可視化類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研究平臺及應(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，涉及適用于隧道工程中的類矩形盾構(gòu)同步注漿技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]盾構(gòu)法因其先進(jìn)的施工工藝和不斷完善的施工技術(shù)、地層適應(yīng)性強(qiáng)以及對周圍環(huán)境影響小、不受氣候及地面交通影響等優(yōu)點，在國內(nèi)外城市地下隧道的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于受地質(zhì)條件和施工工藝的限制，實踐表明盾構(gòu)法施工不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，引起地層移動、土體應(yīng)力和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化等，嚴(yán)重時可能造成周圍建筑物、地下管線等設(shè)施的破壞。迄今已有許多學(xué)者對盾構(gòu)隧道施工引起土體變形的一系列問題進(jìn)行過研宄，可以概括為:1)現(xiàn)場觀測或模型試驗；2)隨機(jī)介質(zhì)理論、孔柱擴(kuò)張理論和彈塑性理論分析；3)有限元、差分法等數(shù)值模擬。其中后面兩種方法的正確性必須用實際測量的數(shù)據(jù)予以檢驗。由于現(xiàn)場觀測盾構(gòu)施工對土體的擾動，實際操作比較困難，目前模型試驗仍然不失為一種直接有效的方法。
[0003]現(xiàn)階段基于透明土的常規(guī)模型試驗有:Nakai等在砂土的盾構(gòu)隧道試驗中，用實心圓柱體模擬隧道，通過逐步移走隧道周圍的空心套管來模擬盾構(gòu)推進(jìn)形成的地層損失。Kirsch試驗研宄了干密砂和干松砂的開挖面失穩(wěn)模式，發(fā)現(xiàn)在相同開挖面位移下，密砂的破壞區(qū)沒有到達(dá)地表，而松砂則成煙囪形破壞。朱合華、徐前衛(wèi)等在人工配制的模型土中進(jìn)行掘進(jìn)模擬，探討盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)和地層物理力學(xué)特性之間的地層適應(yīng)性理論。李君、陳仁朋進(jìn)行了 Ig模型試驗，研宄干砂地層中盾構(gòu)開挖面破壞模式，揭示了開挖面支護(hù)力及地表沉降與開挖面位移之間的關(guān)系。
[0004]可見，現(xiàn)有模型試驗多偏重于盾構(gòu)開挖后土體表面的變形、支護(hù)壓力與開挖面的穩(wěn)定性以及地層適應(yīng)性研宄，而對于盾構(gòu)施工尤其是類矩形盾構(gòu)施工過程同步注漿漿液擴(kuò)散模式的研宄則處于空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄平臺，利用可視化環(huán)境能夠動態(tài)模擬且精確觀測不同工況下類矩形盾構(gòu)機(jī)同步注漿的全過程，為類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄提供了條件。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]一種可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)同步注漿模擬研宄平臺，包括透明玻璃箱、模擬盾尾、注漿管布設(shè)點位、模擬管片、緊固螺栓、推進(jìn)液壓缸、密封墊圈、遇水膨脹盾尾圈、盾尾刷、注漿泵、激光片光源、CCD照相機(jī)、圖像采集設(shè)備、裝有圖像處理軟件的計算機(jī)終端、支架；
[0008]所述模擬盾尾沿中軸線水平地固接于有機(jī)玻璃箱的左側(cè)壁上；所述模擬管片沿前述同一中軸線利用緊固螺栓水平地固接于有機(jī)玻璃箱的右側(cè)壁上；所述模擬盾尾和模擬管片的間隙設(shè)置盾尾刷；模擬管片的末端固結(jié)遇水膨脹盾尾圈；所述模擬盾尾同軸地套置于模擬管片的外周以借助推進(jìn)液壓缸進(jìn)行軸向滑移，其筒壁內(nèi)設(shè)置有注漿孔，注漿孔的分布與注漿管布設(shè)點位相對應(yīng)，所述注漿孔與外設(shè)注漿泵通過對稱的上下兩個管路連接；激光片光源固定在支架上對同步注漿發(fā)生的斷面提供面光源；CCD相機(jī)垂直于同步注漿發(fā)生的斷面以記錄土顆粒的位置變化并將信息傳輸給圖像采集設(shè)備，連接裝有圖像處理軟件的計算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。
[0009]所述透明箱優(yōu)選有機(jī)玻璃箱。
[0010]所述模擬盾構(gòu)機(jī)的截面形式為類矩形以模擬類矩形盾構(gòu)機(jī)同步注漿漿液施工過程。
[0011]所述模擬盾構(gòu)外殼與有機(jī)玻璃箱左壁間加設(shè)密封襯墊圈，用以隔絕透明土間隙液的滲漏。
[0012]所述模擬管片與模擬盾構(gòu)外殼接縫處加設(shè)模型盾尾刷；在接縫末端設(shè)有遇水膨脹盾尾圈，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。
[0013]所述有機(jī)玻璃箱中設(shè)有透明土，通過在有機(jī)玻璃箱內(nèi)填入不同高度的模型土以及必要時
[0014]在土體頂部施加一定的上覆荷載，實現(xiàn)不同盾構(gòu)埋深條件下的同步注漿試驗；
[0015]優(yōu)選的，所述透明土由正十二烷與白礦油按重量比混合而成，要求與自然土的比重接近；無色形態(tài)，穩(wěn)定性良好；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，具有良好的透明度等特征。試驗時，首先對室內(nèi)一定上覆荷載作用下特定含水量的土體進(jìn)行密度測試，得到在多大的上覆荷載下固結(jié)多長時間才能得到所要的土體密度，再對該密度的土樣試驗，直至它的粘聚力、摩擦角與壓縮模量達(dá)到相似比要求。
[0016]向模擬盾尾間隙中注入的漿液為模型漿液，為保證PIV系統(tǒng)的成像清晰度，所述模型漿液必須與透明土有相同折射率。模型漿液必須嚴(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)時間對應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用旋轉(zhuǎn)粘度計配制符合相似比要求的模型漿液。首先對一定重度的漿液在室內(nèi)進(jìn)行初凝時間與泌水率的測試，得到初凝時間符合相似比要求的漿液，再對該漿液進(jìn)行試驗，直至它的初始粘度與屈服強(qiáng)度達(dá)到相似比要求。
[0017]透明土采用的石英砂的顆粒粒徑在0.1?1cm，而激光器的線寬越小，在光源到達(dá)的一定距離內(nèi)需要的功率越大，儀器的精度也越高；另外，用于測試系統(tǒng)的光源還應(yīng)當(dāng)有充足的照度且光源亮度均一穩(wěn)定，本系統(tǒng)規(guī)定激光片光源在Im范圍內(nèi)厚度不得大于1mm。
[0018]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方法，該方法包括模型土的配置和模型漿液的配置。
[0019]借助所述模型和方法，可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄平臺可完成盾尾空隙漿液充填過程與擴(kuò)散機(jī)理試驗。
[0020]借助所述模型和方法，可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄平臺可完成不同漿液注入率下盾尾空隙充填效果試驗。
[0021]借助所述模型和方法，在不計類矩形盾構(gòu)開挖面地層穩(wěn)定性與隧道周圍地層水土壓力影響的前提下，在體積相對固定的盾尾空隙環(huán)狀空間內(nèi)，在確保盾尾空隙的有效充填的情況下，研宄不同注漿孔數(shù)量、不同注漿位置與不同的漿液流量分配的漿液在盾尾空隙內(nèi)的填充過程及其擴(kuò)散機(jī)理。
[0022]借助所述模型和方法，可以研宄在特定的注漿方式下，盾尾空隙漿液注入率的變化對周圍地層水土壓力與位移趨勢的影響，可對比分析盾尾空隙從不完全充填到完全充填，再到過量充填過程中盾尾空隙的充填效果與周圍地層的具體反應(yīng)。
[0023]優(yōu)選的，預(yù)制注漿管連接點位可用于模型試驗中多種注漿孔排布方式的模擬，提供15°、25°、30°、45°、60°、90°點位，共24個點位，可在此基礎(chǔ)上調(diào)整注漿管的數(shù)量和布設(shè)方式，設(shè)計多重模擬方案。所述注漿管點位通過密封膠塞封住以在不連接注漿管時可以防止模型漿液沿管路回流。
[0024]優(yōu)選的，所述注漿管布設(shè)點位按照以下規(guī)律分布在盾尾的截面上:注漿管布設(shè)點位關(guān)于類矩形斷面的兩個對稱軸對稱分布，每個象限中設(shè)有15°、25°、30°、45°、60°、90°六個點位，共計24個點位；注漿管外徑與盾尾間隙相同。
[0025]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:通過本發(fā)明所進(jìn)行的可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)同步注漿試驗，能夠動態(tài)模擬且精確觀測不同工況下類矩形盾構(gòu)機(jī)同步注漿的全過程，技術(shù)人員能夠觀察和研宄不同工況下類矩形盾構(gòu)機(jī)的同步注漿過程，以及研宄推進(jìn)速度、注漿流量、注漿壓力等不同工藝參數(shù)對同步注漿效果的影響，利用本發(fā)明為建立類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模型的研宄奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明實施例可視化環(huán)境下類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄研宄平臺的示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明實施例模擬盾尾刷和遇水膨脹盾尾圈局部放大圖。
[0028]圖3是本發(fā)明實施例注漿界面注漿管布設(shè)點位示意圖。
[0029]圖4是本發(fā)明實施例粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry，以下簡稱PIV)觀測平臺設(shè)備連接示意圖。
[0030]圖中標(biāo)號:1一有機(jī)玻璃箱，2—模擬盾尾，3—注楽管布設(shè)點位，4一模擬管片，5—緊固螺栓，6—推進(jìn)液壓缸，7—密封墊圈，8—遇水膨脹盾尾圈，9一盾尾刷，10—注漿泵，11 一激光片光源，12 — CXD照相機(jī)，13—圖像采集設(shè)備，14一裝有圖像處理軟件的計算機(jī)終端，15一支架。
【具體實施方式】
[0031]以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0032]一種可視化類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄平臺，該平臺能全斷面、多維度、高精度、全過程觀測類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散。該模擬研宄平臺由為實現(xiàn)室內(nèi)可視化環(huán)境功能而配置的模型土和模型漿液、縮尺類矩形盾構(gòu)機(jī)型同步注漿物理過程模擬試驗裝置和商用粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,以下簡稱PIV)系統(tǒng)三部分組成。所述模型土、模型漿液均采用透明土配置而成，模型土用來實現(xiàn)可視化的盾構(gòu)環(huán)境，模型漿液通過縮尺類矩形盾構(gòu)機(jī)型同步注漿物理過程模擬試驗裝置擴(kuò)散。本發(fā)明主要通過縮尺類矩形盾構(gòu)機(jī)型同步注漿物理過程模擬試驗裝置實現(xiàn)在可視化的土體內(nèi)部環(huán)境下同步注漿漿液的物理擴(kuò)散，并利用PIV數(shù)字圖像處理系統(tǒng)直接觀測、記錄和顯現(xiàn)同步注漿漿液的擴(kuò)散過程。所述模型漿液通過布設(shè)位點可調(diào)的注漿管注射，可模擬不同工況下同步注漿漿液的物理擴(kuò)散。所述系統(tǒng)配備了特制的防水密封裝置，防止機(jī)構(gòu)銜接處的間隙滲漏。本發(fā)明利用可視化環(huán)境能夠動態(tài)模擬且精確觀測不同工況下類矩形盾構(gòu)機(jī)同步注漿的全過程，為類矩形盾構(gòu)機(jī)注漿管的布設(shè)方案研宄提供方便的研宄平臺，為類矩形盾構(gòu)同步注漿漿液擴(kuò)散模式研宄提供了條件。
[0033]如圖1所示，類矩形盾構(gòu)同步注漿模擬研宄平臺，包括有機(jī)玻璃箱1、模擬盾尾2、注漿管布設(shè)點位3、模擬管片4、緊固螺栓5、推進(jìn)液壓缸6、密封墊圈7、遇水膨脹盾尾圈8、盾尾刷9、注漿泵10、激光片光源11、CCD照相機(jī)12、圖像采集設(shè)備13、裝有圖像處理軟件的計算機(jī)終端14、支架15。
[0034]模擬盾尾2沿中軸線水平地固接于有機(jī)玻璃箱I的左側(cè)壁上，二者接縫處設(shè)密封墊圈7。模擬管片4沿前述同一中軸線利用緊固螺栓5水平地固接于有機(jī)玻璃箱I的右側(cè)壁上。模擬盾尾2和模擬管片4的間隙設(shè)置三圈盾尾刷9，模擬管片4的末端固結(jié)遇水膨脹盾尾圈8。模擬盾尾2同軸地套置于模擬管