一种隧道底部注浆顶升模型试验装置及试验方法与流程

1.本技术涉及岩土与地下工程试验领域，尤其涉及一种隧道底部注浆顶升模型试验装置以及试验方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，处于运营阶段的地铁隧道的数量也随之越来越多，处于复杂应力环境下的地铁隧道情况也越来越多，不可避免的，地铁隧道会发生不同程度的不均匀沉降及隧道变形，从而引发隧道渗漏水等情况影响隧道的日常运营，对隧道结构的安全、地铁列车运营的安全舒适都有较大威胁。地铁隧道的差异沉降及变形，如不及时控制，任其发展，会导致地铁轨道纵向差异过大，轨道纵向偏差和高低差较大时，地铁列车车轮与轨道间的磨损加重，后期维修养护任务急剧加重，给地铁隧道运营管理部门和国家造成巨大的经济损失，同时使社会群众对地铁出行的安全性产生疑虑甚至恐慌，影响地铁的运营安全。
3.目前对于控制地铁隧道差异沉降及变形的方法除了注浆外，几乎没有其他可行的方法与措施。而注浆过程的隐蔽性和与研究对象地铁隧道之间关系的复杂性决定了注浆长久以来主要是以经验为主的学科。现在对于治理饱和软土层隧道不均匀沉降及变形，国内外一般常采用劈裂注浆或压密注浆之类的补偿注浆方法。
4.然而国内外相关学者针对盾构隧道注浆施工进行抬升的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法和现场监测法。理论分析法是通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上未能准确考虑实际工况，并且计算量大；数值模拟法一般借助有限元软件，数值模型计算复杂，而且很难获得精确的土体物理力学参数；现场监测法在过程中需要投入大量的人力物力，而且运营隧道中监测仪器设备不易布置，容易受到破坏。
5.针对以上问题，可以通过室内模型试验对注浆技术进行模拟还原加以研究。由于室内模型试验操作简单、重复性强等优点，现在已经是隧道研究工作的重要研究手段之一，但是在隧道底部注浆顶升模型试验研究方面，国内罕有研究。
6.布里渊光纤作为一种新型监测手段，近年来由于其具有高精度、全分布监测、抗电磁干扰等优点，正逐步应用于隧道变形监测方面。


技术实现要素：

7.本技术的目的是提供一种隧道底部注浆顶升模型试验装置，所述模型试验装置包括：模型隧道、模型用土、模型试验箱、补偿注浆装置、隧道变形监测装置；
8.模型试验箱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，侧面设置一个预留注浆孔，用以进行注浆，箱内铺设有模型用土；
9.所述模型用土根据相似原理进行配置，模型用土的各材料质量配比如下，高岭土：膨润土：黄土：黄砂＝4：3：2：1；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；
10.所述补偿注浆装置采用压力控制式注浆装置，包括气囊、注浆杆、流量计、注浆罐、压力表、空气压缩机，所述气囊位于模型隧道下方并与所述注浆杆的一端连接，注浆杆的另一端固定于预留注浆孔口处并与流量计连接，流量计的进口与注浆罐连接，注浆罐里有配制好的浆液，注浆罐的顶盖密封并留有一孔进行加压，穿过孔的注浆软管上有压力表，注浆软管另一端连接在空气压缩机上，通过空气压缩机提供的高压气体使注浆罐中的浆液压入模型用土内；
11.所述隧道变形监测装置采用布里渊光纤监测系统实行监测，包括布里渊光纤、光纤解调仪和计算机，将布里渊光纤固定在所述模型隧道上，布里渊光纤通过铠装光纤光缆连接到光纤解调仪上，解调后的信号传输到计算机上进行处理以测量所述模型隧道的位移情况。
12.进一步的，所述模型隧道采用整体式结构，材料为pc塑料。
13.进一步的，所述模型试验箱由五块透明玻璃板拼接组成，外围使用钢肋板增加强度。
14.进一步的，所述模型用土在模型试验箱内应分层填筑，每层填筑固定高度，采用重锤轻击方式进行多次夯击至每层标高处。
15.进一步的，所述模型试验箱正面的圆孔左、右侧边缘距离模型试验箱左、右侧面至少两倍于圆孔直径，距离下方注浆杆至少一倍于圆孔直径，注浆杆距离模型试验箱下侧至少三倍于圆孔直径。
16.进一步的，所述布里渊光纤布置在模型隧道上，分为监测布里渊光纤和温度补偿光纤，其中，监测布里渊光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道上。
17.进一步的，所述监测布里渊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。
18.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。
19.本技术的另一个目的是提供一种利用前述隧道底部注浆顶升模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.步骤一、模型试验箱的组装：
21.(1)拼装模型试验箱，确认每一面的位置与角度正确，外围使用钢肋板增加强度；
22.步骤二、试验前期准备工作
23.(1)在实验室内进行布里渊光纤的标定试验，并将监测布里渊光纤拉紧，用环氧树脂胶粘结在相似模型隧道的特定位置处，同时在模型隧道内部布温度补偿光纤，连接光纤解调仪，确认模型隧道上的光纤连接正常；
24.(2)将模型用土按照预定质量配比进行配置并保存；
25.(3)在注浆杆的一端绑定一个气囊，并检查气密性；
26.(4)确定浆液材料，制备注浆浆液；
27.步骤三、向模型试验箱内填筑
28.(1)将模型用土填筑到模型试验箱内，并按照试验预定的压实度进行分层填筑夯实；
29.(2)当模型用土填筑至注浆孔标高时，将气囊放置于模型隧道正下方位置，注浆杆穿过注浆孔，端口连接外部注浆系统；
30.(3)当模型用土填筑到孔洞标高处时，将模型隧道穿过孔洞并固定在模型试验箱上，模型试验箱上的光纤穿过孔洞连接光纤解调仪，进而与计算机连接；
31.(4)继续填筑模型用土至模型试验箱计算标高处；
32.步骤四、进行试验
33.(1)开动注浆泵进行注浆，通过压力表、流量计和秒表记录注浆过程的注浆压力、注浆流量及注浆时间，注浆过程中保持压力恒定；
34.(2)注浆过程中通过计算机监测软件开展数据收集，并在试验完成后进行数据处理，得出注浆过程中隧道的受力和变形情况。
35.通过本技术的模型试验装置，可以克服实际工程研究中尺寸过大，花费大量资金、人力和时间的情况，通过对真实情况的模拟探究注浆过程与隧道变形的关系，可对隧道注浆相关理论进行证实。本技术所记载的室内模型试验相比于其他研究方法具有省时省力，研究过程简便，通过相似原理得出的结果准确，对研究参考价值高的优势；在试验数据收集方面，使用布里渊光纤传感技术，具有高精度、全分布的特点，试验结果可信度高；采用本技术记载的模型装置进行研究，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。
附图说明
36.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，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1示出根据本技术一个实施例的隧道底部注浆顶升模型试验装置的透视图；
38.图2示出根据本技术一个实施例的模型隧道上的光纤布置图；
39.图3示出根据本技术一个实施例的补偿注浆装置详图。
40.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：
41.1、模型试验箱；2、模型用土；3、模型隧道；4、气囊；5、注浆杆；6、铠装光纤光缆；7、光纤解调仪；8、计算机；9、空气压缩机；10、注浆罐；11、压力表；12、电子称；13、流量计；14、纵向布置光纤；15、环向布置光纤；16、温度补偿光纤。
具体实施方式
42.下面结合附图对本技术作进一步详细描述。
43.图1示出根据本技术一个实施例的隧道底部注浆顶升模型试验装置的透视图。
44.根据本发明的一实施例，模型试验装置包括：模型隧道、模型用土、模型试验箱、补偿注浆装置、隧道变形监测装置；
45.模型试验箱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，侧面设置一个预留注浆孔，用以进行注浆，箱内铺设有模型用土；
46.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；
47.所述补偿注浆装置采用压力控制式注浆装置，包括气囊、注浆杆、流量计、注浆罐、
压力表、空气压缩机，所述气囊位于模型隧道下方并与所述注浆杆的一端连接，注浆杆的另一端固定于预留注浆孔口处并与流量计连接，流量计的进口与注浆罐连接，注浆罐里有配制好的浆液，注浆罐的顶盖密封并留有一孔进行加压，穿过孔的注浆软管上有压力表，注浆软管另一端连接在空气压缩机上，通过空气压缩机提供的压力使注浆罐中的浆液流出；
48.所述隧道变形监测装置采用布里渊光纤监测系统实行监测，包括布里渊光纤、光纤解调仪和计算机，将布里渊光纤固定在所述模型隧道上，布里渊光纤通过铠装光纤光缆连接到光纤解调仪上，解调后的信号传输到计算机上进行处理以测量所述模型隧道的位移情况。
49.根据本发明的一实施例，所述模型隧道采用整体式结构，材料为pc塑料。
50.根据本发明的一实施例，所述模型试验箱由五块透明玻璃板拼接组成，外围使用钢肋板增加强度。
51.根据本发明的一实施例，所述模型用土的质量配比为：高岭土40％、膨润土20％、黄土30％、河砂10％。
52.根据本发明的一实施例，所述模型用土在模型试验箱内应分层填筑，每层填筑固定高度，采用重锤轻击方式进行多次夯击至每层标高处。
53.根据本发明的一实施例，所述模型试验箱正面的圆孔左、右侧边缘距离模型试验箱左、右侧面至少两倍于圆孔直径，距离下方注浆杆至少一倍于圆孔直径，注浆杆距离模型试验箱下侧至少三倍于圆孔直径。
54.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(1d)。
55.本发明的隧道底部注浆施工对相似隧道模型影响的室内模型试验装置，包括模型试验箱1、模型用土2、相似模型隧道3、补偿注浆装置、隧道变形监测装置几部分。
56.模型试验箱内正面及后面中设置有一个圆孔，圆孔的圆心在同一高度，圆孔半径相同，在圆孔内放置相似模型隧道3，并将相似模型隧道3的端口固定于模型试验箱1上；在模型试验箱1的侧面设置一个预留注浆孔，预留注浆孔在纵向位于侧面板中轴线上，横向上位于相似模型隧道3下；补偿注浆装置的构成部分包括空气压缩机9、压力表11、注浆罐10、搅拌机、电子秤12、流量计13、注浆杆5及气囊4；模型试验箱1内填有模型用土2，模型用土2内放置有相似模型隧道3及与注浆杆5相连的气囊4；相似模型隧道3上粘结有布里渊光纤，通过连接箱外的光纤解调仪7测量隧道位移情况。
57.如图1所示，模型试验箱1外形呈长方形，内部空间尺寸长宽高分别为1.0m(5d)、1.0m(5d)、1.6m(8d)，由5个厚度为20mm的透明玻璃板拼接组成，外围使用钢肋板增加强度；相似模型隧道1材料为pc塑料，厚度为2.5mm，隧道长度为1.0m；相似模型隧道3距离模型试验箱1左右两侧距离为400mm，距离上方模型用土2顶面为400mm(2d)，距离下方注浆杆5距离为200mm(1d)，注浆杆5距离模型试验箱1下侧600mm(3d)。
58.隧道变形监测装置包括布里渊光纤，光纤解调仪7和计算机8三部分，监测布里渊光纤通过铠装光纤光缆6连接到光纤解调仪7上，解调后的信号传输到计算机8上进行处理。
59.浆液配比水灰比为1.0，注浆压力取为80kpa。
60.模型用土2的质量配比为：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％；模型用土2在模型试验箱1内应分层填筑，根据事先确定的密实度计算每层需要的土量，填完后锤击至设定标高10cm，填土高度达到隧道底部标高处时，才
将相似模型隧道3放入。
61.图2示出根据本技术一个实施例的模型隧道上的光纤布置图。
62.根据本发明的一实施例，所述布里渊光纤布置在模型隧道上，分为监测布里渊光纤和温度补偿光纤，其中，监测布里渊光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在模型隧道上。
63.根据本发明的一实施例，所述监测布里渊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。
64.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。。
65.具体的，如图2所示，布里渊光纤分为监测布里渊光纤和温度补偿光纤16，其中，监测布里渊光纤分为纵向布置光纤14和环向布置光纤15，其中纵向布置光纤14布置在相似模型隧道3内部底部，环向布置光纤15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，监测布里渊光纤拉紧后通过环氧树脂胶粘结在相似模型隧道3上；温度补偿光纤16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。
66.图3示出根据本技术一个实施例的补偿注浆装置详图。
67.具体的，如图3所示，所述补偿注浆装置采用压力控制式注浆装置，构成部分包括空气压缩机9、压力表11、注浆罐10、搅拌机、电子秤12、流量计13、注浆杆5及气囊4；气囊4绑定在注浆杆5一端，注浆杆5另一端固定于注浆孔口处，
68.并与流量计13连接，用以监测注浆时浆液的流量；流量计13的进口与注浆罐10连接，注浆罐10里有配制好的浆液，注浆过程中通过固定在顶盖上的搅拌机进行搅拌；注浆罐的顶盖密封；顶盖上有留有一孔进行加压，穿过孔的注浆软管上有注浆表和液压注浆泵，注浆软管另一端连接在空气压缩机9上；注浆罐10放在电子秤12上，用以计算注浆量。
69.根据本发明的一实施例，一种隧道底部注浆顶升模型试验方法，其主要试验步骤包括：
70.步骤一、模型试验箱的组装：
71.(1)拼装模型试验箱，确认每一面的位置与角度正确，外围使用钢肋板增加强度；
72.步骤二、试验前期准备工作
73.(1)在实验室内进行布里渊光纤的标定试验，并将监测布里渊光纤拉紧，用环氧树脂胶粘结在相似模型隧道的特定位置处，同时在模型隧道内部布温度补偿光纤，连接光纤解调仪，确认模型隧道上的光纤连接正常；
74.(2)将模型用土按照预定质量配比进行配置并保存；
75.(3)在注浆杆的一端绑定一个气囊，并检查气密性；
76.(4)确定浆液材料，制备注浆浆液；
77.步骤三、向模型试验箱内填筑
78.(1)将模型用土填筑到模型试验箱内，并按照试验预定的压实度进行分层填筑夯实；
79.(2)当模型用土填筑至注浆孔标高时，将气囊放置于模型隧道正下方位置，注浆杆穿过注浆孔，端口连接外部注浆系统；
80.(3)当模型用土填筑到孔洞标高处时，将模型隧道穿过孔洞并固定在模型试验箱
上，模型试验箱上的光纤穿过孔洞连接光纤解调仪，进而与计算机连接；
81.(4)继续填筑模型用土至模型试验箱计算标高处；
82.步骤四、进行试验
83.(1)开动注浆泵进行注浆，注浆过程中保持压力恒定；
84.(2)注浆过程中计算机通过监测软件收集数据，并在试验完成后进行数据处理，得出注浆过程中隧道的受力和变形情况。
85.具体的，
86.步骤一、模型箱的组装：
87.(a)拼装模型试验箱1，确认每一面的位置与角度正确，外围使用钢肋板增加强度；
88.步骤二、试验前期准备工作：
89.(a)在实验室内进行布里渊光纤的标定试验，并将监测布里渊光纤拉紧，用环氧树脂胶粘贴在相似模型隧道3的特定位置处，同时在模型隧道内部布置温度补偿光纤16，连接光纤解调仪7，确认相似模型隧道3上的光纤连接正常；
90.(b)将模型用土2按照实际情况的相似比进行配置并保存，
91.(c)在注浆杆5的一端绑定一个气囊4，并检查气密性；
92.(d)确定浆液材料，制备注浆浆液；
93.步骤三、向模型试验箱内填筑：
94.(a)在往模型试验箱1内填土的过程前，在模型试验箱1内壁黏贴一层光滑的丝光纸以减少边界效应的影响，接下来将模型用土2填筑到试验模型箱1内，并按照试验预定的压实度进行分层填筑夯实；
95.(b)当模型用土2填筑至注浆孔标高时，将气囊4放置于相似模型隧道3正下方，注浆杆5穿过注浆孔，端口连接外部注浆系统；
96.(c)当模型用土2填筑到孔洞标高处时，将相似模型隧道3穿过孔洞并固定在模型试验箱1上，试验模型箱1上的光纤穿过孔洞连接光纤解调仪7，进而与计算机8连接；
97.(d)继续填筑模型用土2至模型试验箱体1计算标高处；
98.步骤四、进行试验：
99.(a)开动注浆泵进行注浆，注浆过程中保持压力恒定；
100.(b)注浆过程中计算机8通过监测软件收集数据，并在试验完成后进行数据处理，得出注浆过程中隧道的受力和变形情况。
101.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。
102.本发明的有益效果主要是：
103.一、目前，现研究中对盾构隧道注浆抬升的研究方法主要集中于理论分析法、数值模拟法和现场监测法，对使用室内模型试验进行的相关研究较少。运用室内模型试验对盾构隧道注浆抬升进行研究具有省时省力，研究过程简便，通过相似原理得出的结果准确，对研究参考价值高。
104.二、布里渊光纤传感技术具有高精度、全分布的特点，可以较全面的反应注浆对隧道纵向和环向的影响。
105.三、采用本套相似模型装置进行注浆抬升对隧道影响的试验研究，可以为工程实
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。
106.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术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技术。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，本技术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技术内。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。