类矩形盾构同步注浆模型试验

大型注浆模型试验三注浆过程数值模拟二一研究背景为达到研究目的，需开发一套全新的可以实现可视化效果的试验系统；试验系统如何模拟实际的注浆情况；对浆液流动及填充的观测问题；对于试验获取的浆液流动及填充特性，如何加以研究利用，结合后续的数值模拟与解析分析综合分析机理。研究问题及难点盾构施工中，同步注浆是保证施工安全，沉降控制的重要环节。目前对传统的同步注浆工艺研究主要局限于注浆效果的研究，而对浆液本身流动及填充机理研究涉及很少。本课题将主要致力于对后者的研究，并从浆液流动性及填充性角度对浆液材料、注浆参数进行优化。盾构注浆示意图— 研究背景类矩形盾构形状特殊，隧道顶部浆液易淤积，影响均匀分布。维持地层稳定，控制地表变形。依托项目：宁波隧道三号线主要分析对象：注浆压力、注浆形态、地层位移2— 研究背景二

大型注浆模型试验一

试验目的通过采集的土压力数据探究类矩形盾构同步注浆过程中注浆压力的变化情况；类矩形盾构同步注浆不同工况（不同注浆孔位置，不同注浆比例，不同注浆量，防背土等）情况下的注浆效果对比；通过可视化同步注浆模拟，观察注浆的流动情况。类矩形盾构同步注浆对地表沉降影响。Synchronousgroutingtestisanintegratedtestwhichcontainssupportingframesystem,shieldpropulsionsystem,groutingsystem,measuringsystemandvisual

system.支撑系统、推进系统、注浆系统、采集系统、可视化系统Theoverallsizeoffoundationis24m*7m*8.5m

(length*width*depth).实验平台整体尺寸：24m*7m*8.5m

(长*宽*深)4二

大型注浆模型试验二

试验设备二

试验设备本次试验采用上海盾构试验中心下沉式盾构掘进机综合模拟试验平台，该平台主要包括多功能模拟盾构机、组合式液压加载系统、监控测量系统、盾构推进导向系统、盾构进出洞门和洞门密封系统、吊装和运输系统、土

建

结

构

等

部

分

。

可

供

外

形

最

大

为1.86m×2.66m的模拟盾构机进行模拟试验研究，模拟土体掘进区域净空尺寸为：长度10m（4节钢管片、1节玻璃管片各2m长）、宽度7m

、深度8.5m

。最大土压力可模拟0.6MPa。平台内净尺寸图（单位：m）1-1剖面图（单位：m）平台3D模拟图二

大型注浆模型试验四

主要监测内容1.模拟盾尾推进速度和行程监测；2.注浆的压力、流量等监测；3.土体内部土压力和管片上浆液压力；4.地表位移监测；5.拍摄观察不同时刻管片外浆液的流动及填充情况。二

大型注浆模型试验五

试验工况工况调整段12345678910管节材质钢管片有机玻璃管片钢管片钢管片（防背土试验）钢管片注浆孔位置采用原注浆孔采用原注浆孔采用对比注浆孔注浆不注浆预留工况预留工况注浆孔位置同工况1-4无预留工况预留工况填充率120%120%150%120%150%120%150%120%150%预留工况预留工况推进距离1m预留工况预留工况工况目的试验前期调整段，磨合设备及预检进行同步注浆模拟试验选取最优注浆孔布置。采用原注浆孔，作为对照工况。1.通过透明管片，观察并拍摄管片外不同部位在不同时，间的浆液充填情况。2.记录不同时刻每个压力传感器的压力值，绘制应力时间曲线，压力云图等，用于后期数据分析。改变注浆孔位置，研究注浆位置对地表沉降的影响，完成注浆参数优化，形成同步注浆施工工艺。在壳体周围增设润滑浆液注浆孔以检验其防背土效果。，预留工况，以解决前部分试验效果不理想等问题。推进速度20~60mm/min原注浆孔对比注浆孔二

大型注浆模型试验地表位移测量点共40点，每个断面5点，共8个断面分别对应8个注浆工况。地面位移计和土体内土体压力计布设断面如图。土体中的压力计在土层装载过程中进行布局安装，然后进行土体压实。测点平面布置图测点剖面布置图二

大型注浆模型试验六

传感器布置——钢管节钢管节传感器布置本次测量采用的土压力计为TYJ-20振弦式土压计，数量为120个。其中管片上预埋8个断面，每断面8个，共64个；土体中埋设8个断面，每断面7个点，共56个。模拟管片上的压力计的布设与注浆孔关系图二

大型注浆模型试验六

传感器布置——钢管节钢管节传感器布置地表位移计在土体装载好、表面整平完成后进行安装。先将角钢焊接在侧面钢板上指定位置，然后将位移计固定在角钢上。将数据线连接至Data

taker。嵌入在模拟管片外浆液压力计可以直接监测浆液盾尾孔隙中的压力，目前考虑的布置方案为每断面布置8个压力计，8个断面共需放置64个压力计。压力计延管片外均匀布置。压力计的布设及与注浆孔的位置关系断面示意图如图（蓝色圈为土压力计）压力传感器测点布置示意（管片外侧）二大型注浆模型试验验六传感器布置——可视化玻璃管节（190个微型土压力传感器）9Thisexperimentmainlyanalyzesthegroutingpressureupontheorganicglasssegment,thereforethegroutingconditionoforganicglasssegmentisonlyintroduced.Thelengthoforganicglasssegmentis2000mm,andthetubeisdividedintotwohalves.Workingconditionsintheorganicglasssegment玻璃管片工况表二大型注浆模型试验验二大型注浆模型试验验六传感器布置——土层覆土地表位移，分层沉降测量及及测斜斜Thesoilonthetopofshieldis3mgreysiltclay,moreoverσ=12.66kPa，φ=19.28°.二大型注注浆模模型试试验七预期成成果（1）浆液液压力力分布布情况况横向浆浆液压压力分分布曲曲线环向浆浆液压压力分分布曲曲线浆浆液液压力力分布布等势势线二大型注注浆模模型试试验2015.10.0510:00玻璃管管节开开始吊吊装八试验过过程2015.09.1823:00玻璃管管节完完成土土压力力盒安装及密封工作二大型注注浆模模型试试验2015.10.1515:00总体管管节安安装八试验过过程2015.10.1812:00回填土土完成成二大型注注浆模模型试试验2015.10.2002:00土压力力盒与tatataker连接成功，进行初步调试八试验过过程2015.10.2118:00沉降测测斜管管、地地表位位移计计安装完毕毕二大型注注浆模模型试试验八试验过过程2015.10.2201:00试验前前检查查千千斤顶顶就位位拌浆二大型注注浆模模型试试验八试验过过程2015.10.2403:30进行到到玻璃璃管节节，，改变变工况况摄像机机就位位Datataker采集频率率设为为2次/1s14二大型注注浆模模型试试验二大型注注浆模模型试试验2015.10.2505:30照像机机记录录到到的不不同管管节节浆液液流动动情况二大型注注浆模模型试试验2015.10.2506:30照像机机记录录到的的后半半管节节同一一镜头头下的的浆液液流动动情况况1.注浆压压力每每20s为一周周期，，该周周期与注浆泵泵注浆频率吻合，，说明注浆浆泵的脉脉冲会会引起起注浆浆压力力值的变化。注浆压力最大大值与最少值之间间相差大约约在4~6kPa。1.注浆孔孔附近近区域域注浆浆压力力的脉脉冲效效应比远离注注浆孔位置的脉冲冲效应更为明明显。。二大型注注浆模模型试试验试验结结果··注浆浆压力力管片表表面的的注浆浆压力力在盾盾尾通过前相对保持平稳，，即为初值；盾尾刷刷过期期间有有明显显的变变化，此时压力值呈现上升升趋势，但是有时时会出现时时大大时小小的现现象，，且有有很多多压力值偏大，初步分析析认为此阶段所测测得的部分分压压力值值并不不是注注浆压压力，，而是盾尾刷刷过土压力力传感器表面时，，由于盾尾尾刷刷刮蹭蹭土压压力传传感器器所测测得的数值；盾尾通通过后后，压压力值值起初初有些浮动，但是并不明显显，之后压力值渐渐渐趋于稳定，，多数数有回回落趋趋势，，回落范围在4~8kPa。二大型注注浆模模型试试验试验结结果··注浆浆压力力A代表盾盾尾刷刷通过过前B代表盾盾尾刷刷通过过时C代表盾盾尾刷刷通过过后11：3012：0012：30“7”断面环环形压压力分分布曲曲线不不同同时刻刻示意意图试验结结果··注浆浆压力力二大型注注浆模模型试试验注浆孔孔附近近压力力＞远离注注浆孔孔压力力顶部＞底部注浆孔孔附近近的压压力值值较大大，远远离注注浆孔位置压压力值较小。与原原有注浆压压力力模式式相比比较，，可发发现注注浆孔与注浆孔之间的注注浆压力曲线呈现现类正弦式。。管片顶顶部注注浆压压力值值要普普遍大大于侧侧部注浆压力力值及底部注浆压压力值。由于2号注浆浆管堵堵管，，所以以注浆浆压力力值较小，，附近浆液厚度也也偏小。二大型注注浆模模型试试验注浆孔附近的压力力值较大，远离注浆孔孔位置置压力力值较小。与之之前研研究中中所认为的的圆形注注浆压压力包包络线线相比，本文认为注浆压压力分布模式可以以更为精细化化。管片顶部注浆压压力值值要普普遍大于侧侧部注浆压力力值及底部注浆压压力值。由于2号注浆浆管堵堵管，，所以以注浆浆压力值较小，在后期探测浆液液形态过程中发现，2号孔附附近浆浆液厚度也也偏小。二大型注注浆模模型试试验试验结结果··注浆浆压力力注浆后后，土土体内内部的的沉隆隆现象象较为为明显显，管管片左左侧的的注浆浆量较较多，，因此此可以以明明显看看出其其上部部土体体的隆隆起，，右侧侧注浆浆量要要小于于左侧侧注浆浆量，，因此此右侧侧隆起起变化化并并不突突出。。管片片侧部部土体体总体体呈现现隆起起趋势势，管管片上上部的的土地地总体体呈现现沉降降趋趋势二大型注注浆模模型试试验试验结结果··分层层沉降降1.土体在在未注注浆前前先是是固结结沉降降，10/2100:00to10/2500:00，土地沉沉降每每天约约2mm。2.注浆过过程中中，土土体内内部有有明显显的变变化，，靠近近管片片位置置有明明显隆隆起，，之后后渐渐渐趋于稳稳定，，之后后再次次沉降降固结结。二大型注注浆模模型试试验注浆压压力保保持稳稳定后，对注注浆形形态进进行考考古式式观察。二大型注注浆模模型试试验1.工况2的注浆浆形态态最为为均匀匀，表表明注注浆比6:4(up:down)是最为为有效效的。。2.上部注注浆量量要明明显大大于下部注浆量，注注浆压力值较大区区域的浆液厚度偏偏大，注浆浆压力力值较较小区区域的的浆液厚度偏小。3.由于TB2号注浆浆孔堵堵管，，所以TB2注浆孔孔附件件浆液液稀少少。二大型注注浆模模型试试验类矩形形注浆浆压力力模型型基本假假定浆液不可压压缩、均质、各向同同性，浆液液流型型保持持不变变，符符合宾汉姆姆流体特特性，，浆液液的的粘度度不随随时间间变化化。浆液与与盾尾尾、土土体、、管片片接触触面为不透水水边界界，在各各个过过流断断面上上，流流体运运动的的连连续性性方程程均成成立。。充填时时间内内形成成的盾盾尾间间隙为为一均匀的的环饼饼。浆液仅仅沿环环向充充填盾盾尾间间隙，，即浆浆液不不沿隧隧道轴轴向流流动。。公式推推导三注浆过过程数数值模模拟类矩形形注浆浆压力力模型型三注浆过过程数数值模模拟类矩形形注浆浆压力力模型型根据解解析公公式可可以得得出压压力曲曲线，，该压压力曲曲线与与实际际压力力值形形态存存在相相似性性，且且相相比以以往典典型压压力分分布模模式更更为细细致。。三注浆过过程数数值模模拟子方法。SPH使用估算和近似控制介介密度、压力、速度基于SPH方法的同步注注浆过程模拟应用探索索什么是SPH？光滑粒子动力力学（SPH）是一种拉格朗日型无网格粒粒子系统代表表所模拟的连续介质（流体或固体），并且质运动的的偏微分方程程。与耗散粒子动动力学方法类似，各种宏观物理量（如、内能等），，被定义在粒子中心，相关的物理量及其空间导数可以通过邻邻近的相互互作用粒子的的物理量插值得到。因为近似过程中没有网格，避免了了网格的存存在而导致的的一些数值问题，可以处理大变形问题。SPH是一种纯粹的的粒子方法法，没有任何何背景网格。SPH方法中粒子伴随介质的运动而以适当速度移移动，是一种种拉格朗日方法，可以不需要复杂的算法追踪或者捕捉运动界界面、移动边边界等运动特点。SPH方法已经成功地应用于包括含多相流动界界面以及移移动边界的可可压缩和不可压缩流体运动的研究中。三注浆过程数值值模拟同步注浆模型型FEM有限元模型部分管片模型盾构机模型地层（外侧浆浆液未渗入区域）SPH方法建建立模型部分浆液地层（外侧浆浆液渗入影响区域）三注浆过程数值值模拟基于SPH方法的同步注浆过程模拟应用探索索同步注浆模拟拟FEM-SPH耦合动态模拟过程程接近真实工况况三注浆过程数值值模拟基于SPH方法的同步注浆过程模拟应用探索索模拟结果三注浆过程数值值模拟基于SPH方法的同步注浆过程模拟应用探索索模拟结果注浆采用弹性性本构模型。。模拟计算前前，先在模型型里预设隧隧道开挖单元元、盾构壳体体单元、管片片单元及注浆体单元。盾构推进时时，假设盾构构一步一步步跳跃式向前前推进，每次次向前推进一一定的长度度，隧道土体体开挖后及时改变相应应单元的材料料模型和参参数来模拟管片和和注浆体。基于Z-soil的同步注浆过程模拟采用局部刚度度