CN116067845A - 一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法，包括：注浆装置和注水装置分别通过压力控制阀和水压控制阀调节注浆压力和注水速度；试验装置内，试验箱体装载土体介质，土体介质中放置衬砌，在试验箱体连接注水装置和注浆装置；根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图，进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟，以及动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。结合衬砌压力和实时浆液扩散点云图，实现注浆浆液可视化模拟和衬砌所受压力的动态检测。

Description

一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及注浆模拟试验技术领域，特别是涉及一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在地下工程中可能会遇到不同地质灾害，如突水突泥、断层等不良地质灾害。注浆是地下工程常见的地质改良方法，可以增大土体承载力，有效解决突涌水灾害，但是由于注浆过程的隐蔽性，浆液在地下扩散的过程以及浆液的渗透程度不能够被掌握，在实际工程应用中无法得出准确的结果。

注浆过程中，土体产生挤压，从而给构筑物产生一定的压力，可能会引起地下构筑物变形、偏位，严重情况可能导致地下构筑物破坏；为了保护构筑物安全，现场施工采用隔断法、土体加固、基础托换或加固构筑物。现有研究采用数值模拟方法研究注浆对地下构筑物影响，但是很少涉及注浆对地下构筑物影响实时监测。

注浆封堵是一个复杂隐蔽的工程，浆液注入土体后的扩散过程和规律难以直接观察，同时地下深部土体、岩体结构复杂，也无法准确得到浆液对地层中的衬砌的影响，对注浆效果评估较为繁琐，给注浆设计和施工带来一定难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法，提出地下既有构筑物的注浆浆液扩散的模拟方法及动水条件下的注浆浆液扩散的模拟方法，结合衬砌压力和实时浆液扩散点云图，实现注浆浆液可视化模拟和衬砌所受压力的动态检测，检测浆液在土体介质中的扩散情况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，包括：注浆装置、注水装置、试验装置、数据获取装置和数据分析装置；

所述注浆装置和注水装置均与实验装置连接，并分别通过压力控制阀和水压控制阀调节注浆压力和注水速度；

所述试验装置包括试验箱体、土体介质、衬砌和控压箱；试验箱体内装载土体介质，土体介质中放置用于模拟地下既有构筑物的衬砌，在试验箱体的两侧设有控压箱，其中一侧的控压箱连接注水装置，在试验箱体的顶部连接注浆装置；

所述数据获取装置用于采集不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图；

所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图，进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟，以及动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

作为可选择的实施方式，所述注浆装置包括注浆机，所述注浆机通过注浆管与试验箱体连接，在试验箱体的顶部预留注浆圆孔，注浆管通过注浆圆孔***土体介质中；所述注浆机上设有压力控制阀，以通过压力控制阀调节注浆压力。

作为可选择的实施方式，所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力下的衬砌压力和浆液扩散图，得到不同注浆压力下的衬砌压力-时间图像和浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟。

作为可选择的实施方式，在衬砌表面设有压力传感器，用于采集注浆时的衬砌压力。

作为可选择的实施方式，所述注水装置包括水箱，所述水箱通过注水管连接试验装置，在注水管上设有水压控制阀，以通过水压控制阀控制注水速度。

作为可选择的实施方式，在试验箱体的两侧设有孔洞，且在试验箱体的两侧连接控压箱，其中一侧的控压箱通过注水管连接水箱，在连接水箱一侧的控压箱和试验箱体之间设有挡水板。

作为可选择的实施方式，通过水压控制阀控制注水速度，使水箱中的水输送至一侧的控压箱，当一侧的控压箱注满水后，抽出挡水板，使水通过孔洞渗透进土体介质中，直至水从另一侧的控压箱流出，以模拟动水条件下的注浆浆液扩散情况。

作为可选择的实施方式，所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的浆液扩散图，得到不同注水速度下的浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

第二方面，本发明提供一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，采用第一方面所述的试验装置，包括：

通过压力控制阀调节注浆压力，并在注浆压力下将预先配置的浆液通过注浆管注入到土体介质中；

在土体介质中，浆液扩散并挤密土体以对衬砌产生压力，由压力传感器采集衬砌压力，并采用扫描仪得到不同时刻的浆液扩散图；

根据不同时刻、不同注浆压力下的衬砌压力和浆液扩散图，得到不同注浆压力下的衬砌压力-时间图像和浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟。

第三方面，本发明提供一种动水条件下地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，采用第一方面所述的试验装置，包括：

通过水压控制阀控制注水速度，使水箱中的水输送至一侧的控压箱，当一侧的控压箱注满水后，抽出挡水板，使水通过孔洞渗透进土体介质中，直至水从另一侧的控压箱流出，以模拟动水地层；

通过压力控制阀调节注浆压力，并在注浆压力下将预先配置的浆液通过注浆管注入到动水地层中；

采用扫描仪得到不同时刻的浆液扩散图；

根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的浆液扩散图，得到不同注水速度下的浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，提出地下既有构筑物的注浆浆液扩散模拟方法及动水条件下的注浆浆液扩散模拟方法，结合衬砌压力和实时浆液扩散点云图，实现注浆浆液可视化模拟和衬砌所受压力的动态检测，检测浆液在土体介质中的扩散情况，为注浆工程提供一定思路。

本发明提出一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法，在注浆过程中，根据衬砌周围的压力传感器数据变化，得到注浆压力对土体衬砌的影响，且通过实时采集衬砌压力，利用衬砌压力和浆液扩散点云图，呈现浆液扩散动态模拟。

本发明提出一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置及方法，实现动水条件下注浆的可视化，实时记录分析浆液扩散行为，实现动水注浆浆液动态模拟。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的试验装置示意图；

图2为本发明实施例2提供的地下既有构筑物的注浆浆液扩散模拟方法流程图；

图3为本发明实施例3提供的动水条件下的注浆浆液扩散模拟方法流程图；

其中，1、注浆机；2、注浆管；3、压力控制阀；4、试验箱体；5、注浆圆孔；6、土体介质；7、衬砌；8、压力传感器；9、水箱；10、水压控制阀；11、注水管；12、控压箱；13、3D扫描仪；14、数据分析装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，模拟注浆对地下既有构筑物和在动水条件下注浆的过程，以观察浆液对衬砌的影响，以此评估注浆的效果，为现场注浆工程提供新的思路。如图1所示，具体包括：注浆装置、注水装置、试验装置、数据获取装置和数据分析装置；

所述注浆装置和注水装置均与实验装置连接，并分别通过压力控制阀和水压控制阀调节注浆压力和注水速度；

所述试验装置包括试验箱体、土体介质、衬砌和控压箱；试验箱体内装载土体介质，土体介质中放置用于模拟地下既有构筑物的衬砌，在试验箱体的两侧设有控压箱，其中一侧的控压箱连接注水装置，在试验箱体的顶部连接注浆装置；

所述数据获取装置用于采集不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图；

所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图，进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟，以及动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

在本实施例中，所述注浆装置包括注浆机1、注浆管2和压力控制阀3；所述注浆机1与注浆管2连接，所述注浆管2与试验装置连接，在注浆机1上设有压力控制阀3，以将浆液以稳定的压力通过注浆管2注入试验装置中；

所述注浆装置通过注浆机1制作、储存和注入试验装置所需浆液，通过压力控制阀3控制注浆压力，从而实现稳定压力注浆。

在本实施例中，所述注水装置包括水箱9、水压控制阀10和注水管11；所述水箱9通过注水管11连接至试验装置中，在注水管11上设有水压控制阀10，以控制注水速度，调节水压大小。

在本实施例中，所述试验装置包括试验箱体4、土体介质6、衬砌7和控压箱12；

所述试验箱体4内装载土体介质6，试验箱体4作为承载装置完成对土体介质6注浆过程的模拟；

在土体介质6中放置衬砌7，用于模拟地下既有构筑物；

在试验箱体4的左右两侧设有均匀分布的微小孔洞，可透过水且不易损坏，且在试验箱体4的左右两侧连接控压箱12，试验箱体4一侧的控压箱12通过注水管11连接水箱9，在该侧控压箱12和试验箱体4之间设有挡水板；

水箱9通过水压控制阀10控制水压大小，从而控制进入控压箱12中的水压大小，当与水箱9连接的一侧的控压箱12注满水后，水流达到稳定状态，抽出挡水板，使水均匀稳定渗透进土体介质6中，直至水流持续且稳定地从另一侧的控压箱12流出，以模拟不同动水状态下注浆浆液扩散分布情况。

作为可选择的一种实施方式，在衬砌7表面设有压力传感器8，用于检测衬砌7受到的压力。

作为可选择的一种实施方式，在试验箱体4的顶部预留注浆圆孔5，注浆管2的下端通过注浆圆孔5***土体介质6中。

作为可选择的一种实施方式，所述注浆管2的上端位于试验箱体4的顶部。

作为可选择的一种实施方式，所述试验箱体4由透明薄亚克力板制成，有良好的表面硬度与光泽，箱体极薄，能够承受较大注浆压力。

在本实施例中，所述数据获取装置包括压力传感器8和3D扫描仪13，用于分别实时获取不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图，并将数据实时传输至数据分析装置14中。

在本实施例中，通过控制水压控制阀10和压力控制阀3的压力，改变注浆压力和注水速度。

在本实施例中，所述数据分析装置14与压力传感器8通过蓝牙相连，压力传感器8将获取到的衬砌压力通过蓝牙传输至数据分析装置14；

所述数据分析装置14与3D扫描仪13通过数据线连接，用于加载并同步3D扫描仪13实时获取的浆液扩散图，以此得到浆液扩散点云图。

在本实施例中，所述数据分析装置14包括压力数据处理模块和点云数据处理模块，用于分别处理不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散点云图；

根据不同时刻、不同注浆压力下的衬砌压力和浆液扩散点云图，得到不同注浆压力下的衬砌压力-时间图像以及浆液位置-时间-三维坐标图像，以模拟不同注浆压力下的浆液扩散情况；

根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散点云图，得到不同注水速度下的浆液位置-时间-三维坐标图像，以模拟动水条件下不同水流速度下的浆液扩散情况。

实施例2

本实施例提供一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，具体是地下既有构筑物的注浆浆液扩散模拟方法，采用实施例1所述的试验装置，如图2所示，具体包括如下步骤：

(1)根据现场试验所得的浆液配比等参数，利用注浆机1制作所需浆液，并通过注浆机1中的压力控制阀3以预设的注浆压力通过注浆管2注入土体介质6中。

(2)浆液在土体介质6中扩散，挤密土体并对土体介质6中的衬砌7产生一定的压力，衬砌7周围的压力传感器8采集实时的衬砌压力，并通过蓝牙上传至数据分析装置14。

(3)用3D扫描仪13对不同时刻的浆液扩散形态进行扫描得到浆液扩散图，并上传至数据分析装置14。

(4)数据分析装置14根据不同注浆时刻、不同注浆压力下的衬砌压力，绘制衬砌压力-时间图像，得到浆液对衬砌7的影响；根据浆液扩散图，绘制浆液位置-时间-三维坐标图像，得到不同时刻浆液的扩散范围。

在本实施例中，通过调节压力控制阀3的压力，改变注浆压力，重复步骤(1)～(3)，根据步骤(2)采集到的衬砌压力绘制衬砌压力-时间图像，根据步骤(3)采集到的浆液扩散图绘制浆液位置-时间-三维坐标图像，从而对不同注浆压力、不同时刻下的浆液扩散进行模拟分析，为注浆工程提供一定思路。

实施例3

本实施例提供一种动水条件下地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，采用实施例1所述的试验装置，如图3所示，具体包括如下步骤：

(1)通过调节水压控制阀10，使水箱9中的水以稳定压力输送至控压箱12，当水充满控压箱12时，水流达到稳定状态，抽出挡水板，使水介质均匀稳定渗透进土体介质6中，当水流持续且稳定地从另一侧的控压箱12流出时，可进行下一步操作，以此来模拟稳定的动水地层条件。

(2)根据现场试验所得的浆液配比等参数，利用注浆机1制作试验所需的浆液，制作好的浆液通过注浆机1中的压力控制阀3以预设的注浆压力通过注浆管2注入到步骤(1)生成的稳定动水地层中。

(3)用3D扫描仪13对不同时刻的浆液扩散形态进行扫描，并上传至数据分析装置14。

(4)数据分析装置14根据采集到的浆液扩散图绘制浆液位置-时间-三维坐标图像，得到动水条件下，不同时刻、不同注水速度的浆液扩散范围模拟。

在本实施例中，控制水压控制阀10和压力控制阀3，改变注浆压力和注水速度，重复步骤(1)～(4)，根据步骤(3)采集到的浆液扩散图绘制浆液位置-时间-三维坐标图像，得到不同注水速度下浆液的扩散范围，以对动水注浆工程提供一定思路。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，包括：注浆装置、注水装置、试验装置、数据获取装置和数据分析装置；

所述注浆装置和注水装置均与实验装置连接，并分别通过压力控制阀和水压控制阀调节注浆压力和注水速度；

所述试验装置包括试验箱体、土体介质、衬砌和控压箱；试验箱体内装载土体介质，土体介质中放置用于模拟地下既有构筑物的衬砌，在试验箱体的两侧设有控压箱，其中一侧的控压箱连接注水装置，在试验箱体的顶部连接注浆装置；

所述数据获取装置用于采集不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图；

所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的衬砌压力和浆液扩散图，进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟，以及动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

2.如权利要求1所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，所述注浆装置包括注浆机，所述注浆机通过注浆管与试验箱体连接，在试验箱体的顶部预留注浆圆孔，注浆管通过注浆圆孔***土体介质中；所述注浆机上设有压力控制阀，以通过压力控制阀调节注浆压力。

3.如权利要求1所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力下的衬砌压力和浆液扩散图，得到不同注浆压力下的衬砌压力-时间图像和浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟。

4.如权利要求1所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，在衬砌表面设有压力传感器，用于采集注浆时的衬砌压力。

5.如权利要求1所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，所述注水装置包括水箱，所述水箱通过注水管连接试验装置，在注水管上设有水压控制阀，以通过水压控制阀控制注水速度。

6.如权利要求5所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，在试验箱体的两侧设有孔洞，且在试验箱体的两侧连接控压箱，其中一侧的控压箱通过注水管连接水箱，在连接水箱一侧的控压箱和试验箱体之间设有挡水板。

7.如权利要求6所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，通过水压控制阀控制注水速度，使水箱中的水输送至一侧的控压箱，当一侧的控压箱注满水后，抽出挡水板，使水通过孔洞渗透进土体介质中，直至水从另一侧的控压箱流出，以模拟动水条件下的注浆浆液扩散情况。

8.如权利要求1所述的一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验装置，其特征在于，所述数据分析装置用于根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的浆液扩散图，得到不同注水速度下的浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

9.一种地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的试验装置，包括：

通过压力控制阀调节注浆压力，并在注浆压力下将预先配置的浆液通过注浆管注入到土体介质中；

在土体介质中，浆液扩散并挤密土体以对衬砌产生压力，由压力传感器采集衬砌压力，并采用扫描仪得到不同时刻的浆液扩散图；

根据不同时刻、不同注浆压力下的衬砌压力和浆液扩散图，得到不同注浆压力下的衬砌压力-时间图像和浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行不同注浆压力下浆液扩散的模拟。

10.一种动水条件下地层注浆对隧道结构扰动监测的试验方法，其特征在于，采用权利要求1、4-8任一项所述的试验装置，包括：

通过水压控制阀控制注水速度，使水箱中的水输送至一侧的控压箱，当一侧的控压箱注满水后，抽出挡水板，使水通过孔洞渗透进土体介质中，直至水从另一侧的控压箱流出，以模拟动水地层；

通过压力控制阀调节注浆压力，并在注浆压力下将预先配置的浆液通过注浆管注入到动水地层中；

采用扫描仪得到不同时刻的浆液扩散图；

根据不同时刻、不同注浆压力、不同注水速度下的浆液扩散图，得到不同注水速度下的浆液位置-时间-三维坐标图像，以进行动水条件下不同注水速度的浆液扩散的模拟。

Images