CN112282775A - 一种盾构隧道同步注浆相似模型试验***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，包括：试验箱、连接于所述试验箱顶面的数据采集***、贯穿试验箱的施工模拟***、与所述施工模拟***连通的注浆***及用于推动施工模拟***的推进***。所述试验箱中放置有砂砾土；所述推进***包括液压式千斤顶及与所述液压式千斤顶一端固接的反力架，所述反力架固定于底面上；所述施工模拟***包括预埋试验箱中的第一长管道32及与所述第一长管道32套接的第二短管道31；所述数据采集***包括静态应变仪及与所述静态应变仪连接的位移检测传感器与微型压力传感器。根据本发明，有效的模仿任意软土地层条件、隧道几何尺度、施工开挖过程和同步注浆参数，有效的观测浆液的流动、渗透。
Description
技术领域
本发明涉及同步注浆的技术领域，特别涉及一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法。
背景技术
盾构施工过程中，当管环安装完毕、盾尾前移，土体与隧道结构将不可避免的出现30～50mm的环状空隙，诱发周围地层土体损失率增大从而引发土体扰动位移及环境的不良影响。因此，施工中需要采取同步注浆的方法，有效填充盾尾该环状空间，提高盾构隧道结构稳定性、减少施工的环境扰动影响，盾构同步注浆施工过程中，浆液在盾构管环外侧土体中流动、渗透，无法直接观测到浆液的运动、充填和分布状态。同步注浆存在的问题：i)地层特性、工程地质及水文地质的影响复杂；ii)浆液充填的隐蔽性和注浆作用效果的不确定性，因而注浆设计和施工存在很大程度的盲目性和局限性；iii)同步注浆浆液形态对环境的关联性和敏感性尚无科学准确的评价方法，施工过程注浆作用效果及其环境影响难以通过理论(或者数值计算)方法定量评价。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，有效的模拟任意软土地层条件、隧道几个尺度、施工开挖过程和同步注浆参数，有效的观测浆液的流动、渗透。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，包括：
试验箱、连接于所述试验箱顶面的数据采集***、贯穿试验箱的施工模拟***、与所述施工模拟***连通的注浆***及用于推动施工模拟***的推进***，所述试验箱中放置有砂砾土；
所述推进***包括液压式千斤顶及与所述液压式千斤顶一端固接的反力架，所述反力架固定于底面上；
所述施工模拟***包括预埋试验箱中的第一长管道及与所述第一长管道套接的第二短管道，所述第二短管道一端面与所述液压式千斤顶相接触；
所述数据采集***包括静态应变仪及与所述静态应变仪连接的位移检测传感器与微型压力传感器，所述静态应变仪信号连接有计算机，所述位移检测传感器沿试验箱竖直方向设置有若干个，所述微型压力传感器沿所述第一长管道外周一圈均匀分布若干个，形成一阵列式压力检测传感***；
所述注浆***包括压力泵、与所述压力泵连接的注浆筒与注浆管道，所述注浆管道包括主管道及所述主管道连通的分管道，所述分管道连接于所述第一长管道中。
优选的，所述试验箱为厚度15mm的有机玻璃。
优选的，所述第一长管道的直径为第一直径值，所述第二短管道的直径为第二直径值，所述第一直径值大于所述第二直径值，当所述第二短管道插接于所述第一长管道内时，所述第二短管道的外表面与所述第一长管道内表面之间形成一管环。
优选的，一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，包括以下步骤：
S1、制定同步注浆模型试验方案，确定相似模型与参数、浆液的类型及注浆参数，根据制定的实验模型购买仪器与材料；
S2、构建试验***，所述试验***包括地层模拟***、推进***、注浆***及数据采集***，采集相关的数据；
S3、测定参数，所述参数包括模型端勾位置、注浆压力计注浆量、地表竖向位移及浆液渗透距离；
S4、最后对试验结果进行分析。
优选的，所述步骤S2还包括以下步骤：
S21、安置好试验箱，将试验箱中加入砂砾土，将砂砾土经过筛分后才加入到箱体内，使得箱内的土样分布均匀一致，其中每添加完一层后都要经过压密以利其固结，当添加完第二层土后，将贯穿整个箱体的所述第一长管道32***箱体之中，注水并静置48h使其饱和；
S22、在距离箱体中央断面上布置等距离的n个位移检测传感器，在注浆***处布置一个测力***来量测注浆的压力，将位移检测传感器的信号经过转换后接入计算机中；
S23、将所述第一长管道上安装好微型压力传感器，布置好注浆***，将制备好的浆液装入注浆桶内，并将管道连结好；
S24、将带有注浆孔的所述第二短管道的管片用不锈钢套环接到所述第一长管道上，在所述第二短管道后侧接入所述液压千斤顶并将该液压千斤顶布置好，启动千斤顶推进所述第二短管道，同时注浆桶内的活塞开始推进，进行同步注浆，此时，启动数据采集***，按设定的采集频率开始采集数据，直到试验完成；
S25、将第一个所述第二短管道的管推进完毕后，接入一个不带注浆孔的所述第二短管道，同上步骤推进，注浆同步进行，推进完毕后重复上述步骤。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
1)通过重塑土的物理参数相似性，有针对性模拟工程场地工程地质和水文地质条件。
2)通过预埋构件及其在模拟地层中的相对位置变化实现盾构施工过程相似模拟。
3)通过有代表性的注浆模拟***，模拟同步注浆施工参数(浆液相似比、注浆孔位、注浆量及其压力，通过同步注浆，及时有效填充盾尾环状空隙，防控地层变形、提高隧道抗渗性、保证管片衬砌早期稳定性、降低隧道椭圆度，从而提高盾构隧道结构稳定性、减少施工的环境扰动影响。
4)通过电阻应变式位移传感***、阵列式微型压力传感***结合渗透扩散理论模型，实现地表竖向位移、环形空隙充填状态、浆液渗透距离的实验测定与评价。
5)采用本专利试验***和方法，可有效模拟任意软土地层条件、隧道几何尺度、施工开挖过程和同步注浆参数，实时获取试验模型地表位移、管环壁后压力，并通过相似换算获得工程实际的技术指标值。融合浆液渗透扩散理论模型，即可预测实际工程同步注浆浆液渗透距离及其空间分布。
附图说明
图1为根据本发明的盾构隧道同步注浆相似模型试验***及其方法的壁后注浆试验***示意图；
图2为根据本发明的盾构隧道同步注浆相似模型试验***及其方法的盾尾空间的模拟；
图3为根据本发明的盾构隧道同步注浆相似模型试验***及其方法的变形与体积扩散复合叠加模型；
图4为根据本发明的盾构隧道同步注浆相似模型试验***及其方法的模拟注浆试验实施流程。
图中：10.第一连接管道；20.钢管；30.第一密封组件；40.第二密封组件；41.气泵；42.第一充气管；43.第二充气管；45.固定杆；46.端板；47.挡板；48.密封圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-4，一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，包括：试验箱10、连接于所述试验箱10顶面的数据采集***20、贯穿试验箱10的施工模拟***30、与所述施工模拟***30连通的注浆***40及用于推动施工模拟***30的推进***50，所述试验箱10中放置有砂砾土；
所述推进***50包括液压式千斤顶及与所述液压式千斤顶一端固接的反力架，所述反力架固定于底面上；
所述施工模拟***30包括预埋试验箱10中的第一长管道32及与所述第一长管道32套接的第二短管道31，所述第二短管道31一端面与所述液压式千斤顶相接触；
所述数据采集***20包括静态应变仪及与所述静态应变仪连接的位移检测传感器与微型压力传感器，所述静态应变仪信号连接有计算机，所述位检测传感器沿试验箱10竖直方向设置有若干个，所述微型压力传感器沿所述第一长管道32外周一圈均匀分布若干个，形成一阵列式压力检测传感***；
所述注浆***40包括压力泵、与所述压力泵连接的注浆筒与注浆管道，所述注浆管道包括主管道及所述主管道连通的分管道，所述分管道连接于所述第一长管道32中。
进一步的，所述试验箱10为厚度15mm的有机玻璃，通过玻璃的透明性，可以观察该试验箱10中的浆液的运动、充填和分布状态。
进一步的，所述第一长管道32的直径为第一直径值，所述第二短管道31的直径为第二直径值，所述第一直径值大于所述第二直径值，当所述第二短管道31插接于所述第一长管道32内时，所述第二短管道31的外表面与所述第一长管道32内表面之间形成一管环，所述管环用以模拟现场施工盾尾脱出后的环状空隙。
一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，包括以下步骤：
S1、制定同步注浆模型试验方案，确定相似模型与参数、浆液的类型及注浆参数，根据制定的实验模型购买仪器与材料；
S2、构建试验***，所述试验***包括地层模拟***、推进***50、注浆***40及数据采集***20，采集相关的数据；
S3、测定参数，所述参数包括模型端勾位置、注浆压力计注浆量、地表竖向位移及浆液渗透距离；
S4、最后对试验结果进行分析。
进一步的，所述步骤S2还包括以下步骤：
S21、安置好试验箱10，将试验箱10中加入砂砾土，将砂砾土经过筛分后才加入到箱体内，使得箱内的土样分布均匀一致，其中每添加完一层后都要经过压密以利其固结，当添加完第二层土后，将贯穿整个箱体的所述第一长管道32***箱体之中，注水并静置48h使其饱和；
S22、在距离箱体中央断面上布置等距离的n个位移检测传感器，在注浆***40处布置一个测力***来量测注浆的压力，将位移检测传感器的信号经过转换后接入计算机中；
S23、将所述第一长管道32上安装好微型压力传感器，布置好注浆***40，将制备好的浆液装入注浆桶内，并将管道连结好；
S24、将将带有注浆孔的所述第二短管道31的管片用不锈钢套环接到所述第一长管道32上，在所述第二短管道31后侧接入所述液压千斤顶并将该液压千斤顶布置好，启动千斤顶推进所述第二短管道31，同时注浆桶内的活塞开始推进，进行同步注浆，此时，启动数据采集***20，按设定的采集频率开始采集数据，直到试验完成；
S25、将第一个所述第二短管道31的管推进完毕后，接入一个不带注浆孔的所述第二短管道31，同上步骤推进，注浆同步进行，推进完毕后重复上述步骤。
具体的，相似模拟***概念性设计包括：
1、模型相似性设计
相似常数是原型与模型间相同物理量之比。模型试验所涉及到的基本相似参数为：
①几何相似常数
Cl＝lp/lm (1)
②材料(土、地下连续墙、盾构管片等)密度相似常数
Cρ＝ρp/ρm (2)
③材料(土、地下连续墙、盾构管片等)弹性模量相似常数
CE＝Ep/Em (3)
④材料泊松比相似常数
Cv＝vp/vm (4)
式中：C表示常数，p表示原型，m表示模型。
2、充填状态及渗透距离计算
假定模型各部分相互影响可以忽略不计，根据叠加原理，表征单元体注浆体积增量可表达为式(5)。
ΔU＝ΔUrel+ΔUgrou+ΔUss (5)
式中
ΔUss＝ηssSavg(当量扩散距离)。式(5)可表达为：
表征单元体注浆增量为
式中，Ac为表征单元体断面积，ss为土体孔隙率，Savg为注浆浆液平均渗透距离。
ΔUss＝ηssSavg为模拟注浆渗透扩散距离。
这里说明的设备数量和处理规模用来简化本发明的说明，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种盾构隧道同步注浆相似模型试验***，其特征在于，包括：
试验箱(10)、连接于所述试验箱(10)顶面的数据采集***(20)、贯穿试验箱(10)的施工模拟***(30)、与所述施工模拟***(30)连通的注浆***(40)及用于推动施工模拟***(30)的推进***(50)，所述试验箱(10)中放置有砂砾土；
所述推进***(50)包括液压式千斤顶及与所述液压式千斤顶一端固接的反力架，所述反力架固定于底面上；
所述施工模拟***(30)包括预埋试验箱(10)中的第一长管道(32)及与所述第一长管道(32)套接的第二短管道(31)，所述第二短管道(31)一端面与所述液压式千斤顶相接触；
所述数据采集***(20)包括静态应变仪及与所述静态应变仪连接的位移检测传感器与微型压力传感器，所述静态应变仪信号连接有计算机，所述位移检测传感器沿试验箱(10)竖直方向设置有若干个，所述微型压力传感器沿所述第一长管道32外周一圈均匀分布若干个，形成一阵列式压力检测传感***；
所述注浆***(40)包括压力泵、与所述压力泵连接的注浆筒与注浆管道，所述注浆管道包括主管道及所述主管道连通的分管道，所述分管道连接于所述第一长管道32中。
2.如权利要求1所述的一种盾构隧道同步注浆相似模型试验***，其特征在于，所述试验箱(10)为厚度15mm的有机玻璃。
3.如权利要求1所述的一种盾构隧道同步注浆相似模型试验***，其特征在于，所述第一长管道(32)的直径为第一直径值，所述第二短管道(31)的直径为第二直径值，所述第一直径值大于所述第二直径值，当所述第二短管道(31)插接于所述第一长管道(32)内时，所述第二短管道(31)的外表面与所述第一长管道(32)内表面之间形成一管环。
4.如权利要求1所述的一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制定同步注浆模型试验方案，确定相似模型与参数、浆液的类型及注浆参数，根据制定的实验模型购买仪器与材料；
S2、构建试验***，所述试验***包括地层模拟***、推进***(50)、注浆***(40)及数据采集***(20)，采集相关的数据；
S3、测定参数，所述参数包括模型端勾位置、注浆压力计注浆量、地表竖向位移及浆液渗透距离；
S4、对试验结果进行分析。
5.如权利要求4所述的一种盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：
S21、安置好试验箱(10)，将试验箱(10)中加入砂砾土，将砂砾土经过筛分后才加入到箱体内，使得箱内的土样分布均匀一致，其中每添加完一层后都要经过压密以利其固结，当添加完第二层土后，将贯穿整个箱体的所述第一长管道(32)***箱体之中，注水并静置48h使其饱和；
S22、在距离箱体中央断面上布置等距离的n个位移检测传感器，在注浆***(40)处布置一个测力***来量测注浆的压力，将位移检测传感器的信号经过转换后接入计算机中；
S23、将所述第一长管道(32)上安装好微型压力传感器，布置好注浆***(40)，将制备好的浆液装入注浆桶内，并将管道连结好；
S24、将带有注浆孔的所述第二短管道(31)的管片用不锈钢套环接到所述第一长管道(32)上，在所述第二短管道(31)后侧接入所述液压千斤顶并将该液压千斤顶布置好，启动千斤顶推进所述第二短管道(31)，同时注浆桶内的活塞开始推进，进行同步注浆，此时，启动数据采集***(20)，按设定的采集频率开始采集数据，直到试验完成；
S25、将第一个所述第二短管道(31)的管推进完毕后，接入一个不带注浆孔的所述第二短管道(31)，同上步骤推进，注浆同步进行，推进完毕后重复上述步骤。
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