CN113586069A - 一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置及其使用方法，将模拟盾构系统插入装有相似土且连接动水系统的模型箱中，研究水流速度和水压对注浆的影响，使试验能够更接近实际地层需求。通过动力系统收缩千斤顶将模拟盾壳拔出，其管片衬砌固定，进而形成盾尾间隙，浆液通过环流系统从注浆孔喷出，填充盾尾间隙，研究不同浆液材料及配比、注浆压力、注浆量和盾构机掘进速度等施工参数对隧道管片衬砌结构受力及地层变形的影响机理。此外，本发明能够实现单、双浆液注浆，可分别控制每个注浆孔的注浆压力和注浆量，从而研究每个注浆孔采用相同以及不同注浆压力和注浆量对地层变形的影响以及注浆孔数量和分布对地层的影响规律。
Description
技术领域
本发明设计地下岩土工程同步注浆领模型试验技术领域，具体涉及一种模拟盾构机同步注浆施工技术室内试验装置及其使用方法。
背景技术
随着我国国民经济水平不断提高，我国隧道及地下工程得以飞速发展，盾构法以其优良的施工精度以及对周围环境影响较小从而广泛应用于地下工程施工；在盾构法施工过程中，同步注浆作为施工的关键工序，在防止地层变形、提高隧道抗渗性能、提高隧道衬砌稳定性、提高衬砌-浆液-地层共同受力等方面的起到重要作用。
目前，针对盾构法施工，关于施工过程中同步注浆技术展开的室内模型试验研究中，由于地层的复杂性、盾尾间隙及注浆压力等参数的不确定性、注浆材料及配合比的多变性，填充效果的隐蔽性和注浆效果的不确定性等多方面因素影响，导致盾构隧道同步注浆的有关理论研究不能满足工程实践需求，而且难以精准的反应同步注浆开挖过程对周边环境的影响以及复杂水环境下注浆效果的评定难以把控。
发明内容
本发明提供了一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内相似模拟试验装置及使用方法，该装置能够给有效模拟动水条件下，不同地质条件、不同隧道尺度、不同注浆参数的施工过程，有效模拟浆液在动水条件下的流动与渗透过程。
为解决上述问题，本发明针对现有技术不足，采用以下技术方案：本发明提出一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内相似模拟试验装置，主要包括动水模拟系统、模型土箱、盾构系统、动力系统、自动监测系统、试验台组成。
进一步，所述试验装置尺寸均依托于隧道尺寸，遵循相似试验原则，按照相似比例缩小而得到。
所述模型土箱为上端开口、一侧中心位置预留圆形孔洞的长方形铁箱，所述铁箱由钢板焊接而成，通过角钢固定；铁箱预留圆形孔洞一侧平均分布18个注水孔，注水孔安装止水阀，与所述动水模拟系统通过管路连接，实现模拟动水条件下盾尾注浆技术。
所述动水模拟系统由空压机、水箱、流量计、压力计组成，与模型箱侧面的止水阀连接，且水流方向平行于注浆系统和管片系统；可通过调节空压机压力和止水阀阀门进而调节动水流速和水压力，实现不同水压和水流速条件下同步注浆模拟，流量计和压力传感器可对水压和水流速度进行实时监测。
所述盾构系统可分为模拟盾构机盾壳、注浆环流系统以及模拟盾构机管片衬砌系统。
进一步，所述模拟盾构机盾壳由镀锌铁皮围成的圆柱筒，能够有效模拟通过相似比缩小后的盾构机自重以及防止地下水锈蚀。
进一步，所述注浆环流系统由注浆孔、注浆管路、浆液筒A、浆液筒B、流量计、压力计、止水阀和注浆泵A、B组成；在所述模拟盾构机盾壳内侧上、下、左、右四个位置各固定2个注浆孔，可分别模拟单浆液和双浆液两种注浆方式。
进一步，所述每个位置的2个注浆孔分别通过注浆管路连接所述浆液筒A、B；所述浆液筒A、B分别放置水泥砂浆或A液水泥砂浆和B液水玻璃等多种试验所需浆液。
进一步，所述浆液筒A、B分别连接注浆泵A、B。
进一步，每条注浆管路均连接一套止水阀、流量计和压力计，通过与注浆泵A、B配合，实现对每个注浆管路注浆压力和注浆量的监测控制。
进一步，模拟盾构机管片衬砌系统由透明的PVC管组成，为了更好的模拟管片受到注浆压力的作用，产生变形，按照管片尺寸（由几何相似比确定）制作凹槽，且需要在PVC管环向开孔，布设传感器。
进一步，所述模拟盾构机盾壳和模拟盾构机管片衬砌系统之间留有环形空间，可有效形成盾尾间隙；所述注浆管路穿过环形空间与固定在所述模拟盾构机盾壳上的注浆孔连接；所述注浆筒中浆液通过注浆泵施加压力，流经所述注浆管路，通过注浆孔流出，最终填充盾尾间隙，完成浆液在土地中的填充与渗透。
进一步，环形空间内设有环形铁架和遇水膨胀橡胶圈，环形铁架和遇水膨胀橡胶圈固定在所述模拟盾构机盾壳盾尾处，遇水橡胶圈密封住盾尾和模拟盾构机管片衬砌之间的缝隙，防止地下水和浆液流入模拟盾构机内部，影响试验效果。
进一步，所述模拟盾构机管片衬砌系统通过试验台上的固定支架固定于模型箱中。
所述动力系统由液压油缸、手摇泵、千斤顶组成。
所述推进系统通过按压手摇泵对液压油缸产生压力作用于千斤顶，使得千斤顶收缩；所述千斤顶与所述模拟盾构机盾壳连接，所述千斤顶收缩能够使所述盾壳移动，可有效模拟盾构机边移动边注浆这一过程。
所述试验台由角钢焊接而成，布设所述动力系统中的手摇泵、液压油缸和千斤顶、所述固定支架、所述动水模拟系统中水箱、所述注浆系统中浆液筒。
进一步，所述试验台架通过升降螺丝来调整高度，确保动力系统和固定支架与所述模拟盾构机盾壳和所述模拟盾构机管片衬砌系同一轴线，保障模型盾构保持水平状态。
所述自动监测系统由东华数据采集仪、应力应变传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器、压力传感器和电脑组成。
进一步，所述监测系统位于模型箱内，应力应变传感器和部分压力传感器通过所述管片衬砌系统的孔洞布设于衬砌管片外侧，孔隙水压力传感器和部分压力传感器布设于盾构管片周围土层中，位移传感器布设于土层表面。
一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置进行模拟同步注浆施工方法，所述方法包括以下步骤：
（1）配置好所需模型土，将量测装置和盾构系统按试验设计要求提前布置到位，并对土体逐层夯实至指定强度，通过支架固定位移传感器，并通过升降螺丝调节位移传感器和试验台架高度；
（2）将水放置水箱中，通过调整空压机调整动水流速和水压力直至设计值。将配置好的浆液置浆液筒，通过动力系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度推进，并通过注浆系统按设定的合理注浆压力和注浆量往注浆管路注浆，以使浆液从注浆孔流出并填充模拟盾壳推进所产生的盾尾空隙；
（3）通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，并分析试验土体变形情况，与此同时，采集管片应力应变变化和压力变化，并分析合理的注浆参数。
本模型试验装置的工作原理介绍如下：动力系统通过千斤顶收缩使模拟盾尾拔出(向左移动)模型土箱外，而模拟管片则固定不动，在模拟盾尾拔出模型土箱的过程中，注浆系统通过注浆管路向环形空间内注浆，然后各个传感器进行相应的数据监测。
本发明的有益效果是：本发明的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置及其使用方法，本试验装置可以模拟注浆过程，并且监测注浆过程；通过动力系统中的手摇泵施加压力带动千斤顶收缩，管片衬砌系统通过试验台上固定支架，固定在模型箱中不动，将盾壳拽出土箱外，实现模拟盾构机移动，形成环形空间模拟盾尾间隙，研究考虑土体应力释放的情况下对同步注浆的影响；通过调节千斤顶收缩速度控制盾尾移动速度；盾尾有环形铁架和遇水膨胀胶圈，防止浆液和地下水进入盾尾的内部空间，避免对盾尾造成影响；动水模拟系统可以通过向水箱加入一定体积的水，调节空气压缩机压力试验模拟地下水流经来模拟地下水渗流作用对同步注浆浆液扩散的影响；本发明不仅能够研究不同地层、不同注浆孔数量和分布、注浆量等注浆参数以及每个注浆孔相同和不同注浆量、注浆压力等对同步注浆浆液扩散和渗透规律以及对管片的影响，更能真实的模拟地下水渗流对同步注浆扩散和渗透规律。
附图说明
图1本模型试验装置的结构示意图；
图2模型箱侧视图；
图3模拟盾构机主视图；
图4模拟盾构机侧视图；
图5传感器环向分布图；
图6传感器纵向分布图；
图中：模型土箱1、模拟盾构机盾壳2、模拟盾构机管片衬砌3、固定支架4、千斤顶5、油缸6、手摇泵7、水箱8、注浆筒A9、注浆筒B10、空气压缩机11、注浆泵12、流量计13、压力计14、止水阀15、试验台16、升降螺丝17、位移传感器18、土压力传感器19、孔隙水压力传感器20、应力应变传感器21、A、B注浆孔22、环形铁架和遇水橡胶圈23、传感器布设点24。
具体实施方式
以下通过实例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明发明的技术方案，而不能解释为本发明技术方案的限制。
如图所示，本发明的一种模拟盾构富水地层同步注浆技术室内试验装置，主要包括模型箱1、试验台16、盾构系统、动水模拟系统、动力系统和自动监测系统；所述动水模拟系统由水箱8、空气压缩机11、流量计13、压力计14组成；所述动力系统由4、千斤顶5、油缸6、手摇泵7组成；自动监测系统由17、位移传感器18、土压力传感器19、孔隙水压力传感器20、应力应变传感器21组成；所述盾构系统由模拟盾构机盾壳2、模拟盾构机管片衬砌3、固定支架4、注浆筒A9、注浆筒B10、注浆泵12、流量计13、压力计14、环形铁架和遇水橡胶圈23组成。所述模型箱按照实验设计制作，并平均布设注水口，注水口安装止水阀15。
所述动水模拟系统通过管路通过多通流量阀与所述模型箱上止水阀15连接；向水箱8注入一定体积的水，通过改变空压机压力，根据流量计13、压力计14结合实际施工调整合适的水的流速和水的压力，有能够实现模拟地下水流经与渗透过程，研究地下水渗流作用和不同水流速和水压力对同步注浆浆液扩散的影响。
所述盾构系统中模拟盾构机盾壳与所述动力系统连接，通过动力系统中的手摇泵7施加压力带动千斤顶5收缩，模拟盾构机管片衬砌3通过试验台16上固定支架4，固定在模型箱1中不动，将模拟盾构机盾壳2拽出土箱外，实现模拟盾构机移动，形成环形空间模拟盾尾间隙，研究考虑土体应力释放的情况下对同步注浆的影响；通过调节千斤顶收缩速度控制盾尾移动速度，研究不同掘进速度对浆液扩散的影响规律。
将配置好的浆液A、B分别放入注浆筒A9、注浆筒B10中，通过注浆泵12流经注浆管路，分别从A、B注浆孔22流出，填充模拟盾尾空间，完成浆液的填充与渗透；能够研究不同注浆孔数量和分布、注浆量、注浆压力等注浆参数对同步注浆浆液扩散和渗透规律以及对管片结构内力的影响，进一步包括但不限于每个注浆孔相同和不相同的注浆压力和注浆量对同步注浆和管结构内力的影响。
所述监测系统位于模型箱内，应力应变传感器和部分压力传感器通过所述模拟盾构机管片衬砌的孔洞布设于衬砌管片外侧，孔隙水压力传感器和部分压力传感器布设于盾构管片周围土层中，位移传感器布设于土层表面。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：包括动水模拟系统、模型土箱、盾构系统、动力系统、自动监测系统、试验台组成，所述试验装置尺寸均依托于隧道尺寸，遵循相似试验圆柱，按照相似比例缩小而得到。
2.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述模型土箱为上端开口、一侧中心位置预留圆形孔洞的长方形铁箱，铁箱预留圆形孔洞一侧平均分布18个注水孔，注水孔安放止水阀，与所述动水模拟系统通过管路连接，实现模拟动水条件下盾尾注浆技术。
3.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述动水模拟系统由空压机、水箱、流量计、压力传感器组成，与模型箱侧面连接，且水流方向平行于注浆系统和管片系统；通过调节空压机压力进而调节动水流速和水压力。
4.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述盾构系统可分为模拟盾构机盾壳、注浆环流系统以及模拟盾构机管片衬砌；所述模拟盾构机盾壳由镀锌铁皮围成的圆柱筒；所述模拟盾构机管片衬砌由透明的PVC管组成，为了更好的模拟管片受到注浆压力的作用，产生变形，按照管片尺寸（长度相似比确定）制作凹槽，且需要在PVC管环向开孔，布设传感器。
5.根据权利要求4所述的注浆环流系统由注浆孔、注浆管路、浆液筒A、浆液筒B、流量计、压力计、止水阀和注浆泵A、B组成；在所述模拟盾构机盾壳内侧上、下、左、右四个位置各固定2个注浆孔，可分别模拟单浆液和双浆液两种注浆方式；所述每个位置的2个注浆孔分别通过注浆管路连接所述浆液筒A、B；所述浆液筒A、B分别连接注浆泵A、B；所述浆液筒A、B分别放置A液水泥砂浆和B液水玻璃；每条注浆管路均连接一套止水阀、流量计和压力计，实现对注浆压力和注浆量的控制。
6.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述动力系统由液压油缸、手摇泵、千斤顶组成；通过按压手摇泵对液压油缸产生压力作用于千斤顶，使得千斤顶收缩；所述千斤顶与所述模拟盾构机盾壳连接，所述千斤顶收缩能够使所述盾壳移动，可有效模拟盾构机边移动边注浆这一过程。
7.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述试验台由角钢焊接而成，布设所述动力系统中的手摇泵、液压油缸和千斤顶、所述固定支架、所述动水模拟系统中水箱、所述注浆系统中浆液筒；所述试验台架通过升降螺丝来调整高度，确保动力系统和固定支架与所述模拟盾构机盾壳和所述模拟盾构机管片衬砌同一轴线，保障模型盾构保持水平状态。
8.根据权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置，其特征在于：所述自动监测系统由东华数据采集仪、应力应变传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器、压力传感器和电脑组成；所述监测系统位于模型箱内，应力应变传感器和部分压力传感器通过所述模拟盾构机管片衬砌系统的孔洞布设于衬砌管片外侧，孔隙水压力传感器和部分压力传感器布设于盾构管片周围土层中，位移传感器布设于土层表面。
9.一种利用权利要求1所述的一种模拟盾构富水地层同步注浆施工技术室内试验装置进行模拟同步注浆施工方法，所述方法包括以下步骤：
（1）配置好所需模型土，将量测装置和盾构系统按试验设计要求提前布置到位，并对土体逐层夯实至指定强度，通过支架固定位移传感器，并通过升降螺丝调节位移传感器和试验台架高度；
（2）将水放置水箱中，通过调整空压机调整动水流速和水压力直至设计值；将配置好的浆液置浆液筒，通过动力系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度推进，并通过注浆系统按设定的合理注浆压力和注浆量往注浆管路注浆，以使浆液从注浆孔流出并填充模拟盾壳推进所产生的盾尾空隙；
（3）通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，并分析试验土体变形情况；与此同时，采集管片应力应变变化和压力变化，并分析合理的注浆参数。
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