统(4)；

所述试验仓(1)包括仓体(11)、模型(12)、注浆加固体(21)以及填充物(14)，所述仓体(11)具有开口(111)，所述模型(12)覆盖在所述开口(111)上，模型(12)可拆卸的与仓体(11)的壁面连接，所述模型(12)与所述仓体(11)共同限定出容腔(13)，所述填充物(14)填充在所述容腔(13)内，所述注浆加固体(21)用于加固所述填充物(14)；所述仓体(11)包括第一固定板(112)、第二固定板(113)以及连接部(114)，所述第一固定板(112)与所述第二固定板(113)分别与所述连接部(114)的两侧连接，所述第一固定板(112)与所述第二固定板(113)之间形成有所述开口(111)，所述第一固定板(112)与所述第二固定板(113)均为透明板；所述模型(12)包括多个模型管段(121)、第一限位挡板(122)以及第二限位挡板(122a)，相邻的所述模型管段(121)可拆卸连接，所述第一限位挡板(122)固定在所述第一固定板(112)上，所述第二限位挡板(122a)固定在所述第二固定板(113)上，所述第一限位挡板(122)与所述第二限位挡板(122a)相向延伸到所述开口(111)范围内，所述模型管段(121)的两端分别抵接在所述第一限位挡板(122)与所述第二限位挡板(122a)上；

所述测量系统(4)配置为检测所述模型(12)承受来自所述填充物(14)的载荷；

所述激振系统(3)配置为向所述模型(12)施加循环载荷。

2.根据权利要求1所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述第一固定板(112)中与所述连接部(114)接触的部位表面设置有防水层，所述第二固定板(113)中与所述连接部(114)接触的部位表面设置有防水层。

3.根据权利要求1所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述模型(12)包括第一垫板(127)，所述第一垫板(127)设置在所述第一限位挡板(122)与所述模型管段(121)之间；和/或，

所述模型(12)包括第二垫板(127a)，所述第二垫板(127a)设置在所述第二限位挡板(122a)与所述模型管段(121)之间。

4.根据权利要求1所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述模型(12)包括多个垫片(124)，所述垫片(124)设置在相邻的所述模型管段(121)之间。

5.根据权利要求1所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括用于注入加固浆液的注浆管(2)，沿所述开口(111)指向所述容腔(13)的方向，所述注浆管(2)从所述模型管段(121)处插入所述容腔(13)内，所述注浆加固体(21)由注入所述容腔(13)内的加固浆液凝固形成。

6.根据权利要求1至2任一项所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述测量系统(4)包括多个压力盒(41)，多个所述压力盒(41)间隔设置在所述模型(12)靠近所述容腔(13)的迎土面(129)上。

7.根据权利要求6所述的用于模拟盾构穿越不良地层洞内注浆的试验装置，其特征在于：所述激振系统(3)包括激振器(31)以及连接板(32)，所述激振器(31)通过所述连接板(32)固定在所述模型(12)远离所述迎土面(129)的另一侧。

8.一种应用于权利要求1至7任一项所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

S1、向填充物(14)注入加固浆液以形成注浆加固体(21)；

S2、测量系统(4)检测模型(12)在加固浆液渗入填充物(14)凝固形成注浆加固体(21)的过程中的载荷变化，其中，所述载荷由填充物(14)施加给模型(12)的作用力；

S3、激振系统(3)对模型(12)施加循环荷载；

S4、拆除模型(12)，观察填充物(14)注入加固浆液后的加固情况，测量有效加固范围。