盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法
【专利摘要】一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中；所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中。本发明还公开了运用前述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，包括：1）、配制模型土；2）、配制模型浆液；3）、构建盾构—土体—浆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。
【专利说明】盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地下建筑工程【技术领域】，涉及盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法。
【背景技术】
[0002]盾构法隧道施工过程中，在盾构机不断被顶进的同时，拼装好的管片不断脱出盾尾，由于管片外径小于盾壳外径，因而形成了盾尾建筑空隙，由于隧道周围软黏土自稳能力很差，盾尾空隙如未被浆液及时充填，将导致周围地层的坍塌变形，如盾尾空隙内注入的浆液过多、压力过大，土体超孔隙水压力的消散将导致地层后期沉降加剧。目前，软土地区盾构法隧道施工引起的地层变形中，施工后期由于超孔隙水压力消散与地层次固结导致的地层位移占总沉降量的30%?90%。因此，了解与掌握盾尾空隙内浆液的流动与扩散过程，以及浆液压力与浆液性态的转变过程及其影响因素，对确保盾尾空隙的有效充填与盾尾处地层的稳定至关重要。
[0003]目前，盾构同步注浆理论的研究主要从现场监测、数值解析、模型试验和数值仿真四个方面展开的。但理论解析往往需要以大量的假设为前提，数值模拟涉及的大量参数很难准确设定，复杂的数值建模技术很难被一般的技术人员熟练掌握，现场实测的相关数据又很难被有效利用，模拟试验研究可以有效地避免理论分析中各种假设条件的限制，更加真实地反映岩土工程的各种物理现象及其内在规律，因此成为了一种非常有效的研究方法。
[0004]国内外关于同步注浆浆液和方法的研究较多，而用于研究同步注浆规律及机理的模型试验研究还鲜见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统。
[0006]为了克服现有注浆方法无法进行不同注浆方式下同步注浆模拟试验的缺陷，本发明的另一个目的是提供一种盾构隧道同步注浆模拟试验方法。该方法能够模拟盾构掘进过程中管片脱出盾尾形成的建筑空隙的充填过程，同时可以模拟不同的掘进速度与不同的盾构埋深条件等工况，进而为盾构隧道同步注浆的地层适应性理论研究提供一个平台。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中；
[0009]所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中，盾构推进控制系统推动模拟盾构机向前掘进过程中，通过加载系统对模型土施加荷载，同时注浆系统将模型浆液注入模型土，通过压力传感器测得模型土的压力变化。
[0010]进一步，所述的模拟盾构机包括模拟管片、模拟盾壳、推进液压缸、注浆管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端盖上连接杆、右端盖下连接杆、左端盖、右端盖、导向桶、拉杆、左限位钢管、右限位钢管；
[0011]所述导向桶通过两根固定连接在土箱两侧的左限位钢管、右限位钢管固定在土箱中，其左侧开口端用螺栓与左端盖连接，右侧开口端紧密套在左端开口、右端封闭的模拟盾壳外侧；模拟盾壳右端与焊接在土箱上的右端盖上连接杆、右端盖下连接杆搭接；模拟盾壳与推进液压缸的拉杆采用螺栓连接，模拟盾壳紧密地套在左端封闭右端开口的模拟管片外侧，通过推进液压缸的拉杆实现沿导向桶内壁和模拟管片外壁进行轴向滑移；模拟管片右端与右端盖用螺栓固定；推进液压缸的缸体与左端盖采用螺栓固定，右端固定在模拟盾壳左封闭端上；利用注浆管路将模型浆液注入盾尾空隙，盾尾密封圈设于模拟盾壳的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙内浆液沿着模拟盾壳与模拟管片之间的间隙渗漏。
[0012]所述的注浆系统包括注浆控制系统、上路注浆泵、下路注浆泵、上路浆液桶、下路浆液桶、第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀、左限位钢管、右限位钢管、第一注浆管、第二注浆管、第三注浆管、第四注浆管；
[0013]第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、沿模拟盾壳右端面均匀布置，第一注浆孔与第一球阀通过第一注浆管路相连，第二注浆孔与第二球阀通过第二注浆管路相连，第一注浆管路和第一注浆管路由上部注浆泵控制，第三注浆孔与第三球阀通过第三注浆管路相连，第四注浆孔与第四球阀通过第四注浆管路相连，第三注浆管路和第四注浆管路由下部注浆泵控制。
[0014]所述注浆泵为能够调节浆液的流量的螺杆计量泵，通过上部注浆泵、下部注浆泵的流量控制与管路球阀的开关，可以单独控制4个注浆孔中的浆液流量，进而实现不同注浆方式下的同步注浆试验；或/和，
[0015]所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀。
[0016]所述的压力传感器包括水土压力传感器和衬砌压力传感器；衬砌压力传感器设置于模拟管片的外筒壁内，沿模拟管片环向均匀设置有多个衬砌压力传感器，用以量测盾尾空隙内的浆液压力；沿隧道周围模型土中设置有多个水土压力传感器，用以量测模拟盾壳掘进过程中地层水土压力的变化情况。所述的土箱为方形箱体构件。
[0017]运用上述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，包括:
[0018]I)、配制模型土；
[0019]2)、配制模型浆液；
[0020]3)、构建盾构-土体-浆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。
[0021]进一步，步骤I)中所述模型土的配置，按照等土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量主要参数对应的相似比进行换算，利用室内压缩试验、直接剪切试验配置符合相似比要求的模型土 ；或/和，
[0022]模型土的主要原料为粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土，试验时，首先对室内一定上覆荷载作用下特定含水量的土体进行密度测试，得到在多大的上覆荷载下固结多长时间才能得到所要的土体密度，再对该密度的土样试验，直至它的粘聚力、摩擦角与压缩模量达到相似比要求。
[0023]步骤2)中所述模型浆液的配置，严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制符合相似比要求的模型浆液；或/和，
[0024]模型浆液的主要原料为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水，试验时，首先对一定重度的浆液在室内进行初凝时间与泌水率的测试，得到初凝时间符合相似比要求的浆液，再对该浆液进行试验，直至它的初始粘度与屈服强度达到相似比要求。
[0025]步骤3)中通过控制液压油缸推进速度的变化，实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验。
[0026]步骤3)中通过在模型土箱内填入不同高度的所述模型土，必要时在土体顶部施加一定的上覆荷载，实现不同盾构埋深条件下的同步注浆试验。
[0027]所述钢质导向桶底部需用两根限位钢管固定，钢管两端分别焊接在土箱的左右侧壁上，用以限制所述导向桶与所述模型盾构的竖向位移；所述模型土箱的左、右侧壁上盾构所在位置需做开孔处理，所述钢质导向桶左侧密封端与推进液压缸的缸体与左端盖螺栓固定，所述模拟管片的开口端与右端盖螺栓固定，左侧封闭端置于模拟盾壳内；所述模拟盾壳端部按圆周方向均匀设置了多个注浆孔，与所述的多台注浆泵连接，并且在模拟盾壳端部圆周方向设置有橡胶密封圈。
[0028]所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀，通过所述注浆泵的流量控制与所述球阀的开关，实现不同注浆位置、不同注浆孔数量与不同浆液流量分配比例的同步注浆试验。
[0029]更具体的，本发明提供的一种盾构隧道同步注浆模拟试验方法，该方法包括以下步骤:
[0030]1、模型土的配制。模型土是严格按照土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量等主要参数对应的相似比进行换算，并通过室内压缩试验、直接剪切试验检验后配置而成的。用于配置模型土的主要原料包括粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土等。采用该系统进行试验时，可根据实际土层的性质配置相应的模型土。
[0031]2、模型浆液的配制。模型浆液是严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间等主要参数对应的相似比进行换算，并利用旋转粘度计检验后配置而成的。用于配置模型浆液的原料主要包括水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水。采用该系统进行试验时，可根据实际使用的浆液配置相应的模型浆液。
[0032]本发明中根据量纲分析方法确定各参数的相似比，然后根据所得的相似比利用特定原料配制模型土和模型浆液，以下对进行详细说明。
[0033]( I)相似常数的确立
[0034]设原型土体材料与模型土体材料的几何相似比为C1,强度相似比为，重度相似比为&，则由相似理论可知，各相似比满足Q
[0035]对于模型土的配制，只需保证密度相似比Cp为1，则Q Qi ^C1 ^Ce ^ Cci
[0036]对于模型浆液的配制，确保Q ,则有C, ^ C1 ^ CE。
[0037]因此，可以得到配制模型土和模型浆液的相似常数如下所示:[0038]
【权利要求】
1.一种盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于:包括模型土、模型浆液和同步注浆模拟试验平台；模型浆液通过同步注浆模拟试验平台被注入模型土中； 所述的同步注浆模拟试验平台包括土箱、数据采集系统、加载系统、盾构推进控制系统、模拟盾构机、压力传感器和注浆系统；模拟盾构机、模型土设置于土箱中，盾构推进控制系统推动模拟盾构机向前掘进过程中，通过加载系统对模型土施加荷载，同时注浆系统将模型浆液注入模型土，通过压力传感器测得模型土的压力变化。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于:所述的模拟盾构机包括模拟管片、模拟盾壳、推进液压缸、注浆管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端盖上连接杆、右端盖下连接杆、左端盖、右端盖、导向桶、拉杆、左限位钢管、右限位钢管； 所述导向桶通过两根固定连接在土箱两侧的左限位钢管、右限位钢管固定在土箱中，其左侧开口端用螺栓与左端盖连接，右侧开口端紧密套在左端开口、右端封闭的模拟盾壳外侧；模拟盾壳右端与焊接在土箱上的右端盖上连接杆、右端盖下连接杆搭接；模拟盾壳与推进液压缸的拉杆采用螺栓连接，模拟盾壳紧密地套在左端封闭右端开口的模拟管片外侦牝通过推进液压缸的拉杆实现沿导向桶内壁和模拟管片外壁进行轴向滑移；模拟管片右端与右端盖用螺栓固定；推进液压缸的缸体与左端盖采用螺栓固定，右端固定在模拟盾壳左封闭端上；利用注浆管路将模型浆液注入盾尾空隙，盾尾密封圈设于模拟盾壳的右端，并沿整个环向布置，用以隔绝盾尾空隙内浆液沿着模拟盾壳与模拟管片之间的间隙渗漏。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于: 所述的注浆系统 包括注浆控制系统、上路注浆泵、下路注浆泵、上路浆液桶、下路浆液桶、第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀、左限位钢管、右限位钢管、第一注浆管、第二注浆管、第三注浆管、第四注浆管； 第一注浆孔、第二注浆孔、第三注浆孔、第四注浆孔、沿模拟盾壳右端面均匀布置，第一注浆孔与第一球阀通过第一注浆管路相连，第二注浆孔与第二球阀通过第二注浆管路相连，第一注浆管路和第一注浆管路由上部注浆泵控制，第三注浆孔与第三球阀通过第三注浆管路相连，第四注浆孔与第四球阀通过第四注浆管路相连，第三注浆管路和第四注浆管路由下部注浆泵控制。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于: 所述注浆泵为能够调节浆液的流量的螺杆计量泵；或/和， 所述注浆孔的数量为所述注浆泵数量的两倍，每一条所述注浆管路中都设置一个所述球阀。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆试验用模拟系统，其特征在于: 所述的压力传感器包括水土压力传感器和衬砌压力传感器；衬砌压力传感器设置于模拟管片的外筒壁内，沿模拟管片环向均匀设置有多个衬砌压力传感器，用以量测盾尾空隙内的浆液压力；沿隧道周围模型土中设置有多个水土压力传感器，用以量测模拟盾壳掘进过程中地层水土压力的变化情况。
6.运用权利要求1所述盾构隧道同步注浆试验用模拟系统的试验方法，其特征在于:包括: 1)、配制模型土； 2)、配制模型浆液；3)、构建盾构一土体一衆液的相似系统，进行不同注浆位置、不同注浆孔以及不同注浆量分配比例的同步注浆试验。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于:步骤I)中所述模型土的配置，按照等土体重度、粘聚力、压缩模量、摩擦角与含水量主要参数对应的相似比进行换算，利用室内压缩试验、直接剪切试验配置符合相似比要求的模型土 ；或/和， 模型土的主要原料为粉质粘土、重晶石粉、双飞粉与膨润土，试验时，首先对室内一定上覆荷载作用下特定含水量的土体进行密度测试，得到在多大的上覆荷载下固结多长时间才能得到所要的土体密度，再对该密度的土样试验，直至它的粘聚力、摩擦角与压缩模量达到相似比要求。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于:步骤2)中所述模型浆液的配置，严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制符合相似比要求的模型浆液；或/和， 模型浆液的主要原料为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、减水剂与水，试验时，首先对一定重度的浆液在室内进行初凝时间与泌水率的测试，得到初凝时间符合相似比要求的浆液，再对该浆液进行试验，直至它的初始粘度与屈服强度达到相似比要求。
9.根据权利要求6所述的试验 方法，其特征在于:步骤3)中通过控制液压油缸推进速度的变化，实现不同盾构掘进速度下的同步注浆试验。
10.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于:步骤3)中通过在模型土箱内填入不同高度的所述模型土，必要时在土体顶部施加一定的上覆荷载，实现不同盾构埋深条件下的同步注浆试验。
【文档编号】G01M10/00GK103913289SQ201210592006
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】白云, 吴世明, 戴志仁, 寇磊 申请人:同济大学, 杭州运河隧道有限公司