可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用

1.本发明涉及盾构隧道技术领域，特别涉及一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用。


背景技术：

2.随着道路交通的快速发展，隧道建设迎来了高峰期。盾构法以其地质条件适应性强、施工速度快、受环境影响小等优点成为目前隧道掘进工程中最主要的施工方法。盾构隧道施工时，挖去土方的同时，通过管片拼装，形成隧道外壁。由于挖去土方的容重相比拼装后管片在该空间内的平均容重要大得多，成型后的隧道必然会受到一定的浮力作用。此外，盾构隧道施工时，由于盾壳直径比管片直径大，脱离盾尾的管片与地层间会形成盾尾空隙，该空隙会导致地层产生位移。采用壁后注浆可以有效地填充盾尾空隙。当管片脱出盾尾后，同步注浆的浆液达到初凝和早期强度需要一定的时间，因此，隧道管片在浮力的作用下会产生上浮现象。
3.现阶段针对盾构隧道管片上浮现象，学者们从理论分析、数值模拟、物理试验角度进行了深入研究。从模型尺寸角度，该类型隧道一般尺寸很大(直径可达到15～16m)，埋深可达到百米，赋存环境水压极大，导致很难进行真实尺度的仿真模拟，一般考虑缩尺试验。然而，现有的盾构隧道缩尺试验对隧道模型端部与箱体之间的连接形式没有深入分析，或采用固接，或不做处理，仅分析隧道模型中间部分的上浮情况，其结果存在一定误差。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用，旨在解决现有技术中模拟盾构隧道管片上浮现象结果存在误差的问题。
5.为实现上述目的，本发明提出的一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，包括：
6.箱体，内部形成有模拟腔，所述模拟腔具有沿竖直向延伸的安装侧壁，且所述模拟腔的顶部腔壁设置为可上下活动的活动件，以使得所述模拟腔的容积可调节；以及，
7.隧道模型，沿水平向延伸，所述隧道模型包括待开挖管段及连接在所述待开挖管段端部的成型管段，所述成型管段远离所述待开挖管段的一端与所述安装侧壁之间设有滑轨结构，所述隧道模型通过所述滑轨结构沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁。
8.可选地，所述滑轨结构包括外滑轨、内滑座及滚珠保持架，所述外滑轨固定在所述安装侧壁，所述外滑轨沿竖直向延伸，所述内滑座固定在所述成型管段背离所述待开挖管段的一端，所述内滑座滑动安装于所述外滑轨，以使所述隧道模型沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁，所述滚珠保持架设于所述外滑轨和所述内滑座之间，所述滚珠保持架具有靠近所述外滑轨的第一壁和靠近所述内滑座的第二壁，所述滚珠保持架的第一壁和第二壁分别安装有第一滚珠和第二滚珠，所述第一滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述内滑座滚动接触，所述第二滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述外滑
轨滚动接触。
9.可选地，所述安装侧壁上设有沿上下向延伸的凹槽，所述滑轨结构容设于所述凹槽内。
10.可选地，所述模拟腔的上侧形成安装口，所述安装口内活动安装有推板，所述推板构成所述活动件。
11.可选地，所述隧道模型包括沿水平方向依次接合的多个管片环。
12.可选地，各所述管片环的材质为铝合金材料；和/或，
13.相邻两个所述管片环相互拼接设置，且各所述管片环的中部的厚度大于其两端的厚度。
14.可选地，还包括：
15.外水囊体，套设在所述待开挖管段外；
16.内水囊体，填充在所述待开挖管段内；以及，
17.抽水装置，所述抽水装置用以抽出所述外水囊体和所述内水囊体中的水。
18.可选地，所述待开挖管段包括沿水平方向依次接合的多个前管片环；
19.所述外水囊体设有多个，多个所述外水囊体与多个所述前管片环一一对应；
20.所述内水囊体设有多个，多个所述内水囊体与多个所述前管片环一一对应。
21.可选地，还包括注浆装置，所述注浆装置用以向所述待开挖管段的外侧注浆；和/或，
22.还包括监测系统，所述监测系统包括应变计、压力计、位移计及孔压计，所述应变计用于检测所述隧道模型的内力，所述压力计用于检测所述隧道模型受到的注浆压力，所述位移计用于检测所述隧道模型的位移，所述孔压计用于检测所述隧道模型周围的孔隙水压力。
23.本发明还提出一种盾构隧道开挖同步注浆试验方法，包括以下步骤：
24.制备土样，再向模拟腔内填入所述土样，以形成土体层；
25.向所述土体层注满水，再通过推板对所述土体层施加载荷，以模拟高水压环境；
26.通过抽水装置抽出外水囊体和内水囊体中的水，同时通过注浆装置向待开挖管段的外侧注浆，以分别模拟开挖和同步注浆过程；
27.通过piv技术获取注浆时的浆液扩散情况，并通过应变计检测隧道模型的内力，通过压力计检测所述隧道模型受到的注浆压力，通过位移计检测所述隧道模型的位移，通过孔压计检测所述隧道模型周围的孔隙水压力。
28.本发明的技术方案中，通过在成型管段远离待开挖管段的一端与安装侧壁之间设置滑轨结构，使得隧道模型在安装侧壁上可沿竖直向滑动，进而在本装置使用过程中隧道模型能够发生竖直向上滑动，以模拟实际的盾构隧道在一定长度范围内存在的持续上浮现象，并实现对隧道模型边界处位移的自由度控制，避免因模型尺寸限制，导致隧道模型的靠近安装侧壁的末端受到过度约束或欠约束，影响隧道模型竖向位移的测定，从而消除设备的试验误差；此外，相对于以往研究中采用的将隧道模型的末端或两端直接固定在箱体上，本装置可以实现在有限长度的隧道模型模拟过程中，避免由于隧道模型的末端过度约束引起的上浮量和内力测定不准确，或隧道模型的两端固定约束无法测定隧道模型上浮的情况；本装置使用过程中会在模拟腔内填入注满水的土样，而通过可上下活动的活动件的设
置，活动件向下活动以对土样加压，从而模拟高水压大埋深环境。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1为本发明提供的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的一实施例的结构示意图；
31.图2为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的滑轨结构的结构示意图；
32.图3为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的抽水装置和注浆装置的布置示意图；
33.图4为图3中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的隧道模型处的截面示意图；
34.图5为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的监测系统的布置示意图；
35.图6为图5中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的隧道模型处的截面示意图。
36.附图标号说明：
37.[0038][0039]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0042]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0043]
盾构隧道存在管片上浮现象，并且，当隧道长期处于高水压环境时，更易对注浆浆液产生稀释，造成浆液固结后强度不足，进而引发上浮及错台现象，同时还会降低浆液的抗渗能力，加剧渗漏的风险和危害。
[0044]
然而，针对盾构隧道存在的管片上浮现象，现有的盾构隧道缩尺试验对隧道模型端部与箱体之间的连接形式没有深入分析，或采用固接，或不做处理，仅分析隧道模型中间部分的上浮情况，其结果存在一定误差。从物理试验角度针对高水压环境下同步注浆引起的隧道上浮现象鲜有研究。从高水压环境模拟角度，鲜有综合考虑一般工况和高水压环境的模型试验设计。从隧道开挖及同步注浆施工模拟角度，当前缩尺试验模型较多关注土体开挖过程，由于模型尺寸较小，同步注浆工艺复杂，鲜有模拟同步注浆过程。
[0045]
鉴于此，本发明提供一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，请参照图1至图6，图1至图6为本发明提供的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的实施例。
[0046]
如图1至图6所示，所述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100包括箱体1以及隧道模型2，所述箱体1内部形成有模拟腔11，所述模拟腔11具有沿竖直向延伸的安装侧壁12，且所述模拟腔11的顶部腔壁设置为可上下活动的活动件，以使得所述模拟腔11的容积可调节，所述隧道模型2沿水平向延伸，所述隧道模型2包括待开挖管段21及连接在所述待开挖管段21端部的成型管段22，所述成型管段22远离所述待开挖管段21的一端与所述安装侧壁12之间设有滑轨结构3，所述隧道模型2通过所述滑轨结构3沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁12。
[0047]
本发明的技术方案中，通过在成型管段22远离待开挖管段21的一端与安装侧壁12之间设置滑轨结构3，使得隧道模型2在安装侧壁12上可沿竖直向滑动，进而在本装置使用过程中隧道模型2能够发生竖直向上滑动，以模拟实际的盾构隧道在一定长度范围内存在的持续上浮现象，并实现对隧道模型2边界处位移的自由度控制，避免因模型尺寸限制，导致隧道模型2的靠近安装侧壁12的末端受到过度约束或欠约束，影响隧道模型2竖向位移的测定，从而消除设备的试验误差；此外，相对于以往研究中采用的将隧道模型2的末端或两端直接固定在箱体1上，本装置可以实现在有限长度的隧道模型2模拟过程中，避免由于隧道模型2的末端约束引起的上浮量和内力测定不准确，或隧道模型2的两端固定约束无法测定隧道模型2上浮的情况；本装置使用过程中会在模拟腔11内填入注满水的土样，而通过可上下活动的活动件的设置，活动件向下活动以对土样加压，从而模拟高水压环境。
[0048]
进一步地，所述滑轨结构3包括外滑轨31、内滑座32及滚珠保持架33，所述外滑轨31固定在所述安装侧壁12，所述外滑轨31沿竖直向延伸，所述内滑座32固定在所述成型管段22背离所述待开挖管段21的一端，所述内滑座32滑动安装于所述外滑轨31，以使所述隧道模型2沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁12，所述滚珠保持架33设于所述外滑轨31和所述内滑座32之间，所述滚珠保持架33具有靠近所述外滑轨31的第一壁(附图未示出)和靠近所述内滑座32的第二壁(附图未示出)，所述滚珠保持架33的第一壁和第二壁分别安装有第一滚珠34和第二滚珠35，所述第一滚珠34用以在所述内滑座32沿所述外滑轨31滑动时与所述内滑座32滚动接触，所述第二滚珠35用以在所述内滑座32沿所述外滑轨31滑动时与所述外滑轨31滚动接触。如此，以滚珠的滚动实现内滑座32在外滑轨31上的滑动安装，从而实现隧道模型2在安装侧壁12上的滑动安装，本方案采用滚动接触代替一般滑轨结构3的滑动接触，摩擦更小，更有利于隧道模型2在竖直向上的滑动，更好地模拟实际的盾构隧道的上浮现象，进一步提高隧道模型2竖向位移的测定精度。需要说明的是，本发明实施例中，外滑轨31通过螺钉36固定在安装侧壁12，内滑座32通过螺钉36固定在成型管段22背离待开挖管段21的一端。当然，采用其他固定方式也可以，比如焊接，本发明对此不做限制。
[0049]
此外，所述安装侧壁12上设有沿上下向延伸的凹槽(附图未示出)，所述滑轨结构3容设于所述凹槽内。通过将滑轨结构3完全容设于凹槽内，可有效防止模拟腔11内的土样侵入滑轨结构3，导致隧道模型2竖向自由度受限，影响隧道模型2的上浮模拟效果。
[0050]
进一步地，所述模拟腔11的上侧形成安装口，所述安装口内活动安装有推板13，所述推板13构成所述活动件。如此，以推板13对土样加压，施加载荷更有效，更均匀，对高水压
环境的模拟效果更好。需要说明的是，推板13还连接有气缸，气缸驱动推板13活动。
[0051]
实际的盾构隧道是由依次连接的多个盾构管片构成，为了更好地模拟盾构隧道结构，本发明中，所述隧道模型2包括沿水平方向依次接合的多个管片环(附图未示出)。其中，各所述管片环的材质为铝合金材料，铝合金材料的管片环加工性能好，便于各管片环之间的接合。相邻两个所述管片环相互拼接设置，且各所述管片环的中部的厚度大于其两端的厚度，由于真实的盾构管片之间通过螺栓连接，而缩尺模型不适合进行管片环间螺栓连接，根据等效刚度的原理，通过降低管片环在接缝附近的厚度(即管片环的中部的厚度大于其两端的厚度)，实现对管片环间螺栓连接的模拟，更好地反映了真实盾构隧道中各盾构管片间的接缝处的刚度弱化现象。
[0052]
进一步地，所述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100还包括外水囊体41、内水囊体42以及抽水装置43，所述外水囊体41套设在所述待开挖管段21外，所述内水囊体42填充在所述待开挖管段21内，所述抽水装置43用以抽出所述外水囊体41和所述内水囊体42中的水。通过对内水囊体42抽水模拟盾构隧道内部土体的开挖，通过对外水囊体41抽水模拟隧道开挖引起的盾构管片外侧土体损失(超挖)。需要说明的是，抽水装置43还连接有伺服电机，以控制抽水速率。外水囊体41和内水囊体42与抽水装置43之间连接有抽水管44，抽水管44设置可遥控控制的阀门6，抽水装置43通过抽水管44对外水囊体41和内水囊体42抽水。
[0053]
为了更好还原实际盾构隧道的情况，所述待开挖管段21包括沿水平方向依次接合的多个前管片环211；所述外水囊体41设有多个，多个所述外水囊体41与多个所述前管片环211一一对应；所述内水囊体42设有多个，多个所述内水囊体42与多个所述前管片环211一一对应。前管片环211为管片环中属于待开挖管段21的部分，本发明不限制所述外水囊体41、所述内水囊体42以及前管片环211的数量，在本发明实施例中，前管片环211为五个，且每一前管片环211的外侧套设有一个外水囊体41，内部填充有一个内水囊体42。
[0054]
所述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100还包括注浆装置51，所述注浆装置51用以向所述待开挖管段21的外侧注浆。通过注浆系统向待开挖管段21的外侧注浆，从而模拟同步注浆时的浆液充填过程。需要说明的是，注浆系统还连接有液缸，以控制注浆速率。
[0055]
所述待开挖管段21的各前管片环211之间连接处设有注浆孔52(注浆孔52沿隧道模型2周向的设置位置如图4所示)，所述注浆孔52和所述注浆系统之间连接有注浆管53，注浆管53设置可遥控控制的阀门6，注浆系统通过注浆管53向注浆孔52注浆，从而实现对待开挖管段21的外侧注浆。
[0056]
所述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100还包括监测系统，所述监测系统包括应变计71、压力计72、位移计73及孔压计74，所述应变计71用于检测所述隧道模型2的内力，所述压力计72用于检测所述隧道模型2受到的注浆压力，所述位移计73用于检测所述隧道模型2的位移，所述孔压计74用于检测所述隧道模型2周围的孔隙水压力。从而实时分析注浆过程中，隧道模型2及周围土体应变位移响应。
[0057]
本发明还提出一种盾构隧道开挖同步注浆试验方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤s10、制备土样，再向模拟腔11内填入所述土样，以形成土体层8。其中，土样制备原理如下：根据相应工程资料确定隧道轴线穿越地层的土体参数，参照缩尺试验的比例
确定试验土体参数并进行配置，弹模相似比(ce)＝50，重度相似比(c
γ
)＝1，应力相似比(c
σ
)＝50，(强度相似比对于盾构隧道上浮这一近似弹性问题，可不严格遵循相似比要求)进行配置，其中，弹模相似比从(100/c
σ
)kpa增加到(200/c
σ
)kpa(即2kpa到4kpa)时对应的压缩模量进行换算。
[0059]
需要说明的是，本发明实施例中，填入所述土样的过程与所述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100的组装过程同时进行，先在箱体1内填入部分土样然后安装隧道模型2，接着继续填入剩余土样。
[0060]
步骤s20、向所述土体层8注满水，再通过推板13对所述土体层8施加载荷，以模拟高水压环境。
[0061]
步骤s30、通过抽水装置43抽出外水囊体41和内水囊体42中的水，同时通过注浆装置51向待开挖管段21的外侧注浆，以分别模拟开挖和同步注浆过程。其中，抽水速率关联隧道掘进速率，由伺服电机控制，注浆速率依据注浆量确定，由液缸控制，抽水完成后停止注浆，开挖及同步注浆过程结束。具体注浆参数参照表1。每步掘进之间的时间间隔(停推时间)与实际工程一致。
[0062]
表1注浆参数
[0063][0064]
需要说明的是，抽水结束后，停止注浆，但注浆系统继续工作，维持注浆压力稳定，以保证后续步骤s40中检测效果。
[0065]
步骤s40、通过piv技术获取注浆时的浆液扩散情况，并通过应变计71检测隧道模型2的内力，通过压力计72检测所述隧道模型2受到的注浆压力，通过位移计73检测所述隧道模型2的位移，通过孔压计74检测所述隧道模型2周围的孔隙水压力。具体地，piv技术的实现通过如下方式：在浆液中加入指示剂，在注浆管53片环位置通过激光拍照连接piv图像处理设备。
[0066]
本发明提供的盾构隧道开挖同步注浆试验方法，采用了上述的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100，因此具备上述可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备100所带来的全部技术效果。并且，通过piv图像处理技术，能实现对同步注浆过程浆液扩散的实时监测，结合盾构隧道监测系统结果，可实现对盾构隧道上浮现象的流固耦合分析，从而提高试验的准确性。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。