一种盾构施工同步注浆原位试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及模拟盾构施工同步注浆试验技术领域，特别涉及一种盾构施工同步注浆原位试验装置及试验方法。


背景技术：

2.在盾构隧道施工过程中，当已拼装好的管片从盾尾脱出时，必然会在管片衬砌与土体之间的形成空隙，此时需要及时进行同步注浆，以防止管片衬砌周围土体的松动、坍塌，同时可加强土体对盾构管片衬砌结构的包裹作用，避免管片结构因缺少必要的抗力而出现局部应力集中现象，造成管片及地层失稳。
3.同步注浆为盾构隧道施工工序重要的一环，其注浆材料组分、材料配比、注浆流量、注浆压力等施工工艺参数对注浆效果具有重要影响，对盾构同步注浆反应机理、新型注浆材料研发、注浆工艺优化、浆体扩散形态控制、注浆效果验证等方面开展针对性研究，对于盾构隧道同步注浆技术的发展具有重要的意义。
4.目前，盾构同步注浆技术研究多采用限元数值分析、相似材料模拟实验、缩尺试验等方式开展，这些试验设定的条件与实际施工条件相差甚远，得出的研究成果往往仅能从室内试验的角度解释，而不能较为真实的反应出盾构同步注浆实际情况，使同步注浆试验研究在指导实际同步注浆施工过程中受到了限制。
5.因此，利用已拼装负环，在盾构始发井设计同步注浆原位试验装置进行试验研究，使得出的研究成果较为真实，更具有指导意义。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种盾构施工同步注浆原位试验装置及试验方法。
7.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种盾构施工同步注浆原位试验装置及试验方法，其特征在于，包括：注浆系统为盾构机同步注浆系统，位于盾构机尾部，所述注浆系统包含8套注浆管路，可注入双液浆，所述注浆系统可以根据试验要求设定每一管路的流量、注浆压力以及浆液配比，所述注浆系统具备流量、注浆压力、注浆方量等参数实时监测与数据记录的能力；试验装置尾部密封，包括盾尾止浆板、橡胶皮套，所述试验装置尾部密封橡胶皮套厚度根据止浆板至试验套筒内侧壁间隙定制，橡胶皮套包裹在盾尾止浆板前后两侧，使盾构机推进过程中保证所注浆液不溢漏；足尺管片环，由多环管片拼装而成，管片与设计管片强度、尺寸、连接方式相同，所述管片环是由盾构机拼装完成，按设计坡度放置于始发基座上，所述管片环之间通过管片螺栓连接，夹缝设有防水材料、内部涂有快干水泥，防止浆液或水渗流，所述管片环背部与试验台装置一端相连位置预埋钢板。试验泥浆，装于试验套筒与管片空隙内；试验套筒，包括型钢主梁、弧形钢板、溢浆孔，置于始发基座上方，所述试验套筒设置多道观察孔，用于观察同步注浆过程浆液扩散特征及水化反应过程，并设置应力监测系统。
8.进一步的，所述型钢主梁由折弯型钢、直型钢焊接而成，型钢弯折直径比止浆板直径大，型钢间距的设置应确保浆液注入过程中的套筒整体框架的稳定性，型钢主梁距离固定面垂直距离为1m，设置单独立柱支撑，立柱支撑底部加焊钢板，通过膨胀螺栓将立柱固定在始发基座上。
9.进一步的，所述弧形钢板由钢板弯折而成，弯折直径与型钢弯折直径相同，弧形钢板与弧形主梁满焊焊接，置于弧形主梁内部。
10.进一步的，所述溢浆孔设置于试验套筒顶部，用于试验过程中溢浆。
11.进一步的，所述观察孔由刚强度透明材质制作，镶嵌在试验套筒的中部偏上区域，确保其密封性，并可承受注浆过程产生的作用力。
12.进一步的，所述应力监测系统用于采集注浆过程产生的作用力数据；试验套筒尾部密封，当盾尾进入试验套筒内后，使用弧形钢板环将试验套筒与管片预埋钢板满焊在一起，保证密封的效果。
13.进一步的，所述试验套筒底部密封，包括l型钢板、防水板、水平钢板，所述l型钢板与型钢主梁焊接，所述防水板设置于l型钢板上侧，所述水平钢板设置于l型钢板与防水板之间，长度大于试验套筒；装置固定桁架结构，包括型钢立柱与横梁，所述型钢立柱与始发基座连接，所述型钢横梁与试验套筒连接，保证试验装置稳定。
14.进一步的，所述包括以下步骤：
15.步骤1：盾构机尾部通过足尺管片预埋钢板后，组装装置固定桁架结构与试验套筒；
16.步骤2：将试验套筒尾部密封、底部密封钢板焊接牢固，确保试验装置密封效果；
17.步骤3：通过溢浆孔向试验装置空腔内注入清水，清水呈中性，无杂质，至到空腔内全部充满水或泥浆；
18.步骤4：根据试验需要拌制同步注浆浆液，设定合理的推进速度、注浆参数，通过盾构机注浆系统向盾尾空隙同步注浆；
19.步骤5：通过观察孔，观测浆液扩散状态，通过监测系统，记录注浆参数、作用力参数，分析试验结果。
20.从以上技术方案可以看出，本发明提供的盾构施工同步注浆原位试验装置及试验方法的优点在于：
21.本方案充分利用足尺管片、盾构机注浆系统，根据试验需要合理设定注浆参数，以更为贴近实际施工过程的方法，对盾构同步注浆材料、施工工艺进行研究，其得出的研究成果较为真实，更具有指导意义，具有良好的应用前景。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明盾构施工同步注浆试验装置的三维示意图；
24.图2为本发明盾构施工同步注浆试验装置的横剖示意图；
25.图3为本发明盾构施工同步注浆试验装置的监测仪器布置图；
26.图4为本发明试验装置的试验装置尾部密封示意图；
27.图5为本发明试验装置的试验装置底部密封示意图。
28.图中，1、注浆系统，2、足尺管片环，3、试验套筒，31、型钢主梁，32、弧形钢板，33、溢浆孔，34、多道观察孔，35、镀锌矩管檀条，36、工字钢单立柱支撑，4、装置固定桁架，5、检测系统，51、土压传感器，52、孔隙水压力计，53、数据收集装置，6、尾部密封，61、盾尾止浆板，62、橡胶皮套，63、密封钢板，7、固定桁架结构，71、型钢立柱，72、横梁，73、主体结构，8、套筒底部密封，81、l型钢板，82、防水板，83、水平钢板
具体实施方式
29.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
30.如图1和图2所示，一种盾构施工同步注浆原位试验装置，包括注浆系统1、足尺管片环2、试验套筒3、装置固定桁架4、监测系统5、固定桁架结构7、套筒底部密封8。
31.其中，注浆系统1为盾构机同步注浆系统，位于盾构机尾部，所述注浆系统包含8套注浆管路，均匀分布在盾构机尾部，可注入双液浆、水泥砂浆等材料，注浆管路中a液管路尺寸为32mm、b液管路尺寸为12mm、清洗管路尺寸为25mm、油缸管路尺寸为32mm，可根据试验设计设定每一管路的流量、注浆压力以及浆液配比，所述注浆系统具备流量、注浆压力、注浆方量等参数实时监测与数据记录功能。
32.其中，足尺管片环2由8环管片拼装而成，管片与设计管片强度、尺寸、连接方式相同，管片环为预制c60钢筋混凝土结构，抗渗等级p12，管片环外径15.4m，内径14.1m，分10块拼装，厚度65cm，宽度2m，管片环环向、纵向采用8.级普通螺栓连接。所述管片环是由盾构机拼装完成，按设计坡度放置于始发基座上，所述管片环之间通过管片螺栓连接，夹缝设有防水材料、内部涂有快干水泥，防止浆液或水渗流，管片环外侧与试验台装置一端相连位置预埋钢板21，为5mm厚弧形钢板。
33.其中，试验套筒3为钢结构套筒，包括弧型钢主梁31、弧形钢板32、溢浆孔33，沿掘进方向长度为6.5m，竖向高度13.5m，弧度为260
°
，置于始发基座上方，所述试验套筒设置多道观察孔34，用于观察同步注浆过程浆液扩散特征及水化反应过程，并设置应力监测系统5。其中，弧型钢主梁31由20a工字钢梁弯成，内径18.72m，比盾构止浆板61板直径大3cm，型钢主梁31间距1m，由100*50*4镀锌矩管檩条35满焊连接，环向间距0.5m。型钢主梁31距离固定面垂直距离为1m，下部设置20a工字钢单立柱支撑36，立柱支撑36底部满焊钢板，以增加受力面积，并通过膨胀螺栓固定在始发基座上；所述弧形钢板32由5mm钢板弯折而成，直径与型钢主梁31直径相同，并与弧形主梁满焊连接；所述观察孔34由特制16mm弧形高强度透明树脂板组成，镶嵌在试验套筒，确保其密封性，并可承受注浆过程产生的作用力。所述装置固定桁架结构7，包括型钢立柱71与横梁72，所述型钢立柱为30a工字钢，与始发基座通过膨胀螺栓连接，所述型钢横梁72为30a工字钢，与试验套筒焊接，另一端与主体结构73通过膨胀螺栓连接，保证试验装置稳定。试验套筒3顶部设直径为5cm的溢浆孔33，用于试验过程中泥浆或水外泄。
34.结合图3，所述应力监测系统5用于采集注浆过程产生的作用力数据，设型钢弦式土压力传感器51共45套，土压传感器51直径110mm，厚37mm，量程0～0.5mpa，以试验套筒3顶部为基准，间隔15
°
左右对称布置，设3个相同横断面；设5型孔隙水压力计52共15套，孔隙水压力计52直径30mm，量程0～0.5mpa，与土压力传感器51同横断面，间隔45
°
左右对称布置。数据收集装置53用于实时记录作用力数据。
35.如图4所示，所述试验装置尾部密封6，包括盾尾止浆板61、橡胶皮套62、密封钢板63，所述密封橡胶皮套厚度1cm，可根据止浆板61至试验套筒3内侧壁间隙定制，橡胶皮套62包裹在盾尾止浆板61前后两侧，使盾构机推进过程中保证所注浆液不向掘进方向渗漏。所述密封钢板63是由5mm钢板根据试验套筒3与足尺管片2之间间距切割成圆环形，与试验套筒3、管片预埋钢板21采用满焊方式连接，确保同步注浆施工浆液不出现渗漏。
36.如图5所示，所述试验套筒底部密封8，包括l型钢板81、防水板82、水平钢板83，所述l型钢板81采用10mm钢板焊接而成，与型钢横梁72焊接，所述防水板82设置于l型钢板上侧，所述水平钢板厚5mm，长度大于装置长度0.5m，设置于l型钢板81与防水板之间，前端与盾构机尾部焊接，上下层涂抹润滑油。
37.本发明还提出一种盾构施工同步注浆原位试验方法，包括以下步骤：
38.步骤1：盾构机尾部通过足尺管片预埋钢板21后，组装装置固定桁架结构7与试验套筒3；
39.步骤2：将试验套筒尾部密封8、底部密封钢板6焊接牢固，确保试验装置密封效果；
40.步骤3：通过溢浆孔33向试验装置空腔内注入清水或泥浆，至到空腔内全部充满水或泥浆；水为中性，无杂质，无污染；泥浆为膨润土泥浆，粘度20～27s，重度1.1～1.2。
41.步骤4：根据试验需要拌制同步注浆浆液，设定合理的推进速度、注浆参数，通过盾构机注浆系统1向盾尾空隙同步注浆；盾构推进过程中，进行施工工况模拟：
42.①
是在推进1m距离后(注浆材料a、b液配比1)，注a液封盾尾，停止推进1h(按照正常管片拼装时间)，之后恢复推进，验证a液在注浆过程中封盾尾的效果；
43.②
在推进2m距离后(注浆材料a、b液配比1)，注膨润土封盾尾，停止推进2h(按照长时间停机时间)，之后恢复推进，验证膨润土在注浆过程中封盾尾的效果；
44.③
在推进3m距离后(注浆材料a、b液配比1)，停止推进40min，不做封盾尾措施(按照拼装管片停机时间)，之后恢复推进，验证a、b液靠自身封盾尾的效果；
45.④
在推进4m距离后(注浆材料a、b液配比2)，停止推进40min，不做封盾尾措施，之后恢复推进，观察前四种措施封盾尾的效果；
46.⑤
停机3h后，在推进4.3m距离后(30cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注水，注满水后，在水中注浆，浆液从顶部溢浆孔溢33出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比1，抗水分散性效果；
47.⑥
停机3h后，推进到4.6m距离后(30cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注水，注满水后，在水中注浆，浆液从顶部溢浆孔33溢出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比2，抗水分散性效果；
48.⑦
停机3h后，推进到4.9m距离后(30cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注水，注满水后，在水中注浆，浆液从顶部溢浆孔33溢出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比3，抗水分散性效果。
49.⑧
停机3h后，推进到5.2m距离后(30cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注泥浆，注满泥浆后，开始注浆，浆液从顶部溢浆孔33溢出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比1，抗分散性效果。
50.⑧
停机3h后，推进到5.5m距离后(30cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注泥浆，注满泥浆后，开始注浆，浆液从顶部溢浆孔33溢出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比2，抗分散性效果。
51.⑨
停机3h后，推进到6m距离后(50cm空腔)，停止推进，开始在空腔内注泥浆，注满泥浆后，开始注浆，浆液从顶部溢浆孔溢33出后停止注浆，此过程验证在水环境中a、b液浆浆液配比3，抗分散性效果。
52.步骤5：通过观察孔，观测浆液扩散状态，通过监测系统，记录注浆参数、作用力参数，分析试验结果；拆除部分试验套筒，分析注浆材料、封堵材料，确定同步注浆施工工艺参数。
53.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”、“内侧”等(如果存在)是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，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。
54.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、实施方案和有益效果进行了详阐述，应理解的是，以上所述仅为本发明众多可实施实例之一，并不用于限制本发明，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。