泥水盾构同步注浆、壁后注浆两用模拟试验装置及方法

本发明属于隧道工程，涉及土木工程试验测试技术研究领域，具体是泥水盾构同步注浆、壁后注浆两用模拟试验装置及同步注浆试验方法、同步注浆和壁后注浆试验方法、壁后注浆试验方法。

背景技术：

1、试验方法是在地下隧道工程领域非常重要的研究手段，目前一些企业、科研机构和高等院校已建立相应模拟实验平台进行盾构盾尾同步注浆模拟实验。

2、盾构机盾壳的外径与管片外径之间存在一定的差值，当盾构掘进时，盾体向掘进方向前进，就在土体与管片之间留下了空隙；为了有效控制周围土体变形和地表沉降，同时为了保护管片和传递荷载，需要对空隙进行注浆充填，浆液从盾尾处注浆管按照预定压力和注浆量随着盾体前进同步充填；管片上也留有注浆孔，通过管片注浆对隧道围岩进行加固，提高围岩承载能力。

3、现有技术中尚未有模拟同步注浆与管片壁后注浆的实验装置，对于盾构壁后注浆装置相关专利，例如申请号201310143410.7的发明专利《无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台》，该专利所述装置包括大型下沉式综合试验台、模拟管片、模拟盾尾、连接法兰、横梁、圆形洞门、液压缸、注浆泵、土压力盒和地表位移计，该装置能够模拟不同工况下盾构推进时同步注浆的全过程。

4、上述现有注浆模拟装置存在如下不足：

5、1.现有装置多为相似模型试验装置，要获取与工程实践接近的试验环境需要较大的集合相似常数，对模型尺寸要求较高，模型所需空间和制造成本大增；减小几何相似常数往往导致无法使用实际地层材料和注浆浆液，以及使盾尾间隙、注浆压力和流量减小而与现实情况存在差距；故现有实验装置不能在相似模拟效果、成本和空间尺寸之间取得平衡；

6、2.目前缺少兼顾同步注浆和壁后两种工艺的注浆模拟实验装置。

技术实现思路

1、本发明基于现有技术中存在的问题，提出了泥水盾构同步注浆、壁后注浆两用模拟试验装置及试验方法，可以模拟盾构不同掘进速度、不同注浆流量以及不同地面荷载下的盾构同步注浆和壁后两种注浆模式，可实时测量并记录实验过程中产生土压力、孔隙水压力以及注浆流量数据，通过进一步的分析可得到掘进速度-注浆压力-土压力-孔隙水压力关系，试验结束待浆液凝结后取出注浆体可观察浆液在土体内的扩展情况，最终对盾构壁后注浆相关的参数调控起一定的指导作用。

2、本发明的技术方案如下：泥水盾构同步注浆、壁后注浆两用模拟试验装置，包括：

3、用于模拟盾构环境的试验箱，所述试验箱内设置有叠放的模拟衬砌和模拟盾壳，所述模拟盾壳的上方设置有模拟土体的压实的试验土层；

4、用于牵引模拟盾壳在模拟衬砌上滑动并在模拟盾壳的尾部模拟出盾尾间隙的牵引系统；

5、用于为试验箱内模拟出的盾尾间隙注浆的注浆系统；

6、以及

7、用于获取模拟泥水盾构同步注浆和/或壁后注浆相关参数的测量系统。

8、在上述方案的基础上，所述模拟盾壳设置在模拟衬砌的上部；所述模拟盾壳内设置有用于向盾尾间隙注浆的同步注浆孔；所述模拟衬砌上设置有上下贯通的用于进行壁后注浆的壁后注浆孔。

9、在上述方案的基础上，所述试验土层内设置有若干个土压力传感器和若干个孔隙水压力传感器，试验时，根据需要在所述试验土层的上方为试验土层提供模拟压力的载荷。

10、在上述方案的基础上，所述牵引系统包括设置在试验箱的箱体的外壁并用于牵引模拟盾壳以在模拟盾壳的尾部模拟出盾尾间隙的伺服电动缸；

11、在上述方案的基础上，所述牵引系统还包括固定在箱体和伺服电动缸之间的反力杆；

12、设置在伺服电动缸的伸缩杆(的远端部的牵引板；

13、和

14、固定在牵引板与模拟盾壳之间的若干个牵引杆。

15、在上述方案的基础上，所述注浆系统包括用于盛放泥浆的注浆罐、

16、用于为注浆罐内增压的气泵、

17、设置在注浆罐上用于将注浆罐内浆液输送到盾尾间隙内进行同步注浆的同步注浆管路和用于壁后注浆的壁后注浆管路。

18、在上述方案的基础上，所述测量系统还包括设置在注浆罐底部用于测量注浆罐重量变化的称重板和用于采集数据信息的记录仪。

19、泥水盾构同步注浆试验方法，使用所述的模拟试验装置，具体的，包括以下步骤：

20、(1)在试验箱的箱体内将模拟盾壳设置在模拟衬砌的上部，并封堵模拟衬砌的壁后注浆孔；

21、(2)将模拟盾壳与牵引系统进行连接；

22、(3)在模拟盾壳的上方采用分层填土并压实的方式形成试验土层，在填土时埋入土压力传感器和孔隙水压力传感器；

23、(4)将注浆罐安装在称重板上并注入泥浆，安装气泵；

24、(5)将土压力传感器、孔隙水压力传感器、称重板和记录仪进行连接；

25、(6)按照试验目的设定伺服电动缸的伸缩速度和注浆压力，打开同步注浆管路，使模拟盾壳以设定速度被牵引出箱体的同时通过同步注浆管路向盾尾间隙内注浆；

26、(7)模拟盾壳牵引一段距离后同时关闭伺服电动缸和同步注浆管路，从记录仪拷贝孔隙水压力、土压力数据和注浆罐重量变化数据，待注浆浆液凝结后将注浆体从试验箱中取出观察扩散情况。

27、泥水盾构同步注浆和壁后注浆试验方法，使用所述的模拟试验装置，待同步注浆的注浆浆液凝固后进行壁后注浆试验，同步注浆方法使用上述方法，具体的，包括以下步骤：

28、(1)打开模拟衬砌的壁后注浆孔，使用钻机从试验箱的箱体底部向上打孔，穿过壁后注浆孔和同步注浆的注浆体后打入试验土层内；

29、(2)在孔内安装壁后注浆结构，具体的，将注浆杆插入到试验土层内，将注浆头与壁后注浆管路联通；

30、(3)打开壁后注浆管路开始试验，试验结束后关闭壁后注浆管路；

31、(4)通过记录仪拷贝孔隙水压力数据、土压力数据和注浆罐重量变化的数据，待浆液凝结后将注浆体从试验箱中取出观察扩散情况。

32、泥水盾构壁后注浆试验方法，使用所述的模拟试验装置，具体的，包括以下步骤：

33、(1)在试验箱的箱体内将模拟盾壳设置在模拟衬砌的上部；

34、(2)将模拟盾壳与牵引系统进行连接；

35、(3)在模拟盾壳的上方采用分层填土并压实的方式形成试验土层，在填土时埋入土压力传感器和孔隙水压力传感器；

36、(4)将注浆罐安装在称重板上并注入泥浆，安装气泵；

37、(5)将土压力传感器、孔隙水压力传感器、称重板和记录仪进行连接；

38、(6)使用伺服电动缸将模拟盾壳向伺服电动缸的方向牵引，以露出模拟衬砌的壁后注浆孔；

39、(7)从模拟衬砌的壁后注浆孔向上打孔，穿过盾尾间隙后打入试验土层内；

40、(8)在孔内安装注浆结构，具体的，将注浆杆插入到试验土层内，将注浆头与壁后注浆管路联通；

41、(9)打开壁后注浆管路开始试验，试验结束后关闭壁后注浆管路；

42、(10)通过记录仪拷贝孔隙水压力数据、土压力数据和注浆罐重量变化的数据，待浆液凝结后将注浆体从试验箱中取出观察。

43、与现有的技术的装置相比，本发明装置可模拟盾构不同掘进速度、注浆流量以及地面荷载下的盾构同步注浆和壁后注浆。可实时测量并记录实验过程中产生土压力、渗透压力以及注浆流量、速率数据，试验结束待浆液凝结后取出注浆体可观察浆液在土体内的扩展情况，最终对盾构壁后注浆相关的参数调控起一定的指导作用。特别是在本发明的装置中增加了包括同步注浆结构和壁后注浆结构的注浆系统，与其他系统配合使用，可以满足模拟不同掘进速度、注浆流量以及地面荷载下的盾构同步注浆和壁后注浆，有效增多了模拟场景。本发明的装置及试验方法，对于工程应用的材料特别是泥水平衡盾构泥处于自然环境的服役状态能充分模拟到位，本发明使得模拟状态更加符合现场实际情况。除此之外，本发明试验装置中所包含的各系统、部件易于购买、易于组装，生产成本低。