盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【專(zhuān)利摘要】一種盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，包括模型土、模型漿液和同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)；模型漿液通過(guò)同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)被注入模型土中；所述的同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)包括土箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)、模擬盾構(gòu)機(jī)、壓力傳感器和注漿系統(tǒng)；模擬盾構(gòu)機(jī)、模型土設(shè)置于土箱中。本發(fā)明還公開(kāi)了運(yùn)用前述盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，包括：1）、配制模型土；2）、配制模型漿液；3）、構(gòu)建盾構(gòu)—土體—漿液的相似系統(tǒng)，進(jìn)行不同注漿位置、不同注漿孔以及不同注漿量分配比例的同步注漿試驗(yàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地下建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中，在盾構(gòu)機(jī)不斷被頂進(jìn)的同時(shí)，拼裝好的管片不斷脫出盾尾，由于管片外徑小于盾殼外徑，因而形成了盾尾建筑空隙，由于隧道周?chē)涴ね磷苑€(wěn)能力很差，盾尾空隙如未被漿液及時(shí)充填，將導(dǎo)致周?chē)貙拥奶冃?，如盾尾空隙?nèi)注入的漿液過(guò)多、壓力過(guò)大，土體超孔隙水壓力的消散將導(dǎo)致地層后期沉降加劇。目前，軟土地區(qū)盾構(gòu)法隧道施工引起的地層變形中，施工后期由于超孔隙水壓力消散與地層次固結(jié)導(dǎo)致的地層位移占總沉降量的30%?90%。因此，了解與掌握盾尾空隙內(nèi)漿液的流動(dòng)與擴(kuò)散過(guò)程，以及漿液壓力與漿液性態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程及其影響因素，對(duì)確保盾尾空隙的有效充填與盾尾處地層的穩(wěn)定至關(guān)重要。
[0003]目前，盾構(gòu)同步注漿理論的研究主要從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值解析、模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真四個(gè)方面展開(kāi)的。但理論解析往往需要以大量的假設(shè)為前提，數(shù)值模擬涉及的大量參數(shù)很難準(zhǔn)確設(shè)定，復(fù)雜的數(shù)值建模技術(shù)很難被一般的技術(shù)人員熟練掌握，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)又很難被有效利用，模擬試驗(yàn)研究可以有效地避免理論分析中各種假設(shè)條件的限制，更加真實(shí)地反映巖土工程的各種物理現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律，因此成為了一種非常有效的研究方法。
[0004]國(guó)內(nèi)外關(guān)于同步注漿漿液和方法的研究較多，而用于研究同步注漿規(guī)律及機(jī)理的模型試驗(yàn)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)。
[0006]為了克服現(xiàn)有注漿方法無(wú)法進(jìn)行不同注漿方式下同步注漿模擬試驗(yàn)的缺陷，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種盾構(gòu)隧道同步注漿模擬試驗(yàn)方法。該方法能夠模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中管片脫出盾尾形成的建筑空隙的充填過(guò)程，同時(shí)可以模擬不同的掘進(jìn)速度與不同的盾構(gòu)埋深條件等工況，進(jìn)而為盾構(gòu)隧道同步注漿的地層適應(yīng)性理論研究提供一個(gè)平臺(tái)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，包括模型土、模型漿液和同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)；模型漿液通過(guò)同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)被注入模型土中；
[0009]所述的同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)包括土箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)、模擬盾構(gòu)機(jī)、壓力傳感器和注漿系統(tǒng)；模擬盾構(gòu)機(jī)、模型土設(shè)置于土箱中，盾構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)推動(dòng)模擬盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)加載系統(tǒng)對(duì)模型土施加荷載，同時(shí)注漿系統(tǒng)將模型漿液注入模型土，通過(guò)壓力傳感器測(cè)得模型土的壓力變化。
[0010]進(jìn)一步，所述的模擬盾構(gòu)機(jī)包括模擬管片、模擬盾殼、推進(jìn)液壓缸、注漿管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端蓋上連接桿、右端蓋下連接桿、左端蓋、右端蓋、導(dǎo)向桶、拉桿、左限位鋼管、右限位鋼管；
[0011]所述導(dǎo)向桶通過(guò)兩根固定連接在土箱兩側(cè)的左限位鋼管、右限位鋼管固定在土箱中，其左側(cè)開(kāi)口端用螺栓與左端蓋連接，右側(cè)開(kāi)口端緊密套在左端開(kāi)口、右端封閉的模擬盾殼外側(cè)；模擬盾殼右端與焊接在土箱上的右端蓋上連接桿、右端蓋下連接桿搭接；模擬盾殼與推進(jìn)液壓缸的拉桿采用螺栓連接，模擬盾殼緊密地套在左端封閉右端開(kāi)口的模擬管片外側(cè)，通過(guò)推進(jìn)液壓缸的拉桿實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)向桶內(nèi)壁和模擬管片外壁進(jìn)行軸向滑移；模擬管片右端與右端蓋用螺栓固定；推進(jìn)液壓缸的缸體與左端蓋采用螺栓固定，右端固定在模擬盾殼左封閉端上；利用注漿管路將模型漿液注入盾尾空隙，盾尾密封圈設(shè)于模擬盾殼的右端，并沿整個(gè)環(huán)向布置，用以隔絕盾尾空隙內(nèi)漿液沿著模擬盾殼與模擬管片之間的間隙滲漏。
[0012]所述的注漿系統(tǒng)包括注漿控制系統(tǒng)、上路注漿泵、下路注漿泵、上路漿液桶、下路漿液桶、第一注漿孔、第二注漿孔、第三注漿孔、第四注漿孔、第一球閥、第二球閥、第三球閥、第四球閥、左限位鋼管、右限位鋼管、第一注漿管、第二注漿管、第三注漿管、第四注漿管；
[0013]第一注漿孔、第二注漿孔、第三注漿孔、第四注漿孔、沿模擬盾殼右端面均勻布置，第一注漿孔與第一球閥通過(guò)第一注漿管路相連，第二注漿孔與第二球閥通過(guò)第二注漿管路相連，第一注漿管路和第一注漿管路由上部注漿泵控制，第三注漿孔與第三球閥通過(guò)第三注漿管路相連，第四注漿孔與第四球閥通過(guò)第四注漿管路相連，第三注漿管路和第四注漿管路由下部注漿泵控制。
[0014]所述注漿泵為能夠調(diào)節(jié)漿液的流量的螺桿計(jì)量泵，通過(guò)上部注漿泵、下部注漿泵的流量控制與管路球閥的開(kāi)關(guān)，可以單獨(dú)控制4個(gè)注漿孔中的漿液流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同注漿方式下的同步注漿試驗(yàn)；或/和，
[0015]所述注漿孔的數(shù)量為所述注漿泵數(shù)量的兩倍，每一條所述注漿管路中都設(shè)置一個(gè)所述球閥。
[0016]所述的壓力傳感器包括水土壓力傳感器和襯砌壓力傳感器；襯砌壓力傳感器設(shè)置于模擬管片的外筒壁內(nèi)，沿模擬管片環(huán)向均勻設(shè)置有多個(gè)襯砌壓力傳感器，用以量測(cè)盾尾空隙內(nèi)的漿液壓力；沿隧道周?chē)Ｐ屯林性O(shè)置有多個(gè)水土壓力傳感器，用以量測(cè)模擬盾殼掘進(jìn)過(guò)程中地層水土壓力的變化情況。所述的土箱為方形箱體構(gòu)件。
[0017]運(yùn)用上述盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，包括:
[0018]I)、配制模型土；
[0019]2)、配制模型漿液；
[0020]3)、構(gòu)建盾構(gòu)-土體-漿液的相似系統(tǒng)，進(jìn)行不同注漿位置、不同注漿孔以及不同注漿量分配比例的同步注漿試驗(yàn)。
[0021]進(jìn)一步，步驟I)中所述模型土的配置，按照等土體重度、粘聚力、壓縮模量、摩擦角與含水量主要參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)配置符合相似比要求的模型土 ；或/和，
[0022]模型土的主要原料為粉質(zhì)粘土、重晶石粉、雙飛粉與膨潤(rùn)土，試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)室內(nèi)一定上覆荷載作用下特定含水量的土體進(jìn)行密度測(cè)試，得到在多大的上覆荷載下固結(jié)多長(zhǎng)時(shí)間才能得到所要的土體密度，再對(duì)該密度的土樣試驗(yàn)，直至它的粘聚力、摩擦角與壓縮模量達(dá)到相似比要求。
[0023]步驟2)中所述模型漿液的配置，嚴(yán)格按照漿液重度、初始屈服強(qiáng)度、初始粘度、泌水率與凝結(jié)時(shí)間對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)配制符合相似比要求的模型漿液；或/和，
[0024]模型漿液的主要原料為水泥、粉煤灰、粉細(xì)砂、膨潤(rùn)土、減水劑與水，試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)一定重度的漿液在室內(nèi)進(jìn)行初凝時(shí)間與泌水率的測(cè)試，得到初凝時(shí)間符合相似比要求的漿液，再對(duì)該漿液進(jìn)行試驗(yàn)，直至它的初始粘度與屈服強(qiáng)度達(dá)到相似比要求。
[0025]步驟3)中通過(guò)控制液壓油缸推進(jìn)速度的變化，實(shí)現(xiàn)不同盾構(gòu)掘進(jìn)速度下的同步注漿試驗(yàn)。
[0026]步驟3)中通過(guò)在模型土箱內(nèi)填入不同高度的所述模型土，必要時(shí)在土體頂部施加一定的上覆荷載，實(shí)現(xiàn)不同盾構(gòu)埋深條件下的同步注漿試驗(yàn)。
[0027]所述鋼質(zhì)導(dǎo)向桶底部需用兩根限位鋼管固定，鋼管兩端分別焊接在土箱的左右側(cè)壁上，用以限制所述導(dǎo)向桶與所述模型盾構(gòu)的豎向位移；所述模型土箱的左、右側(cè)壁上盾構(gòu)所在位置需做開(kāi)孔處理，所述鋼質(zhì)導(dǎo)向桶左側(cè)密封端與推進(jìn)液壓缸的缸體與左端蓋螺栓固定，所述模擬管片的開(kāi)口端與右端蓋螺栓固定，左側(cè)封閉端置于模擬盾殼內(nèi)；所述模擬盾殼端部按圓周方向均勻設(shè)置了多個(gè)注漿孔，與所述的多臺(tái)注漿泵連接，并且在模擬盾殼端部圓周方向設(shè)置有橡膠密封圈。
[0028]所述注漿孔的數(shù)量為所述注漿泵數(shù)量的兩倍，每一條所述注漿管路中都設(shè)置一個(gè)所述球閥，通過(guò)所述注漿泵的流量控制與所述球閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同注漿位置、不同注漿孔數(shù)量與不同漿液流量分配比例的同步注漿試驗(yàn)。
[0029]更具體的，本發(fā)明提供的一種盾構(gòu)隧道同步注漿模擬試驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟:
[0030]1、模型土的配制。模型土是嚴(yán)格按照土體重度、粘聚力、壓縮模量、摩擦角與含水量等主要參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，并通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)檢驗(yàn)后配置而成的。用于配置模型土的主要原料包括粉質(zhì)粘土、重晶石粉、雙飛粉與膨潤(rùn)土等。采用該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際土層的性質(zhì)配置相應(yīng)的模型土。
[0031]2、模型漿液的配制。模型漿液是嚴(yán)格按照漿液重度、初始屈服強(qiáng)度、初始粘度、泌水率與凝結(jié)時(shí)間等主要參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，并利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)檢驗(yàn)后配置而成的。用于配置模型漿液的原料主要包括水泥、粉煤灰、粉細(xì)砂、膨潤(rùn)土、減水劑與水。采用該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際使用的漿液配置相應(yīng)的模型漿液。
[0032]本發(fā)明中根據(jù)量綱分析方法確定各參數(shù)的相似比，然后根據(jù)所得的相似比利用特定原料配制模型土和模型漿液，以下對(duì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]( I)相似常數(shù)的確立
[0034]設(shè)原型土體材料與模型土體材料的幾何相似比為C1,強(qiáng)度相似比為，重度相似比為&，則由相似理論可知，各相似比滿(mǎn)足Q
[0035]對(duì)于模型土的配制，只需保證密度相似比Cp為1，則Q Qi ^C1 ^Ce ^ Cci
[0036]對(duì)于模型漿液的配制，確保Q ,則有C, ^ C1 ^ CE。
[0037]因此，可以得到配制模型土和模型漿液的相似常數(shù)如下所示:[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，其特征在于:包括模型土、模型漿液和同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)；模型漿液通過(guò)同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)被注入模型土中； 所述的同步注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)包括土箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)、模擬盾構(gòu)機(jī)、壓力傳感器和注漿系統(tǒng)；模擬盾構(gòu)機(jī)、模型土設(shè)置于土箱中，盾構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)推動(dòng)模擬盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)加載系統(tǒng)對(duì)模型土施加荷載，同時(shí)注漿系統(tǒng)將模型漿液注入模型土，通過(guò)壓力傳感器測(cè)得模型土的壓力變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述的模擬盾構(gòu)機(jī)包括模擬管片、模擬盾殼、推進(jìn)液壓缸、注漿管路、盾尾密封圈、盾尾空隙、右端蓋上連接桿、右端蓋下連接桿、左端蓋、右端蓋、導(dǎo)向桶、拉桿、左限位鋼管、右限位鋼管； 所述導(dǎo)向桶通過(guò)兩根固定連接在土箱兩側(cè)的左限位鋼管、右限位鋼管固定在土箱中，其左側(cè)開(kāi)口端用螺栓與左端蓋連接，右側(cè)開(kāi)口端緊密套在左端開(kāi)口、右端封閉的模擬盾殼外側(cè)；模擬盾殼右端與焊接在土箱上的右端蓋上連接桿、右端蓋下連接桿搭接；模擬盾殼與推進(jìn)液壓缸的拉桿采用螺栓連接，模擬盾殼緊密地套在左端封閉右端開(kāi)口的模擬管片外偵牝通過(guò)推進(jìn)液壓缸的拉桿實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)向桶內(nèi)壁和模擬管片外壁進(jìn)行軸向滑移；模擬管片右端與右端蓋用螺栓固定；推進(jìn)液壓缸的缸體與左端蓋采用螺栓固定，右端固定在模擬盾殼左封閉端上；利用注漿管路將模型漿液注入盾尾空隙，盾尾密封圈設(shè)于模擬盾殼的右端，并沿整個(gè)環(huán)向布置，用以隔絕盾尾空隙內(nèi)漿液沿著模擬盾殼與模擬管片之間的間隙滲漏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，其特征在于: 所述的注漿系統(tǒng) 包括注漿控制系統(tǒng)、上路注漿泵、下路注漿泵、上路漿液桶、下路漿液桶、第一注漿孔、第二注漿孔、第三注漿孔、第四注漿孔、第一球閥、第二球閥、第三球閥、第四球閥、左限位鋼管、右限位鋼管、第一注漿管、第二注漿管、第三注漿管、第四注漿管； 第一注漿孔、第二注漿孔、第三注漿孔、第四注漿孔、沿模擬盾殼右端面均勻布置，第一注漿孔與第一球閥通過(guò)第一注漿管路相連，第二注漿孔與第二球閥通過(guò)第二注漿管路相連，第一注漿管路和第一注漿管路由上部注漿泵控制，第三注漿孔與第三球閥通過(guò)第三注漿管路相連，第四注漿孔與第四球閥通過(guò)第四注漿管路相連，第三注漿管路和第四注漿管路由下部注漿泵控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，其特征在于: 所述注漿泵為能夠調(diào)節(jié)漿液的流量的螺桿計(jì)量泵；或/和， 所述注漿孔的數(shù)量為所述注漿泵數(shù)量的兩倍，每一條所述注漿管路中都設(shè)置一個(gè)所述球閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)，其特征在于: 所述的壓力傳感器包括水土壓力傳感器和襯砌壓力傳感器；襯砌壓力傳感器設(shè)置于模擬管片的外筒壁內(nèi)，沿模擬管片環(huán)向均勻設(shè)置有多個(gè)襯砌壓力傳感器，用以量測(cè)盾尾空隙內(nèi)的漿液壓力；沿隧道周?chē)Ｐ屯林性O(shè)置有多個(gè)水土壓力傳感器，用以量測(cè)模擬盾殼掘進(jìn)過(guò)程中地層水土壓力的變化情況。
6.運(yùn)用權(quán)利要求1所述盾構(gòu)隧道同步注漿試驗(yàn)用模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，其特征在于:包括: 1)、配制模型土； 2)、配制模型漿液；3)、構(gòu)建盾構(gòu)一土體一衆(zhòng)液的相似系統(tǒng)，進(jìn)行不同注漿位置、不同注漿孔以及不同注漿量分配比例的同步注漿試驗(yàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)方法，其特征在于:步驟I)中所述模型土的配置，按照等土體重度、粘聚力、壓縮模量、摩擦角與含水量主要參數(shù)對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)配置符合相似比要求的模型土 ；或/和， 模型土的主要原料為粉質(zhì)粘土、重晶石粉、雙飛粉與膨潤(rùn)土，試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)室內(nèi)一定上覆荷載作用下特定含水量的土體進(jìn)行密度測(cè)試，得到在多大的上覆荷載下固結(jié)多長(zhǎng)時(shí)間才能得到所要的土體密度，再對(duì)該密度的土樣試驗(yàn)，直至它的粘聚力、摩擦角與壓縮模量達(dá)到相似比要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)方法，其特征在于:步驟2)中所述模型漿液的配置，嚴(yán)格按照漿液重度、初始屈服強(qiáng)度、初始粘度、泌水率與凝結(jié)時(shí)間對(duì)應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)配制符合相似比要求的模型漿液；或/和， 模型漿液的主要原料為水泥、粉煤灰、粉細(xì)砂、膨潤(rùn)土、減水劑與水，試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)一定重度的漿液在室內(nèi)進(jìn)行初凝時(shí)間與泌水率的測(cè)試，得到初凝時(shí)間符合相似比要求的漿液，再對(duì)該漿液進(jìn)行試驗(yàn)，直至它的初始粘度與屈服強(qiáng)度達(dá)到相似比要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn) 方法，其特征在于:步驟3)中通過(guò)控制液壓油缸推進(jìn)速度的變化，實(shí)現(xiàn)不同盾構(gòu)掘進(jìn)速度下的同步注漿試驗(yàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)方法，其特征在于:步驟3)中通過(guò)在模型土箱內(nèi)填入不同高度的所述模型土，必要時(shí)在土體頂部施加一定的上覆荷載，實(shí)現(xiàn)不同盾構(gòu)埋深條件下的同步注漿試驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103913289SQ201210592006
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】白云, 吳世明, 戴志仁, 寇磊 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué), 杭州運(yùn)河隧道有限公司