可視化單圓盾構(gòu)同步注漿漿液擴散模式研究平臺及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隧道及地下工程領(lǐng)域，涉及適用于盾構(gòu)隧道同步注漿和控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]盾構(gòu)隧道施工過程中，隨著盾構(gòu)機的不斷掘進，位于盾構(gòu)殼內(nèi)部的拼裝管片會脫出盾殼，由于盾構(gòu)機外徑比管片外徑大，不可避免在盾尾形成一定厚度的圓環(huán)形空隙，稱為盾尾間隙。對于單圓形盾構(gòu)機械同步注漿孔布置位置一般為直角坐標系斜45度角對稱布置同步注漿理想狀態(tài)下完全填充盾尾間隙，并不對周邊地層產(chǎn)生土體擾動時，地層變形控制得較好，而實際工程盾構(gòu)推進同步注填漿液時，盾尾間隙外側(cè)的土體也在同步變形，注漿填充效果、漿液層和外部土層的相互接觸滲透受同步注漿漿液擴散模式的影響，但此動態(tài)非線性復(fù)雜物理過程難以通過理論進行有效推導(dǎo)，同時試驗觀測由受制于土體內(nèi)部注漿難以觀測。
[0003]目前通過建立可視化環(huán)境研宄同步注漿漿液擴散模式的模型試驗研宄未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種可視化環(huán)境下單圓盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散模式研命
TiiT^ 口 ο
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種可視化環(huán)境下單圓盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散研宄平臺，包括為實現(xiàn)室內(nèi)可視化環(huán)境功能而配置的模型箱裝置、縮尺單圓盾構(gòu)機型同步注漿物理過程模擬試驗裝置和觀測可視化環(huán)境下楽液擴散的PIV(Particle Image Velocimetry)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。
[0007]整個系統(tǒng)大致可分為三個部分:第一部分為模型箱裝置，該裝置為整個試驗提供空間；第二部分為同步注漿物理過程模擬試驗裝置，該裝置是系統(tǒng)的主要組成部分，主要用以實現(xiàn)對同步注漿過程的控制，模擬實際注漿過程；第三部分為PIV數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，該裝置用以觀察并記錄漿液在盾尾間隙的擴散過程，獲取試驗數(shù)據(jù)用于分析。
[0008]第一部分為模型箱，在其內(nèi)部充填透明土，模型箱左側(cè)壁預(yù)留孔徑，第二部分與第一部分的連接主要通過模型箱左端預(yù)留的相應(yīng)尺寸的孔徑進行連接并沿孔徑環(huán)向布置密封墊，即第二部分中的模擬盾尾通過第一部分中模型箱左側(cè)壁上的預(yù)留孔徑安裝在模型箱內(nèi)。
[0009]第二部分中的模擬管片通過專用固體膠粘結(jié)在第一部分模型箱的右側(cè)壁上，而第二部分中的模擬管片同軸的套在模擬盾尾內(nèi)部并保證其能夠沿模擬盾尾內(nèi)壁軸向滑動，模擬管片和模擬盾尾交界處沿環(huán)向布置密封墊，密封墊被專用膠粘接在交接處模擬管片外壁上，第二部分的同步注漿系統(tǒng)中的注漿桶、注漿泵經(jīng)注漿管連接到模擬盾尾的左側(cè)壁上，實現(xiàn)在盾尾間隙注漿的功能，第二部分中盾構(gòu)推進系統(tǒng)經(jīng)液壓推進缸連接到模擬盾尾的左端面，保證模擬盾尾受盾構(gòu)推進系統(tǒng)控制沿軸向滑移。
[0010]第三部分中的CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合器件)相機布置在第一部分模型箱右側(cè)壁外，使相機正對模擬管片橫截面，保證其能夠拍攝到清楚的斷面圖像，第三部分中的高功率激光器布置在模型箱外正面，保證激光能夠照亮模擬盾尾的某一橫斷面，計算機的布置無特別講宄，不影響試驗進行即可，CCD相機、計算機和高功率激光器間通過專用數(shù)據(jù)線電纜連接，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r性和完整性。
[0011]進一步，所述的可視化單圓盾構(gòu)同步注漿漿液擴散模式研宄平臺包括試驗土箱、模擬管片、模擬盾尾、同步注漿控制系統(tǒng)、盾尾刷、密封膠墊、密封膠墊、透明模型土、左端蓋、盾構(gòu)液壓頂進缸、盾構(gòu)推進控制系統(tǒng)、注漿泵、漿液通、注漿管、CCD相機、支桿、激光源；
[0012]所述試驗土箱內(nèi)裝有透明模型土用以模擬地層，試驗土箱一端帶有左端蓋，該端連接盾構(gòu)機液壓推進缸，模擬管片右端固結(jié)在試驗土箱左右側(cè)壁上，軸線與地面水平，模擬管片橫截面設(shè)置有注漿孔，注漿孔內(nèi)設(shè)置有注漿管，注漿管一端連接漿液通，一端伸向盾尾間隙實現(xiàn)注漿，注漿速度受注漿泵控制；試驗土箱、左端蓋與模擬管片接縫處采用橡膠密封墊密封，模擬管片與模擬盾尾接縫處采用橡膠密封墊及盾尾刷密封；盾構(gòu)機液壓推進缸端部連接盾構(gòu)推進控制系統(tǒng)；在模型土箱上方及側(cè)面分別設(shè)置激光片源，同時配備高像素CCD相機，高像素CCD相機與計算機連接。
[0013]所述試驗土箱橫截面為方形，采用鋼材料制成。
[0014]所述模擬管片采用透明材料優(yōu)選有機玻璃制成，呈圓筒狀，用以模擬隧道砌襯，其右端固結(jié)在試驗土箱右側(cè)壁，試驗土箱左側(cè)開口，右側(cè)封閉。
[0015]所述模擬盾尾與模擬管片同軸布置，模擬管片在模擬盾尾內(nèi)側(cè)，模擬盾尾受盾構(gòu)推進系統(tǒng)作用而能夠沿模擬管片外側(cè)滑移；模擬盾尾上對稱布置有注漿孔，優(yōu)選4個注漿孔，利用注漿系統(tǒng)將模型漿液注入盾尾空隙；在試驗土箱左側(cè)開口與模擬盾尾結(jié)合處沿整個環(huán)向布置盾尾密封圈，模擬管片與模擬盾尾間設(shè)置兩處密封裝置，用以隔絕盾尾空隙內(nèi)的漿液沿著模擬盾尾與模擬管片之間的間隙滲漏。
[0016]所述的注漿系統(tǒng)包括注漿控制系統(tǒng)、注漿管路設(shè)備；注漿控制系統(tǒng)能夠?qū)ν阶{壓力、流量、速度等注漿參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)；注漿管路設(shè)備包括盛放模型漿液的漿液桶，優(yōu)選為四個，分別服務(wù)于每個注漿孔；包括為注漿提供動力裝置的注漿泵，優(yōu)選共四套，分別服務(wù)于每個注漿孔；包括滿足盾尾空隙尺寸要求的注漿管，優(yōu)選共四根，將四個注漿孔分別經(jīng)注漿泵連接到注漿桶。
[0017]設(shè)置以下三處密封裝置以防止?jié){液流失：在模擬管片左端部環(huán)向設(shè)置有密封墊；在模擬管片與模擬盾尾之間設(shè)置有盾構(gòu)刷，其間充填油脂；在模擬盾尾與試驗土箱左側(cè)壁上設(shè)置有密封墊。
[0018]所述模型土和模型漿液具有相近的物理性質(zhì)及穩(wěn)定的化學性質(zhì)，二者的折射系數(shù)相匹配，粘度和密度相近；合成透明土的土體顆粒的材料具有與自然土相近的物理性質(zhì)、穩(wěn)定的化學性質(zhì)以及良好的透明性；不溶于水且不與水以及模擬孔隙流體的液體發(fā)生反應(yīng)；耐高壓，透光性好；優(yōu)選的，配置所述模型土的材料為無定形硅石凝膠、無定形硅石粉末或熔融石英砂；優(yōu)選的，通過正十二烷與白礦油混合或由溴化鈣溶于水之后配置所述模型漿液。
[0019]通過縮尺單圓盾構(gòu)機型同步注漿物理過程模擬試驗裝置在室內(nèi)實現(xiàn)盾構(gòu)掘進過程中同步注漿的物理擴散行為，同時借助PIV數(shù)字圖像處理技術(shù)，觀測、記錄和顯現(xiàn)不同性質(zhì)土層、不同控制參數(shù)下同步注漿擴散模式；另外，在不對土層結(jié)構(gòu)造成擾動的情況下，利用PIV數(shù)字圖像處理系統(tǒng)對單圓盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散過程進行全方位觀察并記錄，為漿液擴散模式的理論研宄提供試驗基礎(chǔ)。
[0020]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:通過特殊材料配置透明的模型土和模型漿液，利用透明模型土、透明模型漿液、透明模型盾殼、透明模型土箱構(gòu)建一套盾構(gòu)同步注漿可視化環(huán)境，并通過縮尺單圓盾構(gòu)機型同步注漿物理過程模擬試驗裝置在室內(nèi)實現(xiàn)盾構(gòu)掘進過程中同步注漿的物理擴散行為，同時借助PIV數(shù)字圖像處理技術(shù)，觀測、記錄和顯現(xiàn)不同性質(zhì)土層、不同控制參數(shù)下同步注漿擴散模式；另外，在不對土層結(jié)構(gòu)造成擾動的情況下，利用PIV數(shù)字圖像處理系統(tǒng)對單圓盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散過程進行全方位觀察并記錄，為漿液擴散模式的理論研宄提供試驗基礎(chǔ)。
[0021]本發(fā)明可以實現(xiàn)在可視化環(huán)境下對漿液的擴散進行更為精確、高效地觀察；同時，本發(fā)明將PIV數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到對盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散過程的觀察，在此觀測過程，觀測儀器并未與模型土、模型漿液直接接觸，確保了數(shù)據(jù)的可信度。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為圖1中所示A-A截面示意圖(注漿孔布置示意圖)。
[0024]圖3為(XD相機、激光源布置不意圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實施例盾構(gòu)刷的放大示意圖。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0027]請參閱圖1，圖示可視化條件下單圓盾構(gòu)隧道同步注漿漿液擴散研宄平臺，包括試驗土箱1、模擬管片2、模擬盾尾3、同步注漿控制系統(tǒng)4、盾尾刷5、密封膠墊6、密封膠墊7、模型土 8、左端蓋9、盾構(gòu)液壓頂進缸10、盾構(gòu)推進控制系統(tǒng)11、注漿泵12、漿液通13、注漿管14、CXD相機15、支桿16、激光源17。
[0028]試驗土箱I內(nèi)裝有透明模型土 8用以模擬地層，試驗土箱I 一端帶有左端蓋9，該端連接盾構(gòu)機液壓推進缸10，模擬管片2右端固結(jié)在試驗土箱I右側(cè)壁上，軸線與地面水平，模擬盾尾3橫截面設(shè)置有注漿孔，注漿孔內(nèi)設(shè)置有注漿管14，注漿管一端連接漿液通13，一端伸向盾尾間隙實現(xiàn)注漿，注漿速度受注漿泵12控制；試驗土箱1、左端蓋9與模擬管片3接縫處采用橡膠密封墊7密封，模擬管片2與模擬盾尾3接縫處采用橡膠密封墊6及盾尾刷5密封。盾構(gòu)機液壓推進缸10端部連接盾構(gòu)推進控制系統(tǒng)11。在模型土箱I上方及側(cè)面分別布置激光片源17，同時配備高像素CCD相機，高像素CCD相機15與計算機例如PC機連接。
[0029]所述試驗土箱I橫截面為方形，采用鋼材料制成，試驗土箱I為整個試驗平臺提供場所，在土箱內(nèi)部充填透明模型土 8并布設(shè)其它設(shè)備，主要包括模擬管片2、模擬盾尾3。
[0030]所述模擬管片2采用透明有機玻璃制作而成，呈圓筒狀，用以模擬隧道砌襯，模擬管片2的右端固結(jié)在試驗土箱I上，其軸線與地面(試驗土箱I箱底)保持水平。
[0031]所述模