专利名称：盾构掘进机同步注浆模拟试验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于隧道盾构掘进机施工的模拟试验装置，具体涉及的是一种盾构掘 进机同步注浆模拟试验平台，属于隧道建筑工程技术领域。
背景技术：
对于地下隧道施工技术的研究有很多方式，如理论分析等，而试验方法也是一种 非常重要的科学方法，例如通过模拟试验的方法来研究盾构掘进机在地下隧道施工过程中 的特性、土体的特性以及机土之间的相互作用关系。目前国内外一些企业、科研机构和大学 都建立相关的实验室以设计建造相应模拟试验台来进行这一特定的工程模拟试验，如上海 隧道工程股份有限公司就研制了大型盾构掘进模拟试验平台以进行盾构掘进机施工试验。在采用盾构掘进机掘进法进行地下隧道的施工过程中，一边盾构掘进机的头部向 前方土层掘进，一边在盾构掘进机尾部之内用成型管片完成隧道的砌衬，当盾构掘进机向 前推进时，盾尾就同时前进而在土体与管片砌衬之间留下了建筑间隙。为了有效地控制周 围土体的变形和地面沉降，保证隧道的稳定，这时就要采用浆液按照预定压力和注浆量同 步均勻地注入管片壁后，充填盾构掘进机推进在盾尾后侧产生的建筑间隙，即进行同步注 浆。同步注浆是隧道盾构掘进机施工中的一道重要工序，它是降低管片偏移、防止土体变 形、控制地面沉降和减少隧道后期变形的重要手段，因此同步注浆应达到及时、均勻、足量 的要求。同步注浆的质量受到浆液种类、注浆压力、注浆流量等诸多因素影响，如何采用合 适的工艺参数以达到最佳的同步注浆效果，是隧道盾构施工技术领域中的重要课题，这一 课题的研究只单纯地通过理论分析方法进行是不够的，试验研究是解决这一技术课题的必 不可少的重要方法。现有技术中尚未有检索到有关盾构施工中同步注浆模拟试验装置的资料。对于注 浆模拟装置我们找到了中国专利ZL200810162251. 4《一种新型注浆模拟装置》，该专利所述 注浆模拟装置主要包括空气压缩机、调压阀、压力容器、试验模具等，注浆浆液放置在压力 容器内，压力容器顶部与空气压缩机连接，通过空气压缩机向压力容器内压入空气而将浆 液压出并注入试验模具，模拟试验过程可以通过调压阀来调节注浆压力，该注浆模拟装置 只能模拟室内各种土体的压密注浆和劈裂注浆过程。对于盾构掘进机同步注浆模拟试验而言，上述现有注浆模拟装置存在有如下不足1、无法模拟盾构掘进机同步注浆过程——该注浆模拟装置只能模拟室内各种土 体的压密注浆和劈裂注浆过程，其试验模具无法模拟盾构掘进机的同步注浆过程。2、模拟试验设备不能控制注浆流量——该注浆模拟设备通过空气压缩机将浆液 压出，其只能通过调压阀控制注浆压力，而没有相应的装置来控制注浆流量，因而无法考察 注浆流量对同步注浆效果的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有注浆模拟装置无法进行盾构掘进机同步
3注浆模拟试验的缺陷，提供一种盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其能够模拟盾构掘进 机推进过程中在盾尾进行同步注浆的过程，同时可以模拟不同的推进速度、注浆流量、注浆 压力等工艺条件，从而研究各个工艺参数之间的相互关系及其对注浆效果的影响。本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的一种盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其包括土箱、模拟管片、模拟盾尾、推进 液压缸、导向桶、透明外桶、土压传感器、摄像头和注浆泵；所述土箱为方形箱体结构件，放 置在地面以上，其内部能够充填试验土体；所述导向桶为圆管状构件，其轴线水平地设置于 该土箱之中，该导向桶的一端与所述土箱的左侧壁固定连接；所述透明外桶为圆管状构件， 其一端同轴地与所述导向桶的另一端固定相接，该透明外桶的另一端与所述土箱的右侧壁 固定连接；所述模拟管片为透明的圆筒状构件，其同轴地套置于透明外桶之中，该模拟管片 的一端与所述土箱的右侧壁固定连接，所述摄像头设置于模拟管片的内腔中，所述土压传 感器设置于模拟管片的筒壁上；所述模拟盾尾为一端封闭的圆筒状构件，其同轴地设置于 所述导向桶与模拟管片之间，该模拟盾尾的筒壁套置于模拟管片的外周，并且能够沿导向 桶的内管壁和模拟管片的外筒壁进行轴向滑移，所述模拟盾尾的筒壁内设置有贯通该筒壁 前后的注浆孔；所述注浆泵为螺杆计量泵，其与该注浆孔连通；所述推进液压缸与模拟盾 尾同轴地设置于所述土箱上，其缸体固定于所述土箱的左侧壁上，其缸杆的顶端固定于模 拟盾尾的封闭端上，该推进液压缸能够带动模拟盾尾往复运动。本发明所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台还包括左连接管、右连接管、左 端盖和右端盖；所述左连接管和右连接管为短管状构件，该左连接管和右连接管横向同轴 地分别贯通和固定在所述土箱的左侧壁和右侧壁上；所述左端盖固定盖置于该左连接管的 外端，所述推进液压缸的缸体穿置且固定于该左端盖上，所述导向桶同轴地与该左连接管 的内端固定连接；所述右端盖固定盖置于该右连接管的外端，所述模拟管片的一端与该右 端盖固定连接，所述透明外桶同轴地与该右连接管的内端固定连接；所述模拟盾尾和模拟 管片之间设置有密封圈，所述透明外桶和模拟管片的制造材料为有机玻璃，所述土压传感 器的数量和摄像头的数量均为多个，所述注浆孔的数量为多个，其沿所述模拟盾尾筒壁的 圆周均勻分布。与现有注浆模拟装置相比较，本发明取得了如下有益的技术效果1、本发明设置有模拟隧道砌衬的模拟管片、模拟盾构掘进机尾部的模拟盾尾及其 注浆孔、模拟同步注浆的注浆泵和模拟盾构掘进机推进的推进液压缸，因而实现了盾构掘 进机推进过程中对盾尾后侧建筑间隙同步注浆过程的模拟，并且是一个动态过程的模拟， 而非静止的模拟。2、本发明设置有摄像头以对同步注浆全过程进行拍摄，因而能够更加直观地观察 浆液在同步注浆过程中的流动现象，为同步注浆的机理研究提供了更先进的设备。3、本发明设置有土压传感器以测量浆液的注浆压力，并且所设注浆泵为螺杆计量 泵，其能够调节注入浆液的流量，同时推进液压缸能够实现模拟盾尾的不同推进速度，从而 为研究浆液凝固过程中的压力变化以及研究不同的推进速度、注浆压力、注浆流量等工艺 参数对同步注浆效果的影响提供了条件。4、本发明能够通过拆装透明外桶来实现两种工况的同步注浆模拟试验，即盾构掘 进机在土壤内的同步注浆模拟试验和在固定建筑间隙中的同步注浆模拟试验。
总之，本发明所述盾构掘进机同步注浆模拟试验平台能够动态地模拟盾构掘进机 推进时同步注浆的全过程，同时能够直接观察模拟同步注浆过程的试验现象，并且通过调 节和变化试验条件实现了对不同工况同步注浆过程的模拟，为研究不同工艺参数对同步注 浆效果的影响提供了条件。本发明的试验结果可以为盾构掘进机同步注浆技术的理论研究 提供试验依据和数据参考。
图1为本发明的结构示意图。图2为图1中A部的局部放大图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。请参阅图1本发明的结构示意图，图示盾构掘进机同步注浆模拟试验平台包括土 箱9、左连接管91、右连接管92、左端盖1、右端盖7、模拟管片5、模拟盾尾3、推进液压缸8、 导向桶2、透明外桶4、土压传感器11、摄像头6和注浆泵10。所述土箱9为钢制的方形箱体结构件，放置在地面以上，该土箱9的尺寸为长 2. 5m、宽2. 5m、深3m，其内部能够充填试验土体。所述左连接管91和右连接管92均为钢制 的短管状构件，该左连接管91和右连接管92同轴地分别焊接固定在所述土箱9的左侧壁 和右侧壁上，并且各自横向贯通所在的侧壁。所述左端盖1盖置并通过螺栓固定于所述左 连接管91的外端，所述右端盖7盖置并通过螺栓固定于所述右连接管92的外端。所述导向桶2为两端开口的钢制圆管状构件，其轴线水平地设置于所述土箱9之 中，所述导向桶2同轴地与所述左连接管91的内端(伸入土箱9内的一端)通过螺栓固定 连接，即导向桶2的一端(左端)通过左连接管91与所述土箱9的左侧壁固定连接起来。 所述透明外桶4为两端开口的圆管状构件，其制造材料为有机玻璃，该透明外桶4的一端 (左端)与所述导向桶2的另一端(右端)通过螺栓固定相接，并且两者水平地同轴，该透 明外桶4的另一端(右端)与所述右连接管92的内端(伸入土箱9内的一端)通过螺栓 固定连接，并且与之同轴，即透明外桶4通过右连接管92与所述土箱9的右侧壁固定连接 起来。于是所述左连接管91、导向桶2、透明外桶4和右连接管92依次轴线水平地连接起 来，在土箱9中形成一横向的圆形通道，以模拟地下盾构掘进机的掘进路径。所述模拟管片5为透明的圆筒状构件，用以模拟隧道砌衬，其制造材料为有机玻 璃；该模拟管片5同轴地套置于所述透明外桶4的内腔中，模拟管片5的一端(右端)通过 螺栓与所述右端盖7固定连接，进而再通过右连接管92与所述土箱9的右侧壁固定连接。 所述摄像头6设置于该模拟管片5的内腔中，用以由内向外对同步注浆的试验过程进行拍 摄，该摄像头6的数量有多个，均与用以记录数据的检测电路相连接。再请参阅图2本发明 的结构局部放大图，所述土压传感器11设置于该模拟管片5的筒壁上，用以测量注浆压力 和浆液后期凝固过程中的压力，该土压传感器11的数量也有多个，均与用以记录数据的检 测电路相连接。所述模拟盾尾3为一端封闭的钢制圆筒状构件，用以模拟盾构掘进机的尾部，其 同轴地设置于所述导向桶2与模拟管片5之间；该模拟盾尾3的筒壁套置于模拟管片5的外周，并且能够沿导向桶2的内管壁和模拟管片5的外筒壁进行轴向滑移。请参阅图2，所 述模拟盾尾3的筒壁内设置有多个注浆孔31，该注浆孔31由模拟盾尾3筒壁的前端一直贯 通至该筒壁的后端，用于向模拟盾尾3后方的间隙注入浆液，该多个注浆孔31沿所述模拟 盾尾3筒壁的圆周截面均勻分布。所述模拟盾尾3与模拟管片5之间设置有密封圈32，用 以模拟真实盾构掘进机盾尾密封的效果。再请参阅图1，所述注浆泵10为螺杆计量泵，能够调节浆液的流量，其与所述多个 注浆孔31连通，用以同步注入浆液。所述推进液压缸8与模拟盾尾3同轴地设置于所述土箱9上，是模拟盾尾3推进 的动力，其能够带动模拟盾尾3在导向桶2之内及模拟管片5之外前后往复地运动。该推 进液压缸8的缸体横向穿置于所述左端盖1的中央，并且通过螺栓固定在左端盖1上，进而 通过左连接管91固定于所述土箱9的左侧壁上；该推进液压缸8缸杆的顶端通过螺栓固定 于模拟盾尾3的封闭端上，从而由液压系统驱动的推进液压缸8能够带动模拟盾尾3移动 以模拟盾构机的掘进运动。在使用本发明所述盾构掘进机同步注浆模拟试验平台进行试验之前，首先要检查 设备是否正常，并且将模拟盾尾3归回至初始位置，即推进液压缸8的缸杆应处于伸长状 态。本发明进行试验的过程可参阅图1，试验开始后推进液压缸8的缸杆以一定的速度回 缩，并带动模拟盾尾3实现推进，以此模拟地下盾构机的掘进，模拟盾尾3的推进速度可由 推进液压缸8调节；与此同时，注浆泵10以与模拟盾尾3推进速度相匹配的注浆速度通过 模拟盾尾3的注浆孔31向后侧的建筑间隙进行同步注浆，此时模拟管片5上的土压传感器 11能够测量出注浆压力，由于注浆泵10是螺杆计量泵，因此试验者可以通过注浆泵10调 节注浆流量，从而试验人员可以调节推进液压缸8和注浆泵10以实现对不同工况下盾构掘 进机同步注浆的模拟；在对盾构掘进机同步注浆过程模拟的同时，模拟管片5内的摄像头6 透过有机玻璃对同步注浆中浆液的流动过程进行拍摄；推进液压缸8缸杆完全缩回时，模 拟盾尾3推进结束试验完成。本发明所述盾构掘进机同步注浆模拟试验平台能够实现两种工况的同步注浆试 验当装上透明外桶4时，本发明能够实现在固定建筑间隙中的同步注浆模拟试验，当卸下 透明外桶4并在土箱9内充填试验土体时，本发明能够实现在土壤内的同步注浆模拟试验。通过本发明所进行的盾构掘进机同步注浆试验，技术人员能够观察和研究不同工 况下盾构机的同步注浆过程，以及研究推进速度、注浆流量、注浆压力等不同工艺参数对同 步注浆效果的影响，利用本发明进行模拟试验所得到的结果可以为盾构掘进机同步注浆技 术和机理的理论研究提供试验依据和数据参考。
权利要求
一种盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述模拟试验平台包括土箱、模拟管片、模拟盾尾、推进液压缸、导向桶、透明外桶、土压传感器、摄像头和注浆泵；所述土箱为方形箱体结构件，放置在地面以上，其内部能够充填试验土体；所述导向桶为圆管状构件，其轴线水平地设置于该土箱之中，该导向桶的一端与所述土箱的左侧壁固定连接；所述透明外桶为圆管状构件，其一端同轴地与所述导向桶的另一端固定相接，该透明外桶的另一端与所述土箱的右侧壁固定连接；所述模拟管片为透明的圆筒状构件，其同轴地套置于透明外桶之中，该模拟管片的一端与所述土箱的右侧壁固定连接，所述摄像头设置于模拟管片的内腔中，所述土压传感器设置于模拟管片的筒壁上；所述模拟盾尾为一端封闭的圆筒状构件，其同轴地设置于所述导向桶与模拟管片之间，该模拟盾尾的筒壁套置于模拟管片的外周，并且能够沿导向桶的内管壁和模拟管片的外筒壁进行轴向滑移，所述模拟盾尾的筒壁内设置有贯通该筒壁前后的注浆孔；所述注浆泵为螺杆计量泵，其与该注浆孔连通；所述推进液压缸与模拟盾尾同轴地设置于所述土箱上，其缸体固定于所述土箱的左侧壁上，其缸杆的顶端固定于模拟盾尾的封闭端上，该推进液压缸能够带动模拟盾尾往复运动。
2.如权利要求1所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述模拟试 验平台还包括左连接管、右连接管、左端盖和右端盖；所述左连接管和右连接管为短管状构 件，该左连接管和右连接管横向同轴地分别贯通和固定在所述土箱的左侧壁和右侧壁上； 所述左端盖固定盖置于该左连接管的外端，所述推进液压缸的缸体穿置且固定于该左端盖 上，所述导向桶同轴地与该左连接管的内端固定连接；所述右端盖固定盖置于该右连接管 的外端，所述模拟管片的一端与该右端盖固定连接，所述透明外桶同轴地与该右连接管的 内端固定连接。
3.如权利要求1或2所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述模 拟盾尾和模拟管片之间设置有密封圈。
4.如权利要求1或2所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述透 明外桶和模拟管片的制造材料为有机玻璃。
5.如权利要求1或2所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述土 压传感器的数量和摄像头的数量均为多个。
6.如权利要求1或2所述的盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于所述注 浆孔的数量为多个，其沿所述模拟盾尾筒壁的圆周均勻分布。
全文摘要
一种盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，包括土箱、模拟管片、模拟盾尾、推进液压缸、导向桶、透明外桶、土压传感器、摄像头和注浆泵；导向桶轴线水平地固接于土箱的左侧壁上，透明外桶一端同轴地与导向桶固接，另一端与土箱的右侧壁固接，透明的模拟管片同轴地套置于透明外桶中且与土箱的右侧壁固接，摄像头设于模拟管片的内腔中，土压传感器设于模拟管片的筒壁上，模拟盾尾同轴地套置于模拟管片的外周且能够沿导向桶的内管壁和模拟管片的外筒壁进行轴向滑移，其筒壁内设置有注浆孔，该注浆孔与注浆泵连通，推进液压缸能够带动模拟盾尾往复运动。本发明能够动态地模拟且直接观察不同工况下盾构掘进机同步注浆的全过程，为盾构掘进机同步注浆技术的试验和理论研究提供了条件。
文档编号E21D11/10GK101881173SQ201010134780
公开日2010年11月10日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者严晓华, 吕建中, 吴兆宇, 庄欠伟, 戴志仁, 朱敏明, 李毕华, 滕丽, 陆晓华 申请人:上海盾构设计试验研究中心有限公司;上海城建(集团)公司