類矩形盾構同步注漿模型試驗

大型注漿模型試驗三注漿過程數(shù)值模擬二一研究背景為達到研究目的，需開發(fā)一套全新的可以實現(xiàn)可視化效果的試驗系統(tǒng)；試驗系統(tǒng)如何模擬實際的注漿情況；對漿液流動及填充的觀測問題；對于試驗獲取的漿液流動及填充特性，如何加以研究利用，結合后續(xù)的數(shù)值模擬與解析分析綜合分析機理。研究問題及難點盾構施工中，同步注漿是保證施工安全，沉降控制的重要環(huán)節(jié)。目前對傳統(tǒng)的同步注漿工藝研究主要局限于注漿效果的研究，而對漿液本身流動及填充機理研究涉及很少。本課題將主要致力于對后者的研究，并從漿液流動性及填充性角度對漿液材料、注漿參數(shù)進行優(yōu)化。盾構注漿示意圖— 研究背景類矩形盾構形狀特殊，隧道頂部漿液易淤積，影響均勻分布。維持地層穩(wěn)定，控制地表變形。依托項目：寧波隧道三號線主要分析對象：注漿壓力、注漿形態(tài)、地層位移2— 研究背景二

大型注漿模型試驗一

試驗目的通過采集的土壓力數(shù)據(jù)探究類矩形盾構同步注漿過程中注漿壓力的變化情況；類矩形盾構同步注漿不同工況（不同注漿孔位置，不同注漿比例，不同注漿量，防背土等）情況下的注漿效果對比；通過可視化同步注漿模擬，觀察注漿的流動情況。類矩形盾構同步注漿對地表沉降影響。Synchronousgroutingtestisanintegratedtestwhichcontainssupportingframesystem,shieldpropulsionsystem,groutingsystem,measuringsystemandvisual

system.支撐系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)Theoverallsizeoffoundationis24m*7m*8.5m

(length*width*depth).實驗平臺整體尺寸：24m*7m*8.5m

(長*寬*深)4二

大型注漿模型試驗二

試驗設備二

試驗設備本次試驗采用上海盾構試驗中心下沉式盾構掘進機綜合模擬試驗平臺，該平臺主要包括多功能模擬盾構機、組合式液壓加載系統(tǒng)、監(jiān)控測量系統(tǒng)、盾構推進導向系統(tǒng)、盾構進出洞門和洞門密封系統(tǒng)、吊裝和運輸系統(tǒng)、土

建

結

構

等

部

分

。

可

供

外

形

最

大

為1.86m×2.66m的模擬盾構機進行模擬試驗研究，模擬土體掘進區(qū)域凈空尺寸為：長度10m（4節(jié)鋼管片、1節(jié)玻璃管片各2m長）、寬度7m

、深度8.5m

。最大土壓力可模擬0.6MPa。平臺內(nèi)凈尺寸圖（單位：m）1-1剖面圖（單位：m）平臺3D模擬圖二

大型注漿模型試驗四

主要監(jiān)測內(nèi)容1.模擬盾尾推進速度和行程監(jiān)測；2.注漿的壓力、流量等監(jiān)測；3.土體內(nèi)部土壓力和管片上漿液壓力；4.地表位移監(jiān)測；5.拍攝觀察不同時刻管片外漿液的流動及填充情況。二

大型注漿模型試驗五

試驗工況工況調(diào)整段12345678910管節(jié)材質(zhì)鋼管片有機玻璃管片鋼管片鋼管片（防背土試驗）鋼管片注漿孔位置采用原注漿孔采用原注漿孔采用對比注漿孔注漿不注漿預留工況預留工況注漿孔位置同工況1-4無預留工況預留工況填充率120%120%150%120%150%120%150%120%150%預留工況預留工況推進距離1m預留工況預留工況工況目的試驗前期調(diào)整段，磨合設備及預檢進行同步注漿模擬試驗選取最優(yōu)注漿孔布置。采用原注漿孔，作為對照工況。1.通過透明管片，觀察并拍攝管片外不同部位在不同時，間的漿液充填情況。2.記錄不同時刻每個壓力傳感器的壓力值，繪制應力時間曲線，壓力云圖等，用于后期數(shù)據(jù)分析。改變注漿孔位置，研究注漿位置對地表沉降的影響，完成注漿參數(shù)優(yōu)化，形成同步注漿施工工藝。在殼體周圍增設潤滑漿液注漿孔以檢驗其防背土效果。，預留工況，以解決前部分試驗效果不理想等問題。推進速度20~60mm/min原注漿孔對比注漿孔二

大型注漿模型試驗地表位移測量點共40點，每個斷面5點，共8個斷面分別對應8個注漿工況。地面位移計和土體內(nèi)土體壓力計布設斷面如圖。土體中的壓力計在土層裝載過程中進行布局安裝，然后進行土體壓實。測點平面布置圖測點剖面布置圖二

大型注漿模型試驗六

傳感器布置——鋼管節(jié)鋼管節(jié)傳感器布置本次測量采用的土壓力計為TYJ-20振弦式土壓計，數(shù)量為120個。其中管片上預埋8個斷面，每斷面8個，共64個；土體中埋設8個斷面，每斷面7個點，共56個。模擬管片上的壓力計的布設與注漿孔關系圖二

大型注漿模型試驗六

傳感器布置——鋼管節(jié)鋼管節(jié)傳感器布置地表位移計在土體裝載好、表面整平完成后進行安裝。先將角鋼焊接在側面鋼板上指定位置，然后將位移計固定在角鋼上。將數(shù)據(jù)線連接至Data

taker。嵌入在模擬管片外漿液壓力計可以直接監(jiān)測漿液盾尾孔隙中的壓力，目前考慮的布置方案為每斷面布置8個壓力計，8個斷面共需放置64個壓力計。壓力計延管片外均勻布置。壓力計的布設及與注漿孔的位置關系斷面示意圖如圖（藍色圈為土壓力計）壓力傳感器測點布置示意（管片外側）二大型注漿模型試驗驗六傳感器布置——可視化玻璃管節(jié)（190個微型土壓力傳感器）9Thisexperimentmainlyanalyzesthegroutingpressureupontheorganicglasssegment,thereforethegroutingconditionoforganicglasssegmentisonlyintroduced.Thelengthoforganicglasssegmentis2000mm,andthetubeisdividedintotwohalves.Workingconditionsintheorganicglasssegment玻璃管片工況表二大型注漿模型試驗驗二大型注漿模型試驗驗六傳感器布置——土層覆土地表位移，分層沉降測量及測斜Thesoilonthetopofshieldis3mgreysiltclay,moreoverσ=12.66kPa，φ=19.28°.二大型注漿模型試驗驗七預期成果（1）漿液壓力分布情情況橫向漿液壓力分布布曲線環(huán)向漿液壓力分布布曲線漿液壓力力分布等勢線二大型注漿模型試驗驗2015.10.0510:00玻璃管節(jié)開始吊裝裝八試驗過程2015.09.1823:00玻璃管節(jié)完成土壓壓力盒安裝及密封工作二大型注漿模型試驗驗2015.10.1515:00總體管節(jié)安裝八試驗過程2015.10.1812:00回填土完成二大型注漿模型試驗驗2015.10.2002:00土壓力盒與tatataker連接成功，進行初步調(diào)試八試驗過程2015.10.2118:00沉降測斜管、地表表位移計安裝完畢二大型注漿模型試驗驗八試驗過程2015.10.2201:00試驗前檢查千斤斤頂就位拌漿二大型注漿模型試驗驗八試驗過程2015.10.2403:30進行到玻璃管節(jié)節(jié)，改變工況攝像機就位Datataker采集頻率設為2次/1s14二大型注漿模型試驗驗二大型注漿模型試驗驗2015.10.2505:30照像機記錄到的的不同管節(jié)漿液液流動情況二大型注漿模型試驗驗2015.10.2506:30照像機記錄到的后后半管節(jié)同一鏡頭頭下的漿液流動情情況1.注漿壓力每20s為一周期，該周期期與注漿泵注漿頻率吻合，說明注漿泵的脈沖會引起注注漿壓力值的變化。注漿壓力最大值與最少值之間相差大約在4~6kPa。1.注漿孔附近區(qū)域注注漿壓力的脈沖效效應比遠離注漿孔位置的脈沖效應更為明顯。二大型注漿模型試驗驗試驗結果·注漿壓壓力管片表面的注漿壓壓力在盾尾通過前相對保持平穩(wěn)，即為初值；盾尾刷過期間有明明顯的變化，此時壓力值呈現(xiàn)上升趨勢，但是有時會出現(xiàn)時大時小的的現(xiàn)象，且有很多多壓力值偏大，初步分析認為此階段所測得的部分壓力值并并不是注漿壓力，，而是盾尾刷刷過土壓力傳感器表面時，由于盾尾刷刮蹭土土壓力傳感器所測測得的數(shù)值；盾尾通過后，壓力力值起初有些浮動，但是并不明顯，之后壓力值漸漸趨于穩(wěn)定，多數(shù)有回落落趨勢，回落范圍在4~8kPa。二大型注漿模型試驗驗試驗結果·注漿壓壓力A代表盾尾刷通過前前B代表盾尾刷通過時時C代表盾尾刷通過后后11：3012：0012：30“7”斷面環(huán)形壓力分布布曲線不同時刻刻示意圖試驗結果·注漿壓壓力二大型注漿模型試驗驗注漿孔附近壓力＞遠離注漿孔壓力頂部＞底部注漿孔附近的壓力力值較大，遠離注注漿孔位置壓力值較小。與原有注漿壓力模式相相比較，可發(fā)現(xiàn)注注漿孔與注漿孔之間的注漿壓力曲線呈現(xiàn)類正弦式。管片頂部注漿壓力力值要普遍大于側側部注漿壓力值及底部注漿壓力值。由于2號注漿管堵管，所所以注漿壓力值較小，附近漿液厚度也偏小。二大型注漿模型試驗驗注漿孔附近的壓力值較大，遠離注漿孔位置壓力值值較小。與之前研究中所所認為的圓形注漿壓力包絡絡線相比，本文認為注漿壓力分布模式可以更為精細化。管片頂部注漿壓力值要普遍遍大于側部注漿壓力值及底部注漿壓力值。由于2號注漿管堵管，所所以注漿壓力值較小，在后期探測漿液形態(tài)過程中發(fā)現(xiàn)，2號孔附近近漿液厚度也偏偏小。二大型注漿漿模型試試驗試驗結果果·注漿漿壓力注漿后，，土體內(nèi)內(nèi)部的沉沉隆現(xiàn)象象較為明明顯，管管片左側側的注漿漿量較多多，因此此可以明明顯看看出其上上部土體體的隆起起，右側側注漿量量要小于于左側注注漿量，，因此右右側隆起起變化化并不突突出。管管片側部部土體總總體呈現(xiàn)現(xiàn)隆起趨趨勢，管管片上部部的土地地總體呈呈現(xiàn)沉降降趨勢勢二大型注漿漿模型試試驗試驗結果果·分層層沉降1.土體在未未注漿前前先是固固結沉降降，10/2100:00to10/2500:00，土地沉降降每天約約2mm。2.注漿過程程中，土土體內(nèi)部部有明顯顯的變化化，靠近近管片位位置有明明顯隆起起，之后后漸漸趨于穩(wěn)定定，之后后再次沉沉降固結結。二大型注漿漿模型試試驗注漿壓力力保持穩(wěn)穩(wěn)定后，對注漿漿形態(tài)進進行考古古式觀察。二大型注漿漿模型試試驗1.工況2的注漿形形態(tài)最為為均勻，，表明注注漿比6:4(up:down)是最為有有效的。。2.上部注漿漿量要明明顯大于于下部注漿量，注漿壓力值較大區(qū)域的漿液厚度偏大大，注漿壓壓力值較較小區(qū)域域的漿液厚度偏小。3.由于TB2號注漿孔孔堵管，，所以TB2注漿孔附附件漿液液稀少。。二大型注漿漿模型試試驗類矩形注注漿壓力力模型基本假定定漿液不可壓縮縮、均質(zhì)、各向同性性，漿液流流型保持持不變，，符合賓漢姆流體特性性，漿液液的粘粘度不隨隨時間變變化。漿液與盾盾尾、土土體、管管片接觸觸面為不透水邊邊界，在各個個過流斷斷面上，，流體運運動的連連續(xù)性性方程均均成立。。充填時間間內(nèi)形成成的盾尾尾間隙為為一均勻的環(huán)環(huán)餅。漿液僅沿沿環(huán)向充充填盾尾尾間隙，，即漿液液不沿隧隧道軸向向流動。。公式推導導三注漿過程程數(shù)值模模擬類矩形注注漿壓力力模型三注漿過程程數(shù)值模模擬類矩形注注漿壓力力模型根據(jù)解析析公式可可以得出出壓力曲曲線，該該壓力曲曲線與實實際壓力力值形態(tài)態(tài)存在相相似性，，且相相比以往往典型壓壓力分布布模式更更為細致致。三注漿過程程數(shù)值模模擬子方法。SPH使用估算和近似控制介密度、壓力、速度基于SPH方法的同同步注漿漿過程模擬應用用探索什么是SPH？光滑粒子子動力學學（SPH）是一種拉格朗日型型無網(wǎng)格粒粒子系統(tǒng)統(tǒng)代表所所模擬的的連續(xù)介質(zhì)（流體或固體），并且質(zhì)運運動的偏偏微分方方程。與耗散粒粒子動力力學方法法類似，各種宏觀物理量（如、內(nèi)能等等），被被定義在粒子中心，相關的的物理量及其空空間導數(shù)可以通通過鄰近近的相相互作用用粒子的的物理量插值得到。因為近似過程中沒有網(wǎng)格，避避免了網(wǎng)網(wǎng)格的的存在而而導致的的一些數(shù)值問題，可以處理大變形問題。SPH是一種純純粹的的粒子方方法，沒沒有任何何背景網(wǎng)格。SPH方方法中粒子伴伴隨介質(zhì)的運動動而以適當速速度移動動，是一一種拉格格朗日方法，可以不需要復雜的算法追蹤或者捕捉運動動界面面、移動動邊界等等運動特點。SPH方法已經(jīng)經(jīng)成功地應用于于包括含多相流流動界界面以及及移動邊邊界的可可壓縮和不可壓縮流體運動的研究中。三注漿過程程數(shù)值模模擬同步注漿漿模型FEM有限元模型部分管片模型型盾構機模模型地層（外外側漿液液未滲入入?yún)^(qū)域）SPH方方法建立立模型部分漿液地層（外外側漿液液滲入影影響區(qū)域）三注漿過程程數(shù)值模模擬基于SPH方法的同步注漿過程模擬應用用探索同步注漿漿模擬FEM-SPH耦合動態(tài)模擬擬過程接近真實實工況三注漿過程程數(shù)值模模擬基于SPH方法的同步注漿過程模擬應用用探索模擬結果果三注漿過程程數(shù)值模模擬基于SPH方法的同步注漿過程模擬應用用探索模擬結果果注漿采用用彈性本本構模型型。模擬擬計算前前，先在在模型里里預設設隧道開開挖單元元、盾構構殼體單單元、管管片單元元及注漿體單單元。盾構推推進時，，假設盾盾構一步步一步步跳躍式式向前推推進，每每次向前前推進一一定的長長度，，隧道土土體開挖挖后及時改變變相應單單元的材材料模型型和參參數(shù)來模擬管管片和注注漿體?；赯-soil的同步注注漿過程模擬采用局部部剛度修修正法調(diào)調(diào)整管片片接頭的的剛度。模型橫橫斷面面方向?qū)捈s120m，沿隧道道開挖方方向長60m，高約50m，土體、、盾構、、混凝土土管片以以及盾尾注漿漿均采用六六面體網(wǎng)網(wǎng)格，網(wǎng)網(wǎng)格總數(shù)20.5萬。其中土土體采采用HS-Small本構模模型；管管片、盾盾構以及及盾尾類矩形盾構開挖挖三維數(shù)數(shù)值模型型襯砌管片整體網(wǎng)網(wǎng)格三注漿過程程數(shù)值模模擬漿液硬化后不同彈性模量下地表沉降對比圖漿液硬化化后不同彈性模量下開挖面擠出變形對比圖基于Z-soil的同步注注漿過程模擬同步注漿漿間隙為為175mm，