CN114910282B - 高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置与方法，包括主体箱、拉力系统、盾壳系统、地应力加载系统、注浆系统、注水系统、监测系统。主体箱内部含盾壳系统和模型土。地应力加载系统和注水系统通过对主体箱内模型土进行施加应力和水压来模拟地下复杂土体和泥水环境。拉力装置使盾壳向前掘进的同时，注浆系统对盾壳和管片间隙进行注浆。实现高水压盾构隧道壁后注浆可视化与管片上浮一体化模型试验，获得高水压、复杂软弱地层环境多工况下盾构隧道及地层多物理场响应规律。本发明能缩尺寸还原高水压水下盾构隧道壁后注浆充填工程，通过实时反馈软弱地层多物理场获得盾构掘进过程管片上浮规律与隧道纵向变形机制。

Description

高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置与方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道注浆与隧道稳定性技术领域，具体涉及一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置与方法。

背景技术

近年来，隧道及城市地下交通工程在我国各大城市迅猛发展，水下盾构隧道施工凭借良好工艺水平得到了广泛的应用。然而，随着水下盾构隧道直径及水压的增加，自身所受到的浮力和管片的自重间差距增大，导致了盾构隧道结构更易上浮。较大的上浮可能会导致管片的开裂、错台、裂缝等一系列危害。注浆是确保水下盾构隧道安全施工的有效方法，能够有效防止管片上浮和地层扰动。因此开展对高水压盾构隧道注浆过程规律及管片上浮规律研究尤其重要。

目前，盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验的研究较少，主要存在以下不足：一方面，盾构机掘进注浆过程中，前几环管片注浆充填加固往往会对后面几环的管片上浮产生不可忽视影响，而大多数模型试验系统往往采用单一的管片来探究管片的上浮情况。另一方面，室内模型试验中管片往往是固定不动的，采用其他方式来代替管片上浮的研究，不能反应实际盾构施工过程中土体应力和注浆加固体影响管片上浮的真实情况。此外，在相关的室内模型试验中，通常不考虑管片和盾构盾壳间隙距离的影响。盾构盾壳和管片之间的间隙大小影响着注浆的充填效果和注浆加固强度，进一步影响着管片的上浮和土体扰动。因此在盾壳和管片之间的间隙方面的研究不可忽视。

盾构施工常遇到复杂地层和高水压环境，相关的室内模型试验中忽视软弱地层高水压作用下泥水环境的存在，进一步泥水环境下盾构隧道壁后注浆充填模拟较少。如何研究管片在高水压、复杂地层环境下的注浆充填效果和管片上浮规律也是亟需考虑的内容。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置与方法，本发明可以实现模拟高水压泥水盾构隧道壁后注浆充填施工总过程，并可模拟和测量多种不同因素影响下对多环管片上浮情况及注浆充填效果和机理的研究，具有操作方便、结构完整、可重复使用等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，包括主体箱、拉力装置、盾构系统、注浆系统、地应力加载系统、注水系统和监测系统；

所述主体箱的上端面为敞口，所述主体箱是采用可视化材料制作而成，所述主箱体的前端面设有盾壳孔洞；

所述盾构系统包括盾壳和多个管片，所述盾壳位于所述主箱体内，所述盾壳的前端放置在所述盾壳孔洞中，所述管片依次放置在盾壳内；

所述主体箱内填充模型土，所述主箱体的敞口配合有加载板，所述地应力加载模拟系统通过加载板对模型土进行地应力加载模拟，注水系统通过输水管连通主体箱内位于盾壳上方的模型土中进行高水压泥水环境模拟；

拉力装置连接所述盾壳的前端，所述注浆系统的输液管安装在所述盾壳内，当拉力装置将盾壳向外做水平掘进运动的同时，注浆系统通过输浆管往管片与模型土之间形成的间隙进行注浆；

所述监测系统用于监测和采集主体箱内模型土的相关试验参数。

进一步的，所述盾壳用环形钢板组成，所述盾壳的内壁沿着圆周方向固定有若干个可调节滑轮，若干个可调节滑轮的轮面支撑所述管片的外壁；

所述管片是由环状结构拼接组成，相邻管片的首尾通过螺栓连接，所述盾壳的前端设有盖板，所述盖板上设有与所述拉力装置连接的第三接口。

进一步的，所述可调节滑轮由滑轮、螺栓帽、扭转支杆和底盘支座组成，所述底板支座两侧通过螺栓孔Ⅳ连接在所述盾壳内壁，所述底板支座的上部连接扭转支杆，所述扭动支座上部螺纹连接所述螺栓帽，所述螺栓帽的顶部四周通过螺栓孔Ⅲ连接所述滑轮。

进一步的，所述盾壳的后端内壁设有环形的阻隔板，所述阻隔板的板面上沿着圆周方向设有多个注浆口，所述注浆系统的输液管连通有多根输浆管，所述输浆管位于盾壳和管片的间隙中，所述输浆管一一对应连通所述注浆口。

进一步的，所述注水系统包括第一空压机、输气管Ⅰ、气压调节器Ⅰ、储水罐、水压压力表和输水管；所述储水罐和第一空压机通过输气管Ⅰ进行连接，所述气压调节器Ⅰ安装在所述输气管Ⅰ上，所述储水罐的出水口连通所述输水管，所述输水管贯穿所述加载板后插入模型土内，所述输水管上安装有阀门Ⅰ，储水管上部连接水压压力表。

进一步的，所述地应力加载系统包括千斤顶和试验架，所述试验架呈龙门型结构，所述主体箱位于所述试验架的门洞中，所述试验架顶部连接千斤顶，所述千斤顶的加载端连接所述加载板。

进一步的，所述监测系统包括监测元件、信号线、数据采集处理器，所述监测元件包括位移传感器、土层压力传感器、动水压力传感器，所述监测元件放置在模型土内，所述监测元件通过信号线连接至数据采集处理器。

进一步的，所述主体箱由可拆卸的前主板、后主板和左、右两侧板，所述侧板的板面上设有网格线。

一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验方法，采用本发明所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：安装主体箱、地应力加载系统；

步骤二：安装盾构系统，将盾壳嵌入主体箱的盾壳孔洞处，将多个管片嵌入至盾壳的尾部位置，将最后端的管片与主箱体的后主板用螺栓连接，将拉力装置与盾壳的前端连接；

步骤三：安装注浆系统；

步骤四：安装注水系统；

步骤五：向主体箱内填充模型土，在模型土中埋设位移传感器、土层压力传感器、动水压力传感器，在模型土的上部安装加载板，加载板与地应力加载系统连接；

步骤六：施加水压，注水系统通过输水管将水注入模型土内；

步骤七：施加地应力，地应力加载模拟系统通过加载板使荷载均匀的传递模型土中，到达所需环境的地应力后，停止加载；

步骤八：启动拉力装置将盾壳向外做水平掘进运动，在盾壳移动的同时，注浆系统通过输浆管往管片与模型土之间形成的间隙进行注浆；当盾壳前进一环时，解除最后端的管片与主箱体后主板的约束；

步骤九：注浆结束后，通过监测系统收集数据，总结管片上浮规律及不同环的管片注浆扩散加固模式，评估盾构壁后同步注浆效果；

步骤十：重复以上一到九的步骤，设置不同的地应力压力、水压、浆液种类、注浆量、注浆压力、盾壳与管片间隙、盾壳掘进速度等参数，完成不同条件下的盾构壁后同步注浆试验。

进一步的，在步骤五中，盾壳上部的模型土为淤泥质粉质粘性土、粉质粘土，盾构下部的模型土为中粗砂，盾壳掘进的模型土为粉细砂。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：

(1)本发明可以缩尺寸还原高水压水下盾构隧道壁后同步注浆充填工程，尤其能够缩尺试验模拟软弱地层高水压盾构的作业状态和施工环境，并通过实时反馈地层多物理场实现盾构隧道掘进过程管片上浮状态与规律；

主体箱是采用可视化材料制作而成，方便直观的观察各个管片的上浮状态，提高试验效率；

(2)本发明通过地应力加载系统模拟模型土层的地应力，通过高压注水系统模拟模型土层的高水压泥水环境，实现了模拟不同地层深度的地应力和高水压泥水环境。

(3)本发明可通过系统设置多种关键影响因素（例如盾构掘进的速度、盾壳与管片的间隙、注浆压力、注浆量等），深入研究注浆充填和管片上浮变化规律；

(4)本发明能够呈现可视化盾构壁后注浆充填过程及管片上浮动态效果，加入监测系统后，本发明能够更好、更准确测量模型土的应力、渗压及变形等关键参数，能够有效获得盾构管片上浮及隧道掘进纵向变形规律。

附图说明

图1为本发明实施例提供的结构示意平面图；

图2为本发明实施例提供的试验装置结束后示意平面图；

图3为本发明实施例提供的主体箱、地应力加载系统的立面图

图4为本发明实施例提供的主体箱、地应力加载系统的前视图

图5为本发明实施例提供的主体箱、地应力加载系统的后视图

图6为本发明实施例提供的可调节滑轮的结构示意图

图7为本发明实施例提供的主体箱前主板的结构示意图

图8为本发明实施例提供的主体箱侧板的结构示意图

图9为本发明实施例提供的主体箱后主板的结构示意图

图10为本发明实施例提供的输液管、注浆管的侧视图

图11为本发明实施例提供的输液管、注浆口的后视图

图12为本发明实施例提供的A-A剖面的监测系统布置图

图13为本发明实施例提供的B-B剖面的监控系统布置图

图中：1.主体箱；2.盾壳孔洞；3.盾壳；4.可调节滑轮；5.管片；6.加载板；7.千斤顶；8.试验架；9.第一出口；10.信号线；11.数据采集处理器；12.盖板；13.第一接口；14.第二接口；15 第三接口；16.第一空压机；17.输气管Ⅰ；18.气压调节器Ⅰ；19.储水罐；20.水压压力表；21.阀门Ⅰ；22.输水管；23.第二空压机；24.储液罐Ⅰ；25.储液罐Ⅱ；26气压调节器Ⅱ；27.气压调节器Ⅲ；28.输气管Ⅱ；29.阀门Ⅱ；30.阀门Ⅲ；31.双液混合器；32.输液管；33.注浆口；34.阻隔板；35.流量记录仪；36.第一浆液；37.第二浆液；38.水；39.压力表Ⅰ；40.压力表Ⅱ；41.第四接口；42.模型土；43.位移传感器；44.土层压力传感器；45.动水压力传感器；46拉力装置；101.前主板；102.侧板；103.螺栓孔Ⅰ；104.螺栓孔Ⅱ；105.后主板；106.螺栓孔Ⅴ； 401滑轮；402.螺栓孔Ⅲ；403.螺栓帽；404.扭转支杆；405.螺栓孔Ⅳ；406底盘支座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另有明确指出，否者单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或他们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非记特指本发明中任意部位或元件，不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，术语如“固定”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明设计了一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，如图1、7、8、9所示，其主要包括主体箱1、拉力装置46、盾构系统、注浆系统、地应力加载系统、注水系统和监测系统。其中，主体箱1含有可拆卸的前主板101、后主板105和左右两块侧板102，所述的前主板101、后主板105和侧板102采用可视化材料制成。同时在侧板102的侧面加工,有网格线，以便观察人员可以清晰可见相关部件的上浮情况。在前主板101和后主板105四周和侧板102上端及下端加工有螺栓孔Ⅰ103和螺栓孔Ⅱ104，用于放置螺杆和螺栓来拼接主体箱1。主体箱1的上端面为敞口，主体箱1的内部用于充填模型土42，模型土42土层类型根据实际施工情况来定。在主体箱的前主板101上加工有盾壳孔洞2，根据盾构始发的盾壳所需要的尺寸制定。在主体箱后端的后主板105开设有第一接口9和螺栓孔Ⅴ106。

如图1～11所示，盾壳系统包括盾壳3、可调节滑轮4、管片5、盖板12、第一接口13、第二接口14以及第三接口15。其中，所述的盾壳3是用环形钢板组成，盾壳位于主箱体1内，盾壳的前端放置在主体箱前主板101的盾壳孔洞2中，盾壳3的内壁沿着圆周方向固定多个可调节滑轮4。管片5的数量为5个，并依次排列放置在盾壳3内靠近盾尾的位置，若干个可调节滑轮的轮面共同支撑管片的外壁。相邻管片的首尾端面通过螺杆连接约束。初始状态时，盾壳的盾尾端和最后端的管片贴合后主板105，最后端的管片与后主板105通过螺栓孔Ⅴ106用螺栓和螺帽进行连接，从而使最后端的管片与后主板105临时约束，如此设计，防止盾壳3在开始向前移动瞬间，管片跟随盾壳发生横向位移。在盖板12的表面上加工有第一接口13、第二接口14和第三接口15。第三接口15用来连接拉力装置46，以保证盾壳3在拉力装置46的作用下向前掘进。

如图6所示，所述的可调节滑轮4由滑轮401、螺栓帽403、扭转支杆404和底盘支座406组成，底板支座406两侧设有螺栓孔Ⅳ405，通过配合螺栓用来连接盾壳和底板支座406。在底板支座406上部连接扭转支杆404，扭动支座404上部螺纹连接螺栓帽403，螺栓帽403顶部四周设有螺栓孔Ⅲ402，通过配合螺栓用来连接滑轮1和螺栓帽403。一方面，可调节滑轮4通过转动螺栓帽403在扭动支座的404的相对高度来调整管片5和盾壳3之间的距离，使盾壳管片5始终处于中心位置。另一方面，通过盾壳3四周的可调节滑轮4来固定管片5，防止因盾壳3前进而导致管片5倾覆、移动、扭转等问题。

如图1～5所示，地应力加载系统包括加载板6、千斤顶7和试验架8。试验架8呈龙门型结构，所述主体箱1位于所述试验架8的门洞中，所述试验架8顶部连接千斤顶7，加载板7根据主体箱1上部敞口的矩形尺寸来制定，能够镶嵌进主体箱1内的模型土42，以保证加载板6与模型土42能够相互接触，用来承接加载板6上部的千斤顶7传递过来的荷载，使荷载均匀的传递到模型土42中。试验架8由钢板制成。在加载板6上加工有第四接口41。

如图1所示，注水系统包括第一空压机16、输气管17、气压调节器Ⅰ18、储水罐19、水压压力表20、阀门Ⅰ21、输水管22、水38。其中，储水罐19和第一空压机16通过输气管Ⅰ17进行连接，输气管Ⅰ17上安装气压调节器Ⅰ18，第四接口41和储水罐19通过输水管22进行连接，输水管22上安装阀门Ⅰ21,在储水罐19上部连接水压压力表20，用来监测储水罐19中的水压力。储水罐18中储存水38。第一空压机16通过气压调节器18调节压力将气体传输至储水罐18内，以保证水38通过输水管22进入模型土42内。

如图1所示，注浆系统包括第二空压机23、储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25、气压调节器Ⅱ26、气压调节器Ⅲ27、输气管Ⅱ28、阀门Ⅱ29、阀门Ⅲ30、双液混合器31和输液管32、注浆记录仪35、压力表Ⅰ39、压力表Ⅱ40。其中，第二空压机23通过输气管Ⅱ28分别与储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25的进气口连通，在输气管Ⅱ28上靠近储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25的进气口的位置分别对应安装气压调节器Ⅱ26、气压调节器Ⅲ27。在储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25上分别安装压力表Ⅰ39、压力表Ⅱ40。储液罐Ⅰ、储液罐Ⅱ分别储存第一浆液36、第二浆液37。储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25的出液口均连通输液管32，在输液管32上安装阀门Ⅱ29、阀门Ⅲ30、双液混合器31、注浆记录仪35，阀门Ⅱ29、阀门Ⅲ30分别对应接通储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25的出液口，所述的双液混合器31使第一浆液36、第二浆液37充分搅拌混合均匀，输液管32的末端分为两支分别穿过第一接口13、第一接口14进入盾壳内。盾壳3的后端内壁设有环形的阻隔板34，阻隔板34可以防止浆液流入盾壳3内，使注浆浆液更好的流动在模型土42和管片5的间隙中。所述阻隔板34的板面上沿着圆周方向设有多个注浆口33，每个注浆口33对应连通有输浆管，所有的输浆管横向固定在盾壳和管片的间隙中，所有的输浆管的进浆口连通输液管32。第二空压机23通过气压调节器Ⅱ26、气压调节器Ⅲ27分别向储液罐Ⅰ24、储液罐Ⅱ25施加压力，打开阀门Ⅱ29、阀门Ⅲ30，使第一浆液36、第二浆液37通过双液混合器31形成双液浆，双液浆经输液管32输送至注浆口33来充填模型土和管片5的间隙。在本实施例中，注水系统中的注水压力应保证在0.5MPa-1.0MPa。对软弱地层施加高水压形成泥水环境，以模拟泥水环境下盾构隧道壁后注浆充填过程。

如图1、12、13所示，监测系统包括监测元件、信号线10、数据采集处理器11。其中所述的监测元件包括位移传感器43、土层压力传感器44、动水压力传感器45。土层压力传感器44、动水压力传感器45分别用来检测试验过程中模型土的土体内部的应力与渗压的变化情况，位移传感器43用来检测试验过程中管片的上浮情况。位移传感器43、土层压力传感器44、动水压力传感器45与信号线10连接，信号线10通过第一接口9连接至数据采集处理器11。

如图1～3所示，拉力装置46与盖板12通过盖板12中的第三接口15进行连接，在本实施例中，拉力装置为液压油缸。其中所述的拉力装置46带着盾壳3向前做掘进水平运动，在前进过程中，注浆系统进行注浆，浆液通过输液管32到达注浆口33，充填模型土与管片5的间隙，直到盾壳掘进完毕。盾壳掘进结束及注浆完成情况如图2所示。

如图10、11所示，本实施例采用盾尾六点同步注浆点位，即阻隔板34上环形阵列分布六个注浆口33，围绕成一个圆形，使输液管32的浆液均匀的输送到6个注浆口33处，以保证浆液能充填盾壳3和模型土之间的间隙中。

本实施例中，监测元件有两种分布形式，如图12所示，一种是监测元件分布在每环管片中间位置的模型土中。如图13所示，另一种是测元件分布在相邻管片位置的模型土中。可以理解是，在图12、图13中，并未画出输液管32，但并不代表输液管32的缺失，仅仅为了更好的叙述本监测元件的分布情况。在其他实施例中，应以实际模拟需求选择布设监测原件位置与数量。

在本实施例中，所使用的模型土分为四层，盾壳上部的模型土为淤泥质粉质粘性土、粉质粘土，盾壳下部的模型土为中粗砂，盾构掘进的模型土为粉细砂。应当指出，在其他实施例中，应根据具体的实际工况进行调整模型土的类型。模型土的类型可以是灰岩、泥岩、粉砂岩、石英砂岩等，也可以为粉土、粉砂、粉质黏土、中粗砂、砾砂、中砂、粉细砂、淤泥质粉质等黏土地层。

所选用的模型土参数如下

本发明还提供了一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置的方法，具体步骤如下所述：

步骤一：安装主体箱1、地应力加载系统。

步骤二：安装盾构系统，可调节滑轮4安装至盾壳3指定位置。将多个管片嵌入至盾壳的尾部位置，通过可调节滑轮4进行盾壳3和管片5距离的调整，调整完毕后，将输浆管与阻隔板34的注浆口33安装连通。将盾壳3嵌入主体箱盾壳孔洞2处。将最后端的管片与主箱体的后主板用螺栓连接。将盖板12安装至盾壳3的前端，第三接口15与拉力装置46相连。

步骤三：安装注浆系统，将输液管32连接储液罐Ⅰ24和储液罐Ⅱ25。储液罐Ⅰ24和储液罐Ⅱ25通过输气管Ⅱ28连接第二空压机23。进一步，输气管Ⅱ28上安装气压调节器Ⅱ26、气压调节器Ⅲ27。输液管32上安装阀门Ⅱ29、阀门Ⅲ30、双液混合器31、注浆记录仪35，将输液管32伸入盖板12的第一接口13和第二接口14与各个输浆管接通。

步骤四：安装注水系统，将输气管Ⅰ17与储水罐19和第一空压机16进行连接，输气管Ⅰ17上安装气压调节器18，输水管22与第四接口41和储水罐19进行连接，输水管22上安装阀门Ⅰ21。

步骤五：向主体箱1内填充模型土42，在模型土42中埋设位移传感器43、土层压力传感器44、动水压力传感器45。位移传感器43、土层压力传感器44、动水压力传感器45的信号线10引出至第三接口15连接数据采集处理器11。并在模型土42上部安装加载板6。

步骤六：施加水压，打开阀门Ⅰ21。第一空压机16通过对储水罐19加压使水通过输水管到达第四接口41进入模型土42内。待到达指定压力后，关闭阀门Ⅰ21，停止注水。

步骤七：施加地应力。开启千斤顶7，向下加压荷载。通过加载板6使荷载均匀的传递模型土42中，到达所需环境的地应力后，停止加载。

步骤八：启动拉力装置46将盾壳3向外做水平掘进运动，在盾壳3移动的同时，打开阀门Ⅱ29和阀门Ⅲ30，第二空压机23向储液罐Ⅰ24和储液罐Ⅱ25施加压力使第一浆液36和第二浆液37通过双液混合器31形成双液浆，双液浆经过输液管32到达注浆口33向模型土和管片5间隙进行注浆，当前进一环时，卸下螺栓孔Ⅴ中的螺栓，解除最后端的管片与主箱体后主板的约束。

步骤九：注浆结束后，收集数据，总结管片上浮规律及不同环的管片注浆扩散加固模式，评估盾构壁后同步注浆效果。

步骤十：重复以上一到九的步骤，设置不同的地应力压力、水压、浆液种类、注浆量、注浆压力、盾壳3与管片5间隙、盾壳掘进速度等参数。完成不同条件下的盾构壁后同步注浆试验。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请们，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变换。凡在本申请的精神和原则以内，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)

1.一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，包括主体箱、拉力装置、盾构系统、注浆系统、地应力加载系统、注水系统和监测系统；

所述主体箱的上端面为敞口，所述主体箱是采用可视化材料制作而成，所述主体箱的前端面设有盾壳孔洞；

所述盾构系统包括盾壳和多个管片，所述盾壳位于所述主体箱内，所述盾壳的前端放置在所述盾壳孔洞中，所述管片依次放置在盾壳内；

所述主体箱内填充模型土，所述主体箱的敞口配合有加载板，所述地应力加载系统通过加载板对模型土进行地应力加载模拟，注水系统通过输水管连通主体箱内位于盾壳上方的模型土中进行高水压泥水环境模拟；

拉力装置连接所述盾壳的前端，所述注浆系统的输液管安装在所述盾壳内，当拉力装置将盾壳向外做水平掘进运动的同时，注浆系统通过输浆管往管片与模型土之间形成的间隙进行注浆；

所述监测系统用于监测和采集主体箱内模型土的相关试验参数；所述盾壳用环形钢板组成，所述盾壳的内壁沿着圆周方向固定有若干个可调节滑轮，若干个可调节滑轮的轮面支撑所述管片的外壁；

所述管片是由环状结构拼接组成，相邻管片的首尾通过螺栓连接，所述盾壳的前端设有盖板，所述盖板上设有与所述拉力装置连接的第三接口。

2.根据权利要求1所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述可调节滑轮由滑轮、螺栓帽、扭转支杆和底盘支座组成，所述底盘支座两侧通过螺栓孔Ⅳ连接在所述盾壳内壁，所述底盘支座的上部连接扭转支杆，所述扭转支杆上部螺纹连接所述螺栓帽，所述螺栓帽的顶部四周通过螺栓孔Ⅲ连接所述滑轮。

3.根据权利要求2所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述盾壳的后端内壁设有环形的阻隔板，所述阻隔板的板面上沿着圆周方向设有多个注浆口，所述注浆系统的输液管连通有多根输浆管，所述输浆管位于盾壳和管片的间隙中，所述输浆管一一对应连通所述注浆口。

4.根据权利要求1所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述注水系统包括第一空压机、输气管Ⅰ、气压调节器Ⅰ、储水罐、水压压力表和输水管；所述储水罐和第一空压机通过输气管Ⅰ进行连接，所述气压调节器Ⅰ安装在所述输气管Ⅰ上，所述储水罐的出水口连通所述输水管，所述输水管贯穿所述加载板后插入模型土内，所述输水管上安装有阀门Ⅰ，储水罐上部连接水压压力表。

5.根据权利要求1所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述地应力加载系统包括千斤顶和试验架，所述试验架呈龙门型结构，所述主体箱位于所述试验架的门洞中，所述试验架顶部连接千斤顶，所述千斤顶的加载端连接所述加载板。

6.根据权利要求1所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述监测系统包括监测元件、信号线、数据采集处理器，所述监测元件包括位移传感器、土层压力传感器、动水压力传感器，所述监测元件放置在模型土内，所述监测元件通过信号线连接至数据采集处理器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置，其特征在于，所述主体箱由可拆卸的前主板、后主板和左、右两侧板组成，所述侧板的板面上设有网格线。

8.一种高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的高水压盾构隧道壁后注浆及管片上浮模型试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：安装主体箱、地应力加载系统；

步骤二：安装盾构系统，将盾壳嵌入主体箱的盾壳孔洞处，将多个管片嵌入至盾壳的尾部位置，将最后端的管片与主体箱的后主板用螺栓连接，将拉力装置与盾壳的前端连接；

步骤三：安装注浆系统；

步骤四：安装注水系统；

步骤五：向主体箱内填充模型土，在模型土中埋设位移传感器、土层压力传感器、动水压力传感器，在模型土的上部安装加载板，加载板与地应力加载系统连接；

步骤六：施加水压，注水系统通过输水管将水注入模型土内；

步骤七：施加地应力，地应力加载系统通过加载板使荷载均匀的传递模型土中，到达所需环境的地应力后，停止加载；

步骤八：启动拉力装置将盾壳向外做水平掘进运动，在盾壳移动的同时，注浆系统通过输浆管往管片与模型土之间形成的间隙进行注浆；当盾壳前进一环时，解除最后端的管片与主体箱后主板的约束；

步骤九：注浆结束后，通过监测系统收集数据，总结管片上浮规律及不同环的管片注浆扩散加固模式，评估盾构壁后同步注浆效果；

步骤十：重复以上一到九的步骤，设置不同的地应力压力、水压、浆液种类、注浆量、注浆压力、盾壳与管片间隙、盾壳掘进速度参数，完成不同条件下的盾构壁后同步注浆试验。

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