一种用于盾构法同步注浆的模拟系统及实验方法与流程

本发明属于盾构隧道工程模拟实验技术领域，具体地，涉及一种用于盾构法同步注浆的模拟系统，以及实验方法。

背景技术：

现如今，盾构法由于其扰动小、掘进快等优点，已广泛应用于城市地铁、公路、排水等隧道工程施工中。在盾构法施工中，随着盾构机的推进，会在土体和管片之间会形成建筑间隙，即盾尾间隙。为了控制地表沉降、防止管片渗漏水，就需要在管片推进的同时填充这些间隙，即同步注浆。

同步注浆作为盾构法施工中的一道重要工序，国内外许多专家已对其作用和原理进行了大量研究。采用理论分析、数值模拟等方法的优点是简单快捷，但由于地层和地应力条件千差万别，所以其结果未能很好指导现场。而现场监控量测虽然有一定的可取性，但耗费的人力、物力、财力较大，而且比较费时。综合考虑下，通过模拟实验来对同步注浆进行研究是比较科学的。虽然模型实验前人有所涉及，但局限于对填充过程进行模拟，还有就是局限于同步砂浆本身的性质，轻视了泥浆和土体之间的相互作用以及注浆压力、土体静压力和水压力三者的作用对泥浆的凝固时间的影响，导致模拟结果对现场的指导作用有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有模拟盾构法同步注浆实验所存在的对现场指导作用有限的问题，提供一种用于盾构法同步注浆的模拟系统及实验方法。通过该模拟系统及实验方法得到的模拟结果对现场的指导作用有显著提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于盾构法同步注浆的模拟系统，包括模型装置和推进装置；所述模型装置为上端开口的容器；所述推进装置包括加压活塞，所述加压活塞与所述模型装置相互匹配；所述加压活塞与所述模型装置共同形成容纳实验土体与同步浆液的混合浆液的密闭空间。模型装置用于盛装实验土体和同步浆液，推进装置用于模拟现场注浆压力。

作为优选方案，所述模型装置包括试料筒和底板，所述试料筒为上下两端开口的容器，所述底板将所述试料筒的下端开口封闭，所述底板与所述试料筒的下端可拆卸地连接。模型装置采用拼装结构，便于拆卸、清洗。

作为优选方案，还包括监测装置，所述监测装置包括土压力盒；所述模型装置还包括支架，所述支架设置在所述底板的下部；所述土压力盒设置在所述底板的下部；所述监测装置还包括析水阀门，所述析水阀门连接在所述试料筒的下部，并与所述试料筒的内部连通。监测装置用于观察实验工况并记录浆液凝结时间以及压力变化。土压力盒用于观察实验过程中土压力的变化。析水阀门的作用是：一是析出同步注浆中的水，使其能够凝结；二是通过析水阀门中最后析水的时间，作为试样初凝的判据。监测装置还包括高清数码摄像机和传感器，用于记录实验整个过程，以及试样的凝结时间。

作为优选方案，所述试料筒的内部空间为立方体形状；所述模型装置还包括内嵌筒，所述内嵌筒可拆卸地嵌入所述试料筒的内部，且所述内嵌筒的内部空间为圆柱体形状。为实现立方体与圆柱体之间的转换，在试料筒内部放置跟试料筒尺寸相同的立方体中空筒，但立方体中空部要留出圆柱形空间，尺寸跟圆柱形标准试块相同。得到的试块为两种类型：一是为测试单轴抗压强度的标准尺寸，即圆柱形结构。目的是为了测试不同养护条件下砂浆试样的单轴抗压强度；二是截面形状为混凝土试块的标准试块，即立方体结构，目的是为测试不同水灰比条件下的标准强度。

作为优选方案，所述推进装置还包括设置在所述加压活塞上部的液压杆，所述试料筒的上端开口处可拆卸地连接有盖板，所述盖板上设置有轴套，所述液压杆从下端可滑动地插入所述轴套内，从所述轴套的上端伸出，并与设置在上方的液压推进电动机连接，所述液压推进电动机设置于固定在地面上的桁架上。液压推进电动机为带仪表盘的电动机，能够自动化提供液压，且显示当前的推进压力。

作为优选方案，还包括处理装置，所述处理装置包括用于测试试块数据的压缩试验机，以及用于处理实验数据的计算机，具体用于记录高清数码摄像机的数据以及接收传感器的数据。处理装置用于对试块进行后期处理以及实验数据分析，具体测试不同养护条件下砂浆试样的单轴抗压强度以及不同水灰比条件下的标准强度。

一种用于盾构法同步注浆的实验方法，包括如下步骤：

步骤一、将实验土体与同步浆液相互混合，形成混合浆液；

步骤二、对混合浆液施加压力，至混合浆液凝结为试块；

步骤三、获取混合浆液的表面压力和凝结时间的实验数据；

步骤四、对实验数据进行分析处理，并对试块的参数进行测定。

以上方案能够对同步浆液与土体之间的相互影响，以及两者成型后的物理特性进行深入研究，同时对于现场施工也更具指导意义。

所述步骤一中，混合浆液经过振捣至均匀，以更接近现场施工环境。

所述步骤二中，将混合浆液注入密闭容器中进行加压，密闭容器所形成的密闭空间为圆柱体或立方体。得到的试样为两种类型：一是为测试单轴抗压强度的标准尺寸，即圆柱形结构。目的是为了测试不同养护条件下砂浆试样的单轴抗压强度；二是截面形状为混凝土试块的标准试块，即立方体结构，目的是为测试不同水灰比条件下的标准强度。

所述步骤三中，混合浆液的凝结时间为混合浆液中水析出结束之时。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明的有益效果是：

1、采取电动式取代传统手动式，其输入的压力值更为精确。

2、监测了同步砂浆和土体之间的相互作用力，并没有只局限于同步砂浆的本身。

3、通过制成标准试样，能够模拟同步注浆压力，以及同步砂浆的承载力随凝结时间的变化，同步砂浆同土体凝固之后的物理力学性质也方便进行研究。

4、对注浆压力、土体静压力和水压力三者之间的相互作用力进行了研究。通过实验室内的压缩试验机对成品试样进行研究，其结果更准确，能够对泥浆和土体之间的相互影响以及两者成形后的物理特性进行深入研究，同时对于现场施工也更具指导意义。

此外，本发明结构设计合理、操作简单、适用性广、使用效果好。本发明投入成本低，占地面积小，实验室内可放置多台进行重复性操作，且实验安全风险低，便于进行实验教学。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图。

图2为实施例1的底板下部的结构示意图。

图3为实施例1的试料筒的结构示意图。

图4为实施例1的盖板下部的结构示意图。

图5为实施例1的盖板上部的结构示意图。

图6为实施例2的内嵌筒的结构示意图。

图7为实施例2的盖板下部的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例公开一种用于盾构法同步注浆的模拟系统，如图1-5所示，包括模型装置1和推进装置2；所述模型装置1为上端开口的容器；所述推进装置2包括加压活塞21，所述加压活塞21与所述模型装置1相互匹配；所述加压活塞21与所述模型装置1共同形成容纳实验土体与同步浆液的混合浆液的密闭空间。

具体地，如图1-5所示，所述模型装置1包括试料筒11和底板12，所述试料筒11为上下两端开口的容器，所述底板12将所述试料筒11的下端开口封闭，所述底板12与所述试料筒11的下端可拆卸地连接。底板12为钢质，通过四个角的螺丝孔进行拆卸和安装。试料筒11按标准试块的尺寸进行制作，采用不锈钢材质。

具体地，如图1-5所示，本实施例还包括监测装置3，所述监测装置3包括土压力盒31；所述模型装置1还包括支架13，所述支架13设置在所述底板12的下部；所述土压力盒31设置在所述底板12的下部；所述监测装置3还包括析水阀门32，所述析水阀门32连接在所述试料筒11的下部，并与所述试料筒11的内部连通。支架13为四根粗细长短相同的金属棒，用于支撑整个模型装置1。监测装置3还包括能记录实验过程和同步砂浆凝结时间的高清数码摄像机。

具体地，如图1-5所示，所述试料筒11的内部空间为立方体形状。

具体地，如图1-5所示，所述推进装置2还包括设置在所述加压活塞21上部的液压杆22，所述试料筒11的上端开口处可拆卸地连接有盖板23，所述盖板23上设置有轴套24，所述液压杆22从下端可滑动地插入所述轴套24内，从所述轴套24的上端伸出，并与设置在上方的液压推进电动机25连接，所述液压推进电动机25设置于固定在地面上的桁架26上。所述桁架26为钢质架反力结构，可以通过伸缩环调节其高度。液压推进电动机25带有显示屏，能显示当前推的进压力，且为自动化液压推进电动机。盖板23为钢制材料，通过四角的固定螺母与试料筒11进行拼装与拆卸。

具体地，如图1-5所示，本实施例还包括处理装置，所述处理装置包括用于测试试块数据的压缩试验机，以及用于处理实验数据的计算机。

基于上述模拟系统的用于盾构法同步注浆的实验方法，包括如下步骤：

步骤一、将实验土体与同步浆液相互混合，形成混合浆液；

步骤二、对混合浆液施加压力，至混合浆液凝结为试块；

步骤三、获取混合浆液的表面压力和凝结时间的实验数据；

步骤四、对实验数据进行分析处理，并对试块的参数进行测定。

具体地，所述步骤一中，混合浆液经过振捣至均匀。所述步骤二中，将混合浆液注入密闭容器中进行加压，密闭容器所形成的密闭空间为圆柱体或立方体。所述步骤三中，混合浆液的凝结时间为混合浆液中水析出结束之时。

以下对上述模拟系统的实验方法进行详细具体地说明：

一、将桁架26固定在地面上，并在桁架26正上方中间安装固定好带显示屏的，能够显示当前推进压力的自动化液压推进式电动机25。

二、将底板12放置在桁架26的正下方，并在其底面安装好土压力盒31，安装位置如图2所示。

三、安装并固定好试料筒11，将盾构分离出的细砂填充到试料筒11下部，并进行压实处理，记录其深度。

四、将预先按照施工标准调配的同步砂浆倒入试料筒11内，并不断振捣，保持其均匀性。

五、在振捣一分钟左右后，安装压力活塞21，并通过中间的螺丝钉与液压杆22进行固定，压下压力活塞21至刚接触同步砂浆表面，安装好盖板23，并通过四角的螺母进行固定，最后接通电源。

六、启动液压推进电动机25，此时压力活塞21对同步砂浆的施加压力。

七、在压力的作用下，同步砂浆中的水会透过砂层经析水阀门32析出，并用量筒记录出水量。

八、待水不再析出，关闭液压推进电动机25。静置一段时间后，将底板12拆除。

九、开启液压推进电动机25，将凝固好的试块推出，并在压缩试验机上进行不同水灰比条件下的标准强度实验。

十、记录并整理数据，分析处理，得到结论。

实施例2

本实施例建立在实施例1的基础之上，如图6、7所示，所述模型装置1还包括内嵌筒14，所述内嵌筒14可拆卸地嵌入所述实施例1的试料筒11的内部，且所述内嵌筒14的内部空间为圆柱体形状。实施例1的所述压力活塞21也作相应的适应性修改，变更为圆盘状27，共同形成圆柱体空间的密闭容器。内嵌筒14按标准尺寸进行制作，采用不锈钢材质；析水阀门位置需要留出析水孔，以便圆柱形试样能够顺利析水。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。