无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台

摘要

一种无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，包括大型下沉式综合试验台、模拟管片、模拟盾尾、连接法兰、横梁、圆形洞门、液压缸、注浆泵、土压力盒和地表位移计，其中，大型下沉式综合试验台包括有始发井、填土井和接收井，模拟管片和模拟盾尾安装在填土井内并被覆盖上深度不同的土体，模拟管片的右端通过连接法兰与接收井的井壁固定，其最左端的内壁上固定液压缸，模拟盾尾套置于模拟管片的外周且能够沿之外壁轴向滑移，其设有注浆管道及与之相连的注浆孔，横梁固定于模拟盾尾的最左端，注浆泵连接注浆管道，土压力盒设于模拟管片的筒壁和土体中，地表位移计设于土体的表面。本发明能够模拟不同覆土下无工作井盾构机同步注浆的全过程。

权利要求

1.一种无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述模拟试验平台包括大型下沉式综合试验台、模拟管片、模拟盾尾、连接法兰、横梁、圆形洞门、液压缸、注浆泵、土压力盒和地表位移计，其中，大型下沉式综合试验台为沉入地下的方形混凝土结构，其包括有自左向右依次排列的始发井、填土井和接收井，该始发井与填土井之间的井壁上和接收井与填土井之间的井壁上各设置有一洞口，圆形洞门安装在所述始发井的洞口上，连接法兰安装在所述接收井的洞口上，模拟管片和模拟盾尾均为圆筒状构件，其相互同轴套置地安装在所述填土井内并被覆盖上深度不同的土体，模拟管片的最右端通过连接法兰与所述接收井的井壁固定连接，其最左端的内壁上固定安装液压缸，模拟盾尾穿过圆形洞门套置于模拟管片的外周且能够沿模拟管片的外壁进行轴向滑移，该模拟盾尾设有贯通前后的注浆管道及与该注浆管道相连的注浆孔，横梁固定连接于模拟盾尾的最左端，注浆泵连接所述注浆管道，土压力盒设置于模拟管片的筒壁和土体中，地表位移计设置于覆盖在所述模拟管片和模拟盾尾上的所述土体的表面。

2.如权利要求1所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的模拟盾尾由多个钢环结构件同轴地通过螺栓连接而成。

3.如权利要求1或2所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的模拟管片与模拟盾尾之间安装有盾尾刷，所述的圆形洞门的内部设有密封圈。

4.如权利要求1或2所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的注浆泵为往复式注塞泵。

5.如权利要求1或2所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的注浆孔的数量为多个且各个分别控制，其沿所述模拟盾尾的筒壁的圆周分布。

6.如权利要求1或2所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的土压力盒的数量为多个，其受压面朝向模拟管片。

7.如权利要求1或2所述的无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其特征在于：所述的地表位移计数量为多个，每一位移计的顶针下垫置玻璃片或铁片。

说明书

无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台

技术领域

[0001] 本发明涉及用于无工作井隧道盾构掘进机施工的模拟试验装置，具体涉及的是一种无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，属于隧道建筑工程技术领域。

背景技术

[0002] 对于地下隧道施工技术的研究有很多方式，如理论分析等，而试验方法也是一种非常重要的科学方法，例如通过模拟试验的方法来研究盾构掘进机在地下隧道施工过程中的特性、土体的特性以及机土之间的相互作用关系。目前国内外一些企业、科研机构和大学都建立相关的实验室以设计建造相应模拟试验台来进行这一特定的工程模拟试验，如上海隧道工程股份有限公司就研制了大型盾构掘进模拟试验平台以进行盾构掘进机施工试验。

[0003] 一般的盾构施工中，盾构向前推进，盾构尾部内用成型管片完成隧道的砌衬，当盾构掘进机向前推进时，盾尾就同时前进而在土体与管片砌衬之间留下了建筑间隙。为了有效地控制周围土体的变形和地面沉降，保证隧道的稳定，这时就要采用浆液按照预定压力和注浆量同步均匀地注入管片壁后，充填盾构掘进机推进在盾尾后侧产生的建筑间隙，即进行同步注浆。采用无工作井盾构掘进机掘进法进行地下隧道的施工过程，不同于一般的隧道施工方法，盾构机施工无需工作井，直接从地表起推。盾构掘进机的头部向前方土层掘进，倾斜向下进入土层，达到指定深度后开始向前推进，推进完成后倾斜向上推出土层。在进入土层时，盾构机会由零覆土逐渐变为全覆土；推出土层时，盾构机会由全覆土逐渐变为零覆土。这就需要对不同覆土情况下的注浆情况进行研究。同步注浆是隧道盾构掘进机施工中的一道重要工序，它是降低管片偏移、防止土体变形、控制地面沉降和减少隧道后期变形的重要手段，因此同步注浆应达到及时、均匀、足量的要求。同步注浆的质量受到浆液种类、注浆压力、注浆流量等诸多因素影响，在无工作井盾构掘进机掘进法中，还要考虑到不同覆土情况下对注浆的影响。如何采用合适的工艺参数和方法以达到最佳的同步注浆效果，满足不同覆土下的注浆要求，是隧道盾构施工技术领域中的重要课题，这一课题的研究只单纯地通过理论分析方法进行是不够的，试验研究是解决这一技术课题的必不可少的重要方法。

[0004] 现有技术中我们找到了中国专利ZL201010134780.0《盾构掘进机同步注浆模拟实验平台》，该专利所述注浆模拟装置主要包括土箱、模拟管片、模拟盾尾、推进液压缸、导向桶、透明外桶、土压传感器、摄像头和注浆泵；导向桶轴线水平地固接于土箱的左侧壁上，透明的模拟管片同轴地套置于透明外桶中且与土箱的右侧壁固接，模拟盾尾同轴地套置于模拟管片的外周且能够沿导向桶的内管壁和模拟管片的外筒壁进行轴向滑移，其筒壁内设置有注浆孔，推进液压缸能够带动模拟盾尾往复运动。

[0005] 对于盾构掘进机同步注浆模拟试验而言，上述现有注浆模拟装置存在有如下不足：

[0006] 1、该注浆模拟装置只能模拟土体的单一覆土同步注浆过程，而无法模拟无工作井盾构掘进机进入土层和推出土层过程中不同覆土下的注浆过程。

[0007] 2、不能监测土表位移——该注浆模拟设备只安装了土压传感器，没有安装地表位移计，不能测量土表位移。

[0008] 3、不能用真实的浆液进行试验——盾尾间隙进行了模拟比的缩小，间隙较小不能用真实的浆液进行试验。

发明内容

[0009] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其能够同时模拟不同工况下盾构掘进机推进时同步注浆的全过程，尤其能够模拟不同深度覆土状况下的注浆情况，从而为研究不同工艺参数对无工作井盾构掘进机推进时同步注浆效果的影响提供了条件。

[0010] 本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

[0011] 一种无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台，其包括大型下沉式综合试验台、模拟管片、模拟盾尾、连接法兰、横梁、圆形洞门、液压缸、注浆泵、土压力盒和地表位移计，其中，大型下沉式综合试验台为沉入地下的方形混凝土结构，其包括有自左向右依次排列的始发井、填土井和接收井，该始发井与填土井之间的井壁上和接收井与填土井之间的井壁上各设置有一洞口，圆形洞门安装在所述始发井的洞口上，连接法兰安装在所述接收井的洞口上，模拟管片和模拟盾尾均为圆筒状构件，其相互同轴套置地安装在所述填土井内并被覆盖上深度不同的土体，模拟管片的最右端通过连接法兰与所述接收井的井壁固定连接，其最左端的内壁上固定安装液压缸，模拟盾尾穿过圆形洞门套置于模拟管片的外周且能够沿模拟管片的外壁进行轴向滑移，该模拟盾尾设有贯通前后的注浆管道及与该注浆管道相连的注浆孔，横梁固定连接于模拟盾尾的最左端，注浆泵连接所述注浆管道，土压力盒设置于模拟管片的筒壁和土体中，地表位移计设置于覆盖在所述模拟管片和模拟盾尾上的所述土体的表面。

[0012] 所述的模拟盾尾由多个钢环结构件同轴地通过螺栓连接而成。

[0013] 所述的模拟管片与模拟盾尾之间安装有盾尾刷，所述的圆形洞门的内部设有密封圈。

[0014] 所述的注浆泵为往复式注塞泵。

[0015] 所述的注浆孔的数量为多个且各个分别控制，其沿所述模拟盾尾筒壁的圆周分布。

[0016] 所述的土压力盒的数量为多个，其受压面朝向模拟管片。

[0017] 所述的地表位移计数量为多个，每一位移计的顶针下垫置玻璃片或铁片。

[0018] 与现有注浆模拟装置相比较，本发明取得了如下有益的技术效果：

[0019] 1、本发明能同时模拟不同覆土情况。在所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台的填土井内设有深度不同的覆土，能同时模拟不同覆土状况下的注浆情况。

[0020] 2、本发明能模拟不同推进速度、不同注浆压力的掘进状态。通过液压缸的控制能改变推进速度，通过对注浆泵的控制能改变注浆压力。

[0021] 3、本发明能同时监测土压力和地表位移。所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台在模拟管片的管壁上和土体中安装有土压力盒，能够监测土体压力；在土体的表面设有地表位移计，能够监测地表的位移。

[0022] 4、本发明能同时模拟不同覆土下的对应注浆方法。所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台在模拟盾尾上设置有多个注浆孔，通过连接不同的注浆孔，对不同的注浆孔注浆，实现不同的注浆方法。

[0023] 总之，本发明所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台能够动态地模拟无工作井盾构掘进机推进时同步注浆的全过程，并且通过调节和变化试验条件实现了对不同工况同步注浆过程的模拟，为研究不同工艺参数对同步注浆效果的影响提供了条件。采用本发明所做试验的结果可以为盾构掘进机同步注浆技术的理论研究提供试验依据和数据参考。

附图说明

[0024] 图1为本发明的结构示意图。

[0025] 图2为模拟盾尾及注浆孔的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

[0027] 请参阅图1本发明的结构示意图，图示无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台包括有大型下沉式综合试验台1、模拟管片2、模拟盾尾3、连接法兰4、横梁5、圆形洞门6、液压缸7、注浆泵8、土压力盒9和地表位移计10。

[0028] 所述大型下沉式综合试验台1为混凝土制的方形结构，沉入地面，尺寸为长22.4m、宽9.6m、深9.3m，其内部包括3个部分，分别为自左向右依次排列的始发井11、填土井12和接收井13；该始发井11与填土井12之间的井壁上和接收井13与填土井12之间的井壁上各设置有一洞口。所述圆形洞门6为圆环状钢结构件，其安装在所述始发井11的洞口上，内部设有密封圈，使土体14不外溢。所述连接法兰4安装在所述接收井13的洞口上。所述模拟管片2为圆筒状构件，用以模拟隧道砌衬；该模拟管片2的数量为多个，相互之间同轴地通过螺栓连接，其中最右端的模拟管片2的右端通过连接法兰4与所述接收井13的井壁固定连接，最左端的模拟管片2的内壁固定安装所述液压缸7。所述模拟盾尾
3为圆筒状钢结构件，用以模拟盾构掘进机的尾部，其由多个钢环结构件同轴地通过螺栓连接而成。所述模拟管片2与模拟盾尾3相互同轴套置后安装在大型下沉式综合试验台1的填土井12内，并被覆盖上深度不同的土体14，以模拟盾构机在进入和推出土层时不同覆土情况下的注浆情况。所述模拟盾尾3穿过所述圆形洞门6并且套置于所述模拟管片2的外周，该模拟盾尾3能够沿模拟管片2的外壁进行轴向滑移，两者之间安装有盾尾刷，起到密封的作用，使土体14不至于进入盾构内。所述模拟盾尾3设有多条贯通前后的注浆管道和与该注浆管道相连的多个注浆孔，请参阅图2，该注浆孔沿所述模拟盾尾3筒壁的圆周分布，各个注浆管道和注浆孔的注浆分别控制。所述注浆泵8为往复式注塞泵，其与所述模拟盾尾3的注浆管道连接。所述横梁5通过螺栓固定连接于模拟盾尾3的最左端，并且与所述液压缸7相推抵。该液压缸7通过油缸伸长顶推固定在模拟盾尾3上的横梁5并推动模拟盾尾3脱离模拟管片2，从而模拟盾构向前推进的过程。所述土压力盒9的数量为多个，设置于模拟管片2的筒壁和土体14中，针对不同工况布置不同的数量；安装时将其固定在角钢上，受压面朝向模拟管片2，然后把角钢固定在对应位置，数据线沿着角钢布置。所述地表位移计10的数量为多个，设置于所述土体14稳定的表面；安装时先将角钢焊接在侧面钢板上的指定位置，然后将地表位移计10固定在角钢上，置于土体14表面，每一地表位移计
10的顶针下垫置玻璃片或铁片。

[0029] 在使用本发明所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台进行试验之前，首先要检查设备是否正常。本发明进行试验的过程可参阅图1，试验开始后液压缸7的液压缸缸杆以一定的速度顶推横梁5，并带动模拟盾尾3实现推进，以模拟地下盾构机的掘进，模拟盾尾3的推进速度可由液压缸7调节；与此同时，注浆泵8以与模拟盾尾3推进速度相匹配的注浆速度通过模拟盾尾3的注浆孔向后侧的建筑间隙进行同步注浆，此时模拟管片2上的土压力盒9能够测量出土体压力，土体14表面的地表位移计10能测量出土体位移，由于注浆泵8是往复式注塞泵，因此试验者可以通过注浆泵8调节注浆流量，从而试验人员可以通过调节液压缸7和注浆泵8实现对不同工况下盾构掘进机同步注浆的模拟；当液压缸7的缸杆完全伸出时，模拟盾尾3中的一钢环结构件被推出土体14，将其和连接在其上的横梁5拆除，再将横梁5装在伸出来的后面一个钢环结构件上，并且将液压缸7复位。依此类推，继续试验，直到所有模拟盾尾3的全部钢环结构件被推出土体14，完成试验。

[0030] 本发明所述无工作井盾构掘进机同步注浆模拟试验平台能够实现多种工况的同步注浆试验，尤其能够模拟无工作井盾构法的同步注浆进行全过程的数值试验和对比分析，揭示无工作井盾构法的同步注浆机理，研究新型GPST浆液的施工参数匹配和对土层的影响，从而服务于实际隧道工程施工。