一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法

1.本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法。


背景技术：

2.盾构法因其安全高效、优质环保的特点，己经成为隧道工程领域的主流工法之一。在盾构掘进过程中，由于盾构机的刀盘的外径要大于衬砌管片的外径，而且开挖过程中存在超挖等现象，在盾尾脱离管片之后，管片与地层之间会出现环形间隙，该间隙即为盾尾间隙，盾尾间隙若不及时处理，极易导致间隙积水增多致使管片漏水，管片在千斤顶作用下由于缺乏约束致使管片变形错位，此外地层变形逐渐变大，最终会导致地表沉降超限，在城市隧道施工中会对周围建筑造成十分不利的影响，在实际盾构隧道工程中通常同步注浆技术对盾尾间隙进行填充。
3.同步注浆作为盾构推进过程中的重要工序，对于地表沉降控制、抑制围岩变形等至关重要。目前同步注浆材料主要分为单液浆和双液浆，单液浆注浆材料主要分为单液惰性浆液和单液硬（活）性浆液，目前国内多采用的是由水、砂、水泥、粉煤灰等组成的单液硬（活）性浆液。双液浆则是将a、b浆液由两根管道泵送，在盾尾注浆孔混合并注入盾尾间隙中。a浆液为水泥基材料，b浆液通常是水玻璃类材料作为硬化剂，混合后浆液的化学胶凝时间最低可达到60秒以内，在强度也较高，能够对盾尾进行有效地充填，控制地表沉降。
4.目前，国内盾构隧道同步注浆浆液多采用单液浆，其在施工过程中，总会出现某些环管片上浮的现象，尤其在岩质地层施工时上浮现象十分明显，这表明同步注浆浆液充填的并不均匀，效果并不理想。然而同步注浆完成后属于地下隐蔽工程，施工完成后难以对同步注浆效果进行验证。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，在中间井设置装有土体的试验箱，盾构机通过试验箱时进行正常的掘进、管片拼装和同步注浆作业，通过各类测量方法监测地层沉降变形和同步注浆效果，具有很高的工程实用价值，为类似工程提供参考。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，包括盾构机和试验箱，所述盾构机和试验箱放置在中间井内，所述试验箱位于盾构机的刀盘与预开挖面之间；所述试验箱的顶面为敞口，所述试验箱的前后两侧面设有大于盾构机外径的圆形洞口；所述模拟方法包括以下步骤：（1）在试验箱内填装原状地层土，在填装过程中，在原状地层土内埋设有水土压力计；
（2）当填土完成后，在试验箱表面设有沉降监测点；（3）盾构机开始掘进，盾构机按照掘进、管片拼装和同步注浆正常工序穿过试验箱，在盾构机在穿越试验箱过程中，通过水土压力计记录试验过程中水、土压力变化数据，通过沉降监测点记录试验箱内部土体表面沉降值；（4）当盾构机穿越整个试验箱后到达地层的预开挖面，开始正常穿越施工；（5）结合地质雷达探测仪和三维激光扫描仪探明同步注浆圈的形态及密实程度。其中，地质雷达探测仪在试验箱未拆除时放置于管片内侧检测，三维激光扫描仪扫描在试验箱和内部土体拆除后在管片外侧直接对同步注浆层扫描；（6）最后，综合土体最大沉降值、水土压力计量值变化均匀度以及通过三维激光扫描仪和地质雷达探测仪测试的浆液注浆形态对同步注浆效果进行评判。
7.进一步的，在步骤（3）中，试验过程中以一环管片的同步注浆为基础，对不同环注浆过程可以改变其注浆量、注浆压力、浆液种类。
8.进一步的，在中间井内设置有导轨，所述导轨延伸至所述试验箱内，所述盾构机配合在所述导轨上。
9.本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：1、在中间井内放置试验箱，在试验箱内填装土体，使盾构机按照掘进、管片拼装和同步注浆正常工序穿过试验箱；利用埋设于试验箱中的水土压力计，可研究同步注浆过程中浆液填充盾尾间隙时导致的土、水压力变化规律；利用地质雷达探测仪探测壁后注浆空洞和三维激光扫描仪探测浆液注浆形态，可直观得到注浆缺陷的位置并分析其原因；通过沉降监测点，可测得同步注浆过程中的地表沉降变化规律；综合土体最大沉降值、水土压力计量值变化均匀度以及通过三维激光扫描仪和地质雷达探测仪测试的浆液注浆形态对同步注浆效果进行评判；本发明真实地模拟了盾构隧道同步注浆的过程，通过试验数据分析可验证同步注浆效果并为类似工程提供参考指导；2、本发明所述模拟方法的方案思路简便，采用的试验箱装置制作工艺简单、操作过程不复杂，能多次能够多次重复利用；3、本发明所述模拟方法可以对多种掘进参数进行探讨，以一环管片为讨论基准，通过改变浆液种类、注浆量、注浆压力以及与盾构掘进速度的参数能够探讨多种问题。
附图说明
10.图1为进行本发明所述模拟方法之前的试验箱与盾构机安装示意图；图2为本发明所述试验箱试验前未填装地层土内部结构示意图；图3为本发明所述试验箱试验试验后内部结构示意图；图4为地层沉降监测示意图。
11.图中：1、导轨，2、盾构机，3、负环管片，4、试验箱，5、地层土。
具体实施方式
12.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
13.在发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
14.以常见的城市地铁6m直径、埋深20m的盾构隧道为例，在进行本发明所述盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法之前进行相关装置的准备。
15.如图1-4所示，首先，在中间井内设置有导轨1，将6m规格的盾构机2及其相关组件拼装完毕放置在导轨1上，负环管片3、同步注浆管及浆液等常规组件均准备好。随后在中间井内拼装试验箱4，试验箱4位于盾构机2的刀盘与预开挖面之间。试验箱4的顶面为敞口，其尺寸为10m（长）
×
18m（宽）
×
10m（高）。在试验箱4的前后两侧面加工有略大于盾构机2外径的圆形洞口，导轨1延伸至试验箱4内，从而保证盾构机2能够按照特定方向行走。
16.本发明所述盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法包括以下步骤：（1）在试验箱4内分层填装原状地层土5，在填装过程中，将水土压力计（包括量程为0.5mpa的土压力计、水压力计）按照设计位置依次埋设在地层土5中，用以记录试验过程中水、土压力变化情况；（2）当填土完成后，在试验箱4表面设有沉降监测点，用水准仪监测地层沉降变化；同时准备三维激光扫描仪和地质雷达探测仪，在盾构机2穿越试验箱4后检测注浆效果。试验箱4、盾构机2、预开挖面三者中心标定在同一直线上，防止试验开始时两者出现偏离的现象，完成进行试验的各项准备工作；（3）盾构机2开始掘进，控制盾构机2以正常的掘进速度向前掘进，穿越试验箱4内部的土时，通过刀盘掘进出土，掘进到一定距离时进行管片支护拼装、同步注浆等操作，直至盾构机2穿越原型试验箱4；在该试验过程中，以一环管片的同步注浆为基础，对不同环注浆可以改变其注浆量（如注浆充盈系数1.1、1.2、1.4）、注浆压力（0.2mpa、0.3mpa、0.4mpa）、浆液种类（如惰性浆液、单液浆、双液浆）等，从而形成不同的注浆效果；通过试验前在试验箱4原状地层土5表面设地层沉降监测点，记录试验过程地层沉降变化情况。利用埋设好的土水压力计记录注浆过程中浆液填充盾尾间隙时导致的土、水压力变化情况；（4）当盾构机2穿越整个试验箱4后到达地层的预开挖面，开始正常穿越施工；（5）在未拆除试验箱4以及内部土体时，将地质雷达探测仪放置于管片内侧对壁后注浆空洞及密实度进行探测；在拆除试验箱4以及内部土体后，用三维激光扫描仪扫描在管片外侧直接对同步注浆层扫描；（6）最后，综合土体最大沉降值、水土压力计量值变化均匀度以及通过三维激光扫描仪和地质雷达探测仪测试的浆液注浆形态对同步注浆效果进行评判。
17.本发明所述盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法完成试验后的注浆效果评价标准如下：
要求地表最大沉降值小于或等于10mm，水土压力分布要均匀， 同步注浆圈缺陷深度小于2cm的部分应占90%以上。
18.通过上述盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法进行模拟试验，该试验方案思路简便，试验装置制作工艺简单、操作过程不复杂，能多次能够多次重复利用；该试验方法可以对多种掘进参数进行探讨，以一环管片为讨论基准，如改变浆液种类、注浆量、注浆压力以及与盾构掘进速度的参数，能够探讨多种问题；不但能研究同步注浆过程中浆液填充盾尾间隙时导致的土、水压力变化规律；也能直观得到注浆缺陷的位置并分析其原因；也能得到同步注浆过程中的地表沉降变化规律；该试验方案真实地模拟了盾构隧道同步注浆的过程，通过试验数据分析可验证同步注浆效果并为类似工程提供参考指导。

技术特征：
1.一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，其特征在于，包括盾构机和试验箱，所述盾构机和试验箱放置在中间井内，所述试验箱位于盾构机的刀盘与预开挖面之间；所述试验箱的顶面为敞口，所述试验箱的前后两侧面设有大于盾构机外径的圆形洞口；所述模拟方法包括以下步骤：（1）在试验箱内填装原状地层土，在填装过程中，在原状地层土内埋设有水土压力计；（2）当填土完成后，在试验箱表面设有沉降监测点；（3）盾构机开始掘进，盾构机按照掘进、管片拼装和同步注浆正常工序穿过试验箱，在盾构机在穿越试验箱过程中，通过水土压力计记录试验过程中水、土压力变化数据，通过沉降监测点记录试验箱内部土体表面沉降值；（4）当盾构机穿越整个试验箱后到达地层的预开挖面，开始正常穿越施工；（5）结合地质雷达探测仪和三维激光扫描仪探明同步注浆圈的形态及密实程度；其中，地质雷达探测仪在试验箱未拆除时放置于管片内侧检测，三维激光扫描仪扫描在试验箱和内部土体拆除后在管片外侧直接对同步注浆层扫描；（6）最后，综合土体最大沉降值、水土压力计量值变化均匀度以及通过三维激光扫描仪和地质雷达探测仪测试的浆液注浆形态对同步注浆效果进行评判。2.根据权利要求1所述的盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，其特征在于，在步骤（3）中，试验过程中以一环管片的同步注浆为基础，对不同环注浆过程可以改变其注浆量、注浆压力、浆液种类。3.根据权利要求2所述的盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，其特征在于，在中间井内设置有导轨，所述导轨延伸至所述试验箱内，所述盾构机配合在所述导轨上。

技术总结
本发明要解决的技术问题是提供一种盾构隧道同步注浆原位试验场体环境模拟方法，在中间井设置装有土体的试验箱，盾构机通过试验箱时进行正常的掘进、管片拼装和同步注浆作业，通过各类测量方法监测地层沉降变形和同步注浆效果，具有很高的工程实用价值，为类似工程提供参考，其包括盾构机和试验箱，所述盾构机和试验箱放置在中间井内，所述试验箱位于盾构机的刀盘与预开挖面之间；所述试验箱的顶面为敞口，所述试验箱的前后两侧面设有大于盾构机外径的圆形洞口，综合土体最大沉降值、水土压力计量值变化均匀度以及通过三维激光扫描仪和地质雷达探测仪测试的浆液注浆形态对同步注浆效果进行评判。注浆效果进行评判。注浆效果进行评判。


技术研发人员：陈鹏 孙旭涛 舒计城 王先明 孙长松 陆野 李宗杰 娄瑞 周航 林志宇 王士民 何川
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8