CN112098120B - 一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法和装置，其装置中，实验模型箱体(1)面板上具有能置入隧道内置板(2)空洞；隧道内置板(2)上安装有隧道形注浆板(3)，隧道形注浆板(3)上开有多个能伸进注浆系统中的注浆管的预留注浆孔(31)；注浆板挡板(4)安装在隧道形注浆板(3)的外侧，且密贴隧道内置板(2)；顶板(7)上设置有用来穿过连接监测系统的数据线的数据线预留孔(71)。使用时，添加土样完成，拆除隧道注浆板挡板(4)进行劈裂注浆并采集数据；拆除隧道形注浆板(3)，开挖掌子面并采集数据。通过本发明能够模拟从劈裂注浆开始到隧道开挖支护结束的全过程、各环节的多参数控制。

Description

一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法与装置

技术领域

本发明涉及隧道工程技术技术领域，特别是涉及一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法与装置。

背景技术

城市的快速发展，推动地下空间大开发大发展，地下工程逐渐向更深处前进。隧道工程施工时，往往需要对前方土层进行预加固，注浆技术是经常采用对前方地层进行预加固和止水的重要手段。

劈裂注浆指的是在钻孔内试驾液体压力于弱透水性地层中，当液体压力超过渗透注浆的极限压力时，土体产生水力劈裂，形成裂缝，进浆量突然增大。劈裂面发生在轴力最小主应力面，劈裂注浆在钻孔附近形成网状脉络，通过浆液挤压土体形成浆液骨架。在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的局部扰动，使地层中原有的裂隙和空隙张开，浆液的可注入性和扩散距离增大，从而达到加固的目的，常用与粘性土层和深层注浆。

隧道开挖对围岩的扰动是三维的，隧道掌子面的位移变形也十分重要，随着国内隧道工程机械化水平不断提高，掌子面开挖方法人们也逐渐倾向于由多台阶分部开挖变为全断面开挖，这就对掌子面稳定性提出了更高的要求。探究注浆参数，针对不同的地质条件使用不同的注浆参数，这体现了工程的经济性和技术先进性。实验分为两种，即现场原位测试和室内试验。现场原位测试成本高昂，对环境要求苛刻，也不利于科研人员和工程师们研究注浆加固。而室内试验制备的注浆试样，往往多为在表面几何中心位置进行单孔垂直劈裂注浆，其工程状态难以反映真实注浆情况，也不能与后面的掌子面开挖连续，研究得到的物理、力学参数难以对工程产生指导作用。

因此，如何实验出符合客观条件的试样，并可通过开挖模拟，来达到指导施工的效果，成为一个难题，需要发明一种能模拟实际工程注浆、开挖过程的方法及其配套实验装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法与装置，其能够模拟实际工程注浆、开挖过程，由此通过其得到的物理、力学参数能够对工程产生指导作用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其包括：

实验模型箱体、隧道内置板、隧道形注浆板、注浆板挡板、注浆系统、监测系统；

所述实验模型箱体由底板、顶板和位于四侧的面板拼接而成；

所述四侧面板中，其中一侧面板上具有能够置入所述隧道内置板空洞；所述隧道内置板上安装有隧道形注浆板，所述隧道形注浆板上开有多个能够伸进所述注浆系统中的注浆管的预留注浆孔；

所述注浆板挡板安装在所述隧道形注浆板的外侧，且密贴所述隧道内置板；

所述顶板上设置有用来穿过连接所述监测系统的数据线的数据线预留孔。

更优选地，所述的隧道形注浆板呈隧道掌子面形状。

更优选地，所述面板的外侧贴附有加强横纵梁。

更优选地，所述注浆板挡板安装在隧道形注浆板的外侧，其密贴隧道内置板且置于位于所述面板外的加强横纵梁所包围的空间内。

更优选地，注浆板挡板外侧设有交叉布置的挡板加强件；所述挡板加强件的两端外伸，且外伸部分预留有连接孔；所述挡板加强件通过所述连接孔利用紧固件与所述面板外侧贴附的加强横纵梁连接。

更优选地，所述顶板的外侧设置顶板横梁，所述顶板横梁的两端向下弯折，弯折的端部设有连接螺孔，通过紧固件与所述加强横纵梁预留的螺栓孔配合与所述加强横纵梁连接在一起。

更优选地，所述注浆系统包括：

注浆泵、注浆管、流速调节器、压力计；

所述流速调节器和压力计安装在注浆管上；所述注浆管与所述隧道形注浆板的注浆孔配合。

更优选地，所述监测系统包括：

激光测距仪、土压力盒、数据记录器和用于数据处理的电脑；

所述激光测距仪的测量位置位于所述隧道形注浆板的中心竖线上，用于测量隧道掌子面土样的位移；

所述土压力盒埋置于实验模型箱体内；

所述数据记录器通过数据线连接激光测距仪、土压力盒，用于记载激光测距仪、土压力盒传输过来的数据。

本发明还提供一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法，其应用上述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，所述实验方法包括：

步骤S101，拼装箱体：将四侧面板、底板通过螺栓连接固定；将隧道形注浆板安装在隧道内置板上，并放置在实验模型箱体周边待用；

步骤S102，加入土样：通过实验模型箱体的面板的空洞加入土样，按试验预定的压实程度进行分层夯实；当加入土样高度接近面板空洞高度时，安装隧道内置板、隧道注浆板挡板，继续从实验模型箱体上方加入土样并分层夯实；

步骤S103，在预设土样高度位置处安装土压力盒，将数据线从实验模型箱体1顶板的数据线预留孔引到实验模型箱体外，连接至数据记录器。

步骤S104，封顶：填筑土样至实验模型箱体顶面高度时停止加入土样，在实验模型箱体上盖上顶板，采用紧固件将四侧面板上的加强横纵梁与安装在顶板外侧的顶板横梁连接在一起；

步骤S105，连接各仪器仪表：将激光测距仪放置在实验模型箱体的正面，将土压力盒、压力计、激光测距仪连到数据记录器；

步骤S106，劈裂注浆：拆除隧道注浆板挡板，打开注浆泵，控制流速调节器达到预定流速，将已配好的浆液从注浆管通过隧道形注浆板上预留的注浆孔注入到实验模型箱体的土样内，并随着注浆进行通过数据记录器采集数据；

步骤S107，掌子面开挖：拆除隧道形注浆板，采取预定的开挖距离、方式向箱体内开挖土样，待开挖到指定位置，通过激光测距仪的距离随时间变化，记录掌子面变形情况，通过数据记录器采集数据；

步骤S108，掌子面开挖、数据采集完成后，通过网线传输至电脑进行处理。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

本发明能够模拟从劈裂注浆开始到隧道开挖支护结束的全过程、各环节的多参数控制，如劈裂注浆注浆位置、注浆压力、注浆流量，以及掌子面的形状、大小，和劈裂注浆的位置关系等等。

本发明流程简单，操作简便，可探究劈裂注浆注浆参数与地层之间的关系。

本发明经过多次模拟在实际工程中选用恰当的参数，控制掌子面位移，提高稳定性，减少支护措施的使用，降低造价。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构的平面图；

图2为本发明的实验模型箱体的立体图；

图3为本发明中除顶板、正侧面板之外的其余侧面板和底板的拼接状态图；

图4为本发明中的正面面板结构的分解图；

图5为本发明中的顶板分解图。

实验模型箱体1、隧道内置板2、隧道形注浆板3、注浆板挡板4、挡板加强件5、加强横纵梁6、顶板7、顶板横梁8，紧固件9；注浆孔31；连接孔51；螺栓孔61；数据线预留孔71，连接螺孔81；注浆泵11、注浆管12、流速调节器13、压力计14；激光测距仪15、土压力盒16、数据记录器17、用于数据处理的电脑18。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将通过实施例并结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

本发明实施例一提供一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其结构如图1-图5所示，该实验装置包括实验模型箱体1、隧道内置板2、隧道形注浆板3、注浆板挡板4、注浆系统、监测系统。

实验模型箱体1整体呈方体，包括底板、顶板和位于四侧的面板，箱体由各个板拼接而成。四侧的面板之间和底板之间均通过紧固件(如螺栓、螺钉等)连接而成。四侧的面板中，其中一侧面板上具有空洞，将该面板称为正面面板。该正面面板的空洞中能够置入隧道内置板2。

为了使实验模型箱体1坚固，四侧的面板外侧均密贴有若干加强横纵梁6。

隧道内置板2为方形，与面板的空洞形状吻合，以便能够置入该面板上的空洞中。

隧道内置板2上安装有隧道形注浆板3。该隧道形注浆板3呈隧道掌子面形状，可独立拆下。隧道形注浆板3上开有多个预留的注浆孔31，用来注浆。可通过更换隧道内置板2来改变隧道形状与注浆孔位置。设置隧道内置板2的目的在于，实验模型箱体往往较大，实验目的多变，隧道形状与注浆孔位置多变，更换整块面板不符合经济性、实用性。将隧道内置板2与隧道形注浆板3视作一个整体配套使用，可通过灵活加工，形成多个隧道形状，增加上述实验模型箱体1的适用情况，减少造价，节约成本。

注浆板挡板4为独立装置，安装在隧道形注浆板3的外侧，其密贴隧道内置板2且置于正面侧板外的加强横纵梁6所包围的空间内，用来支撑和保护隧道形注浆板3，避免在向实验模型箱体1加入土样过程中，土样从预留的注浆孔31中漏出。

为了使得注浆板挡板4稳固密贴隧道内置板2，在该注浆板挡板4外侧设有交叉布置的挡板加强件5，该挡板加强件5的两端外伸，且外伸部分预留有连接孔51，该挡板加强件5可通过该连接孔51利用紧固件9与正面侧板外侧贴附的加强横纵梁6连接。

顶板7的外侧存在独立的顶板横梁8，顶板横梁8的两端向下弯折，顶板横梁8上设有连接螺孔81，通过紧固件9(如螺栓、销等)与加强横纵梁6预留的螺栓孔61配合，与四侧面板外侧的加强横纵梁6连接在一起。以便使得组合后的实验模型箱体1更加稳固。

顶板7上设置有数据线预留孔71，可用来穿过数据线等；通过该数据线能够将埋设在箱体内的监测部件的数据传输至箱体外。

注浆系统包括注浆泵11、注浆管12、流速调节器13、压力计14。流速调节器13和压力计14安装在注浆管12上。注浆管12能够伸入隧道形注浆板3上预留的注浆孔31中。

监测系统包括激光测距仪15、土压力盒16、数据记录器17和用于数据处理的电脑18。激光测距仪15的激光优选为多条水平射向激光，竖向沿直线排列，测量位置优选为隧道形注浆板3的中心竖线所在位置，用于将隧道形注浆板3拆除后，测量该位置隧道掌子面土样的位移，土压力盒16埋置于实验模型箱体1内，数据记录器17用于记载激光测距仪15、土压力盒16和压力计14传输过来的数据。

实施例二

本发明实施例二提供一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法，其实施流程包括如下步骤：

步骤S101，拼装实验模型箱体。

将四侧面板、底板之间通过螺栓连接固定。将隧道形注浆板3安装在隧道内置板2上，并放置在实验模型箱体1周边待用。

步骤S102，加入土样。

通过实验模型箱体1的面板的空洞加入土样，按试验预定的压实程度进行分层夯实。当加入土样高度达到面板的空洞高度时，安装隧道内置板2、隧道注浆板挡板4，继续从实验模型箱体1上方加入土样并分层夯实。

步骤S103，在预设土样高度位置处安装土压力盒。

土样填筑过程中需要监测渗流压力的位置安装土压力盒，将土压力盒的数据线从实验模型箱体1顶板的数据线预留孔引到实验模型箱体1外，并连接至数据记录器。

步骤S104，封顶。

填筑土样至实验模型箱体1顶面高度时停止加入土样，在实验模型箱体1上盖上顶板，采用紧固件将四侧面板上的加强横纵梁与安装在顶板外侧的顶板横梁连接在一起。

步骤S105，连接各仪器仪表。

将激光测距仪放置在实验模型箱体1的正面，测量位置优选为隧道形注浆板3的中心竖线所在位置，将土压力盒、压力计、激光测距仪连到数据记录器，准备采集数据。

步骤S106，劈裂注浆。

拆除隧道注浆板挡板4，打开注浆泵，控制流速调节器达到预定流速，将已配好的浆液从注浆管通过隧道形注浆板3上预留的注浆孔注入到实验模型箱体1的土样内，通过数据记录器采集数据。

步骤S107，掌子面开挖。

拆除隧道形注浆板3，向箱体内开挖土样，采取实验方案预定的开挖距离、方式进行，开挖到指定位置，通过激光测距仪的距离随时间的变化，记录掌子面变形情况，通过数据记录器采集数据。

步骤S108，实验结束，处理采集到的数据。掌子面开挖、数据采集完成后，通过网线传输至电脑进行处理。

清空实验模型箱体内的土样，根据实验方案确定下一组实验。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (9)

1.一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，所述的实验装置包括：

实验模型箱体(1)、隧道内置板(2)、隧道形注浆板(3)、注浆板挡板(4)、注浆系统、监测系统；

所述实验模型箱体(1)由底板、顶板和位于四侧的面板拼接而成；

四侧的面板中，其中一侧面板上具有能够置入所述隧道内置板(2)空洞；所述隧道内置板(2)与所述面板的空洞形状吻合；所述隧道内置板(2)上安装有隧道形注浆板(3)，所述隧道形注浆板(3)上开有多个能够伸进所述注浆系统中的注浆管的预留注浆孔(31)；

所述注浆板挡板(4)安装在所述隧道形注浆板(3)的外侧，且密贴所述隧道内置板(2)；

所述顶板(7)上设置有用来穿过连接所述监测系统的数据线的数据线预留孔(71)。

2.根据权利要求1所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，所述的隧道形注浆板(3)呈隧道掌子面形状。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，

所述面板的外侧贴附有加强横纵梁(6)。

4.根据权利要求3所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，

所述注浆板挡板(4)安装在隧道形注浆板(3)的外侧，其密贴隧道内置板(2)且置于位于所述面板外的加强横纵梁(6)所包围的空间内。

5.根据权利要求4所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，

注浆板挡板(4)外侧设有交叉布置的挡板加强件(5)；所述挡板加强件(5)的两端外伸，且外伸部分预留有连接孔(51)；所述挡板加强件(5)通过所述连接孔(51)利用紧固件(9)与所述面板外侧贴附的加强横纵梁(6)连接。

6.根据权利要求4所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，

所述顶板(7)的外侧设置顶板横梁(8)，所述顶板横梁(8)的两端向下弯折，弯折的端部设有连接螺孔(81)，通过紧固件(9)与所述加强横纵梁(6)预留的螺栓孔(61)配合与所述加强横纵梁(6)连接在一起。

7.根据权利要求4所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，所述注浆系统包括：

注浆泵(11)、注浆管(12)、流速调节器(13)、压力计(14)；

所述流速调节器(13)和压力计(14)安装在注浆管(12)上；所述注浆管(12)与所述隧道形注浆板(3)的注浆孔配合。

8.根据权利要求4所述的一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置，其特征在于，所述监测系统包括：

激光测距仪(15)、土压力盒(16)、数据记录器(17)和用于数据处理的电脑(18)；

所述激光测距仪(15)的测量位置位于所述隧道形注浆板的中心竖线上，用于测量隧道掌子面土样的位移；

所述土压力盒(16)埋置于实验模型箱体(1)内；

所述数据记录器(17)通过数据线连接激光测距仪(15)、土压力盒(16)，用于记载激光测距仪(15)、土压力盒(16)传输过来的数据。

9.一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验方法，其特征在于，所述实验方法应用一种测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置而实现；

所述测量劈裂注浆对掌子面稳定性影响的实验装置包括：

实验模型箱体(1)、隧道内置板(2)、隧道形注浆板(3)、注浆板挡板(4)、注浆系统、监测系统；

所述实验模型箱体(1)由底板、顶板和位于四侧的面板拼接而成；

四侧的面板中，其中一侧面板上具有能够置入所述隧道内置板(2)空洞；所述隧道内置板(2)与所述面板的空洞形状吻合；所述隧道内置板(2)上安装有隧道形注浆板(3)，所述隧道形注浆板(3)上开有多个能够伸进所述注浆系统中的注浆管的预留注浆孔(31)；

所述注浆板挡板(4)安装在所述隧道形注浆板(3)的外侧，且密贴所述隧道内置板(2)；

所述顶板(7)上设置有用来穿过连接所述监测系统的数据线的数据线预留孔(71)；

所述实验方法包括：

步骤S101，拼装箱体：将四侧面板、底板通过螺栓连接固定；将隧道形注浆板(3)安装在隧道内置板(2)上，并放置在实验模型箱体(1)周边待用；

步骤S102，加入土样：通过实验模型箱体(1)的面板的空洞加入土样，按试验预定的压实程度进行分层夯实；当加入土样高度接近面板空洞高度时，安装隧道内置板(2)、隧道注浆板挡板(4)，继续从实验模型箱体(1)上方加入土样并分层夯实；

步骤S103，在预设土样高度位置处安装土压力盒，将数据线从实验模型箱体(1)顶板的数据线预留孔引到实验模型箱体(1)外，连接至数据记录器；

步骤S104，封顶：填筑土样至实验模型箱体(1)顶面高度时停止加入土样，在实验模型箱体(1)上盖上顶板，采用紧固件将四侧面板上的加强横纵梁与安装在顶板外侧的顶板横梁连接在一起；

步骤S105，连接各仪器仪表：将激光测距仪放置在实验模型箱体(1)的正面，将土压力盒、压力计、激光测距仪连到数据记录器；

步骤S106，劈裂注浆：拆除隧道注浆板挡板(4)，打开注浆泵，控制流速调节器达到预定流速，将已配好的浆液从注浆管通过隧道形注浆板(3)上预留的注浆孔注入到实验模型箱体(1)的土样内，并随着注浆进行通过数据记录器采集数据；

步骤S107，掌子面开挖：拆除隧道形注浆板(3)，采取预定的开挖距离、方式向箱体内开挖土样，待开挖到指定位置，通过激光测距仪的距离随时间变化，记录掌子面变形情况，通过数据记录器采集数据；

步骤S108，掌子面开挖、数据采集完成后，通过网线传输至电脑进行处理。

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