CN112257255B - 大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，包括如下步骤：基于可视化顶管减摩注浆模拟试验，建立减摩注浆复合扩散模型；获取大断面矩形顶管的实际施工参数，将所获取的实际施工参数输入所建立的减摩注浆复合扩散模型，通过所述减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图。本发明的分析方法用于对减摩注浆的纵环向整体扩散机理进行分析，建立能够同时相互关联考虑环向和纵向复合的挤压填充性流动特征的减摩注浆复合扩散模型，利用该减摩注浆复合扩散模型得到与实际施工相对应的减摩泥浆扩散压力三维分布图，为大断面矩形顶管减摩注浆提供精确管控，还能够为管节受力分析提供必要的计算依据。

Description

大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法

技术领域

本发明涉及顶管减摩注浆控制技术领域，特指一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法。

背景技术

顶管施工是目前日益发展应用的一种非开挖施工方法，不需要开挖面层就能够穿越已有的公路、铁路、河道、地下管线、地下构筑物和文物古迹等。顶管施工方法避免了城市路面的开挖量，减少大量土方工程，减少拆迁安置，节约施工用地，降低周围环境干扰且不中断地面人流交通及物流运输活动等，近年来在城市地下空间开发、地下铁路轨道交通建设、市政隧道工程中得到广泛运用。

顶管施工过程中，为减小顶管外表面与土体间的摩擦阻力，会向顶管的外表面注入减摩泥浆，利用减摩泥浆在隧道管节的外表面形成泥浆套，隔断管节与土体间的直接接触，进而减小摩擦阻力。减摩注浆一方面起到润滑作用，另一方面还起到了填补和支撑作用，能够减小土体变形，使得隧道变得稳定。现有技术中对于圆形顶管的减摩注浆作用机理的研究较为成熟，但对于大断面矩形顶管来说，其结构形式与圆形顶管有较大区别，大断面矩形顶管在顶部、底部近似为水平结构，使得减摩泥浆的流动填充效率以及压力扩散模式与圆形顶管完全不同，不能依靠传统圆形顶管纵环向相对独立的注浆模型分析大断面矩形顶管减摩注浆的压力扩散机制，因此有必要对大断面矩形顶管减摩注浆的压力扩散机制进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法，解决现有大断面矩形顶管减摩注浆的压力扩散机制不能依靠传统圆形顶管的注浆模型来分析的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，包括如下步骤：

基于可视化顶管减摩注浆模拟试验，获得减摩泥浆的试验数据；

根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型；

获取大断面矩形顶管的实际施工参数，将所获取的实际施工参数输入所建立的减摩注浆复合扩散模型，通过所述减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明的分析方法用于对减摩注浆的纵环向整体扩散机理进行分析，建立能够同时相互关联考虑环向和纵向复合的挤压填充性流动特征的减摩注浆复合扩散模型，利用该减摩注浆复合扩散模型得到与实际施工相对应的减摩泥浆扩散压力三维分布图，也即统一了减摩泥浆的浆液扩散与压力消散过程，得到了压力沿管节的三维时空分布规律，该减摩泥浆扩散压力三维分布图可以为大断面矩形顶管减摩注浆提供精确管控，还能够为管节受力分析提供必要的计算依据。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法的进一步改进在于，根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型的步骤，包括：

根据所获取的减摩泥浆的试验数据对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元；

对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；

基于弦截法建立迭代计算模块，用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力；

建立与所述迭代计算模块连接的三维绘图模块，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法的进一步改进在于，所述迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断所述浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法的进一步改进在于，所述实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力以及减摩泥浆的注浆量。

本发明还提供了一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统，包括：

模型建立单元，用于依据输入的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型；

参数获取单元，与所述模型建立单元连接，用于获取大断面矩形顶管的实际施工参数；以及

处理单元，与所述模型建立单元和所述参数获取单元连接，所述处理单元用于将所述实际施工参数输入所述减摩注浆复合扩散模型，通过所述减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统的进一步改进在于，所述减摩注浆复合扩散模型包括离散划分模块、迭代计算模块以及三维绘图模块；

所述离散划分模块用于根据所述的减摩泥浆的试验数据对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元，并对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；

所述迭代计算模块与所述离散划分模块连接，用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力；

所述三维绘图模块与所述迭代计算模块连接，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统的进一步改进在于，所述迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断所述浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。

本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统的进一步改进在于，所述实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力以及减摩泥浆的注浆量。

附图说明

图1为本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统的系统图。

图2为本发明中浆液扩散区域内的离散单元划分示意图。

图3为本发明大断面矩形顶管的断面结构示意图。

图4为本发明中浆液扩散立体示意图。

图5为本发明中浆液扩散平面展开图。

图6为本发明中浆液微元受力分析图。

图7为本发明中弦截法迭代计算示意图。

图8为本发明中浆液扩散锋面步进式求解示意图。

图9为本发明迭代计算模块的计算流程图。

图10为本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统得出的隧道右半部分灌浆扩散压力的3D分布图。

图11为测试环对应测点处注浆压力时程曲线。

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，本发明提供了一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法，基于可视化顶管减摩注浆模拟试验建立减摩注浆复合扩散模型，所建立的减摩注浆复合模型用于分析大断面矩形顶管减摩注浆在纵环向的整体扩散机理，可以相互关联地考虑纵环向复合的挤压填充性流动特征，基于实际施工参数，迭代计算得出减摩泥浆扩散压力三维分布图，得到了压力沿管节的三维时空分布规律，能够为大断面矩形顶管的减摩泥浆提供精确的管控，还能够为管节受力分析提供必要的计算依据。下面结合附图对本发明一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统的系统图。下面结合图1，对本发明大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统进行说明。

如图1所示，本发明的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统包括模型建立单元21、参数获取单元22以及处理单元23，其中的模型建立单元21与参数获取单元22连接，处理单元23与模型建立单元21和参数获取单元22连接。

模型建立单元21用于依据输入的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆的复合扩散模型，所输入的减摩泥浆的试验数据基于可视化顶管减摩注浆模拟试验获得。

参数获取单元22用于获取大断面矩形顶管的实际施工参数，处理单元23接收参数获取单元22获取的大断面矩形顶管的实际施工参数，该处理单元23用于将实际施工参数输入减摩注浆复合扩散模型中，通过减摩注浆复核扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明的分析系统基于大断面矩形顶管的可视化减摩注浆模拟试验，通过摄像机记录减摩泥浆注入到管节与土体间的间隙后扩散运动的全过程，对摄像机拍摄形成的图像数据进行分析从而获得减摩泥浆的试验数据，利用该减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆的复合扩散模型，通过减摩注浆的复合扩散模型可以输出与实际施工参数相对应的减摩注浆的扩散与压力时空分布情况，从而能够直观的验证实际施工参数下的减摩注浆的实际效果，从而为减摩注浆的精确控制提供依据。本发明的分析系统利用减摩注浆的复合扩散模型为实际施工参数提供反馈，为实际施工参数的调控提供帮助，从而能够提高实际施工的质量。

在本发明的一种具体实施方式中，减摩注浆复合扩散模型包括离散划分模块、迭代计算模块以及三维绘图模块；其中的离散划分模块用于对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元，并对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；迭代计算模块与离散划分模块连接，该迭代计算模块用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力，从而能够得到在扩散区域内任意位置点的注浆流量及浆液压力；三维绘图模块与迭代计算模块连接，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

较佳地，如图2所示，显示了某一注浆孔的浆液扩散范围的展开图，离散划分模块将扩散区域离散成有限个扇形单元，各扇形单元的圆心角Δθ相等，进一步的，离散划分模块将每个扇形单元沿着径向离散成复数个等间距的环形单元，环形单元按照等数等分，相应边长R_i上的离散长度Δr_i具有自适应性。其中扇形单元有n-1个，环形单元有m个。图2中的r₀为注浆孔等效半径，r_ij代表R_i上第j个离散点距离注浆孔圆心的长度。

进一步地，迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。通过迭代计算求解出满足误差要求的各扇形单元的注浆流量及浆液压力。该设定误差为预先设置的，该设定误差可手动输入至分析系统中，由处理单元将设定误差存储到存储单元中，以供迭代计算模块在计算过程中读取使用。

在本发明的一种具体实施方式中，如图3所示，大断面矩形顶管的管节30的截面由4段圆弧组成，该管节30上布设有26个注浆孔，其中第一注浆孔31有16个，第二注浆孔32有7个，第三注浆孔33有3个，3个第三注浆孔33布设于管节30的底部，第二注浆孔32布设于管节30的顶部和两侧部，而第一注浆孔32则均匀的布设在管节30的顶部、底部和两侧部。减摩泥浆通过管节30截面上的10个第一注浆孔31向外侧注入，管节30上的其余第一注浆孔31、第二注浆孔32和第三注浆孔33均为备用注浆孔。本发明的大断面矩形顶管注浆复合扩散与压力分布分析系统用于计算实际注浆使用的10个第一注浆孔31处的减摩泥浆的注浆流量及注浆压力，从而得到对应的减摩泥浆扩散压力三维分布图。

由于顶管施工中使用的减摩注浆具有屈服强度，因此可以假设浆液的本构模型为宾汉姆流体，其本构方程为：

式1中，τ为浆液剪切应力，τ₀为浆液屈服剪切力，μ为浆液塑性黏度系数，γ为浆液剪切速率，γ＝-dv/dz，v为浆液流动速度，dv为浆液流动速度微量，z为空间距离，dz为空间距离微量。

如图4所示，显示了盾尾减摩注浆浆液扩散示意图，其中靠近注浆孔31的部分浆液为新注入的浆液，远离注浆孔31部分的浆液为已注入浆液。下面对浆液扩散运动方程的推导进行说明。点M位于浆液扩散锋面上，点N为点M与注浆孔31连线H₁M上的任意点，点N_p为点N在隧道横截面上的投影。α₁为注浆孔31与所在截面管节中心连线的竖向夹角，α_N为点N与所在截面管节中心连线的竖向夹角。假定浆液扩散速度与管节轴线的夹角保持不变，则在管节外表面展开图中，浆液扩散方向始终与过该点的注浆孔与扩散锋面的连线同向。结合图5所述，H₁M连线上任一点N的速度v_N存在v_N//H₁M，与管节轴线的夹角为θ_M(逆时针为正)。

如图6所示，取点N处浆液微元进行分析，图中Z，R，S分别表示管节与土体间的间隙厚度方向，浆液流动方向和该平面外法向。w为管节与土体间的间隙厚度，z_p为宾汉(Bingham)流体流核半径。根据力学平衡原理，把各作用力向中心线流线方向投影，沿着速度方向进行受力分析，可以得到浆液微元体的应力平衡方程如下：

式2中，P为浆液压力，τ为浆液运动的剪切应力，f为重力在R方向上分量，f＝ρgsinα_N sinθ_M。dr为沿R方向的长度微量，dz为沿Z方向的长度微量，dP为浆液压力的微量，ds为沿S方向的长度微量，ρ为浆液密度，g是重力加速度。

式2可简化为：

其中dα_N/2和dθ_M/2趋向于无限小，可以通过假设sin(dα_N/2)≈0，sin(dθ_M/2)≈0，cos(dα_N/2)≈1，和cos(dθ_M/2)≈1，来省略高阶微量，因此可以导出：

对dτ沿着Z方向积分并结合边界条件z＝0，τ＝0，可以获得沿Z方向的剪应力分布。

令：

则式7可简化为：

τ＝Az (z＞0) 式9

其中，A可以看成是浆液剪切应力的减压作用。

将式1代入式9得到：

令τ₀＝Az，得宾汉流体的流核半径：

在|z|≤z_p范围内，流体剪切作用较弱，流体流动速度一直呈活塞式整体运动；在z_p≤|z|≤w/2范围内，流体相对邻层流体处于运动状态，见图4。

对式10进行积分，联合边界条件：z＝w/2时，v＝0，得浆液在z_p≤|z|≤w/2范围内速度分布：

将z_p代入式12，得到|z|≤z_p范围内的流速分布：

对式12和式13积分，获得浆液流速沿z方向的分布为：

建立流动截面中的浆液流量与浆液沿浆液扩散运动方向的流速之间的关系式：

将式11代入式15，可以得到A的一元三次方程：

利用式16，并联立式11的约束条件：z_p＜w/2，可解出A的值。

由式8可得：

dP＝(ρgsinα_Nsinθ_M-A)dr 式17

基于浆液扩散速度始终与管节轴线夹角θ_M不变的假设，注浆孔与扩散锋面的连线上的各个点的浆液流速与浆液流动路径长度的关系式如下：

r·dθ_M·v＝(r+dr)·dθ_M·(v+dv) 式18

rdv+vdr＝0 式19

式18和式19中，r为浆液流动路径长度，dr为浆液流动路径长度的微量，dθ_M为夹角θ_M的微量。

基于浆液扩散锋面处压力等于周围环境压力的假设，可得浆液扩散运动的控制方程为：

式20中，P₀为注浆孔压力，P_e为环境压力。

离散划分模块将浆液扩散范围离散形成有限个扇形单元，并对每一扇形单元离散成复数个环形单元，基于连续性假设，同一扇形单元内的不同环形单元流量相等，则各环形单元浆液扩散速度可由式19得到。结合图2所示，基于式17，可得浆液经过环形单元r_i,jr_i,j+1时产生的压力损失：

ΔP_i,j＝P_i,j+1-P_i,j＝(ρgsin α_i,jsin θ_i-A_i,j)Δr_i 式21

其中，A_i,j＝f(r_i,j,θ_i,Δq)，由式16计算可得。P_i,j为r_i,j处的浆液压力，P_i,j+1为r_i,j+1处的浆液压力，Δq为每个环形单元的浆液流量，Δr_i为环形单元的离散长度。

式21中，环形单元的竖向夹角计算公式如下：

θ_i＝iVθ 式23

式22中，R_t为顶管隧道外径。

迭代计算模块通过式21计算得到各环形单元中各离散点处的浆液压力。

迭代计算模块基于弦截法求解注浆流量。由式20可知，浆液扩散锋面的速度由注浆压力和周围环境压力差决定，各个扇形单元的注浆流量Δq的计算通过求解以下非线性方程计算：

如图7所示，弦截法是一种通过不断的线性迭代求解非线性方程的数值方法，相较于二分法，能够快速收敛至零点。弦截法的基本迭代公式为：

基于式25，迭代求解可得到满足误差要求的各个扇形单元的注浆流量Δq的数值解。

迭代计算模块通过浆液扩散锋面追踪获得浆液最终收敛状态的扩散形态和扩散压力分布情况。具体地，浆液扩散压力的计算前提之一在于明确浆液的扩散锋面，而扩散锋面是由不同点处浆液扩散速度决定的，因此，浆液扩散锋面与浆液扩散速度的求解是一个关于时间离散的交替迭代问题。

如图8所示，迭代的初始状态T₀为距离注浆孔一定范围内(半径R₀)，浆液扩散锋面为半圆形。通过初始扩散锋面，可求解该时刻的各个扇形离散单元的锋面扩散速度，进而求解浆液扩散半径增量。第T_k+1的扩散锋面计算公式如下：

式26和式27中，

为第k时刻第i个扇形单元锋面处的平均流动速度，ΔR_i为第i个扇形单元的流动路径增量，为保证计算精度，限制max(ΔR_i)＜0.1m，因此时间增量ΔT_k是可变的。

迭代计算模块基于式26和式27计算得到扩散半径增量，扩散锋面叠加扩散半径增量可得到新的扩散锋面，继续下一轮计算，如此循环交替，可以获得浆液最终收敛状态的扩散形态和扩散压力分布情况。

进一步地，如图9所示，迭代计算模块的计算过程为：第一步，输入参数，所输入的参数包括几何参数，施工参数，材料参数和计算参数，在建立减摩注浆复合扩散模型时，输入参数为减摩泥浆的试验数据，在减摩注浆复合扩散模型后续使用时，输入参数为实际施工参数，实际施工参数包括对应顶管施工的几何参数、施工参数以及材料参数，计算参数选用减摩泥浆的试验数据提供的计算参数，具体地，实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力、减摩泥浆的注浆量、减摩泥浆的静切力、减摩泥浆的塑性黏度系数以及减摩泥浆的密度。其中的几何参数包括管节外表面与土体间的间隙w和顶管隧道外径R_t。施工参数包括注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角α₁，注浆孔压力P₁和环境压力P_d。材料参数包括静切力τ₀，塑性黏度系数μ和浆液密度ρ。计算参数包括对扩散范围进行离散划分形成的扇形单元的数量n，各扇形离散划分形成的环形单元的数量m，靠近注浆孔的第一个环形单元的半径r₀和靠近注浆孔的第一个浆液扩散锋面的半径R₀。各个注浆孔处的浆液扩散范围可由可视化减摩注浆模拟试验中摄像机记录的图像数据获得，进而再对该扩散范围进行离散划分处理。根据初始半圆扩散锋面，对浆液扩散区域进行离散。

第二步，令k＝0，并设定计算时间最大值t_max，该计算时间最大值t_max可预先设定，并在建立减摩注浆的复合扩散模型的过程中，不断的修正该计算时间最大值t_max，从而使得减摩注浆的复合扩散模型输出的减摩泥浆扩散压力三维分布图更加接近实际。

第三步，先令i＝1，计算下一时刻时，将i加1，如此循环计算直至i＝n。也即赋予i的值为从1至n。

第四步，给定注浆流量两个初始解，分别是Δq_i,k,0和Δq_i,k,1。给定初始解通常在0至1之间，具体地，可将赋值Δq_i,k,0为0，Δq_i,k,1赋值为1，取实际施工参数附近范围内的值能够使得求解过程更加快速收敛，进而通过弦截法计算可以快速求解出结果。

第五步，先令j＝1，弦截法迭代过程中，将加1，循环至j＝m，也即该步骤中赋予j的值是从1至m。

第六步，计算A和α_i,j，利用式11和式16可计算得出A的值，利用式22和式23可计算得出α_i,j。

第七步，计算环形单元j的前后浆液压力损失，接着第八步，计算环形单元的压力差，将扇形单元i压力损失进行累加，得到对应单元的压力损失Δp_i,k,0和Δp_i,k,1，去差值即得压力差。

第九步，判断压力差是否小于误差，若否，就执行第五步，从新计算，多是，就执行第十步。

第十步，计算扩散半径增量ΔR_i，得到R_i,k+1，扩散半径增量通过式26和式27计算得到。

第十一步，判断是否满足k·Δt＞t_max，即是否达到计算时间最大值t_max，若否则令k＝k+1并执行第三步。若是，则输出注浆流量及扩散区域内压力分布，还输出有R_i。

迭代计算模块在迭代计算过程中能够得到扩散区域内各个离散点处的浆液流量及浆液损失，从而得到各个离散点的浆液流量及浆液压力，从而为绘制减摩泥浆扩散压力3D分布图提供依据。

三维绘图模块基于不同注浆孔处的浆液交汇面处压力相等原则，对各注浆孔的计算结果进行整合，将整合后的压力分布投射到大断面矩形管节外壁，得到注浆扩散压力沿管节外壁的三维分布图，如图10所示。

为验证本发明的减摩注浆的复合扩散模型的正确性，进行如下工程验证，在大断面矩形顶管施工工程中，选取一试验环，并在该试验环上布设水压力计和土压力计，用于对拱底8#、拱顶14#、拱腰4#的注浆孔处的压力进行实测，如图11所示，显示了现场试验数据及数值模拟结果的浆液压力时空分布和利用减摩注浆的复合扩散模型进行分析的浆液压力时空分布，实测值和计算值的走向相一致，实测值的波峰值较大，经过现场试验数据集数值模拟结果的验证，可以验证本发明的模型的正确性。

本发明的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统建立了减摩注浆的复合扩散模型，可以更加直观地以3D角度从整体上观察注浆压力波动情况，通过压力可以从侧面了解浆液注入后空隙的填充饱满程度。利用考虑纵环向相互关联流动特征的减摩泥浆复合扩散理论模型，获得大断面矩形顶管推进时浆液压力扩散规律，可以更加精细化地反应注浆动态过程中浆液沿管节的3D压力分布模式。

下面对本发明的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法进行说明。

本发明的一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，包括如下步骤：

基于可视化顶管减摩注浆模拟试验，获得减摩泥浆的试验数据；

根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型；

获取大断面矩形顶管的实际施工参数，将所获取的实际施工参数输入所建立的减摩注浆复合扩散模型，通过减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图。

本发明的分析方法用于对减摩注浆的纵环向整体扩散机理进行分析，建立能够同时相互关联考虑环向和纵向复合的挤压填充性流动特征的减摩注浆复合扩散模型，利用该减摩注浆复合扩散模型得到与实际施工相对应的减摩泥浆扩散压力三维分布图，也即统一了减摩泥浆的浆液扩散与压力消散过程，得到了压力沿管节的三维时空分布规律，该减摩泥浆扩散压力三维分布图可以为大断面矩形顶管减摩注浆提供精确管控，还能够为管节受力分析提供必要的计算依据。

在本发明的一种具体实施方式中，根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型的步骤，包括：

根据所获取的减摩泥浆的试验数据对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元；

对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；

基于弦截法建立迭代计算模块，用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力；

建立与迭代计算模块连接的三维绘图模块，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

在本发明的一种具体实施方式中，迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。

在本发明的一种具体实施方式中，实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力以及减摩泥浆的注浆量。

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 (6)

1.一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于可视化顶管减摩注浆模拟试验，获得减摩泥浆的试验数据；

根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型；

获取大断面矩形顶管的实际施工参数，将所获取的实际施工参数输入所建立的减摩注浆复合扩散模型，通过所述减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图；

根据所获得的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型的步骤，包括：

根据所获取的减摩泥浆的试验数据对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元；

对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；

基于弦截法建立迭代计算模块，用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力；

建立与所述迭代计算模块连接的三维绘图模块，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

2.如权利要求1所述的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，其特征在于，所述迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断所述浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。

3.如权利要求1所述的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析方法，其特征在于，所述实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力以及减摩泥浆的注浆量。

4.一种大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统，其特征在于，包括：

模型建立单元，用于依据输入的减摩泥浆的试验数据建立减摩注浆复合扩散模型；

参数获取单元，与所述模型建立单元连接，用于获取大断面矩形顶管的实际施工参数；以及

处理单元，与所述模型建立单元和所述参数获取单元连接，所述处理单元用于将所述实际施工参数输入所述减摩注浆复合扩散模型，通过所述减摩注浆复合扩散模型得到对应实际施工参数的减摩泥浆扩散压力三维分布图；

所述减摩注浆复合扩散模型包括离散划分模块、迭代计算模块以及三维绘图模块；

所述离散划分模块用于对减摩泥浆的扩散区域进行离散以得到有限个扇形单元，并对每一扇形单元沿隧道环向进行划分以得到复数个环形单元；

所述迭代计算模块与所述离散划分模块连接，用于计算得到各环形单元的注浆流量及浆液压力；

所述三维绘图模块与所述迭代计算模块连接，用于根据各环形单元的注浆流量及浆液压力绘制出减摩泥浆扩散压力三维分布图。

5.如权利要求4所述的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统，其特征在于，所述迭代计算模块在计算各环形单元的注浆流量及浆液压力时，还计算同一扇形单元中相邻的两个环形单元间的浆液压力差值，并判断所述浆液压力差值是否超出设定误差，若超出设定误差，则重新计算对应环形单元的注浆流量及浆液压力。

6.如权利要求4所述的大断面矩形顶管减摩注浆扩散与压力时空分析系统，其特征在于，所述实际施工参数包括管节与土体间的间隙、顶管隧道外径、注浆孔与所在截面管节中心连线的竖向夹角、减摩泥浆的注浆压力以及减摩泥浆的注浆量。

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