一种盾构隧道同步注浆研究的试验装置及试验方法

本技术涉及盾构隧道同步注浆模型试验，具体涉及一种同步注浆盾尾空隙的浆液扩散与填充机理研究的试验装置及试验方法，适用于盾构隧道工程的同步注浆，尤其是复杂岩土层地区的盾构隧道工程。

背景技术：

1、随着城市的不断更新与发展，地下交通工程大规模兴建，而盾构法是城市地下交通工程建设的主要施工方法，得到了大量的应用，盾构机的施工工艺决定了隧道超挖现象的存在，即随着盾构机在土层中的不断推进，管片和开挖土层边界存在一定体积的空隙，需要进行同步注浆来填充隧道空隙，如果同步注浆不到位，将会引起土体变形、地表沉降、管片错位和变形等问题，因此，盾构隧道的安全性和地面沉降控制能力与隧道的同步注浆密不可分。盾构隧道同步注浆的效果取决于空隙土体的塌落速度与注浆填充速度的博弈，因此很有必要通过试验了解同步注浆的浆液扩散和填充机理，寻求最佳的同步注浆参数。国内外的学者和专家针对盾构隧道同步注浆开展了相关研究，对浆液注入、充填和扩散过程的理论研究也在不断开展，但工程实际中盾构掘进过程注浆参数的确定、工艺流程的控制仍多依赖于工程经验，在较为复杂的盾构隧道环境中，将注浆参数的控制与前端注浆空隙的充盈和盾尾间隙中浆液的扩散情况相匹配具有一定难度。由于工程现场操作的不可重复性和空间闭塞性，现场试验的方法在增加工程成本的同时，增加了监测与施工的难度，也无法充分掌握浆液填充后的状态，更是无法了解浆液扩散和填充的机理。

2、综上所述，采用现场试验方法成本高，布设测点的空间闭塞，可操作性差，且监测设备在复杂地层条件下较难正常发挥功效，更不能系统全面地研究同步注浆的扩散与填充机理。因此亟需通过设计模型试验方法探索同步注浆扩散和填充规律，寻求最佳的工艺参数，为实际工程提供借鉴和指导。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种盾构隧道同步注浆机理研究的试验装置及试验方法，以模拟实际工程中盾构隧道同步注浆浆液的扩散和填充过程，解决现场试验方法成本高，布设测点的空间闭塞，可操作性差，监测设备在复杂地层条件下较难正常发挥功效等问题。通过设计模型试验方法探索同步注浆扩散和填充机理，寻求最佳的工艺参数，为实际工程提供借鉴和指导。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种盾构隧道同步注浆研究的试验装置，包括：

3、模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱、盾尾模型、盾构隧道模型和滑动组件，所述盾尾模型和盾构隧道模型依次从上至下放置在所述模型箱底部，所述滑动组件设置在所述盾尾模型和盾构隧道模型之间，所述模型箱侧壁开有供所述盾尾模型抽出的窗口，所述盾尾模型上开有注浆孔，所述盾构隧道模型上开有注浆连通孔；

4、注浆装置，所述注浆装置通过所述注浆连通孔向所述盾尾模型抽拉产生的空间内进行注浆；

5、抽拉装置，与所述盾尾模型相连，用于将所述盾尾模型从所述模型箱中抽出；

6、数据量测装置，包括砂浆应力传感器、土压力计、孔隙水压力计、位移计中的一个或多个，所述砂浆应力传感器用于测量注浆管口位置处的浆液压力变化情况，所述土压力计用于测量盾构隧道模型在同步注浆过程中所受到的土体压力，所述孔隙水压力计用于测量盾构隧道模型在同步注浆过程中所受到的水压力，所述位移计用于测量土体地表的位移。

7、可选的，所述盾尾模型是具备一定竖向厚度的弧形板，其中部贯穿开有注浆孔；所述盾尾模型下部预留有通道，用于放置数据量测装置或线路；所述盾构隧道模型是具有一定径向厚度的弧形板，在其几何中心预留纵向贯通的圆形孔洞；所述模型箱外围有钢框架加固，底部几何中心位置处对应于盾构隧道模型预留纵向贯通的圆形孔洞。

8、可选的，所述滑动组件包括滑轮和轨道，所述滑轮安装在所述盾尾模型的下表面，所述轨道安装在所述盾构隧道模型的上表面，所述滑轮设置在所述轨道上。

9、可选的，所述注浆装置，包括搅拌机、灌浆机，所述搅拌机用于拌合试验材料水泥砂浆，所述灌浆机用于将水泥砂浆注入到所述注浆孔中。

10、可选的，所述灌浆机上加设变频器，用于控制注浆速度，在注浆头位置处加装压力表，用于显示注浆过程在注浆头位置处的浆液压力情况。

11、可选的，所述模型箱顶部四边各开有一凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移计通过支架固定在所述固定件上。

12、可选的，所述模型箱的正面板与左右两侧的面板采用可拆卸的方式相连，通过竖向抽拉正面板即可将所述正面板抽拉出来。

13、可选的，所述盾构隧道模型上方隔一定距离均匀布设土压力计和孔隙水压力计。

14、可选的，所述位移计的测量点位沿着所述盾构隧道模型的水平隧道管轴线方向及与之垂直的方向进行布置，土体表面安装位移计，其底部设置螺帽、垫片和硬质薄片，硬质薄片抵在土体表面，传感器与上方所述固定件连接。

15、根据本技术实施例的第二方面，提供一种盾构隧道同步注浆研究的试验方法，该方法在第一方面所述的盾构隧道同步注浆研究的试验装置中实现，该方法包括：

16、1)将外部的细砂均匀填入所述模型箱内，直至砂土填充至标高处；

17、2)根据工况，通过抽拉装置将盾尾模型抽出模型箱，同时按照工况要求的注浆速度和注浆管尺寸，对盾尾模型抽出后产生的间隙通过注浆装置进行注浆，观察所述间隙的形成和充填过程以及土体的沉降变化，同时得到数据测量装置的数据；

18、3)结束后静置一段时间，对模型箱内的土体进行清理，得到浆液在盾尾间隙中充填扩散后的结合体，结合数据测量装置得到的数据对浆液的注入、充填和扩散机理进行分析；

19、4)当完成某种工况下的同步注浆试验后，重复步骤1)到3)变换盾构掘进速度、注浆速度、注浆管尺寸及注浆位置，进行下一个工况下的试验。

20、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

21、由上述实施例可知，本技术的模型主体单元包括模型箱、盾尾模型、盾构隧道模型和滑动组件，所述盾尾模型和盾构隧道模型依次从上至下放置在所述模型箱底部，所述滑动组件设置在所述盾尾模型和盾构隧道模型之间，所述模型箱侧壁开有供所述盾尾模型抽出的窗口，所述盾尾模型上开有注浆孔，所述盾构隧道模型上开有注浆连通孔；所述注浆装置通过所述注浆连通孔向所述盾尾模型抽拉产生的空间内进行注浆；抽拉装置与所述盾尾模型相连，用于将所述盾尾模型从所述模型箱中抽出，通过抽拉装置，在抽拉盾尾模型的同时进行注浆等技术手段，克服了盾构隧道工程的几何原型较大、工作场景较难还原的难题，在保证与原隧道管片结构和工况一致性的前提下对盾构隧道掘进过程中的同步注浆过程进行模拟。

22、本试验根据盾构掘进速度、浆液注入速度、注浆管直径及同步注浆位置的改变设置不同的正交试验组别，将所述的盾构隧道模型和盾尾模型按照要求组装于模型箱内，分别进行模拟试验。这种试验方法不仅可以再现同步注浆的不同工况，对盾尾注浆、管片注浆和二次注浆的工艺进行模拟，而且能够有效解决盾构隧道同步注浆试验参数数目过多，模拟试验强度过大的难题，通过甄选后的有限组试验来寻求同步注浆的最佳工艺参数，探索同步注浆机理，更加符合实际需求。

23、本试验装置采用开放式操作方法，可有效解决实际盾构隧道同步注浆工作场景闭塞、较难观测的技术难题，提高模型试验的有益成果。具体地，试验开始前将各个测量仪器布设于对应空间位置处，透明模型箱可使实验过程中盾尾间隙部分的变化发展可视化，试验结束后可将模型箱正面板拆开，对盾尾空腔清理后结合浆液—土体的结核体对量测结果的时程曲线进行分析，通过剖析土体内浆液的填充情况分析同步注浆的扩散和填充机理。

24、本试验的监测设备布设较为完备，可解决对环境闭塞的盾构隧道同步注浆状况进行监测的技术难题，实现对同步注浆效果的完整有效监测。可在注浆管口位置处布设砂浆应力传感器用于测量浆液压力变化情况，可在管片不同位置处均匀布设土压力计用于测量管片在同步注浆过程中所受到的土体压力，可布设孔隙水压力计用于测量管片在同步注浆过程中所受到的水压力，在模型箱顶部方形钢管上布设位移计用于测量土体地表的位移，可在灌浆机注浆头位置处加装压力表显示浆液进行注浆管时的压力。

25、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。