模拟盾尾间隙的壁后注浆浆液扩散装置及试验方法

技术领域

本发明属于地铁隧道工程技术领域，具体涉及到一种模拟盾尾间隙对注浆浆液扩散影响的试验装置，以及采用该装置进行相关试验的试验方法。

背景技术

盾构法施工在地下工程建设中具有重要地位，在盾构法施工过程中，盾构隧道壁后注浆作为盾构工法的关键工序，壁后注浆在防止地层变形、提高隧道抗渗性、确保衬砌的早期稳定，提高衬砌、浆液、地层的共同受力等方面起到关键作用。目前，由于地层的复杂性、盾尾间隙、注浆压力的不确定性、注浆材料的多样性，盾构隧道壁后注浆的有关理论研究不能满足工程实践的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单、成本低廉、可直观观察分析浆液在土体中扩散情况的模拟盾尾间隙的壁后注浆浆液扩散装置及试验方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：试验装置竖直放置于地面上，空气压缩机一端通过安装在管道上的压力表和回浆阀与试验装置相连通、另一端通过安装在管道上的注浆阀与浆液贮存装置相连通。

本发明的试验装置为：试验筒设置于固定支架上，试验筒由两个半圆形有机玻璃筒体及密封条组成，试验筒顶部设置有穿过固定支架的压紧装置、底部设置有穿过固定支架的盾尾间隙模拟装置，试验筒长度方向上均布设置有若干个加固箍筋。

本发明的固定支架为：上固定板和下固定板之间竖向设置有4根加固筋，加固筋长度方向上设置有至少1个加固板，上固定板中心位置加工有连接杆螺纹孔，下固定板上表面中心位置设置有管道校位垫，下固定板和管道校位垫中心位置对应设置有注浆孔、周向均布设置有3个支撑杆螺纹孔。

本发明的压紧装置为：连接杆设置于连接杆螺纹孔中，连接杆顶部设置有压紧手轮、底部设置有安装于试验筒上部的压紧板。

本发明的压紧板上均布加工有若干通孔。

本发明的盾尾间隙模拟装置为:试验筒内底部设置有注浆防水垫,3个支撑杆依次穿过下固定板、管道校位垫、注浆防水垫伸入试验筒内部并可上下转动，支撑杆底部设置有支撑手轮，层流装置设置于试验筒内部并与支撑杆顶部相接触，注浆管设置于注浆孔中，注浆管的一端伸入注浆防水垫、另一端连接注浆管道。

本发明的层流装置为：中空圆柱形层流筒体的上下两端封闭，层流筒体的下端中心位置加工有进浆孔、上端均布加工有若干浆液分布孔，层流筒体的上端设置有过滤层。

本发明的试验装置一端设置于固定底座上、另一端设置于可调底座上，固定底座的高度大于等于可调底座的高度，使试验装置与水平面倾斜放置或者与水平面平行。

本发明的试验筒上侧壁上加工有出浆孔，出浆孔的高度应高于试验时试验筒内填充物的高度。

本发明的模拟盾尾间隙的壁后注浆浆液扩散装置的试验方法，由以下步骤组成：

S1、试验地层准备：准备试验所用土体，土体选用跟所需要模拟的真实地层环境相同的土体，将试验土体充分搅拌均匀并混合酚酞类染色剂。

S2、浆液配置及置入：根据步骤S1试验地层的可注性以及模拟的真实地层环境配置试验浆液，并将浆液置入浆液贮存装置内；

S3、试验筒拼装及土体置入：将试验筒拼装为一体，注浆防水垫和层流装置依次放入试验筒内，整体放置于固定支架内上，使试验筒的底部与管道校位垫对齐并加固，安装注浆管以及支撑杆和支撑手轮，转动支撑手轮使层流装置距离注浆孔10cm，上紧支撑手轮，依据目标地层孔隙度及渗透系数对应从试验桶上部装填土体进入试验筒，每装填40cm埋置测量单元，填充完成后，将压紧板和连接杆放入试验筒内，依次安装上固定板和压紧手轮，转动压紧手轮压实土层；

S4、浆液注入：连接注浆系统，设置空气压缩机参数，外接压力表归零，转动转动支撑手轮使层流装置落于试验筒底部，空气压缩机将浆液注入试验筒内，待浆液注满，调节回浆阀，使注浆压力达到预定的注浆压力值0.2～0.4MPa，并保持15min后，关闭注浆阀；

S5、收集试验数据：注浆完毕后，等待浆液固结8～10h，收集测量单元数据。将试验筒拆开，对注浆后土体按单位长度切割，分析浆液在土中的扩散固结情况，观察浆液扩散半径及对凝结体进行强度测试。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、本发明试验筒采用高强有机玻璃制成，由两半圆形筒体拼接，两者之间设置密封防水条，可直观分析浆液在土体中的扩散情况。

2、本发明的固定架由加固筋、加固板、上下固定板组成，可有效保证整个装置的结构强度和稳定性，试验筒上设置多个加固箍筋增加试验筒抗压能力。

3、本发明盾尾间隙模拟装置的设计，一方面用于考虑盾构施工中的盾尾间隙对壁后注浆的影响，另一方面设计层流筒体对注入的浆液进行缓冲贮存，并且在层流筒体上设置浆液分布孔、过滤网，可使浆液呈均匀状注入试验土体，土体无法进入层流筒体，不会对注浆造成影响。

4、本发明设置压紧装置，可对试验土体压紧处理，模拟工程地层真实情况。

5、本发明在试验土体中添加显色剂，可直观分析浆液在土体中的扩散情况，考虑浆液的PH值呈碱性，当浆液中较大颗粒无法通过时，其水分仍可通过，并由显色剂突出显示。

6、本发明可通过调节底座调整注浆方向，研究不同角度壁后注浆浆液扩散情况。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中试验装置1的结构示意图(仅安装半边试验筒1-3)。

图3是图2中固定支架1-4的结构示意图。

图4是图2的上端局部示意图。

图5是图2的下端局部示意图。

图6是图2中层流装置1-5-1的结构示意图。

图7是本发明试验装置1的另一种安装方式示意图。

图8是本发明注浆试验后浆液扩散情况图。

图9(a)、(b)是本发明注浆试验后凝结体的状态图。

图中：1、试验装置；2、浆液贮存装置；3、空气压缩机；4、压力表；5、可调底座；6、固定底座；1-1、密封条；1-2、加固箍筋；1-3、试验筒；1-4、固定支架；1-5、盾尾间隙模拟装置；1-6、压紧装置；1-4-1、上固定板；1-4-2、加固筋；1-4-3、加固板；1-4-4、下固定板；1-4-5、管道校位垫；1-5-1、层流装置；1-5-2、支撑杆；1-5-3、注浆防水垫；1-5-4、注浆管；1-5-5、支撑手轮；1-6-1、压紧手轮；1-6-2、连接杆；1-6-3、压紧板；1-5-1-1、过滤网；1-5-1-2、层流筒体；a、出浆孔；b、进浆孔；c、注浆孔；d、支撑杆螺纹孔；e、连接杆螺纹孔；f、浆液分布孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1～7中，本发明涉及的一种模拟盾尾间隙的壁后注浆浆液扩散装置,一般情况下，将试验装置1竖直放置于地面上，为了研究不同角度壁后注浆浆液扩散情况，将试验装置1一端安装于固定底座6上、另一端安装于可调底座5上，固定底座6的高度大于等于可调底座5的高度，使试验装置1与水平面倾斜放置或者与水平面平行。可调底座5与试验装置1可拆卸连接，可调底座5可以调节试验装置1的高度从而使试验装置1处于不同的角度，固定底座6与试验装置1铰接，拆除可调底座5之后，试验装置1落于固定底座6上，固定底座6对试验装置1起固定作用，使其保持稳定。

空气压缩机3一端通过安装在管道上的压力表4和回浆阀与试验装置1相连通、另一端通过安装在管道上的注浆阀与浆液贮存装置2相连通，空气压缩机3可对注浆压力进行设置，压力表4可直接观察本装置的注浆压力，配置好的浆液置入浆液贮存装置2内。

本实施例的试验装置1由密封条1-1、加固箍筋1-2、试验筒1-3、固定支架1-4、盾尾间隙模拟装置1-5、压紧装置1-6连接构成，试验筒1-3由两个半圆形有机玻璃筒体连接构成，两个半圆形有机玻璃筒体之间设置有密封条1-1，密封条1-1防止筒体内浆液渗漏，试验筒1-3上侧壁上加工有出浆孔a，出浆孔a的高度应高于试验时试验筒1-3内填充物的高度，本装置注浆时，多余浆液由出浆孔a排出筒体。试验筒1-3长度方向上均布安装有若干个加固箍筋1-2，通过加固箍筋1-2加固试验筒1-3以抵抗地层压力及注浆压力。试验筒1-3安装于固定支架1-4上，试验筒1-3顶部安装有穿过固定支架1-4的压紧装置1-6、底部安装有穿过固定支架1-4的盾尾间隙模拟装置1-5。

本实施例的固定支架1-4由上固定板1-4-1、加固筋1-4-2、加固板1-4-3、下固定板1-4-4、管道校位垫1-4-5连接构成，上固定板1-4-1和下固定板1-4-4之间竖向通过螺纹紧固连接件固定有4根加固筋1-4-2，加固筋1-4-2长度方向上设置有至少1个加固板1-4-3，加固板1-4-3辅助固定试验筒1-3，防止试验筒1-3倾倒，上固定板1-4-1中心位置加工有连接杆螺纹孔e，下固定板1-4-4上表面中心位置焊接固定有管道校位垫1-4-5，下固定板1-4-4和管道校位垫1-4-5中心位置对应加工有注浆孔c、周向均布加工有3个支撑杆螺纹孔d，管道校位垫1-4-5可校准注浆孔c与试验筒1-3的水平位置。

本实施例的压紧装置1-6由压紧手轮1-6-1、连接杆1-6-2、压紧板1-6-3连接构成，连接杆1-6-2安装于连接杆螺纹孔e中，连接杆1-6-2顶部可拆卸安装有压紧手轮1-6-1、底部焊接固定有安装于试验筒1-3上部的压紧板1-6-3，压紧板1-6-3上均布加工有若干通孔，在压紧土体的过程中泄出部分压力，防止筒体因压力过大膨胀炸裂。

本实施例的盾尾间隙模拟装置1-5由层流装置1-5-1、支撑杆1-5-2、注浆防水垫1-5-3、注浆管1-5-4、支撑手轮1-5-5连接构成，试验筒1-3内底部密封安装有注浆防水垫1-5-3,3个支撑杆1-5-2依次穿过下固定板1-4-4、管道校位垫1-4-5、注浆防水垫1-5-3伸入试验筒1-3内部并可上下转动，支撑杆1-5-2底部固定安装有支撑手轮1-5-5，层流装置1-5-1放置于试验筒1-3内部并与支撑杆1-5-2顶部相接触，转动支撑手轮1-5-5可以使层流装置1-5-1上下移动，层流装置1-5-1与试验筒1-3的底部保持一定的距离，实际模拟盾构机注浆时盾尾的间隙。注浆管1-5-4固定安装于注浆孔c中，注浆管1-5-4的一端伸入注浆防水垫1-5-3、另一端连接注浆管道。

上述的层流装置1-5-1由过滤网1-5-1-1、层流筒体1-5-1-2连接构成，中空圆柱形层流筒体1-5-1-2的上下两端封闭，层流筒体1-5-1-2的下端中心位置加工有进浆孔b、上端均布加工有若干浆液分布孔f，通过注浆管1-5-4进入的浆液由进浆孔b进入层流筒体1-5-1-2内，层流筒体1-5-1-2内对进入的浆液起缓冲作用，浆液充满层流筒体1-5-1-2内时，由浆液分布孔f均布进入到土体中，层流筒体1-5-1-2的上端固定安装有过滤层1-5-1-1，过滤层1-5-1-1仅允许浆液通过，上方的土体不能通过过滤层1-5-1-1进入到层流筒体1-5-1-2。

上述的模拟盾尾间隙的壁后注浆浆液扩散装置的试验方法，由以下步骤组成：

S1、试验地层准备：准备试验所用土体，土体选用跟所需要模拟的真实地层环境相同的土体，将试验土体充分搅拌均匀并混合酚酞类染色剂；

本实施例采用砂卵石地层模拟，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩为主，形状呈圆形-亚圆形，卵石含量为60％，粒径在20～60mm范围内，圆砾含量约20％，填充物主要为中、细砂及黏性土，中、细砂含量为15％，黏性土含量为5％，将试验土体充分搅拌均匀并混合酚酞类染色剂，土体试验尺寸10cm(试验筒1-3内径)×200cm(土体在试验筒1-3内填充高度)。

S2、浆液配置及置入：根据步骤S1试验地层的可注性以及模拟的真实地层环境配置试验浆液，并将浆液置入浆液贮存装置2内；

本实施例采用水泥-水玻璃(CS)双浆液，CS双浆液参数取水灰比1：1，水玻璃浓度40波美度，水玻璃掺合量控制在10％，将浆液充分拌匀后置入浆液贮存装置2内。

S3、试验筒1-3拼装及土体置入：将试验筒1-3拼装为一体，注浆防水垫1-5-3和层流装置1-5-1依次放入试验筒1-3内，整体放置于固定支架1-4内上，使试验筒1-3的底部与管道校位垫1-4-5对齐并加固，安装注浆管1-5-4以及支撑杆1-5-2和支撑手轮1-5-5，转动支撑手轮1-5-5使层流装置1-5-1距离注浆孔10cm，上紧支撑手轮1-5-5，依据目标地层孔隙度及渗透系数对应从试验桶上部装填土体进入试验筒1-3，每装填40cm埋置测量单元(本实施例为土压力盒)，填充完成后，将压紧板1-6-3和连接杆1-6-2放入试验筒1-3内，依次安装上固定板1-4-1和压紧手轮1-6-1，转动压紧手轮1-6-1压实土层；

S4、浆液注入：连接注浆系统，设置空气压缩机3参数，外接压力表归零，转动转动支撑手轮1-5-5使层流装置1-5-1落于试验筒1-3底部，空气压缩机3将浆液注入试验筒1-3内，待浆液注满，调节回浆阀，使注浆压力达到预定的注浆压力值0.2～0.4MPa，并保持15min后，关闭注浆阀；

S5、收集试验数据：注浆完毕后，等待浆液固结8～10h，收集测量单元数据,本例部分数据如表1所示。将试验筒1-3拆开，对注浆后土体按单位长度切割，分析浆液在土中的扩散固结情况，观察浆液扩散半径及对凝结体进行强度测试。

表1测量单元与注浆孔a不同距离处土压力值

由上表可知，采用本装置模拟盾尾间隙对注入CS浆液的时土体压力的变化曲线与实际工程中注入CS浆液时土体压力变化曲线基本相同，同时直观观察土体浆液扩散情况，由图8可知，浆液扩散半径约75cm，对图9(a)、图9(b)的凝结体进行强度测试试验，凝结体强度3天强度满足大于0.5MPa，28天强度大于2.5MPa，因此，采用本装置进行模拟实验砂卵石地层注入CS浆液后扩散半径和强度具有可靠性，可用于工程前期注浆方面的模拟试验，通过试验确定拟用浆液在实际地层的扩散特性，确定浆液扩散半径、注浆量和凝结体强度等基本参数，为实际工程注浆方案设计提供试验依据，对盾构隧道壁后注浆方面具有重要的参考价值。