[发明专利]可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台及其应用

说明书

技术领域

本发明属于隧道及地下工程领域，涉及适用于盾构隧道同步注浆和控制技术。

背景技术

盾构隧道施工过程中，随着盾构机的不断掘进，位于盾构壳内部的拼装管片会脱出盾壳，由于盾构机外径比管片外径大，不可避免在盾尾形成一定厚度的圆环形空隙，称为盾尾间隙。对于单圆形盾构机械同步注浆孔布置位置一般为直角坐标系斜45度角对称布置同步注浆理想状态下完全填充盾尾间隙，并不对周边地层产生土体扰动时，地层变形控制得较好，而实际工程盾构推进同步注填浆液时，盾尾间隙外侧的土体也在同步变形，注浆填充效果、浆液层和外部土层的相互接触渗透受同步注浆浆液扩散模式的影响，但此动态非线性复杂物理过程难以通过理论进行有效推导，同时试验观测由受制于土体内部注浆难以观测。

目前通过建立可视化环境研究同步注浆浆液扩散模式的模型试验研究未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可视化环境下单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散模式研究平台。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种可视化环境下单圆盾构隧道同步注浆浆液扩散研究平台，包括为实现室内可视化环境功能而配置的模型箱装置、缩尺单圆盾构机型同步注浆物理过程模拟试验装置和观测可视化环境下浆液扩散的PIV(Particle Image Velocimetry)数字图像处理系统。

整个系统大致可分为三个部分：第一部分为模型箱装置，该装置为整个试验提供空间；第二部分为同步注浆物理过程模拟试验装置，该装置是系统的主要组成部分，主要用以实现对同步注浆过程的控制，模拟实际注浆过程；第三部分为PIV数字图像处理系统，该装置用以观察并记录浆液在盾尾间隙的扩散过程，获取试验数据用于分析。

第一部分为模型箱，在其内部充填透明土，模型箱左侧壁预留孔径，第二部分与第一部分的连接主要通过模型箱左端预留的相应尺寸的孔径进行连接并沿孔径环向布置密封垫，即第二部分中的模拟盾尾通过第一部分中模型箱左侧壁上的预留孔径安装在模型箱内。

第二部分中的模拟管片通过专用固体胶粘结在第一部分模型箱的右侧壁上，而第二部分中的模拟管片同轴的套在模拟盾尾内部并保证其能够沿模拟盾尾内壁轴向滑动，模拟管片和模拟盾尾交界处沿环向布置密封垫，密封垫被专用胶粘接在交接处模拟管片外壁上，第二部分的同步注浆系统中的注浆桶、注浆泵经注浆管连接到模拟盾尾的左侧壁上，实现在盾尾间隙注浆的功能，第二部分中盾构推进系统经液压推进缸连接到模拟盾尾的左端面，保证模拟盾尾受盾构推进系统控制沿轴向滑移。

第三部分中的CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机布置在第一部分模型箱右侧壁外，使相机正对模拟管片横截面，保证其能够拍摄到清楚的断面图像，第三部分中的高功率激光器布置在模型箱外正面，保证激光能够照亮模拟盾尾的某一横断面，计算机的布置无特别讲究，不影响试验进行即可，CCD相机、计算机和高功率激光器间通过专用数据线电缆连接，保证数据传输的同时性和完整性。

进一步，所述的可视化单圆盾构同步注浆浆液扩散模式研究平台包括试验土箱、模拟管片、模拟盾尾、同步注浆控制系统、盾尾刷、密封胶垫、密封胶垫、透明模型土、左端盖、盾构液压顶进缸、盾构推进控制系统、注浆泵、浆液通、注浆管、CCD相机、支杆、激光源；

所述试验土箱内装有透明模型土用以模拟地层，试验土箱一端带有左端盖，该端连接盾构机液压推进缸，模拟管片右端固结在试验土箱左右侧壁上，轴线与地面水平，模拟管片横截面设置有注浆孔，注浆孔内设置有注浆管，注浆管一端连接浆液通，一端伸向盾尾间隙实现注浆，注浆速度受注浆泵控制；试验土箱、左端盖与模拟管片接缝处采用橡胶密封垫密封，模拟管片与模拟盾尾接缝处采用橡胶密封垫及盾尾刷密封；盾构机液压推进缸端部连接盾构推进控制系统；在模型土箱上方及侧面分别设置激光片源，同时配备高像素CCD相机，高像素CCD相机与计算机连接。

所述试验土箱横截面为方形，采用钢材料制成。

所述模拟管片采用透明材料优选有机玻璃制成，呈圆筒状，用以模拟隧道砌衬，其右端固结在试验土箱右侧壁，试验土箱左侧开口，右侧封闭。

所述模拟盾尾与模拟管片同轴布置，模拟管片在模拟盾尾内侧，模拟盾尾受盾构推进系统作用而能够沿模拟管片外侧滑移；模拟盾尾上对称布置有注浆孔，优选4个注浆孔，利用注浆系统将模型浆液注入盾尾空隙；在试验土箱左侧开口与模拟盾尾结合处沿整个环向布置盾尾密封圈，模拟管片与模拟盾尾间设置两处密封装置，用以隔绝盾尾空隙内的浆液沿着模拟盾尾与模拟管片之间的间隙渗漏。