CN113791068A - 一种隧道底部连续注浆抬升模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，包括试验箱***、注浆***及数据监测分析***，所述试验箱***包括模型试验箱、模型隧道，所述注浆***，包括空气压缩机、注浆罐、注浆杆、注浆袋，所述数据监测分析***包括隧道位移监测***及土压力监测***。本室内模型试验相较于单孔注浆，更贴近真实工况；在注浆工艺上，通过设置的多个注浆孔，实现“一箱多用”的功能；监测设备采用低相干干涉光纤技术，具有高精度、测量范围大等优点，能够测得精确数据，有利于结论的推导。
Description
技术领域
本申请涉及岩土与地下工程试验领域，尤其涉及一种隧道底部连续注浆抬升模型试验装置。
背景技术
随着城市化进程的进行，越来越多的隧道由于种种原因发生局部变形和沉降，对隧道的结构和运营产生较大威胁。目前控制隧道沉降的方法主要是注浆，在实际工程中，对隧道变形的纠偏多采用多孔连续注浆进行抬升，如深圳地铁1号线鲤鱼门-前海湾区间的上行线盾构隧道工程的竖向注浆纠偏。
但是目前关于隧道注浆抬升的模型试验的研究较少，如专利CN104655803A所示的一种隧道注浆模型试验装置，虽然为多孔注浆模式，但是没有隧道模型，目的并不是为了研究隧道抬升，而且试验过程比较复杂，操作不易。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的模拟隧道底部连续注浆的模型试验装置。
低相干干涉(LCI)技术是基于Michelson原理，利用光的干涉特性进行位移量的监测，当传感光纤所受的应变、温度变化时，传感光纤的光程发生相应的变化。LCI作为一种新型准分布式的监测技术，近年来由于其具有高精度、测量范围大、抗电磁干扰、适用于工程恶劣环境等优点，正逐步应用于隧道变形监测方面。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，包括试验箱***、注浆***及数据监测分析***；
所述试验箱***包括模型试验箱、模型隧道，模型试验箱分为前面、后面、左面、右面及底面五部分，其中前面以及后面相对设有圆孔，圆孔的圆心在同一高度，圆孔半径相同且与模型隧道外径相同，侧面设置有至少一个注浆孔，用以放置注浆杆，箱内铺设有模型土，所述模型隧道为筒状结构，其两端穿过模型试验箱前面及后面的圆孔并固定在模型试验箱上；
所述注浆***，包括空气压缩机、注浆罐、注浆杆、注浆袋，其中压缩机与注浆罐之间通过第一软管连接，注浆罐与注浆杆之间通过第二软管连接，注浆杆端部固定有注浆袋，注浆罐盛装浆液，利用空气压缩机提供注浆压力，将注浆罐中的浆液通过注浆管路注入到模型箱***中的土体中，空气压缩机与注浆罐之间设置调压阀，注浆罐与注浆杆之间设置有总阀门以及分阀门，用以控制浆液的流向，注浆罐和总阀门之间设置有压力表，用以监测真实注浆的压力值，注浆***可以根据分阀门打开的数量实现同步注浆和分序注浆；
所述数据监测分析***包括隧道位移监测***及土压力监测***，其中所述隧道位移监测***包括LCI光纤、光纤低相干干涉解调仪、数据采集卡及计算机，所述土压力监测***包括土压力盒、压力盒集线路、计算机，其中土压力盒布置于模型隧道和注浆杆端部之间。
进一步的，所述模型隧道采用一体化筒状结构，材料为PC塑料，用螺栓固定在模型试验箱上。
进一步的，所述模型试验箱由五块有机玻璃板拼接组成，四个边分别用钢框架加以固定。
进一步的，所述模型土的质量配比为：高岭土40％、膨润土20％、黄土30％、河砂10％。
进一步的，所述总阀门及分阀门的连接通过铜球阀实现，用于控制浆液的注入与停止。
进一步的，所述LCI光纤布置在模型隧道上，分为监测LCI光纤和温度补偿光纤，其中，监测LCI光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道上。
进一步的，所述监测LCI光纤分为纵向布置光纤和环向布置光纤，其中纵向布置光纤布置在模型隧道内部底部，环向布置光纤布置在模型隧道外部，环向部分之间有一定间隔，彼此之间通过纵向光纤进行串联。
进一步的，所述温度补偿光纤不需要拉紧处理，通过环氧树脂胶平行布置在底部纵向部分旁边，保持零应变状态。
进一步的，所述土压力盒数量与注浆杆数量一致，经外部的压力盒集线器与计算机连接，配合JC-4A软件测试***进行数据采集，得到土压力时程曲线。
本申请的模型试验相较于单孔注浆，更贴近真实工况；在注浆工艺上，通过设置的多个注浆孔，实现“一箱多用”的功能；在监测精度上，试验采用低相干干涉技术，具有高精度、测量范围大优点，能够测得精确数据，有利于结论的推导。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本申请一个实施例的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置的透视图；
图2示出根据本申请一个实施例的模型隧道上的光纤布置图；
图3示出根据本申请一个实施例的隧道底部连续注浆抬升模型试验流程图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件，包括：
1、模型试验箱；2、模型隧道；3、模型土；4、光纤低相干白光干涉解调仪；5、计算机；6、压力盒集线器；7、注浆罐；8、钢框架；9、空气压缩机；10、电子秤；11、调压阀；12、总阀门；13、分阀门；14、压力表；15、注浆杆；16、土压力盒；17、LCI光纤；18、数据采集卡；19、注浆袋；20、第一注浆软管；21、第二注浆软管；22、纵向布置光纤；23、温度补偿光纤；24、环向布置光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
图1示出根据本申请一个实施例的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置的透视图，图2示出根据本申请一个实施例的模型隧道上的光纤布置图。
根据本发明的一实施例，隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述试验装置包括试验箱***、注浆***及数据监测分析***；
所述试验箱***包括模型试验箱、模型隧道，模型试验箱分为前面、后面、左面、右面及底面五部分，其中前面以及后面相对设有圆孔，圆孔的圆心在同一高度，圆孔半径相同且与模型隧道外径相同，侧面设置有多个注浆孔，用以放置注浆杆，箱内铺设有模型土，所述模型隧道为筒状结构，其两端穿过模型试验箱前面及后面的圆孔并固定在模型试验箱上；
所述注浆***，包括空气压缩机、注浆罐、注浆杆、注浆袋，其中压缩机与注浆罐之间通过第一软管连接，注浆罐与注浆杆之间通过第二软管连接，注浆杆端部固定有注浆袋，注浆罐盛装浆液，利用空气压缩机提供注浆压力，将注浆罐中的浆液通过注浆管路注入到模型箱***中的土体中，所述空气压缩机与注浆罐之间设置调压阀，注浆罐与注浆杆之间设置有总阀门以及分阀门，用以控制浆液的流向，注浆罐和总阀门之间设置有压力表，用以监测真实注浆的压力值，注浆***可以根据分阀门打开的数量实现同步注浆和分序注浆；
所述数据监测分析***包括隧道位移监测***及土压力监测***，其中所述隧道位移监测***包括LCI光纤、光纤低相干干涉解调仪、数据采集卡及计算机，所述土压力监测***包括土压力盒、压力盒集线路、计算机，其中土压力盒布置于模型隧道和注浆杆端部之间。
根据本发明的一实施例，所述模型隧道采用一体化筒状结构，材料为PC塑料，用螺栓固定在模型试验箱上。
根据本发明的一实施例，所述模型试验箱由五块有机玻璃板拼接组成，四个边分别用钢框架加以固定。
根据本发明的一实施例，所述模型土的质量配比为：高岭土40％、膨润土20％、黄土30％、河砂10％。
根据本发明的一实施例，所述总阀门及分阀门的连接通过铜球阀实现，用于控制浆液的注入与停止。
根据本发明的一实施例，所述LCI光纤布置在模型隧道上，分为监测LCI光纤和温度补偿光纤，其中，监测LCI光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道上。
根据本发明的一实施例，所述监测LCI光纤分为纵向布置光纤和环向布置光纤，其中纵向布置光纤布置在模型隧道内部底部，环向布置光纤布置在模型隧道外部，环向部分之间有一定间隔，彼此之间通过纵向光纤进行串联。
根据本发明的一实施例，所述温度补偿光纤不需要拉紧处理，通过环氧树脂胶平行布置在底部纵向部分旁边，试验过程中保持零应变状态。
根据本发明的一实施例，所述土压力盒数量与注浆杆数量一致，经外部的压力盒集线器与计算机连接，配合JC-4A软件测试***进行数据采集，得到土压力时程曲线。
具体的，将实际隧道的外径(6m)缩小30倍，取模型隧道3外径为200mm。
如图1，本发明模型试验装置包括试验箱***、注浆***及数据监测分析***。在试验箱***中，模型试验箱1外形呈长方形，内部空间尺寸长宽高分别为2.0m、1.0m、1.6m，由5个厚度为20mm的有机玻璃板组装而成，四个边用钢框架8固定住，前面及后面同一水平位置上有开孔，用来放置模型隧道，开孔半径与模型隧道2外径相同，右侧水平位置方向等间距分布有五个开孔，之间的距离为15cm—25cm，等距离分布，图中示意为三个开孔；模型隧道为一体化筒状结构，厚度为2.5mm，模型隧道长度2为2.0m；模型隧道2距离模型试验箱1左右两侧距离为400mm，距离上方模型土3顶面为400mm，距离下方注浆袋19距离根据试验方案具体设定，放置于所述模型土3中，两端固定在模型试验箱开孔1上。
模型隧道2的材料为PC塑料，模型土3的材料配比为：高岭土40％、膨润土20％、黄土(烘干过0.5mm筛)30％、河砂(淘洗过0.5mm筛)10％，模型隧道2和模型土3的性质及尺寸均满足相似原理。
如图1所示，在注浆***中，包括空气压缩机9、注浆罐7、注浆杆15、注浆袋19、注浆软管、电子秤10、调压阀11、压力表14、总阀门12及分阀门13；注浆***主要原理为：注浆罐7盛装浆液，利用空气压缩机9提供注浆压力，将注浆罐7中的浆液通过注浆管路注入到模型箱***中的土体中，其中，空气压缩机9通过第一注浆软管20连接置于电子秤10上的注浆罐7，注浆罐7里面的浆液通过第二注浆软管21连接位于模型试验箱1内的注浆杆15；具体的，空气压缩机9与注浆罐7之间设置调压阀11，注浆罐7与注浆杆15之间设置有总阀门11、各分阀门13，用以控制浆液的流向，注浆罐7和总阀门12之间设置有压力表14，用以监测真实注浆的压力值，注浆杆15端部固定有注浆袋19，用以精确控制浆液实际注入量。
总阀门12及分阀门13的连接通过铜球阀实现，用于控制浆液注入与停止；压力表14为数显式压力表，可用于测量注浆压力值，量程范围0-1MPa；电子秤10用于称量试验过程中注浆罐7及其所盛浆液的质量变化；注浆杆15的角度可以调节，用于调整注浆袋19与模型隧道2底部的距离。
如图1所示，在数据监测分析***，包括两部分：隧道位移监测***及土压力监测***，其中所述隧道位移监测***包括LCI光纤17、数据采集卡18、光纤低相干白光干涉解调仪4及计算机5，所述土压力监测***包括土压力盒16、压力盒集线路6、计算机5三部分；具体的连接方式为：布置在隧道上的LCI光纤17通过光纤低相干白光干涉解调仪4连接到数据采集卡18上，采集到的数据传输到计算机5上进行处理；布置在模型隧道2和注浆杆15之间的多个土压力盒16接入JC-4A静态应变仪上，再接入计算机5实时采集应变值。
如图2所示，LCI光纤分为监测LCI光纤和温度补偿光纤23，其中，监测LCI光纤分为纵向布置光纤22和环向布置光纤24，其中纵向布置光纤22布置在模型隧道2内部底部，环向布置光纤24布置在模型隧道2外部，环向部分之间有一定间隔，彼此之间通过纵向的光纤进行串联，监测LCI光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道3上；温度补偿光纤23不需要拉紧处理，通过环氧树脂胶平行布置在底部纵向部分旁边，试验过程中保持其零应变。
图3示出根据本申请一个实施例的隧道底部注浆连续抬升模型试验流程图。
如图3流程图所示，一种隧道底部注浆连续抬升模型试验方法，所述方法包括：
步骤一：组装装置：
将五块有机玻璃按照对应的顺序拼接起来，四个边用钢框架固定住，在箱体内侧刷润滑油，用以减小边界效应。
步骤二：准备材料：
配制试验所需的土样以及浆液，将浆液倒入注浆罐7内，同时将注浆罐7盖子安装上，紧固螺栓；将LCI光纤17按照设计布置在模型隧道2上；
步骤三：连接注浆管路：
使用第一注浆软管20连接空气压缩机9和注浆罐7、第二注浆软管21连接注浆罐7和试验箱***，在试验过程中分层装入土体，每层振捣密实，并进行凿毛处理，待土体布置到注浆杆15预埋位置时，按试验设计要求布置注浆杆15，要求端部注浆袋19水平放置于模型土3上；
步骤四：布设测量仪器：
在装入土体的过程中，提前按试验设计埋入土压力盒16，将土压力盒16接入JC-4A静态应变仪上，再接入计算机5实时采集应变值；将LCI光纤17通过接入光纤低相干白光干涉解调仪4，连接数据采集卡19，进而接入计算机5采集处理数据；试验过程中实时记录数显压力表和电子秤10读数，来分别采集注浆压力和注浆量的数据；
步骤五：开始注浆：
在正式注浆总阀门12打开前，所有测量仪器和计算机5要提前打开，确保读数有效，通过预留的多个注浆孔向模型试验箱1中注浆；
以三孔或多孔注浆示例：利用三个注浆孔或更多进行注浆，控制每一个注浆孔的分阀门13可以同时打开与关闭(同步注浆)，也可以按试验设计的要求依次打开与关闭(分序注浆)。
步骤六：结束注浆：
当浆液按照设计要求完全被注入土体，则结束注浆。
步骤七：后期分析：
注浆结束后一段时间，待浆液凝固后，开挖土体，使用量尺对浆脉进行尺寸测量；对收集的数据进行数据处理，得出注浆过程中模型隧道2及模型土3的受力和变形情况。
注浆的方法包括单孔注浆、双孔注浆、多孔注浆、一次注浆、间歇注浆、同步注浆、水平注浆、竖直注浆等。
在试验过程中，应当注意避免较大的扰动，以免引起光纤的不稳定，影响试验监测结果。
本发明的有益效果主要是：
一、本模型的试验方案更贴近真实工况中多注浆杆注浆对隧道进行连续抬升，相较于单孔注浆，其模型理念能够更加贴合实际，得出的结论更具有普适性，可为工程实际操作中提供良好的咨询与建议，对相关理论研究验证和制定相关标准等方面提供一定参考意义。
二、在注浆工艺上，通过设置的5个注浆孔，实现了单孔注浆、双孔注浆、多孔注浆，一次注浆、间歇注浆等多种注浆工况；通过调节注浆压力，实现不同压力等级下注浆；通过调节浆液类型、实现模拟不同注浆材料，实现“一箱多用”的功能。
三、监测设备采用光纤LCI光纤，这种新兴技术具有高精度、全分布的优点，能够测得精确数据，较为全面的反应注浆对隧道变形的影响，有利于结论的推导。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (9)
1.一种隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述试验装置包括试验箱***、注浆***及数据监测分析***；
所述试验箱***包括模型试验箱、模型隧道，模型试验箱分为前面、后面、左面、右面及底面五部分，其中前面以及后面相对设有圆孔，圆孔的圆心在同一高度，圆孔半径相同且与模型隧道外径相同，侧面设置有多个注浆孔，用以放置注浆杆，箱内铺设有模型土，所述模型隧道为筒状结构，其两端穿过模型试验箱正面及后面的圆孔并固定在模型试验箱上；
所述注浆***，包括空气压缩机、注浆罐、注浆杆、注浆袋，其中压缩机与注浆罐之间通过第一软管连接，注浆罐与注浆杆之间通过第二软管连接，注浆杆端部固定有注浆袋，注浆罐盛装浆液，利用空气压缩机提供注浆压力，将注浆罐中的浆液通过注浆管路注入到模型箱***中的土体中，其中，空气压缩机与注浆罐之间设置调压阀，注浆罐与注浆杆之间设置有总阀门以及分阀门，用以控制浆液的流向，注浆罐和总阀门之间设置有压力表，用以监测真实注浆的压力值，注浆***可以根据分阀门打开的数量实现同步注浆和分序注浆；
所述数据监测分析***包括隧道位移监测***及土压力监测***，其中所述隧道位移监测***包括LCI传感光纤、光纤低相干干涉解调仪、数据采集卡及计算机，所述土压力监测***包括土压力盒、压力盒集线路、计算机，其中土压力盒布置于模型隧道和注浆杆端部之间。
2.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述模型隧道采用一体化筒状结构，材料为PC塑料，用螺栓固定在模型试验箱上。
3.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述模型试验箱由五块有机玻璃板拼接组成，四个边分别用钢框架加以固定。
4.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述模型土的质量配比为：高岭土40％、膨润土20％、黄土30％、河砂10％。
5.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述总阀门及分阀门的连接通过铜球阀实现，用于控制浆液的注入与停止。
6.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述LCI光纤布置在模型隧道上，分为监测LCI光纤和温度补偿光纤，其中，监测LCI光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道上。
7.根据权利要求7所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述监测LCI光纤分为纵向布置光纤和环向布置光纤，其中纵向布置光纤布置在模型隧道内部底部，环向布置光纤布置在模型隧道外部，环向部分之间有一定间隔，彼此之间通过纵向光纤进行串联。
8.根据权利要求7所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述温度补偿光纤不需要拉紧处理，通过环氧树脂胶平行布置在底部纵向部分旁边，保持零应变状态。
9.根据权利要求1所述的隧道底部连续注浆抬升模型试验装置，其特征在于，所述土压力盒数量与注浆杆数量一致，经外部的压力盒集线器与计算机连接，配合JC-4A软件测试***进行数据采集，得到土压力时程曲线。
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