[发明专利]一种模拟泥水盾构掘进及同步注浆的三维无息可视化试验装置

说明书

本发明公开了一种模拟泥水盾构掘进及同步注浆的三维无息可视化试验装置，包括模型箱，模型箱内放置透明砂土，土体微扰动控制与上覆土压模拟系统可对透明砂土施加压力，透明砂土连接同步开挖系统，同步开挖系统通过控制盾构机前进来模拟开挖施工，盾构机前端连接自动化注浆系统，自动化注浆系统内选取与透明砂土颜色明显差异的注浆液，图像收集与处理系统可对注浆液扩散剖面散斑图像拍摄并进行二值化处理，然后可形成浆液扩散区与土样区分隔开的黑白效果图并合成浆液三维扩散图像。通过本发明可实现对泥水盾构隧道开挖注浆过程中掌子面变化过程、浆液渗流体动态运移过程、泥膜发展过程的可视化观测，获得可靠的的室内模拟试验数据。

技术领域

本发明属于地铁隧道泥水盾构施工技术领域，具体涉及一种模拟泥水盾构掘进及同步注浆的三维无息可视化试验装置。

背景技术

盾构法在隧道开挖特别是城市地铁建设中因其具有作业效率高、施工噪音小、适用多种外界天气环境及对周边建筑物、构筑物和道路管线影响较小等优点被广泛使用。泥水盾构施工大多穿越市区等繁华场所，若施工中出现掌子面失稳现象，将严重危害施工安全，造成巨大的人员和财产损失。

保证泥水盾构掌子面稳定性的根本途径是施工中泥浆压力与土压力和水压力的平衡，形成不透水泥膜是维持开挖面稳定的核心要素。针对泥水盾构开挖面浆液扩散规律和泥膜形成机理的的研究目前大多基于传统方法，通过在土体内部埋设仪器以获得土体内部变形和渗流规律，注浆过程不能实现可视化观测，而且在实验模型设置中埋设相关监测仪器会对观测结果形成干扰。且目前大多室内模拟注浆试验装置多以单独研究注浆的形式存在，未考虑开挖施工对注浆的影响，与实际工程中掌子面同步开挖注浆的施工过程存在一定差异，不能真实反映实际工程中泥水盾构掌子面开挖注浆的扩散规律和泥膜形成机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟泥水盾构掘进及同步注浆的三维无息可视化试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟泥水盾构掘进及同步注浆的三维无息可视化试验装置，包括模型箱、土体微扰动控制与上覆土压模拟系统、抽真空系统、同步开挖系统、自动化注浆系统和图像收集与处理系统；所述模型箱内放置透明砂土，所述土体微扰动控制与上覆土压模拟系统可对所述模型箱内透明砂土顶部施加压力以模拟不同埋深地层上覆土压力，所述土体微扰动控制与上覆土压模拟系统连接有所述抽真空系统，所述模型箱内透明砂土下部连接所述同步开挖系统，所述同步开挖系统通过控制盾构机前进来模拟开挖施工，所述盾构机前端开挖处连接所述自动化注浆系统，所述自动化注浆系统可实现搅拌注浆一体化，所述自动化注浆系统内选取与所述模型箱内透明砂土颜色明显差异的注浆液，注浆液选取化学浆液(例如脲醛树脂与草酸双液)或者配置浆液(例如硅粉与正十二烷和白油的固液混合体)，所述图像收集与处理系统可对注浆液扩散剖面散斑图像拍摄并进行二值化处理，然后可形成浆液扩散区与土样区分隔开的黑白效果图，最后可将若干黑白效果图合成浆液三维扩散图像。

优选的，所述土体微扰动控制与上覆土压模拟系统包括反力架、反力板、控制器一、液压泵、压力传感器一、行程检测器、液压油缸、活塞杆、盖板一、盖板二和位移传感器，所述反力架顶部安装有位于所述模型箱正上方的所述反力板，所述反力板下方安装有所述控制器一，所述控制器一内设有所述液压泵、所述压力传感器一、所述行程检测器，所述控制器一下方连接有多个所述液压油缸，所述液压油缸下方均装有朝下的所述活塞杆，所述液压泵控制所述活塞杆的伸缩，所述压力传感器一与所述液压泵相连从而记录其压力大小，所述行程检测器与所述活塞杆连接从而记录其移动行程，所述模型箱内设有位于透明砂土上方并可上下滑动的所述盖板一，所述模型箱顶部安装有所述盖板二，所述盖板二为可拆卸亚克力板，所述活塞杆向下穿过所述盖板二后固定连接所述盖板一，所述盖板二设有供所述活塞杆穿过的孔洞一，所述孔洞一上方均安装有对所述活塞杆进行限位的固定块，所述盖板一与所述活塞杆的焊接处位于所述孔洞一正下方，所述盖板一顶面设有监测土体位移的所述位移传感器。

优选的，所述盖板一四角均设有与所述模型箱内壁贴合的凹角。