CN102221496B - 泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置 - Google Patents

Abstract

一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其组成是：模拟隧道结构的模型箱内分布有冻结管；冻结管的进口端通过连接管与液氮罐连接，出口端伸出到模型箱外；冻结管的进口端和出口端与模型箱的连接均为密封连接；模型箱的顶壁密封连接有加压管；模型箱的一侧设有盾构机套合口；模型箱内填充有土体，土体与模型箱壁之间置有一层泡沫，土体内还埋置有温度传感器。该装置能够模拟泥水盾构过程中的泥膜形成条件，并将形成的泥膜予以冻结固化，方便对泥膜的形态与结构进行观察与分析。从而得出泥膜的形成机制及与各种掘进参数的关系，进而为泥水盾构施工和泥水盾构机的设计提供更加科学可靠的试验依据。

Description

泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置

技术领域

本发明涉及一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置。

背景技术

泥水盾构工法是盾构隧道修建中的一种特殊方法，特别适合于海底、江河、城市的隧道修建。泥水盾构工法是盾构机掘进过程中，用加压的泥水在掘削面的土体上形成一层泥膜，利用泥膜产生的压力，使开挖面保持平衡。这种方法称为泥水压力平衡盾构法，简称泥水盾构法。泥水盾构法的核心是加压的泥水在开挖面上形成有效的泥膜，有效的泥膜要能够平衡开挖面的压力，保证盾构机正常掘进。

为了取得好的尽可能好的支护效果，需要研究泥水盾构中泥膜的形成机制和泥膜的支护机理。但由于泥膜处于隧道开挖的前方，在施工过程中很难检测；在试验室的模拟条件下，虽能形成泥膜，但待取出土体，拟对其泥膜进行观察时，土体及泥膜的模拟环境也不复存在，泥膜的结构与形状也已完全变化，同样难以对其形态和支护效果进行有效地分析和观察。

发明内容

本发明的目的就是提供一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，该装置能够模拟泥水盾构过程中的泥膜形成条件，并将形成的泥膜予以冻结固化，方便对泥膜的形态与结构进行观察与分析。从而得出泥膜的形成机制及与各种掘进参数的关系，进而为泥水盾构施工和泥水盾构机的设计提供更加科学可靠的试验依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其结构特点是：模拟隧道结构的模型箱内分布有冻结管；冻结管的进口端通过连接管与液氮罐连接，出口端伸出到模型箱外；冻结管的进口端和出口端与模型箱的连接均为密封连接；模型箱的顶壁密封连接有加压管；模型箱的一侧设有盾构机套合口；模型箱内填充有土体，土体与模型箱壁之间置有一层泡沫，土体内还埋置有温度传感器。

本发明的工作过程和原理是：

试验时，模型箱内放置不同的土体，并在土体上方加水，以模拟水下环境下的不同围岩；加压管接上气压加压装置，将气压压入模型箱，控制气压压力，进一步模拟不同地下水压下的围岩。再将泥水盾构试验系统的盾构机的前部套合在模型箱的盾构机套合口上，启动泥水盾构试验系统的盾构机，使盾构机向前掘进，切削模型箱内的土体，同时盾构机将加压至设定泥水压力的泥水(泥浆)浸入刀盘切削面土体形成泥膜。试验过程中通过温度传感器记录温度。盾构机掘进到指定位置后，保持地下水压力和泥水压力，停止盾构机掘进；液氮罐向冻结管内输送液氮，带走冻结管周围土体热量后排出室外。待土体冻结固化后，停止向模型箱内施加气压(即释放地下水压)，并释放盾构机的泥水压，打开模型箱，用钻孔取芯或切割方法对冻结固化的泥膜的形成范围、形状进行观察与分析。从而得到泥膜与地下水压、土体温度、围岩类型以及泥水压等掘进参数之间的关系。

模型箱壁与土体间的泡沫层，用于吸收冻结后土体及地下水体积变化而带来的应变能，避免对模型箱及土体产生不良影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

可以真实地模拟在高水压条件下泥水盾构机泥膜对土体及地下水的支护过程，并用冻结的方法将泥膜冻结固化，进而采用钻孔取芯和切割方法对冻结固化的泥膜的形成范围、形状进行观察与分析。从而得到泥膜与地下水压、土体温度、围岩类型以及泥水压等掘进参数之间的关系，进而为泥水盾构施工和泥水盾构机的设计提供更加科学可靠的试验依据。

上述的冻结管的分布为内外两层，靠近模型箱壁的外层呈U型栏栅式分布；内层呈直径大于盾构机套合口口径的分布，其轴线与盾构机套合口的轴线重叠。

这样分布于盾构机掘进方向的螺旋环状内层冻结管，可对切削面附近的土体及泥膜进行快速深度制冷，所需冻结时间短，泥膜的形状保持更完整更长久，方便后期观察。而外层分布的冷冻管使土体各处温差适当，在降低能耗的同时，也有利于泥膜的快速固化、形状保持。

上述的冻结管的进口端和液氮罐的连接管上安装有压力安全阀。

这样，在气压达到上限值时可释放气体，保证试验过程中设备和人员的安全。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的正视结构示意图。

具体实施方式

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其组成是：

一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其特征在于：模拟隧道结构的模型箱1内分布有冻结管2；冻结管2的进口端通过连接管3与液氮罐4连接，出口端伸出到模型箱1外；冻结管2的进口端和出口端与模型箱1的连接均为密封连接；模型箱1的顶壁密封连接有加压管7；模型箱1的一侧设有盾构机套合口8；模型箱1内填充有土体，土体与模型箱1壁之间置有一层泡沫5，土体内还埋置有温度传感器6。

本例的冻结管2的分布为内外两层，靠近模型箱1壁的外层2A呈U型栏栅式分布；内层2B为直径大于盾构机套合口8口径的螺旋环状分布，螺旋环的轴线与盾构机套合口8的轴线重叠。

本例的冻结管2的进口端和液氮罐4的连接管3上安装有压力安全阀9。

Claims (2)

1.一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其特征在于：模拟隧道结构的模型箱(1)内分布有冻结管(2)；冻结管(2)的进口端通过连接管(3)与液氮罐(4)连接，出口端伸出到模型箱(1)外；冻结管(2)的进口端和出口端与模型箱(1)的连接均为密封连接；模型箱(1)的顶壁密封连接有加压管(7)；模型箱(1)的一侧设有盾构机套合口(8)；模型箱(1)内填充有土体，土体与模型箱(1)壁之间置有一层泡沫(5)，土体内还埋置有温度传感器(6)；

所述的冻结管(2)的分布为内外两层，靠近模型箱(1)壁的外层(2A)呈U型栏栅式分布；内层(2B)呈直径大于盾构机套合口(8)口径的螺旋环状分布，其轴线与盾构机套合口(8)的轴线重叠。

2.如权利要求1所述的一种泥水盾构试验系统的泥膜冻结装置，其特征在于：所述的冻结管(2)的进口端与连接管(3)的连接处安装有压力安全阀(9)。