一种可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置和方法与流程

本发明涉及构隧道施工检测技术领域，具体为一种可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置和方法。

背景技术：

随着城市化进程越来越快，地下空间建设已经得到了快速的发展，盾构法隧道施工为地下空间建设提供保证。盾构法施工过程中，盾构机械在地下推进，推进时依靠刀盘切削土体，后方千斤顶作用在已拼装管片上加压顶推前进，盾构机外壳与管片支承周围围岩压力。由于盾构机外壳与拼装管片间存在间隙，需要掘进时候注入浆液填充空隙。注浆效果直接影响管片稳定情况，在隧道施工过程中正是其最需要关心的时期，同时同步注浆浆液有一定的初凝时间，而在其达到初凝并形成一定强度的时间范围内，盾构掘进仍在进行，由于施工对其造成的影响也是需要关注的。因此需要针对施工过程中注浆效果进行研究，这对于隧道稳定及后期运营安全都有非常重要的意义。研究注浆效果时，需要进行理论研究、数值模拟与大量室内模型试验。而由于壁后注浆的特殊性，在施工现场无法直观观测浆液在壁后的流动固结情况，难以展开相关试验，因此必须在室内进行试验研究，才能为盾构隧道开挖提供理论指导。

目前，对于盾构隧道注浆效果的研究，主要由理论研究、数值模拟与室内试验：

1）专利权人为河海大学，中国专利申请号201610223266.1与201620299444.4，介绍了一种模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的试验装置。该装置包括玻璃箱体、溢流槽、模型刀盘、法兰盘、排泥阀等，可以在玻璃箱体中装入透明土制备的模拟地层，在玻璃圆筒中注入试验泥浆，进行渗透试验，可以观测泥浆在地层中的渗透形态，同时可以模拟不同刀盘开口率下渗透情况。但是浆液具有一定的初凝时间，在注入后，不仅是单纯的自由渗流，在凝结达到强度前还会受到掘进、管片挤压等多方面影响，这些都会影响其渗透形态，而该方法没有考虑盾构管片对浆液挤压等一系列影响，因此该方法具有一定的局限性。

2）专利权人为中国矿业大学北京，中国专利申请号201510731363.7，介绍了一种研究盾构开挖间隙对沉降影响的数值模拟方法。该数值模拟方法在盾构模型的外壳上添加了一层填充层，向填充层中注入浆液，通过改变填充层材料的力学参数模拟不同填充材料对沉降的影响。但是由于实际施工是一个复杂的过程，在过程中浆液会存在渗透、串流等一系列变化，都将对结果产生影响，因此该方法可能存在一定的偏差。

3）专利权人为中交二公局第四工程有限公司，中国专利申请号为201710419037.1，介绍了一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置。该装置包括工作台、驱动系统、刀盘以及注浆系统等，该试验装置能做到将开挖钻进与盾尾注浆相结合，通过液压泵控制管内液压大小来模拟盾尾注浆，很好地还原了现场盾构开挖及注浆的过程，并能进行多工况试验，是一种适应性较好的盾构开挖注浆模型试验装置。但是未考虑盾构施工中的管片拼装与顶推过程的模拟，实际拼装过程中千斤顶作用在管片上，管片会对浆液产生挤压，影响注浆效果；实际施工中存在二次注浆等工序，而该装置未考虑施工中二次注浆的模拟；在该装置中，隧道管片为均质圆环，对于管片错缝拼装的形式未进行研究；综上，该装置有一定的局限性。

目前在室内试验过程中，对于盾构注浆效果方面的研究多为单独对浆液在地层中渗透形态的研究，没有考虑施工过程的影响；即使有些考虑了盾构开挖以及注浆的过程，但是忽略了管片拼装过程以及二次注浆工序的模拟，拼装过程中，千斤顶作用在管片上，管片受到千斤顶的压力作用，进而对其周围的浆液产生挤压作用，拼装过程会对注浆效果检测影响很大，同样的，二次注浆等工序也是影响效果的因素，因此忽视这些工序造成最终效果的不准确；同样的，由于盾构是发生在地层中的工程行为，因此现有的模型试验中存在可视化方面存在不足；通过数值模拟做出的研究是一个相对理想化的研究，对于施工过程中一些复杂的变化不可能全部模拟，因此也有一定局限性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑掘进、同步注浆、管片拼装以及二次注浆等工序的模拟，能够对浆液的渗流形态、管片对浆液挤压作用进行相应监测，并通过地层间位移的监测对注浆效果进行评估，能够为盾构隧道注浆效果的评价提供更有效支持的可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置和方法。技术方案如下：

一种可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置，包括有机玻璃箱体和盾构机模拟系统；有机玻璃箱体内装有用于模拟地层的透明土，盾构机模拟系统包括盾构机刀盘、盾构机外壳、液压千斤顶和盾构管片；盾构机刀盘设置于盾构机外壳前端，并由驱动系统驱动从有机玻璃箱体一侧预留的孔洞掘进；液压千斤顶前端连接驱动系统，模拟盾构的顶推过程，后端作用于盾构管片，模拟对盾构管片的挤压作用；所述盾构管片通过拼装系统进行环向和纵向错缝拼装，模拟管片间的连接以及相互作用；还包括同步注浆系统与二次注浆系统，通过同步注浆系统进行壁后注浆，通过二次注浆系统由盾构管片上预留的二次注浆孔进行二次注浆。

进一步的，所述盾构管片内壁沿环向布置有多个管片位移传感器，内壁对应的布置有多个应变片及压力盒，用于对管片间相对位移以及管片与浆液、地层间的作用力进行测量。

更进一步的，还包括通过注水管向透明土中注水的水箱，通过设置在注水管上的阀门调节模拟不同水压。

更进一步的，还包括地层位移传感器，地层位移传感器通过传递杆深入透明土的土层，用于对不同地层深度处的位移进行测量。

更进一步的，所述盾构管片的各管片间通过环向螺栓与纵向螺栓进行连接。

一种可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验方法，包括以下步骤：

步骤1：模型组装：按照相似比例配置透明土，并按照地层情况分层装入有机玻璃箱体内，模拟地层；将水箱与注水管拼接，打开注水装置阀门，调节模拟水压情况；

安装地表传感器，并将传递杆插入土体，静置一段时间；

步骤2：装置进洞：打开箱体侧面预留孔洞，借助反力架，使掘进设备始发进洞，将管片进行错缝拼装，在管片与土层间的空隙注浆，并等待浆液具备一定强度，使其具备掘进条件；

步骤3：安装测量仪器：在具备正常的掘进条件后，在盾构管片外壁贴应变片，布置压力盒；

步骤4：模拟施工：启动掘进装置进行开挖，通过同步注浆系统进行壁后注浆，利用拼装系统拼装管片，按照实际工况，打开二次注浆孔进行二次注浆；

步骤5：采集数据：盾构管片拼装完成后，在盾构管片内壁与应变片对应的位置安装管片位移传感器，采集施工中管片位移变化数据；通过压力盒采集壁后压力数据，通过地层位移传感器采集不同深度地层位移数据。

本发明的有益效果是：

1）本发明提供了一种可视化的盾构注浆试验模型，为试验提供了一个可视化的外在环境，能够直接观测浆液渗流、凝结等状态；

2）本发明考虑了施工中顶推、管片拼装、二次注浆等过程，并对其进行了相应的模拟，可以分析各施工工序对注浆的影响；

3）本发明考虑了管片之间的连接，通过纵向螺栓、环向螺栓进行连接，并根据施工实际进行错缝拼装；

4）本发明通过安装位移传感器、压力盒等，完成了对地层间位移、管片位移、壁后应力等数据的测量采集，为盾构隧道注浆效果的评价提供一种科学、有效、直观的方法。

附图说明

图1为本发明可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置的结构示意图。

图2为本发明可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置的管片结构图。

图3为本发明可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验方法的流程图。

图中：1-有机玻璃箱体；2-透明土；3-盾构机刀盘；4-传力轴；5-盾构机外壳；6-驱动系统；7-液压千斤顶；8-同步注浆系统；9-盾构管片；10-浆液层；11-二次注浆孔；12-二次注浆系统；13-二次注浆管；14-二次浆液；15-水箱；16-阀门；17-注水管；18-地层位移传感器；19-传递杆；20-拼装系统；21-数据采集箱；22-压力盒；23-管片位移传感器；24-纵向螺栓；25-环向螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种可视化的盾构隧道施工注浆效果检测试验装置，包括有机玻璃箱体1和盾构机模拟系统；有机玻璃箱体1内装有用于模拟地层的透明土2，盾构机模拟系统包括盾构机刀盘3、盾构机外壳5、液压千斤顶7和盾构管片9；盾构机刀盘3设置于盾构机外壳5前端，并由驱动系统6驱动从有机玻璃箱体1一侧预留的孔洞掘进；液压千斤顶7前端连接驱动系统6，模拟盾构的顶推过程，后端作用于盾构管片9，模拟对盾构管片9的挤压作用；所述盾构管片9通过拼装系统20进行环向和纵向错缝拼装，模拟管片间的连接以及相互作用；还包括同步注浆系统8与二次注浆系统12，通过同步注浆系统8进行壁后注浆，通过二次注浆系统12由盾构管片9上预留的二次注浆孔11进行二次注浆。

模型箱体为有机玻璃箱体，箱体内部为按照相似比进行配置的透明土，用以模拟地层，能够使整体模型具有可视化特点，可观测浆液流动、凝结等变化情况与土体内部变化。适用于研究不同地质与水文情况下的注浆效果研究。不仅适用于室内模拟地铁盾构隧道注浆的试验，同样适用于市政管廊工程等隧道注浆室内试验。

盾构机外壳与管片的半径按照相似比制作，半径有一定差异，能模拟掘进过程中盾构机外壳脱离后，管片与土体之间存在的空隙。

如图2所示，所述盾构管片9内壁沿环向布置有多个管片位移传感器23，内壁对应的布置有多个应变片及压力盒22，用于对管片间相对位移以及管片与浆液、地层间的作用力进行测量。考虑管片间的相互作用，盾构管片9进行环向和纵向错缝拼装能够真实模拟管片间的连接，盾构管片9的各管片间通过环向螺栓25与纵向螺栓24进行连接。

还包括通过注水管17向透明土中注水的水箱15，通过设置在注水管17上的阀门16调节模拟不同水压。还包括地层位移传感器18，地层位移传感器18通过传递杆19深入透明土2的土层，用于对不同地层深度处的位移进行测量，可对施工过程扰动、浆液注入对土体改善效果等进行数值量测，进而评价注浆效果。

如图3所示，本实施例的试验过程为：

1）模型组装阶段。先进行有机玻璃箱体的拼装，箱体侧面预留孔洞，然后根据施工现场地层情况，按照相似比例配置透明土，用以模拟地层；将透明土按照地层情况分层装入有机玻璃箱体；将水箱与注水管拼接，打开注水装置阀门，调节模拟水压情况；将地表传感器安装，传递杆等插入土体，静置一段时间，完成模型的组装。

2）装置进洞阶段。打开箱体侧面预留孔洞，借助反力架等设备，使掘进设备始发进洞，将管片按照图示进行错缝拼装，在管片与土层间的空隙注浆，并等待浆液具备一定强度，使其具备掘进条件。

3）测量仪器安装阶段。在具备正常的掘进条件后，对管片进行一定处理，按照上图在管片相应位置贴应变片，布置压力盒。

4）施工模拟阶段。启动掘进装置进行开挖，通过同步注浆系统进行壁后注浆，利用拼装系统拼装管片，按照实际工况，打开二次注浆孔进行二次注浆。

5）数据采集阶段。管片拼装完成后，在对应位置安装位移传感器探头，采集施工中管片位移变化数据，管片后布置的压力盒采集壁后压力数据，通过地表布置的传感器采集不同深度地层位移数据。实现施工过程中监测数据的采集。

6）综合分析阶段。通过可视化装置，能直接观察浆液渗流情况；通过管片位移、地层位移，分析注浆的填充效果；通过管片后应力，分析动态施工过程对壁后浆液的影响；综合分析采集数据，对渗流情况、填充效果及其变化情况分析，可以实现对施工过程注浆效果的检测分析。