细砂地层盾构隧道管片环向接缝注浆可视化试验装置及方法

本发明属于隧道及地下工程，具体涉及一种细砂地层盾构隧道管片环向接缝注浆可视化试验装置及方法。

背景技术：

1、盾构隧道由预制管片拼装形成，相邻管片环之间存在环向接缝。隧道运营期间，受地层变形、地下水压力变化、接缝张开及密封材料性能退化等因素影响，环向接缝可能发生渗漏。注浆是治理此类渗漏的常用方法，其治理效果受注浆顺序、注浆压力、浆液性质及地层渗透性等因素影响。注浆过程中还可能引起周围地层变形和管片受力变化，因此有必要开展接缝注浆模型试验。

2、透明土由透明颗粒材料和折射率匹配的孔隙液组成，结合激光片源和工业相机，可用于观测浆液在土体中的扩散过程及地层位移。然而，采用细粒透明材料模拟细砂地层时，颗粒孔隙、供液管路及透明模型箱底部容易残留气体，影响透明土的透明度和图像采集质量。现有抽真空处理方式对设备密封性和结构强度要求较高，操作也较为复杂。

3、此外，现有试验中采用的连续筒状管片模型难以反映盾构隧道环向接缝处的刚度折减；采用切断或拼接方式模拟接缝，又可能存在安装和密封困难。部分试验装置主要用于单孔或同步注浆，难以开展不同注浆顺序的对比试验，也不便于同步获得浆液扩散、地层变形和管片受力响应。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种细砂地层盾构隧道管片环向接缝注浆可视化试验装置及方法，目的在于以改善透明土填筑过程中的排气和饱和条件，模拟管片环向接缝的刚度折减，实现多个注浆孔的独立控制，并同步观测浆液扩散、地层变形及管片受力响应。

2、为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：

3、细砂地层盾构隧道管片环向接缝注浆可视化试验装置，包括透明模型箱、透水隔层、盾构隧道管片模型、透明土、供液箱、储浆罐、注浆泵、激光片源发射器、第一ccd工业相机、第二ccd工业相机、应力应变分析仪和数据采集计算机；

4、所述透明模型箱顶部设有可拆卸的顶盖，顶盖与模型箱顶部密封连接，顶盖上设有上排气管，上排气管上设有上排气阀门；

5、透水隔层通过支撑件架设于模型箱的箱底上方，透水隔层边缘与模型箱的箱底内壁密封连接，使透水隔层与模型箱的箱底之间形成布液腔；

6、透水隔层上方设有盾构隧道管片模型，盾构隧道管片模型为圆环形管片，盾构隧道管片模型与透明模型箱两侧壁之间密封连接；

7、透明土填充于透水隔层上方，且透明土的填充高度高于盾构隧道管片模型的顶部；

8、盾构隧道管片模型的内环壁面上设有多道环形凹槽，多道环形凹槽沿盾构隧道管片模型轴向间隔排布，环形凹槽用于模拟盾构隧道的环向接缝处刚度折减；位于中间位置的环形凹槽的环向两侧分别设置至少一列注浆孔，每个注浆孔均贯穿盾构隧道管片模型的壁厚，每个注浆孔分别通过注浆管与注浆泵的出浆口连接，注浆泵的进浆口与连接储浆罐的出浆口，每条注浆管上分别设有注浆阀门；

9、应变片设置在盾构隧道管片模型的内壁面和外壁面，且位于中间位置的环形凹槽处及其相邻的两个环形凹槽处；

10、透明模型箱底部一侧设有与布液腔联通的供液管，供液管与供液箱连接，供液管上设有供液阀门，透明模型箱底部另一侧设有与布液腔连通的下排气管，下排气管上设有下排气阀门；

11、激光片源发射器设置在透明模型箱一侧，其发射端朝向透明模型箱，第一ccd工业相机和第二ccd工业相机分别设置于透明模型箱的前方和与激光片源发射器相对的另一侧；

12、应变片连接应力应变分析仪，应力应变分析仪、激光片源发射器、第一ccd工业相机和第二ccd工业相机分别连接数据采集计算机。

13、进一步地，所述透明模型箱由亚克力材质制成，顶盖上设有密封圈与透明模型箱顶部密封连接，透水隔层边缘通过密封圈与透明模型箱的箱底内壁之间密封连接，盾构隧道管片模型通过密封圈与透明模型箱两侧壁之间密封连接。

14、进一步地，所述透水隔层为透水石，支撑件为设置于透水石四个边角处的垫块，且透水隔层与透明模型箱的箱底之间的距离为1cm。

15、进一步地，所述盾构隧道管片模型底部与透水隔层之间的垂直距离为盾构隧道管片模型直径的两倍。

16、一种采用所述装置的细砂地层盾构隧道管片环向接缝注浆可视化试验方法，包括如下步骤：

17、s1，配制注浆液并加入储浆罐，开启注浆阀门并启动注浆泵，使注浆液充满注浆管并将注浆管内的气体排出后，关闭注浆泵和注浆阀门；

18、s2，在位于中间位置的环形凹槽及其相邻两个环形凹槽处的盾构隧道管片模型的内壁面和外壁面上设置应变片，并将应变片与应力应变分析仪连接；将注浆管插入注浆孔并进行密封；将盾构隧道管片模型安装于透明模型箱内，并通过密封圈密封连接盾构隧道管片模型与透明模型箱内壁之间的间隙；将供液管与供液箱连接，将下排气管与布液腔连接，将上排气管与顶盖连接，将顶盖通过密封圈盖设于透明模型箱顶部，形成封闭试验腔；

19、s3，向供液箱内加入孔隙液，开启供液阀门和下排气管阀门，关闭上排气管阀门，使孔隙液经供液管进入布液腔，并将供液管和布液腔内的气体从下排气管排出，当下排气管连续流出无可见气泡的孔隙液时，关闭下排气管阀门和供液阀门；

20、s4，打开顶盖，向透明模型箱内分层填筑透明土，每完成一层填筑后，重新安装顶盖并压紧顶盖的密封圈，使封闭试验腔恢复密封状态，开启上排气管阀门和供液阀门，关闭下排气管阀门，使孔隙液经布液腔通过透水隔层向上渗入透明土，将透明土中的气体经上排气管排出，当孔隙液达到透明土上方且上排气管无可见气泡排出时，关闭供液阀门和上排气管阀门；打开顶盖并填筑下一层透明土，重复逐层填筑和逐层饱和过程，直至透明土达到设定填筑高度；

21、s5，孔隙水压力设定：透明土填筑完成后，调节供液箱内孔隙液液面与透明土目标测点之间的高度差；达到设定水头后，保持供液箱的设定液位且保持供液通道开启；

22、s6，开启激光片源发射器，调节激光片源的发射方向和位置；开启第一ccd工业相机和第二ccd工业相机，调节焦距、拍摄范围和采集频率，采集注浆前的初始图像；开启应力应变分析仪和数据采集计算机，对应变片进行调零和初始值采集；

23、s7，选择开启注浆阀门，启动注浆泵，使储浆罐内的注浆液经注浆管和注浆孔注入盾构隧道管片模型外侧的透明土；

24、s8，注浆过程中，第一ccd工业相机和第二ccd工业相机采集目标区域图像，应变片检测盾构隧道管片模型的应变，应力应变分析仪将应变信号传输至数据采集计算机，数据采集计算机按统一时间基准记录图像数据和应变数据；

25、s9，当累计注浆量达到设定值、注浆压力达到设定上限或浆液扩散范围达到预定边界时，停止注浆泵并关闭全部注浆阀门，保存第一ccd工业相机、第二ccd工业相机和应力应变分析仪采集的数据。

26、进一步地，s1中所述注浆液为添加有显色剂的黄原胶溶液。

27、进一步地，s3中所述孔隙液为与熔融石英砂折射率匹配的溴化钙孔隙液，所述溴化钙溶液的质量百分比浓度为60%。

28、进一步地，s4中所述透明土用于模拟渗透系数为5.5*10-4cm/s的细砂地层，所述透明土由透明熔融石英砂骨架与折射率匹配的孔隙液组成，透明熔融石英砂骨架由质量百分比为80%的粒径0.5～1mm的透明熔融石英砂和质量百分比为20%的200目筛下的熔融石英砂混合而成。

29、本发明的优点

30、（1）提高透明土填筑质量与透明度：本发明通过透明模型箱顶部设排气阀、底部设布液腔及下排气管的结构设计，在透明土填筑完成后，先经下排气管排尽布液腔内气体，再由供液管向布液腔注入孔隙液，使孔隙液从下而上缓慢渗透浸润透明土，将土体内部气体从上排气管排出，在不借助抽真空设备的条件下即能有效消除透明土中的气泡，显著提高透明土的透明度，保证后续光学观测的清晰度和数据准确性。

31、（2）准确模拟管片环向接缝的刚度折减特性：本发明在盾构隧道管片模型的内环壁面上设置多道环形凹槽，凹槽深度基于通缝隧道纵向抗弯刚度有效率计算确定，通过凹槽对管片局部壁厚的削减使该处截面惯性矩相应减小，从而准确模拟实际盾构隧道环向接缝处的刚度折减效应，使试验装置的力学边界条件更接近工程实际。

32、（3）实现多注浆孔独立控制与多顺序注浆模拟：本发明在中间环形凹槽两侧分别设置多个注浆孔，各注浆孔分别通过独立的注浆管和注浆阀门与注浆泵连接，可根据试验需要选择不同的注浆孔开启顺序和组合方式进行注浆，从而模拟实际工程中不同注浆顺序下的浆液扩散路径，为优化注浆治理方案提供试验依据。

33、（4）实现浆液扩散、地层变形与管片受力的多参量同步观测：本发明通过激光片源发射器与两台ccd工业相机配合，能够捕获透明土内部浆液扩散和地层变形的全场图像；同时通过布设于管片内、外壁面的应变片实时采集管片应变数据；上述光学图像和应变数据同步传输至数据采集计算机，实现了注浆过程中浆液扩散形态、地层位移场和管片结构受力响应的多参量协同观测，为细砂地层盾构隧道管片环向接缝渗漏的注浆治理机理研究提供了完整的试验平台。

34、（5）本发明能用于细砂地层盾构隧道在运营期管片环向接缝渗漏的注浆治理，可视化观测在不同注浆顺序下浆液扩散、地层变形和管片的受力响应。