一种模拟盾尾同步注浆管片自主上浮的可视化试验装置的制作方法

1.本发明属于盾构隧道同步注浆领域，特别涉及到一种模拟盾尾同步注浆管片自主上浮的可视化试验装置。


背景技术：

2.盾构法施工过程中，由于盾构外壳存在一定厚度，故盾构外壳脱出后，管片与土体之间出现盾尾间隙。为了保证衬砌结构的稳定性，施工时需进行同步注浆对盾尾间隙进行填充，填充过程中，由于浆液的扩散与凝固，管片会出现一定程度的上浮现象，对衬砌结构受力存在一定影响。迄今为止已有诸多学者对盾构同步注浆过程中导致的管片上浮问题进行研究。
3.对于同步注浆过程中管片上浮的模拟，丁万涛、王涵等采用圆筒形部件模拟隧道模型与管片模型，通过控制管片模型外部橡皮囊的气压状态来模拟盾构隧道开挖过程中管片脱出盾尾阶段，同时通过注浆管向橡皮囊内注入浆液进行同步注浆，且通过管片模型与隧道模型见的滑轮来模拟管片受力上浮的运动状态；张连凯通过连接杆将管片模型与称重传感器连接，通过浆液浸泡管片过程中传感器数值变化推测所受浮力。对于同步注浆过程中浆液渗透的模拟，杨晓虎、王颖铁等提供的盾构隧道同步注浆相似模型试验方法，采用两个不同直径管道之间的管环模拟盾尾间隙，可有效的模拟任意软土地层条件、隧道几个尺度、施工开挖过程和同步注浆参数，有效的观测浆液的流动、渗透。对于同步注浆过程中地表部分的监测，丁文其、赵天驰等采用抽拉装置连通注浆管模拟盾构脱出同步注浆过程，模型箱正面采用透明材料制成，且前后配置摄像机与格栅，观测注浆过程中浆液在空隙中的充填过程与流动状态以及模型土下沉与隆起情况，但其抽拉过程中易出现漏浆现象。
4.现有技术中，中国申请发明专利“一种盾构隧道同步注浆相似模型试验系统及其方法”(专利号：202010975844.3)，中国申请实用新型专利“一种盾构隧道同步注浆模拟试验系统”(201620339567.6)，中国申请实用新型专利“一种盾构施工同步注浆模拟试验平台”(专利号：201520421960.5)，均对盾构同步注浆过程试验模拟提供了试验台，通过圆形构件模拟隧道模型与管片模型，对浆液的填充过程与填充机理进行了深入的探讨，且部分装置能够对管片上浮量进行监测，但这些试验装置均对管片模型进行了缩尺，而浆液不能等效配置，无法模拟管片上浮的实际受力。本实用新型专利选取管片底部位置的局部微元进行模拟，提供了一个可等比例真实还原同步注浆过程的试验平台，实现同步注浆过程中管片上浮模拟，对浆液扩散与凝结过程以及管片所受上浮力进行一个较为准确的测定，有效解决现有试验台在盾构脱出与管片上浮处出现的漏浆问题，弥补该领域的空白。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有试验装置在试验中管片上浮与盾尾脱出处容易出现漏浆问题，管片上浮量需手动调节等缺点，提供一种模拟盾尾同步注浆管片自主上浮的可视化试验装置。
6.本发明技术方案如下：
7.本发明的目的在于提供一种模拟盾尾同步注浆管片自主上浮的可视化试验装置，其特征在于：包括土箱、管片模型、上浮调节系统、同步注浆系统、数据监测系统；所述土箱包括两个钢板、两个透明板与土箱一侧滑轨，钢板有肋，板之间通过螺栓连接，滑轨由螺栓固定在土箱一侧且高于土箱；所述管片模型为方型钢筒，底部铺设一层压电薄膜传感器，监测受压面应力分布，管片模型安装在土箱正上方，侧面与土箱侧面滑轨相连；所述上浮协调系统包括一圈空气橡胶囊，竖直安装于管片与土箱之间，上下两端分别于管片模型底部的压力传感器外围和土箱上边缘贴合；所述同步注浆系统包括可水平滑移盾壳与注浆系统，所述可水平滑移盾壳包括盾构机壳体、防水橡胶薄膜、滑轨、摇把、螺杆、滑移钢架、支撑钢架，盾构机壳体为方型钢筒，置于滑轨之上，前端与滑移钢架相连，滑移钢架底部安装滑轮与滑轨相连，滑轨安置与支撑钢架之上，摇把通过螺杆与滑移钢架相连，通过转动摇把，带动螺杆收缩，从而使滑移钢架产生水平移动，使得盾构机壳体从土箱一侧开口处拉出，形成盾尾间隙，土箱内部张贴一张具有足够弹性的防水橡胶薄膜覆盖该开口处，薄膜与盾构机壳体盾尾面贴合并留设注浆孔；所述注浆系统包括注浆泵和注浆管，随着盾壳滑移，注浆管同步向盾尾间隙注浆。
8.进一步的，所述装置为盾构同步注浆过程中盾构底部的局部单注浆管处同步注浆施工过程，通过盾尾脱出系统将盾构外壳从土箱中拉出模拟盾尾推进过程，同时在管片模型与土体之间形成盾尾间隙，通过注浆系统中盾构外壳上的注浆孔，完成对盾尾脱出同步注浆过程的模拟，能够模拟在不同注浆压力、不同注浆量、不同浆液类型下的管片自主上浮过程。
9.优选的，所述土箱为玻璃板与钢板组合结构，用以观察同步注浆时浆液扩散与凝结过程，并采用可拆卸挡板结构，用以进行重复试验。
10.优选的，为保证盾尾脱出时不会出现漏浆现象，盾尾面与土箱接触处张贴具有足够弹性的防水橡胶薄膜。
11.优选的，为保证管片可在浆液作用下自主上浮，管片底侧四边通过一圈空气橡胶囊与土箱相连，土箱侧面导轨涂抹润滑油保证其灵敏度。
12.优选的，为保证盾构管片上浮力与工程实际相吻合，所述同步注浆浆液与土箱填土应于实际工程相同。
13.优选的，为保证同步注浆过程中浆液扩散便于观察，浆液渗入土层范围便于辨别，所述同步注浆浆液中掺加有色剂，形成可辨识的鲜明对比。
14.利用所述装置进行盾构同步注浆上浮力试验，包括以下步骤：
15.步骤1、土箱拼装：将钢板与透明板拼装，并使用螺栓固定，于缝隙打上密封胶，内部张贴保鲜膜；
16.步骤2、土箱填土：将盾构开挖地层土填装到土箱内，分层填装压实，填土高度与盾构外壳底面相齐；
17.步骤3、安装管片：管片与土箱侧面导轨连接，管片底面四边贴合一圈空气橡胶囊与土箱上表面四边相连，防止浆液渗漏；
18.步骤4、注浆孔连接注浆泵，按照试验要求设置注浆压力、注浆量、管片重量与掘进速度等，打开开关开始试验，试验中，转动摇把，利用螺杆收缩将盾构外壳拉出，保证盾构外
壳匀速前进，并通过压电薄膜传感器采集相关数据，通过透明挡板观察浆液扩散与渗透过程。
19.本发明相比于现有技术具有以下优点：
20.1、应用范围广，可拓展性强。通过本发明所进行的盾构同步注浆模拟试验，使用时可根据盾构掘进土层填装不同类型填土，并根据试验要求改变注浆量、注浆压力、推进速度、注浆浆液类型，检测同步注浆过程中浆液对管片造成的上浮力，并能够观察浆液的扩散与渗透过程，模拟不同工况下盾构同步注浆与管片上浮过程。
21.2、经济效益高。通过更换不同模块即可满足大部分盾尾脱出同步注浆模拟管片上浮试验，且可重复利用，经济环保。
22.3、装置小巧，易于加工、组装与清理。
附图说明
23.图1是本发明的实例的结构示意图；
24.图2是图1中a部放大图；
25.图3是本发明管片底部示意图；
26.图4是注浆泵与注浆孔连接示意图。
具体实施方式
27.一种模拟盾尾同步注浆管片自主上浮的可视化试验装置实施如图1-图4所示：包括土箱1、管片模型5、盾构外壳6、手摇推进台7、注浆泵。所述管片模型5为方型钢筒，其中，盾构管片模型5底部四边通过一圈空气橡胶囊3与土箱1上边缘相连，使得管片模型5可自主上浮，且防止浆液渗漏，盾构管片模型5一侧安装在土箱1侧面滑轨4中，管片模型5使用钢材焊接而成，通过对管片上部开口12注水来调节管片重量，管片模型5底部铺设压电薄膜传感器10，监测整个受压面应力分布。所述土箱1包括两个透明板14、两个钢板，通过凹槽与螺栓连接，拼装完成后于缝隙中打上密封胶，防止浆液渗漏，土箱1侧面通过螺栓与滑轨4连接。所述可水平滑移盾壳包括盾构机壳体6、支撑钢架7、摇把9、滑轨8，盾构机壳体6盾尾面与土箱1侧面开口处相连，该连接处张贴防水橡胶薄膜14，薄膜14四周与土箱1内部贴合，薄膜14覆盖盾构外壳6盾尾面且在相应位置剖出注浆孔13，其余接触部分与盾构外壳6盾尾面贴合，防止盾尾脱出时出现漏浆现象，盾构机壳体6为手摇推进，旋转摇把9带动螺杆16收缩，从而使滑移支架11产生水平滑移，将盾构机壳体6通过滑轨8从土箱1内拉出，形成盾尾间隙并进行同步注浆。所述同步注浆系统包括注浆孔13、注浆管16、注浆泵15，注浆管16连接注浆泵15与盾构外壳6前端的注浆孔13，借助注浆泵15压力进行注浆。
28.将土箱1中的钢板与透明板17拼装，并使用螺栓固定，于缝隙打上密封胶，内部张贴保鲜膜，形成一个不透水的密闭空间，防止漏水漏浆；将盾构开挖地层土填装到土箱1内，分层填装压实，填土2高度与盾构外壳6底面相齐；将管片模型5与土箱1侧面滑轨4连接，空气橡胶囊3两端分别与管片模型5底部压电薄膜传感器10外围、土箱1上边缘贴合，从而满足管片模型5自主上浮的要求，同时防止管片模型5上浮时浆液渗漏；连接注浆孔13与注浆泵15，按照试验要求设置注浆压力、注浆量、管片重量与掘进速度等，打开开关开始试验，试验中保证盾构外壳6匀速前进，并通过管片模型5底部铺设的压电薄膜传感器10采集相关数
据，通过土箱1侧面滑轨4观测管片模型5上浮量，通过透明挡板16观察浆液扩散与渗透过程。
29.试验开始后，通过旋转摇把9提供动力，使得盾构机壳体6按照一定速度通过螺旋杆牵引，从土箱1中拉出，在填土2上表面与管片模型5之间形成盾尾间隙，具体速度可按照实际所需进行调整，盾构机壳体6向外脱出的同时，注浆管16连接注浆泵15与盾构外壳6前端的注浆孔13，利用注浆泵15进行同步注浆，用于模拟盾尾脱出过程中的同步注浆，同步注浆量与浆液类型可根据实际进行调整，浆液渗透与扩散过程可通过土箱1中的透明板17进行观测，同步注浆浆液对管片模型5的压力可通过底部铺设的压电薄膜传感器10进行监测，管片模型5的上浮量可通过土箱1侧面滑轨4上刻度条显示。
30.本发明未尽事宜为公知技术。
31.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。。