一种浆液动态可视化注浆试验系统及方法

本发明涉及盾构隧道试验，具体涉及一种浆液动态可视化注浆试验系统及方法。

背景技术：

1、地下铁路因其具备运量大、绿色环保、快捷等优点，在城市轨道交通工程中得到大力发展。在城市地下铁路工程中，盾构法成为主流工法，在盾构隧道施工过程中，刀盘超挖导致已开挖土体与盾壳、管片之间存在一定建筑间隙，对于已开挖土体与管片之间的建筑间隙常采用同步注浆、壁后注浆等施工工序进行注浆填充；对于已开挖土体与盾壳之间的建筑间隙，近年来，工程界逐步引入克泥效工法对其注入克泥效浆液进行填充。盾构注浆工作因其不可视的特点，使其施工难度较大，其受到浆液基础性能、注浆压力、地层性质等多方位因素的影响，注浆工作完成的质量直接影响了盾构法施工隧道的整体质量，因此，对注浆工序进行多方位的室内研究，完善注浆理论变得十分重要。在实际施工过程中注浆泵主要采用大功率齿轮泵、活塞泵，施工过程中因采用机械的不同，对于注浆压力的实现不尽相同。对于注浆室内试验，传统施工使用的注浆泵因流量过大等因素并不适用。关于注浆室内试验装置，其重点是具备精准模拟注浆压力的功能且对于各类浆液具有普适性、具备地层模拟的功能、具备注浆过程监测的功能。传统的注浆室内试验装置，常采用步进电机推动活塞杆前行实现浆液的注入或是利用气压直接将储浆罐中的浆液压出，前者不能在室内试验过程中还原表征出注浆压力，后者不适用于流动性较差的非牛顿流体，且两者均不能清晰明了地监测注浆过程中浆液的扩散形态。因而设计一种对所有浆液具有普适性、能够精准还原注浆压力、且可动态监测浆液扩散形态的浆液动态可视化注浆试验系统显得尤为重要。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种浆液动态可视化注浆试验系统及方法，能适用于各类浆液并精准还原表征出注浆压力、监测注浆过程中浆液的扩散形态。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种浆液动态可视化注浆试验系统，包括土层装填系统、注浆系统、压力系统，所述土层装填系统包括模型试验桶，模型试验桶的桶身采用透明材料制成；压力系统通过气动管路连通注浆系统，注浆系统通过注浆管路连通土层装填系统，压力系统为注浆系统施加压力使浆液注入土层装填系统；

4、还包括计量系统：用于测量注浆系统的浆液流量；

5、浆液动态监测系统：对土层装填系统内浆液的扩散状态进行动态监测；

6、中央数据处理系统：接收各系统返回的数据，进行数据交互形成浆液扩散形态的函数δr＝f(δx,δy,δz)，其中δx、δy、δz为浆液在三维方向扩散距离与时间之间的函数，并存储不同注浆参数下的浆液扩散形态。

7、进一步地，所述土层装填系统由还包括钢制支架，模型试验桶安装在钢制支架上；模型试验桶的桶身两端分别密封连接顶部法兰盘和底部法兰盘，顶部法兰盘中心处安装气压球阀，气压球阀接入压力源用于模拟模型试验桶内地层土的水压力；底部法兰盘中心处连接注浆管路；土层装填系统1输出土层信息函数s＝f(φ，k，pw)，其中φ为地层土的孔隙率，k为地层土的渗透系数、pw为地层土的水压力。

8、进一步地，所述注浆管路上连接有浆液球阀，用于控制浆液注入的起止。

9、进一步地，所述土层装填系统还包括角度调节装置，用于调整模型试验桶的倾斜角度。

10、进一步地，所述角度调节装置为铰链传动装置，铰链传动装置由滑轮、铰链、绞盘构成，绞盘固定在钢制支架上，滑轮固定在钢制支架顶部，铰链一端与模型试验桶固定连接，另一端绕过滑轮连接在绞盘上；所述模型试验桶底部与钢制支架铰接，通过绞盘调整铰链的长度以调整模型试验桶的倾斜角度。

11、进一步地，所述注浆系统包括注浆罐，注浆罐由缸体、前端法兰盘、后端法兰盘组成，前端法兰盘和后端法兰盘分设在缸体两端与缸体密封连接，缸体内设有活塞，活塞连接活塞杆，活塞杆由前端法兰盘伸出，活塞与缸体内周接触面设有密封圈，后端法兰盘设有出浆口，出浆口连接注浆管路。

12、进一步地，所述计量系统设有承载台面，注浆系统放置在承载台面上，承载台面下方设置压力传感器，计量系统配合注浆系统输出浆液的流量函数q＝f(d,t,p)，其中d为注浆罐的缸体内径、t为注浆时间、p为注浆压力。

13、进一步地，所述压力系统包含一台伺服空压机，伺服空压机通过气动管路连通注浆系统，气动管路中连接有调压阀、气路球阀，用于气压的调整与通闭，压力系统输出稳定的压力值驱动注浆罐中的活塞杆向前驱动，压力系统输出压力随时间的函数：p＝f(t)。

14、进一步地，所述浆液动态监测系统由多台高速摄像机配合图像画质处理软件组成，摄像机架设在模型试验桶上，在注浆过程中高速摄像机将画面数据传输至中央数据处理系统，对浆液扩散形态函数进行耦合输出：δx＝f(s、q、p、t)，δy＝f(s、q、p、t)，δz＝f(s、q、p、t)。

15、一种应用上述浆液动态可视化注浆试验系统进行注浆试验的方法，步骤包括：

16、步骤1、试验准备阶段，清洗模型试验桶、注浆罐、注浆管路、气动管路，测试计量系统，连接气动管路，更新中央数据处理系统中的数据库；

17、步骤2、按照试验工况中浆液的配比和制备工艺制备浆液，将制备完成的浆液移入注浆罐中；

18、步骤3、连接注浆管路至模型试验桶的底部法兰盘，在注浆管路上连接浆液球阀后将底部法兰盘用高强度螺栓与桶身相连，按照试验工况中地层土的设置，在模型试验桶中进行透明地层土的分层填筑与振实；

19、步骤4、地层土填筑完成后，将注浆罐放置于计量系统中的承载台面之上，设置预定的压力读数时间间隔，调整浆液动态监测系统中的四台高速摄像机，并检查其与中央数据处理系统的连接状态；

20、步骤5、关闭注浆管路中的浆液球阀、气动管路中的气动球阀，打开浆液动态监测系统，打开空压机使其工作至伺服状态，打开气动球阀，旋转气路调压阀调整至试验工况预定的注浆压力值，待压力值稳定后打开浆液球阀，开始注浆试验；

21、步骤6、待计量系统读数维持预定时间不变时，本次试验达到终浆状态，终浆后依次关闭浆液球阀、气动球阀；

22、步骤7、拆除注浆管路和气动管路、模型试验桶的顶部法兰盘，将注浆结石体取出，对实验装置各部分进行拆解清洗；通过中央数据处理系统输出浆液扩散形态的函数δr＝f(δx,δy,δz)，其中δx、δy、δz为浆液在三维方向扩散距离与时间之间的函数。

23、本发明的有益效果有：

24、1、本发明的浆液动态可视化注浆试验系统可通过透明的模型试验桶和透明土模拟地层，配合浆液动态监测系统实时监控注浆过程中浆液的扩散形态，由中央数据处理系统进行数据交互形成浆液扩散形态的函数，并且形成数据库，用于浆液扩散形态随各影响的趋势大数据分析。

25、2、本发明的浆液动态可视化注浆试验系统可实现多角度方向的注浆室内试验。

26、3、本发明的浆液动态可视化注浆试验系统能精准模拟出注浆过程，并且通过气压获得面荷载的驱动力形式，较高程度地还原模拟出注浆压力，适用于各类牛顿流体、非牛顿流体的注浆室内试验，避免了因浆液空腔的存在导致的预定注浆压力损失，提高了注浆室内试验的精度。。

27、4、本发明的浆液动态可视化注浆试验系统可动态监测注浆过程中注浆量随时间的变化规律。

28、5、本发明的浆液动态可视化注浆试验系统集成度高，高度匹配各种类型的注浆室内试验，设备精度高、试验误差小。