模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置及其试验方法

1.本发明涉及一种模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置。


背景技术：

[0002][0003]
当前，城市的隧道建设广泛采用地质条件适应性强、施工速度快的盾构法施工，该法能极大的缓解施工期间带来的城市交通拥堵问题。
[0004]
在盾构的施工过程中,地表沉降是需要重点检测的数据，该数据受到众多因素的影响。
[0005]
其中，盾构注浆的施工效果对地表沉降的影响显著。因为在盾构机推进的过程中，盾尾外壳会随之脱离已经拼装完成的管片，盾尾外壳原本所处的位置也会相应形成薄壁环状的间隙，管片也会随之处于一种脱离盾体的悬空状态。即时地同步注浆以及随后的二次注浆的效果对管片周边土体的形变起着决定性作用，进而影响地表沉降。
[0006]
因此深入研究盾构注浆的填充与渗流机理对实际工程具有重要的指导意义和参考价值。
[0007]
通过对当前技术的文献检索发现，对于盾构注浆的研究，主要有理论研究、数值模拟与室内试验。其中室内试验的装置有:
[0008]
重庆大学的发明专利(申请公布号cn108490152a)提供一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法。该试验装置包括布置在试验平台上的模型箱，以及模拟隧道结构和成像装置。所述模型箱为透明矩形箱体。所述模型箱在相对的两侧壁面上预制孔洞。模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。所述模型箱内填筑透明土。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。该装置在移动有机玻璃管的过程中，通过读取有机玻璃管表面的刻度值，从而得到每次移动产生的地层损失。该装置通过缩尺缩小模型箱尺寸，减少试验成本并保证了可视化的效果。但盾构壁后注浆浆液扩散具有复杂性和不确定性，影响因素很多，如浆液的颗粒组成、砂样的孔隙率、水的渗流扩散以及浆液和土体的耦合作用等。且涉及到的众多物理量很难通过简单的相似准则满足要求，通过相似变化后浆液的材料、土体材料很难在现实生活中找到相应的物质。且粘滞力、重力、惯性力等物理量也很难同时满足相似。因此要完全采用相似模型非常困难。
[0009]
西南交通大学的实用新型专利(申请公布号cn209821195u)通过盾构机在模拟了实际工程中土层的级配和分层情况的透明土中进行可视化试验，试验包含了实际工程的多种施工工序(考虑掘进、同步注浆、管片拼装以及二次注浆等工序)，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，力求尽可能逼真地还原实际工况。但其试验成本过高、试验设备复杂、试验周期长且模型箱的尺寸过大，直接影响透明土带来的可视化效果，该试验在实际操作和数据采集时的可实施性有待考察。
[0010]
郑州大学的发明专利(申请公布号cn108872297a)提供了一种盾尾注浆浆液凝结及管片上浮过程模型试验装置。取管片底部及其影响范围的土体制成模型箱，模拟盾构机掘进过程中同步注浆不当，导致管片上浮的问题。该装置适用于研究盾构底部管片下方的注浆情况。对于不同位置注浆孔的注浆在重力作用下的扩散和渗透情况无法考虑，试验装置研究范围有一定局限性。
[0011]
综上所述，目前盾构注浆的相关技术与试验装置存在的技术问题有：试验成本高、可视化效果不理想、研究范围有限等问题，还存在无法更加接近实际工程状况地进行工程试验的问题。


技术实现要素：

[0012]
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置，该试验装置的试验成本低且装置加工简易，能够依托旋转臂支架模拟不同位置注浆孔注浆，进而研究重力对浆液扩散的影响，更基于全透明架构采用三维图像重构技术实现注浆过程的全方位立体实时观测，可为实际盾构工程的不同位置的注浆施工提供有效的指导和建议。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的试验方法。
[0013]
为此，本发明提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置，其特征是：包括双液注浆系统、模型箱系统、支架系统和数据采集及处理系统；
[0014]
双液注浆系统：包括水泥储浆桶和水玻璃储浆桶，水泥储浆桶和水玻璃储浆桶通过管道与双液注浆机连接，双液注浆机与模型箱连接；
[0015]
模型箱系统：包括矩形的有机玻璃模型箱，模型箱具有朝上的开口，模型箱底部填充有透明土，透明土上方留有注浆空隙，模型箱的侧壁上带有与所述注浆空隙导通的注浆孔，所述双液注浆机通过管道与所述注浆孔连接，注浆空隙上方可拆卸的固定设置有管片，管片采用透明有机玻璃制成，管片上设有二次注浆预留孔，所述模型箱上设置有限压排水孔，限压排水孔连接水压泵，所述管片与模型箱内壁的配合处进行液密封处理；
[0016]
支架系统：包括旋转臂及其固定支座，所述旋转臂与模型箱可转动的连接，所述旋转臂与所述固定支座摆动连接；
[0017]
数据采集及处理系统：包括多台cmos数码相机、多台激光器、若干数据线和处理并储存数据的计算机，所述多台cmos数码相机与所述计算机连接。
[0018]
优选的，所述注浆孔与双液注浆机之间连接的软管上设置有缓冲器、流速调节阀和浆液测压计；所述模型箱侧壁上对应于管片开设有连接通孔，固定螺栓穿过连接通孔与管片螺纹连接实现锁定，所述管片与模型箱内侧壁的接缝处采用玻璃胶密封条密封处理，所述玻璃胶密封条配置有若干真空吸盘。
[0019]
优选的，所述透明土与所需模拟环境的天然土体比重相近、稳定性良好、化学性质稳定、不与间隙流体发生化学反应，且物理化学性质不随时间变化而变化、耐高压、各向异性、具有良好的透明度。
[0020]
优选的，所述透明土采用无定形硅石凝胶及粉末和/或透明玻璃砂和/或熔融石英砂制成。
[0021]
优选的，所述模型箱中配置级配和含水率相同的所述透明土，并将碳纳米管颗粒
加入其所述透明土作为示踪粒子。
[0022]
优选的，所述透明土中注入的流体与透明土具有相同或相近的折射率，用以使透明土呈现出透明或者近似透明的性质。
[0023]
优选的，所述透明土的孔隙水为溴化钙溶液或者用烷烃类溶剂与矿物油配制的混合液。
[0024]
优选的，所述模型箱侧壁对应于所述注浆空隙所在位置开设有插口，透明板从插口插入注浆空隙中，透明板阻挡所述透明土，所述模型箱上插口的相对侧设置有注浆孔，所述透明板外端带有拉手且内设有注浆管道。
[0025]
优选的，所述管片呈圆弧状，所述透明板呈与管片匹配的圆弧状，所述管片尺寸为实际盾构机配套管片的等比例缩小。
[0026]
本发明提供的一种模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤一：
[0028]
首先收集实际工程的地质勘测数据和管片尺寸数据，根据地质勘测数据和管片尺寸分别定制模型箱和透明土原料，按实际土样进行配制，并加入纳米管颗粒作为示踪粒子；然后对配制好的土样和实际工程中的土样进行直剪试验和三轴试验来测定其物理性质，比较并确定模拟透明土土样与实际土样的物性相似；
[0029]
步骤二：
[0030]
配制好双液浆原料：水泥浆液和水玻璃浆液，并分别装入相应的水泥储浆桶和水玻璃储浆桶中；用软管和三通管将两种浆液的储浆桶与双液注浆机相连，双液注浆机的出浆口连接设有缓冲器、流速调节阀和浆液测压计的软管，将该软管的另一头接入有机玻璃模型箱侧壁的注浆口上，并保证接口的密封性，防止渗漏；
[0031]
步骤三：
[0032]
将模型箱的限压排水口与水压泵相连，再将配置好的透明土装入模型箱压实，然后通过真空吸盘组将管片缓缓镶入模型箱内，在预设位置对准孔位，用螺栓固定模拟管片的位置；随后用玻璃胶沿着矩形镶嵌缝隙进行环封，防止浆液沿缝上溢；
[0033]
步骤四：
[0034]
旋转臂的底座固定在地面上，根据试验需要调节旋转臂的角度确定模型箱的空间位置；
[0035]
步骤五：
[0036]
根据模型箱的位置安置好激光器和相机支架，用数据线连接数码相机和计算机。在相机固定支架上安装cmos数码相机，调整拍摄的视野，调整光圈和焦距，使得示踪粒子在视野内成像清晰；
[0037]
步骤六：
[0038]
在试验过程中，通过cmos数码相机记录在注浆过程中拍摄视野内的土体以及示踪粒子颗粒的照片，经数据采集系统传输到计算机上进行处理；首先计算用于转换图像与空间坐标的标定点的控制点中心，其次确定分析区域，并将分析区域划分成多个网格，接着利用相关系数计算每帧图像中每个网格的像素坐标，利用相关系数对输出数据进行过滤分析，手动删除有误的输出数据，最后将像素坐标转化为空间坐标，得到土体的变形信息和浆
液的填充、扩散情况。
[0039]
本发明提供的技术效果：
[0040]
(1)本发明模型的试验为局部管片注浆模拟，因其结构合理使模型箱尺寸较小，每次试验所需的透明土、水泥浆液和水玻璃浆液较少，大大节约了试验材料的成本，也缩短了试验周期。
[0041]
且因模型箱的横纵向边长不大，不会因为透视深度过长而影响透明装置的可视化优势的发挥。
[0042]
(2)本发明的装置设置有旋转臂及其固定支座，通过转动旋转臂可使模型箱停留在任意状态的位置，从而可模拟实际工程的管片环上任意位置的注浆孔的注浆情况，进而研究重力对浆液扩散的影响，使装置的研究研究范围更广，做到了试验变量按需调整，可为不同位置注浆孔的注浆设计方案提供参考依据。
[0043]
(3)本发明采用透明的模型箱和透明土形成全方位的立体透明构造，基于全透明架构采用三维图像重构技术实现注浆过程的全方位立体实时观测，可为实际盾构工程的不同位置的注浆施工提供有效的指导和建议。
[0044]
其中高精度的试验图像测量技术，可以测量指定区域范围内的土体运动信息，并且数据分辨率高，可进行较长时间持续测量。
[0045]
(4)本发明不同于其他大比例的缩尺试验(只满足部分物理量的相似)，本发明保证了试验结果的有效性，可为实际工程中注浆施工提供有效参考。
[0046]
(5)模型箱中配置级配和含水率相同的所述透明土，并将碳纳米管颗粒加入其所述透明土作为示踪粒子，能够更好地展示土体的运动变化。
[0047]
(6)透明板从插口插入注浆空隙中，透明板阻挡所述透明土，透明板内设有注浆管道，在试验操作中可以通过边向外抽离透明板边，内设注浆管道实时同步注浆的方式使透明土得到及时的有效支承，以更好地模拟盾构注浆的过程，从而更加精准地模拟盾构机运行过程中的注浆状况。
[0048]
并且，因管片呈圆弧状，所述透明板呈与管片匹配的圆弧状，从而使管片更接近真实的盾构机匹配的隧道管片形态，获得更加精准的试验数据。
附图说明
[0049]
图1为本发明实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的各系统关系示意图。
[0050]
图2为本发明实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的结构示意图。
[0051]
图3为本发明实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的模型箱正视示意图。
[0052]
图4为本发明实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的模型箱的侧视示意图。
[0053]
图5为本发明实施例1体用的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的模型箱的俯视示意图。
[0054]
图6为本发明实施例2提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的
模型箱正视示意图。
[0055]
图7为图6中的透明板与支承板配合的滑槽与滑块的a-a剖面示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0057]
参照图1-5所示，本发明实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置，包括双液注浆系统、模型箱系统、支架系统和数据采集及处理系统；
[0058]
双液注浆系统：包括水泥储浆桶1和水玻璃储浆桶2，水泥储浆桶2和水玻璃储浆桶2通过管道与双液注浆机3连接，双液注浆机3与模型箱4连接；
[0059]
模型箱系统：包括矩形的有机玻璃模型箱4，模型箱4具有朝上的开口，模型箱4底部填充有透明土5，透明土5上方留有注浆空隙6，模型箱4的侧壁上带有与所述注浆空隙6导通的注浆孔7，所述双液注浆机3通过管道与所述注浆孔7连接，注浆空隙6上方的设置有可拆卸亦可固定的管片8，管片8采用透明有机玻璃制成，管片8上设有二次注浆预留孔9，所述模型箱4 上设置有限压排水孔10(设过滤网防止堵管)，限压排水孔10连接水压泵11 (保证模型箱限压排水，以防模型箱内部处于绝对密闭状态，进而导致注浆时土体内孔隙水压急剧增加)，通过施加适当的压力，既保持液体不会泄露，又能保持在增压状态能够模拟自然环境时的孔压消散。所述管片8与模型箱 4内壁的配合处进行液密封处理；为防止箱体处于密封状态，将箱体右侧的限压排水口与水压泵相连，保证箱体的限压排水，限压排水口处滤网的设置则是防止土颗粒被流体带出箱体造成软管淤堵。管片的二次注浆预留孔在同步注浆时，处于密封关闭状态，在二次注浆环节，再予以打开使用。
[0060]
支架系统：包括旋转臂23及其固定支座12，所述旋转臂23与模型箱4 可转动的连接，所述旋转臂23与所述固定支座12摆动连接，旋转臂23与模型箱4及固定支座12的转动连接处设置有解锁和锁定机构，固定支座12采用螺杆固定在地面或者台面上，能够使转动处能够在转动到位后通过拧紧而锁定，如螺栓机构即可实现。上述控制模型箱系统空间位置的支架系统由旋转臂23连接钢结构框架控制模型箱4的位置和角度，通过改变模型箱4的旋转角度，来模拟实际工程中管片上不同位置的同步注浆孔7与二次注浆孔9 的注浆情况。研究不同角度的重力下，注浆的实时填充与扩散情况。进而在不提高过多试验成本的基础上，大大提高了该试验装置的适用范围。
[0061]
数据采集及处理系统：包括三台cmos数码相机13、三台激光器14、若干数据线和处理并储存数据的计算机，所述三台cmos数码相机13与所述计算机连接。
[0062]
本发明的上述构造中，数据收集及处理系统采用的是粒子图像测速(piv) 技术，这种流体测量技术是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，piv技术的特点是超出了单点测速技术(如lda)的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。使用激光器的片光对透明土进行扫射形成散斑切面，并用三台空间正交放置的高像素相机从不同角度同时拍摄高精度的图像，分析计算出粒子的三维空间坐标,
经过粒子匹配后,再根据三维空间位移,获得粒子的三维速度矢量，得到土体颗粒的位移情况。而采用三台同步相机按空间正交方向布置，还能获取注浆体的轮廓，采用基于轮廓的三维重建方法即可达到多视角重建的目的，进而获得浆液的填充与渗流过程。
[0063]
参照图2所示，所述注浆孔7与双液注浆机3之间连接的软管上设置有缓冲器、流速调节阀和浆液测压计；所述模型箱侧壁上对应于管片开设有连接通孔，固定螺栓穿过连接通孔与管片螺纹连接实现锁定，所述管片与模型箱内侧壁的接缝处采用玻璃胶密封条密封处理，所述玻璃胶密封条配置有若干真空吸盘。
[0064]
上述实施例1中，透明土5与所需模拟地质条件的天然土体比重相近、稳定性良好、化学性质稳定、不与间隙流体发生化学反应，且物理化学性质不随时间变化而变化、耐高压、具有良好的透明度；透明土5采用无定形硅石凝胶及粉末和/或透明玻璃砂和/或熔融石英砂制成。由光学的基本知识，要使配制土体呈现出透明或近似透明的性质，必须使间隙流体与固体颗粒具有相同或相近的折射率，因此本实施例中所述透明土中注入的流体与透明土具有相同或相近的折射率，用以使透明土呈现出透明或者近似透明的性质，所述透明土的孔隙水为溴化钙溶液或者用烷烃类溶剂与矿物油配制的混合液，可采用这些液体作为孔隙流体是因为其浓度或配比与折射率具有对应的关系，这为准确配制与透明土折射率匹配的孔隙流体提供了可能。孔隙水选择的理论依据是：在自然土体中，孔隙液体主要是水。那么，模拟孔隙流体的材料最基本要求是具备或接近水的物理性质(密度、粘度等稳定的化学性质，且流体混合液之间、流体与固体颗粒之间不发生化学反应，并具有良好的透明度)。
[0065]
参照图3-5所示，所述模型箱4中配置级配和含水率相同的所述透明土 5，并将碳纳米管颗粒加入其所述透明土5作为示踪粒子。同时，为了更好的定位坐标，构成模型箱4的透明玻璃壁板的外侧会挖设坐标浅圆槽(未打通玻璃箱壁)，并用黑色涂料填染出定位坐标点15。
[0066]
参照图1-5所示，上述实施例1提供的模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0067]
步骤一：
[0068]
首先收集实际工程的地质勘测数据和管片尺寸数据，根据地质勘测数据和管片尺寸分别定制模型箱和透明土原料，按实际土样进行配制，并加入纳米管颗粒作为示踪粒子；然后对配制好的土样和实际工程中的土样进行直剪试验和三轴试验来测定其物理性质，比较并确定模拟透明土土样与实际土样的物性相似；
[0069]
步骤二：
[0070]
配制好双液浆原料：水泥浆液和水玻璃浆液，并分别装入相应的水泥储浆桶和水玻璃储浆桶中；用软管和三通管将两种浆液的储浆桶与双液注浆机相连，双液注浆机3的出浆口连接设有缓冲器、流速调节阀和浆液测压计的软管，将该软管的另一头接入有机玻璃模型箱侧壁的注浆口上，并保证接口的密封性，防止渗漏；
[0071]
步骤三：
[0072]
将模型箱4的限压排水口10与水压泵11相连，再将配置好的透明土5 装入模型箱4压实，然后通过真空吸盘组16将管片8缓缓镶入模型箱4内，在预设位置对准孔位，用螺栓固定模拟管片8的位置；随后用玻璃胶沿着矩形镶嵌缝隙进行环封，防止浆液沿缝上溢；
[0073]
步骤四：
[0074]
旋转臂23的底座12固定在地面上，根据试验需要调节旋转臂23的角度确定模型箱4的空间位置；
[0075]
步骤五：
[0076]
根据模型箱4的位置安置好激光器14和相机支架，用数据线连接数码相机13和计算机。在相机固定支架上安装cmos数码相机13，调整拍摄的视野，调整光圈和焦距，使得示踪粒子在视野内成像清晰；
[0077]
步骤六：
[0078]
在试验过程中，通过cmos数码相机13记录在注浆过程中拍摄视野内的土体以及示踪粒子颗粒的照片，经数据采集系统传输到计算机上进行处理；首先计算用于转换图像与空间坐标的标定点15的控制点中心，其次确定分析区域，并将分析区域划分成多个网格，接着利用相关系数计算每帧图像中每个网格的像素坐标，利用相关系数对输出数据进行过滤分析，手动删除有误的输出数据，最后将像素坐标转化为空间坐标，得到土体的变形信息。而采用三台同步相机按空间正交方向布置，还能获取注浆体的轮廓，采用基于轮廓的三维重建方法即可达到多视角重建的目的，进而获得浆液的填充与渗流情况。
[0079]
参照图6-7所示，本发明实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于增加了以下构造：所述模型箱4侧壁对应于所述注浆空隙所在位置开设有插口17，透明板18从插口17插入注浆空隙6中，透明板18与插口17的配合处设置有密封条，从而使透明板18抽出和插入后均可保持接缝处的密封性，透明板18阻挡所述透明土5，所述透明板18内设有注浆管道且外端带有拉手。
[0080]
参照图2、图6、图7所示，为了更加顺畅地移动透明板18，所述模型箱4的插口17旁边固定设置有支承板19，支承板19上带有截面呈倒t字形的滑槽20，所述透明板18外端下方设置有滑块21，滑块21呈t字形，滑块 21套入所述滑槽20中。
[0081]
在上述实施例2中，可对配置的透明土5进行土工试验(直剪及三轴试验等)，检验其物理性质是否与实际土体相近。将配置好的透明土分层填筑入模型箱4，并施加适当的先期固结压力进行压实。
[0082]
上述实施例2的操作方法增加如下：操作时可以边抽出透明板18边从注浆管道22注入浆液，从而可利用透明板18阻挡透明土5，避免透明土5 塌落，可模拟管壁上方的注浆空隙在注浆时的状态，并更接近盾构的实操状态，获取更加准确的数据模型。
[0083]
本发明实施例3与实施例1基本相同，其区别仅在于：为了更好的模拟盾构作业时的管片形态，所述管片8呈圆弧状，所述透明板18呈与管片8 匹配的圆弧状，管片8可以采用弧形透明板制成。
[0084]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。