一种多功能盾构同步注浆模型试验装置的制作方法

本发明涉及盾构同步注浆模型试验平台，尤其涉及一种多功能盾构同步注浆模型试验装置。

背景技术：

随着城市化的快速推进，城市的交通建设和建筑物的密集之间矛盾逐渐凸显，为解决这一矛盾，越来越多的城市将目光投向地下空间的开发，其中地下隧道逐渐被各大城市充分利用，在众多隧道施工法中，盾构法经过一百多年的发展逐渐成为地下工程的主流的施工工法，相对于传统的盾构施工方法，盾构法有其独特的施工优点，其中主要优点有不影响地面交通及居民生活，且盾构的推进、管片的安装以及壁后注浆等流程大幅度提升了隧道施工的效率同时节省了大量人力。

国内外对隧道施工的理论方法主要为经验法、解析解方法以及试验法，其中试验法包括工程尺度和室内尺度，由于工程尺度的成本要求较高而且不能重复使用，因此室内尺度的研究备受关注和使用，其中缩尺试验具有一定的可重复性，成本较现场试验低廉，而且能够根据所研究的问题添加多种现场试验无法实现的条件，其中同步注浆是整个盾构隧道施工最关键的环节之一，目前对隧道施工同步注浆模型试验的专利所研究的问题都比较单一，基本都是在不同注浆环境下对周围土的扰动影响以及管片受压分析，并没有系统的、全面的模拟整个隧道开挖过程中所存在的一系列可变因素。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种多功能盾构同步注浆模型试验装置，可以模拟注浆过程并监测注浆过程。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能盾构同步注浆模型试验装置，包括透明土箱，水平插入透明土箱内的模拟盾尾，插入模拟盾尾内的模拟管片，填充在透明土箱内的透明土，带有多条注浆管路的注浆系统，套在模拟管片上的注浆环片，带有推进杆的推进系统，多个摄像机；模拟管片呈透明状，模拟管片固定安装，模拟管片的两端与透明土箱的内壁相接触或者露出透明土箱外，模拟盾尾的一端露出透明土箱外，模拟盾尾和模拟管片之间留有环形空间，注浆环片位于环形空间内，注浆环片上设有多个沿着圆周方向分布的注浆孔，注浆管路穿过环形空间并连接在注浆孔上，相邻两个注浆孔喷出的浆液的颜色互不相同，模拟盾尾与推进杆固定连接，多个摄像机沿着圆周方向设置在推进杆上。

进一步的是：模拟盾尾呈圆筒形，模拟盾尾的内壁固设有多组滚珠，多组滚珠沿着模拟盾尾的轴线方向依次分布，每一组滚珠中的多个滚珠沿着圆周方向分布。

进一步的是：空间内设有盾尾刷和遇水膨胀橡胶圈，遇水膨胀橡胶圈固定在注浆环片上，遇水膨胀橡胶圈密封住模拟盾尾、注浆环片、模拟管片之间的缝隙，盾尾刷和遇水膨胀橡胶圈沿着模拟盾尾的移动方向依次设置。

进一步的是：摄像机为高清广角摄像机，多个摄像机分成多组，多组摄像机沿着推进杆的轴线方向依次分布，每一组摄像机中的所有摄像机沿着圆周方向分布，相邻摄像机之间的夹角为120°，模拟管片采用透明环氧树脂材料，且模拟管片外表面通过均匀网格进行划分。

进一步的是：推进系统包括推进液压缸，推进杆包括相对移动式连接在一起的固定杆和移动杆，推进液压缸的输出端连接在移动杆上，模拟盾尾端部的内壁通过多根杆体和移动杆固定连接，固定杆位于模拟管片的内部。

进一步的是：注浆系统有多个，每个注浆系统均包括注浆桶、连接在注浆桶上的高精度螺杆泵、设置在高精度螺杆泵上的控制阀门；高精度螺杆泵通过多通流量阀与多条注浆管路连接，每个注浆系统的注浆桶所装有的浆液的颜色互不相同。

进一步的是：模型试验装置还包括水箱和导水管，导水管的一端连接在水箱上，导水管的一端插入透明土内。

进一步的是：模型试验装置还包括至少一个激光器和至少一个高精度摄影机，激光器和高精度摄影机布置在透明土箱的周围，透明土内填有示踪粒子，且示踪粒子为硅灰石颗粒。

进一步的是：透明土内设有多个埋设点，多个埋设点沿着圆周方向均匀分布，每个埋设点上设有孔隙水压力传感器和土压力传感器。

进一步的是：模型试验装置还包括支架和位移传感器，位移传感器固定在支架上，位移传感器贴着透明土的上表面；模拟管片上设有注浆压力传感器，注浆压力传感器固定在模拟管片的内壁上，注浆压力传感器的外表面与模拟管片的外表面平齐。

总的说来，本发明具有如下优点：

本模型试验装置可以模拟注浆过程并监测注浆过程。滚珠可以实现模拟盾尾和模拟管片之间的滚动滑动，且可以形成环形空间。盾尾刷和遇水膨胀橡胶圈也是防止浆液进入盾尾的内部空间，避免浆液对盾尾造成影响。可模拟不同注浆孔数量和分布形式的盾构注浆施工过程并记录和监测。推进系统通过推进杆可以实现模拟盾尾拔出透明土箱外，而模拟管片则固定不动。可通过向水箱中加入不同体积的水所形成的水头差来模拟地下水定向渗流作用对同步注浆浆液扩散的影响。示踪粒子可在激光器的照射下成像并通过高精度摄影机进行快速拍摄，最后通过计算机处理得到相关矢量场，可研究内部土体的力学响应。本发明不仅可以研究隧道开挖过程中内部土体和地表面的行为特征，而且更加真实的模拟了地下水定向渗流对同步注浆浆液扩散和渗透的影响，同时在透明模拟管片上进行网格划分用来精确定量记录分析浆液的扩散过程，更加全面、系统的记录隧道同步注浆过程。同时，本发明可以模拟不同注浆孔数量和分布形式的盾构同步注浆工况。

附图说明

图1为本模型试验装置的结构示意图。

图2为图1中本模型试验装置的侧面图。

图3为图1中注浆系统和注浆环片的结构示意图。

图4为图1中模拟管片划分网格后的示意图。

图5为图1中透明土中水土压力传感器监测点布置图。

图6为图1中模拟盾尾和模拟管片形成的空隙处放大图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

透明土箱1；水箱2；导水管3；模拟管片4；固定杆5；推进杆6；注浆环片7；模拟盾尾8；推进液压缸9；注浆桶10；高精度螺杆泵11；注浆管路12注浆管路；高清广角摄像机13；位移传感器14；移动杆15；注浆压力传感器16；孔隙水压力传感器17；土压力传感器18；激光器19；高精度摄影机20；计算机21；有机透明玻璃板22；三通流量阀23；控制阀门24；透明土25；滚珠26；盾尾刷27；遇水膨胀橡胶圈28。

结合图1、图2所示，一种多功能盾构同步注浆模型试验装置，包括透明土箱，水平插入透明土箱内的模拟盾尾，插入模拟盾尾内的模拟管片，填充在透明土箱内的透明土，带有多条注浆管路的注浆系统，套在模拟管片上的注浆环片，带有推进杆的推进系统，多个摄像机，计算机，支架。透明土可以利用溴化钙溶液和一定级配的熔融石英砂制得，从而得到透明土试样，并通过相关土工试验进行标定，透明土与真实土体性质相似。透明土箱是由有机透明玻璃板围成的，往透明土箱内装填透明土，使透明土填满透明土箱，透明土包围着模拟盾尾，而模拟管片内则没有透明土。模拟管片和模拟盾尾呈透明状，模拟盾尾也可以是不透明的，模拟管片固定安装，模拟盾尾是水平插入透明土箱内的，模拟管片则水平插入模拟盾尾内，模拟盾尾和模拟管片是同轴设置的，从轴线方向上看，最里面的是模拟管片，然后是注浆环片，再是模拟盾尾。模拟管片的两端与透明土箱的内壁相接触或者露出透明土箱外，即模拟管片的长度合适可使得模拟管片的两端与透明土箱的内壁相接触，模拟管片的长度也可以再长一些，使得模拟管片的两端露出在透明土箱的外部。模拟盾尾至少要有一端露出透明土箱外。由于模拟管片和模拟盾尾是中空的，所以模拟管片的两端可以固定在支架上。模拟盾尾和模拟管片之间留有环形空间，注浆环片位于环形空间内，注浆环片上设有多个沿着圆周方向分布的注浆孔，注浆管路穿过环形空间并连接在注浆孔上，即每条注浆管路都是进入环形空间，然后直接连接在注浆孔上的，一条注浆管路连接在一个注浆孔上。相邻两个注浆孔喷出的浆液的颜色互不相同，即从相邻两个注浆孔出来的浆液的颜色是不同的，但是不相邻的注浆孔出来的浆液的颜色可以是相同的。模拟盾尾与推进杆固定连接，多个摄像机沿着圆周方向设置在推进杆上。选取不同数量的注浆孔和注浆孔的位置即可以对注浆孔数量和分布进行快速切换。注浆环片上的所有注浆孔可分为若干种类型的注浆孔，每一种类型的注浆孔都沿着圆周方向均匀分布，同种类型的注浆孔中，相邻两个注浆孔喷出的浆液的颜色也互不相同，例如分成两种类型的注浆孔，第一种类型的注浆孔沿着圆周方向均匀分布，第一种类型的注浆孔中，相邻两个注浆孔喷出的浆液的颜色也互不相同，第二种类型的注浆孔沿着圆周方向均匀分布，第二种类型的注浆孔中，相邻两个注浆孔喷出的浆液的颜色也互不相同。当需要使用某种类型的注浆孔时，所有的注浆管路都是连接在同种类型的注浆孔上的，其余类型的注浆孔则密封处理。这样，可以通过旋转注浆孔环片转换注浆孔的数量和位置，用以模拟不同注浆孔数量和分布形式的盾构注浆施工，当盾尾在软硬不均的地层中发生相对转动时，可通过高清广角摄像机监测不同注浆孔在发生位置改变后的浆液填充形式。

结合图1、图6所示，模拟盾尾和模拟管片都呈薄圆筒形，模拟盾尾的内壁固设有多组滚珠，这些滚珠固定在模拟盾尾的内壁上，随盾尾的移动而移动，多组滚珠沿着模拟盾尾的轴线方向依次等距分布，每一组滚珠中的多个滚珠沿着圆周方向均匀分布。滚珠可以实现模拟盾尾和模拟管片之间的滚动滑动，且可以将模拟盾尾和模拟管片分隔开，形成环形空间。如图4所示，模拟管片采用透明环氧树脂材料，且模拟管片外表面通过均匀网格进行划分(网格尺寸可取5-10mm)用于精确定量记录分析浆液的扩散和填充过程。

结合图1、图6所示，注浆环片是环形的，注浆环片的内壁和模拟管片相接触，注浆环片的外壁和模拟盾尾相接触。环形空间内设有盾尾刷和遇水膨胀橡胶圈，遇水膨胀橡胶圈固定在注浆环片上，遇水膨胀橡胶圈密封住模拟盾尾、注浆环片、模拟管片之间的缝隙，盾尾刷和遇水膨胀橡胶圈沿着模拟盾尾的移动方向依次设置。盾尾刷可以将刷浆液，防止浆液进入盾尾的内部空间，而遇水膨胀橡胶圈也是防止浆液进入盾尾的内部空间，避免浆液对盾尾造成影响。

结合图1、图6所示，摄像机为高清广角摄像机，多个摄像机分成多组，多组摄像机沿着推进杆的轴线方向依次等距分布，每一组摄像机中的所有摄像机沿着圆周方向均匀分布。若每组摄像机中只有三个摄像机，则相邻摄像机之间的夹角为120°。高清广角摄像机可以记录监测浆液从注浆孔出来之后的浆液流动过程，每个注浆孔出来之后的浆液的流动过程都可以记录并监测，即可模拟不同注浆孔数量和分布形式的盾构注浆施工过程，注浆环片转动一个角度时，注浆孔的角度位置就发生变化，当模拟盾尾在软硬不均的地层中发生相对转动时，可通过高清广角摄像机监测不同注浆孔在发生位置改变后的浆液填充形式，还可通过高清广角摄像机监测不同注浆孔的浆液填充形式。高清广角摄像机可将记录的图像数据传输至计算机上。

现有技术中，推进系统有多种形式，本发明所使用的推进系统为推进液压缸。现有技术的推进杆包括相对移动式连接在一起的固定杆和移动杆，即推进杆有两段，一段是固定杆，一段是移动杆，固定杆和移动杆是可以在轴向方向相对移动的。推进液压缸的输出端连接在移动杆上，模拟盾尾端部(图1中的左端)的内壁通过多根杆体和移动杆固定连接，模拟盾尾的左端部露出透明土箱的长度要长于模拟管片左端部露出透明土箱的长度，固定杆位于模拟管片的内部，模拟管片内部的都是固定杆，模拟管片外部的都是移动杆。推进系统通过推进杆可以实现模拟盾尾拔出(向左移动)透明土箱外，而模拟管片则固定不动。

结合图1、图3所示，现有技术中有多种形式的注浆系统，本发明中注浆系统有多个，每个注浆系统均包括注浆桶、连接在注浆桶上的高精度螺杆泵、设置在高精度螺杆泵上的控制阀门；高精度螺杆泵通过多通流量阀与多条注浆管路连接，一个注浆系统有两条注浆管路时，多通流量阀为三通流量阀，该两条注浆管路所流动的浆液的颜色是一样的，因此这两条注浆管路要连接在不相邻的注浆孔上，使得每个注浆系统的注浆桶所装有的浆液的颜色互不相同，注浆桶的颜料可以选择氧化铁(红棕色)、氧化亚铁(黑色)以及纯浆液(无色)。这样便于区分和研究不同注浆孔的浆液填充形式，因为通过浆液的颜色和大致位置可以确定该浆液是由哪个注浆孔流出来的，这样就可以记录和监测该注浆孔的浆液填充形式。

模型试验装置还包括水箱和导水管，导水管的一端连接在水箱上，导水管的一端插入透明土内。可通过向水箱中加入不同体积的水所形成的水头差来模拟地下水定向渗流作用对同步注浆浆液扩散的影响。

模型试验装置还包括至少一个激光器和至少一个高精度摄影机，激光器和高精度摄影机布置在透明土箱的周围，透明土内填有示踪粒子。示踪粒子选用硅灰石颗粒，并布置在透明土中，该示踪粒子可在激光器的照射下成像并通过高精度摄影机进行快速拍摄，最后通过计算机处理得到相关矢量场，可研究内部土体的力学响应。

结合图1、图5所示，透明土内设有多个埋设点，多个埋设点沿着圆周方向均匀分布，每个埋设点上设有孔隙水压力传感器和土压力传感器。孔隙水压力传感器和土压力传感器均和计算机信号连接，使用孔隙水压力传感器和土压力传感器，并通过计算机可监测开挖过程中透明土中的孔隙水压力和土压力值。

结合图1所示，模型试验装置还包括位移传感器，位移传感器和计算机信号连接，位移传感器固定在支架上，位移传感器贴着透明土的上表面；位移传感器通过支架设置在透明土表面，用于监测盾构掘进过程中的地表沉降量，且相邻横向位移传感器间距为300mm，相邻纵向位移传感器间距为150mm。

结合图1、图6所示，模拟管片上设有注浆压力传感器，注浆压力传感器和计算机信号连接，注浆压力传感器固定在模拟管片的内壁上，注浆压力传感器的外表面与模拟管片的外表面平齐。注浆压力传感器可实时监测模拟管片外表面的注浆压力值，从而可以控制模拟管片内力分布以防出现应力集中现象。

本模型试验装置的工作原理介绍如下：推进系统通过推进杆使模拟盾尾拔出(向左移动)透明土箱外，而模拟管片则固定不动，在模拟盾尾拔出透明土箱的过程中，注浆系统通过注浆管路向环形空间内注浆。然后各个传感器和摄像机进行相应的数据监测。模拟盾尾移动的过程中，注浆环片也跟随着移动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。