CN103308393A - 地层劈裂抗力试验装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于过江隧道工程技术领域，特别涉及一种地层劈裂抗力试验装置及测定方法。该装置采用泥水箱、气压泵、测量设备和成孔装置为主体结构。泥水箱的上盖板上连接有排气阀、注浆管和加压管，加压管与气压泵连接；泥水箱的侧壁上方安装空气压力表，侧壁下方连接有地表压力表；泥水箱的底部连接有钢管，钢管上安装有阀门和流量计，钢管通过软胶管与测量管连接；钢管与软胶管连接处安装传感器，软胶管与测量管连接处安装先端压力表。使用该装置，通过钻孔、下管、封堵、洗孔、拌浆、压浆劈裂和开挖验证7个步骤对地层劈裂抗力进行测定。本发明可以在耗费比较少的人力、物力、财力的情况下，通过进行简单易操作的现场试验，得到掘进地层的真实准确的劈裂压力。

Description

地层劈裂抗力试验装置及测定方法

技术领域

本发明属于过江隧道工程技术领域，特别涉及一种地层劈裂抗力试验装置及测定方法。

背景技术

跨江越海软土隧道修建时，一般使用泥水盾构法。泥水盾构掘进时，需要设定足够大的泥水压力以维持掘进面稳定，否则将出现塌方、冒顶等事故。但是，泥水压力过大将劈裂地层从而造成泥水喷发、江水倒灌等严重工程事故。

而浅覆土粘土地层中，地层的劈裂压力与维持掘进面稳定所需泥水压力比较接近。为此，需要确定该地层的劈裂压力，从而为泥水压力设定上限提供参考，以保证施工的安全性及科学性。

目前做泥水劈裂试验主要有室内模拟试验和泥水盾构机现场试验两种方法。室内模拟试验是事先做好试验试件，然后利用加压装置模拟施加泥水压力使试件发生劈裂现象；泥水盾构机现场试验是在施工现场掘进时增大泥水压力，使盾构机所处掘进地层发生劈裂现象。室内模拟试验简单易行，但是该试验不能得到真实地层的劈裂压力，因此无法指导现场施工；泥水盾构机现场试验可以准确的得到掘进地层的劈裂压力，能够为现场施工提供准确的参数设定，但是该方法存在相当的风险，易发生工程事故，并且会耗费大量的人力、物力、财力。

目前市场上有劈裂注浆、水压致裂等设备。这些设备由于使用于工程对象不同而有较大差别。特别是这些设备本身不具备测试功能。尚无地层劈裂抗力的现场原位测定方法和相应装置。

发明内容

本发明提供了一种地层劈裂抗力试验装置及测定方法，可以在耗费比较少的人力、物力、财力的情况下，通过进行简单易操作的现场试验，得到掘进地层的真实准确的劈裂压力，从而为泥水盾构的泥水压力设定提供压力设定上限，避免泥水盾构在过江越海隧道施工时发生泥水劈裂、江水倒灌等工程事故。

本发明提供的地层劈裂抗力试验装置采用的技术方案为：

泥水箱由有机玻璃箱壁及上下盖板组成，用于盛放试验用泥水；上盖板上连接有排气阀、注浆管和加压管，加压管与气压泵连接；泥水箱的侧壁上方安装空气压力表，侧壁下方连接有地表压力表；泥水箱的底部连接有钢管，钢管上安装有阀门和流量计，钢管通过软胶管与测量管连接；钢管与软胶管连接处安装传感器，软胶管与测量管连接处安装先端压力表。

所述上盖板由上结构板和结合板叠合而成，下盖板由下结构板和结合板叠合而成。

所述泥水箱固定在电动三轮车上，方便移动。

所述泥水箱的外壁粘贴有刻度线，最小刻度为1mm。

本发明提供的基于所述装置的地层劈裂抗力测定方法，按以下步骤进行：

（a）在需要测定的底层上布置若干个不同深度或不同泥水性能工况的试验孔；为保证各个试验点不相互影响，按照45°最大破坏线确定试验点的布置和其影响范围；

（b）在布置好的试验孔底部预埋测量管，并通过软胶管将泥水箱底部钢管与测量管连接，保证密封性，并对测量管周边进行封堵；

（c）对测量管进行清孔，防止底部被淤住；

（d）按预定配比配置泥水；

（e）打开排气阀和泥水箱底部的阀门，将泥水通过注浆管注入泥水箱，达到泥水箱容积的80%时，停止注入，液面始终位于空气压力表下方；

关闭排气阀和注浆管，通过气压泵向泥水箱施加气压，通过空气压力表读数控制加压的速率，使气压匀速缓慢增长，加压速率为1kPa/min～3KPa/min；液面高度缓慢且近似匀速降低，记录液面高度、地表压力表、流量计、先端压力表读数；不断增大气压，当泥水箱中泥水液面突然迅速下降，压力不增加甚至减少，且流量计读数突然增大时，判定土体发生劈裂，此时的先端压力表读数即为该地层土体的劈裂压力值；

（f）对试验孔开挖，揭示劈裂发生路径。

所述步骤开始前，先对地层表面的硬壳层进行挖除。

本发明的有益效果为：

（1）使用气体加压与液体加压的组合加压方式，而非单纯的液体加压，使得劈裂发生时压力保证一定的连续性，得到准确的劈裂压力；

（2）定制高精度流量计可以精确地捕捉到劈裂发生；

（3）空气压力计、先端压力表、有机玻璃材质并粘贴刻度泥水箱可以准确显示劈裂时发生的压力和流量；

（4）上下盖板的结合板+结构板的组合设计保证了泥水箱的气密性。

（5）通过现场劈裂试验并结合理论分析，给出了盾构机始发后的压力设定上限值，验证了预测模型的准确性，对将建设的过江跨海隧道的工程安全有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明所述装置的地上部分结构示意图；

图2为本发明所述装置的地下部分结构示意图；

图3为实施例中试验孔的相对位置关系和影响范围示意图（单位：mm）；

图4为现场试验步骤流程图；

图5为实施例中A₁孔液面高度和空气压力随时间的关系曲线；

图6为实施例中A₁孔流量和流速随时间的关系曲线；

图7为实施例中A₁孔流速随端头压力的变化关系曲线；

图中标号：

1-排气阀；2-注浆管；3-加压管；4-气压泵；5-结合板；6-上结构板；7-下结构板；8-泥水箱；9-空气压力表；10-地表压力表；11-流量计；12-阀门；13-钢管；14-传感器；15-先端压力表；16-测量管；17-软胶管。

具体实施方式

本发明提供了一种地层劈裂抗力试验装置及测定方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的结构如图1和图2所示。泥水箱8为该装置的主体结构，用于盛放试验用泥水，外壁粘贴有刻度线；泥水箱8由有机玻璃箱壁及上下盖板组成，上盖板由上结构板6和一块结合板5叠合而成，下盖板由下结构板7和一块结合板5叠合而成。上盖板上连接有排气阀1、注浆管2和加压管3，加压管3与气压泵4连接；泥水箱8的侧壁上方安装空气压力表9，侧壁下方连接有地表压力表10；泥水箱8的底部连接有钢管13，钢管13上安装有阀门12和流量计11，钢管13通过软胶管17与测量管16连接；钢管13与软胶管17连接处安装传感器14，软胶管17与测量管16连接处安装先端压力表15。泥水箱8固定在电动三轮车上，方便移动。

使用该装置进行测定的方法按以下步骤进行：

（a）在需要测定的底层上布置若干个不同深度或不同泥水性能工况的试验孔；为保证各个试验点不相互影响，按照45°最大破坏线确定试验点的布置和其影响范围；

（b）在布置好的试验孔底部预埋测量管，并通过软胶管将泥水箱底部钢管与测量管连接，保证密封性，并对软胶管和测量管周边进行封堵；

（c）对测量管进行清孔，防止底部被淤住；

（d）按预定配比配置泥水；

（e）打开排气阀和泥水箱底部的阀门，将泥水通过注浆管注入泥水箱，达到一定高度后停止注入，液面始终位于空气压力表下方；

关闭排气阀和注浆管，通过气压泵向泥水箱施加气压，通过空气压力表读数控制加压的速率，使气压匀速缓慢增长，液面高度缓慢且近似匀速降低，记录液面高度、地表压力表、流量计、先端压力表读数；不断增大气压，当泥水箱中泥水液面突然迅速下降或流量计读数突然增大时，土体发生劈裂，此时的先端压力表读数即为该地层土体的劈裂压力值；

（f）对试验孔开挖，揭示劈裂发生路径。。

实施例

南京某过江隧道始发处于淤泥质地层中，而且由于场地限制在始发区段上方修建建筑物。试验孔布置在盾构始发井周边，为测定不同深度和不同泥水性能下，地层的泥水劈裂性能，一共布置6孔，分为A、B两组。每组中设置不同孔深，分为5m、10m和15m；两组使用不同泥水配比，如下表1所示。试验孔处的地质参数如表2所示。现场试验时，为保证各个试验点不相互影响，按照45°最大破坏线（水平地应力等于竖向地应力的情况）确定试验点的布置和其影响范围，各孔的位置关系及影响范围如图3所示。

地层劈裂抗力现场测定方法共分为钻孔、下管、封堵、洗孔、拌浆、压浆劈裂和开挖验证等7个步骤，如图4的流程图所示。在试验场地中，地层的表面普遍存在一层硬壳。为了测定淤泥质粉质粘土地层的劈裂压力，对地层表面的硬壳进行了挖除。

表1试验使用浆液性能

表2地层物理力学性能参数

劈裂试验进行时，分别使用空气压力表、地表压力表、先端压力表、流量计和刻度尺测量并记录加压空气气压、先端劈裂处孔隙水压、流量和流速及泥水箱液面高度。如图5所示，在A₁孔试验过程中，随着空气压力的增加，液面高度在缓慢的降低（10mm/h），当空气压力达到100kPa时，液面骤然下降，当压力增大到104kPa时，其压力降低幅值较大，不宜再增加压力。而图6也显示，此时流量和流速突然出现，意味着劈裂的发生。事实上，此刻以前也有微弱的流量，但是，不在流量表显示精度范围内，所以流量表显示为0（虽然流量表经过专门定制，显示精度为0.0001m³/h）。劈裂发生后，空气压力维持稳定，而液面下降速度也基本稳定，当空气压力下降时，液面下降速度放缓，当空气压力增加时，液面下降速度也增加。这说明劈裂发生后，其液面流速跟劈裂伸展压力有一定的关系，液面流速会随着伸展压力的增加而增加。如图7所示，在流速和端头压力的关系中，可以看出，A1孔的劈裂压力为250kPa。由此可见，劈裂压力是在数据分析、起劈点确定、劈裂压力反推等基础上确定的。

表3给出了上覆水土压力和水平侧压力的计算值及劈裂压力的实测值，可以看出，对于淤泥质粉质粘土地层，劈裂压力介于上覆水土压力和水平侧压力之间。增加泥水的粘度可以提高劈裂压力。

表3劈裂试验结果

Claims (6)

1.地层劈裂抗力试验装置，其特征在于，泥水箱（8）由有机玻璃箱壁及上下盖板组成，用于盛放试验用泥水；上盖板上连接有排气阀（1）、注浆管（2）和加压管（3），加压管（3）与气压泵（4）连接；泥水箱（8）的侧壁上方安装空气压力表（9），侧壁下方连接有地表压力表（10）；泥水箱（8）的底部连接有钢管（13），钢管（13）上安装有阀门（12）和流量计（11），钢管（13）通过软胶管（17）与测量管（16）连接；钢管（13）与软胶管（17）连接处安装传感器（14），软胶管（17）与测量管（16）连接处安装先端压力表（15）。

2.根据权利要求1所述的地层劈裂抗力试验装置，其特征在于，所述上盖板由上结构板（6）和结合板叠合而成，下盖板由下结构板（7）和结合板叠合而成。

3.根据权利要求1所述的地层劈裂抗力试验装置，其特征在于，所述泥水箱（8）固定在电动三轮车上，方便移动。

4.根据权利要求1所述的地层劈裂抗力试验装置，其特征在于，所述泥水箱（8）的外壁粘贴有刻度线，最小刻度1mm。

5.一种基于权利要求1所述装置的地层劈裂抗力测定方法，其特征在于，按以下步骤进行：

（a）在需要测定的底层上布置若干个不同深度或不同泥水性能工况的试验孔；为保证各个试验点不相互影响，按照45°最大破坏线确定试验点的布置和其影响范围；

（b）在布置好的试验孔底部预埋测量管，并通过软胶管将泥水箱底部钢管与测量管连接，保证密封性，并对测量管周边进行封堵；

（c）对测量管进行清孔，防止底部被淤住；

（d）按预定配比配置泥水；

（e）打开排气阀和泥水箱底部的阀门，将泥水通过注浆管注入泥水箱，达到泥水箱容积的80%时，停止注入，液面始终位于空气压力表下方；

关闭排气阀和注浆管，通过气压泵向泥水箱施加气压，通过空气压力表读数控制加压的速率，使气压匀速缓慢增长，加压速率为1kPa/min～3KPa/min；液面高度缓慢且近似匀速降低，记录液面高度、地表压力表、流量计、先端压力表读数；不断增大气压，当泥水箱中泥水液面突然迅速下降，压力不增加甚至减少，且流量计读数突然增大时，判定土体发生劈裂，此时的先端压力表读数即为该地层土体的劈裂压力值；

（f）对试验孔开挖，揭示劈裂发生路径。

6.根据权利要求5所述的地层劈裂抗力测定方法，其特征在于，所述步骤（a）开始前，先对地层表面的硬壳层进行挖除，以防其与天然地层性能不同，影响劈裂抗力测量的准确性。

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