CN105334142A - 一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，该装置包括地层模拟箱、用于模拟泥浆仓的有机玻璃管道和为有机玻璃管道内的泥浆供驱动力的动力加载系统；所述有机玻璃管道的一端与所述地层模拟箱套接连通，所述动力加载系统从有机玻璃管道的另一端为有机玻璃管道内的泥浆提供驱动力。本发明对泥膜形成过程各监测参数变化规律以及泥浆渗透情况和泥膜性能定性参数进行归纳分析，找出影响泥浆平衡式盾构有效泥膜形成的主要因素，为泥浆盾构施工开挖面稳定提供可靠的实验依据。

Description

一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程实验仪器技术领域，特别是涉及一种用于模拟盾构泥膜形成的筒套筒实验装置。

背景技术

泥浆平衡式盾构法施工在浅埋软土地层中修建地铁、道路隧道或大直径跨海越江隧道工程中被广泛采用。由于软土地层以及江河下部土体一般稳定性很差，地质环境十分复杂，导致泥浆盾构开挖面的环境越来越严峻，在实际工程中新的问题不断涌现，施工安全受到到严重威胁。大量的工程实践和理论表明：在开挖面上形成一层有效的泥膜作为支护介质是确保其稳定的关键，关于泥膜的形成机理、形成条件、有效性评价指标等问题，国内外许多学者进行了一些有意义的尝试，取得了一定研究成果，为我们后续的研究起到了良好的借鉴作用。但泥浆盾构开挖面稳定的机理十分复杂，就影响泥膜形成的因素以及各因素影响的程度及规律和地层参数、施工参数、泥浆特性之间的相互作用关系，尚无清晰的认识，这些问题的研究，多数需要借助实验来完成。

有效泥膜的形成是开挖面稳定的前提，泥膜作为一种隔水材料，为泥浆有效压力与地下水压力和土侧压力的平衡提供作用介质。由于做现场实验具有很大的安全风险且不经济，对于泥浆盾构开挖面稳定性的实验研究几乎都采用室内实验方法，因此，室内实验装置和相关设备的研制是泥浆盾构开挖面稳定性研究的关键性工作之一。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，该装置包括地层模拟箱、用于模拟泥浆仓的有机玻璃管道和为有机玻璃管道内的泥浆供驱动力的动力加载系统；

所述有机玻璃管道的一端与所述地层模拟箱套接连通，所述动力加载系统从有机玻璃管道的另一端为有机玻璃管道内的泥浆提供驱动力。

优选的，所述地层模拟箱中按模拟需求在箱内布置有至少一组土压力盒、空隙水压力计和温度传感器。

优选的，所述地层模拟箱上进一步设有多个通孔；

所述多个通孔中的一个通孔用于与外部容器或管路连接的渗流量测量孔；

所述多个通孔中除渗流量测量孔之外的至少一个通孔用于为地层模拟箱中的土压力盒、空隙水压力计和温度传感器与外部数据采集装置提供连接；

所述地层模拟箱上的设有渗流量测量孔的内壁上进一步铺设有透水石。

优选的，所述有机玻璃管道包括泥浆室以及设置在有机玻璃管道上的泥浆灌孔、排气孔和泥浆排孔。

优选的，所述动力加载系统包括传力活塞和具有充放气口的加载气囊；

所述传力活塞和加载气囊依次设置在有机玻璃管道内泥浆的动力施加方向。

优选的，所述动力加载系统进一步包括通过连接管道与所述加载气囊连接的空气压缩机和设置在连接管道上的调压阀。

优选的，该实验装置进一步包括用于密封有机玻璃管道的背离地层模拟箱的一端的端部密封板和设置在端部密封板和有机玻璃管道端面之间的密封垫；

所述端部密封板通过至少两个螺栓杆固定在所述地层模拟箱上；

所述端部密封板上设有容纳加载气囊与外部装置连接的连接管道的通孔。

优选的，该实验装置进一步包括具有进气端和出气端的泥膜冻结装置。

优选的，该实验装置进一步包括通过连接管道与所述泥膜冻结装置的进气端连接的液氮存储装置和设置在进气端和出气端的球形阀。

优选的，该实验装置进一步包括用于支撑有机玻璃管道的支座。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案与现有技术相比：

1、可以模拟两种情况下泥浆渗透与泥膜形成实验，即用土层模拟箱与有机玻璃筒组合形成筒套筒结构时，即土层不进入有机玻璃筒内部，如图1所示的土样填充界面7，可开展扩散型泥浆渗透试验，当将一部分有机玻璃筒用作土层模拟箱时，即如图1所示的土样填充界面8时，可开展定向型泥浆渗透试验，有利于实验结果对比；

2、采用加载气囊，通过传力活塞对泥浆施加压力，更符合实际工程中盾构机刀盘对泥浆施加压力情况；

3、采用筒套筒结构，在有机玻璃管端部与土层接触面模拟泥膜形成，有机玻璃管起到实际施工中已安装的管片作用，泥浆可以向土层中扩散渗透，让模拟实验更加贴近实际工况；

4、采用自动数据采取装置，可以同步记录实验过程中，土层内土压力、空隙水压力的变化规律；

5、使用泥膜冻结装置，可以在实验环境撤销后，将泥膜形态保存下来，可进行泥膜的性能进行定性和定量分析。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述实验装置的示意图；

图2示出本发明所述实验装置的地层模拟箱的剖面图。

附图标号

1、地层模拟箱，2、土压力盒，3、空隙水压力计，4、温度传感器，5、有机玻璃管道，6、泥膜冻结装置，7、第一种实验情况下的土样填充界面，8、第二种实验情况下的土样填充界面；

11、通孔，12、渗流量测量孔；

50、支座，51、传力活塞，52、加载气囊，53、泥浆室，54、连接管道，55、空气压缩机，56、外部泥浆泵，57、调压阀，58、螺栓杆，59、端部密封板；

53A、球形阀，53B、球形阀；61、球形阀，61A、球形阀，61B、球形阀，62、液氮存储装置；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，该装置包括地层模拟箱1、用于模拟泥浆仓的有机玻璃管道5和为有机玻璃管道5内的泥浆供驱动力的动力加载系统；所述有机玻璃管道5的一端与所述地层模拟箱1套接连通，所述动力加载系统从有机玻璃管道5的另一端为有机玻璃管道5内的泥浆提供驱动力。根据实验过程中模拟情况的需要，在所述地层模拟箱中布置有至少一组土压力盒2、空隙水压力计3和温度传感器4，实际数量以满足实验要求为准。所述地层模拟箱1上进一步设有多个通孔；所述多个通孔中的一个通孔用于与外部容器或管路连接的渗流量测量孔12；所述多个通孔中与渗流量测量孔相连接的通孔用于向箱体内注水；所述多个通孔中除渗流量测量孔12之外的至少一个通孔用于为地层模拟箱1中的土压力盒2、空隙水压力计3和温度传感器4与外部数据采集装置提供连接；所述地层模拟箱上的设有渗流量测量孔12的内壁上进一步铺设有透水石。本方案中，渗流量测量孔12有两种用途，一是用于向箱体内注水，二是用于渗流量测量。本方案中，所述有机玻璃管道内设有一泥浆室53以及设置在有机玻璃管道上的为泥浆室灌入泥浆的泥浆灌孔、排除泥浆室空气的排气孔和为泥浆室排出泥浆的泥浆排孔；其中，排气孔处设有球形阀53A，泥浆排孔处设有球形阀53B。本方案中，泥浆室53实质为有机玻璃管道5中承载泥浆的泥浆填充空间，该空间的容量会根据实验方式的不同有所扩增或缩减，以满足泥浆渗透与泥膜形成实验和开展扩散型泥浆渗透实验中需要注入泥浆量的需要。本方案中，所述动力加载系统包括传力活塞51和具有充放气口的加载气囊52；所述传力活塞51和加载气囊52依次设置在有机玻璃管道5内泥浆的动力施加方向。所述动力加载系统进一步包括通过连接管道54与所述加载气囊52连接的空气压缩机55和设置在连接管道54上的调压阀57，通过该调压阀57对加载气囊进行加压或减压实现气囊的充放气。该实验装置进一步包括用于密封有机玻璃管道5的背离地层模拟箱1的一端的端部密封板59和设置在端部密封板59和有机玻璃管道5端面之间的密封垫；所述端部密封板59通过至少两个螺栓杆58固定在所述地层模拟箱1上；所述端部密封板59上设有加压孔，加载气囊52通过该加压孔利用连接管道54与空气压缩机55连接。如图2所示，为了将模拟后的泥膜保留下来，本方案在实验装置中进一步设置有具有进气端和出气端的泥膜冻结装置6，所述泥膜冻结装置的进气端和出气端分别设有球形阀61A和61B，所述泥膜冻结装置的进气端通过连接管道与外部的液氮存储装置62连接。本方案中，为了增加有机玻璃管道5的稳定性，在实验装置中进一步设置有用于支撑有机玻璃管道5的支座50。

下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，本实例中给出一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，该装置包括一筒状钢制地层模拟箱1，地层模拟箱1内按既定位置埋设有土压力盒2、空隙水压力计3和温度传感器4，土压力盒2、空隙水压力计3和温度传感器4通过地层模拟箱1的侧壁预留通孔11与外部数据采集装置连接，地层模拟箱1的侧壁还设有渗流量测量孔12与量筒或外接管路相连接。地层模拟箱1的侧壁上设有一预留导洞，模拟泥浆盾构实验中模拟泥浆仓的有机玻璃管道5的一端通过该预留导洞套进地层模拟箱1中，有机玻璃管道5的另一端设有动力加载系统。动力加载系统包括设置在有机玻璃管道5内的传力活塞51，传力活塞51的外侧设置有加载气囊52，传力活塞51的内侧为泥浆室53；加载气囊52通过管道54与外部的空气压缩机55连接；泥浆室53通过泥浆进口与外部泥浆泵56相连接；泥浆室53的上、下部位分别设有球形阀53A、53B。加载气囊52与外部的空气压缩机55的连接管道54上设有调压阀57。

地层模拟箱1侧壁的预留导洞的四周固定有螺栓杆58，通过螺栓杆58和端部密封板59将有机玻璃管道5固定在地层模拟箱1侧壁上，有机玻璃管道5与预留导洞的接缝处以及有机玻璃管道5与端部密封板59的接缝处设置有密封圈确保有机玻璃管的气密性，有机玻璃管道5的外侧端放置在支座50上。

地层模拟箱1内还安装了泥膜冻结装置6，泥膜冻结装置6通过球形阀61与地层模拟箱1外部的液氮储存装置62连接。

使用本实验装置进行实验的具体操作方式如下：

一、实验前准备工作：准备实验所用泥浆、土样、液氮、土压力盒、空隙水压力计、温度传感器等辅助材料，检查实验仪各部件是否正常，尤其是装置的气密性是否良好；

二、实验材料准备与填装：将现场取回的土干燥后，按照实验要求筛除不符合实验要求的土颗粒，再将选取得土样分层填入地层模拟箱1并夯实，在预设的位置按如图2所示位置布设空隙水压力计3和土压力盒2、温度传感器4，导线从侧壁预留通孔11引出；安装泥膜冻结装置6，液氮输送管一端与液氮储存装置62相连接，通过连接管道与冻结装置的进气端连接，冻结装置的另一端与大气相连，同时当土样填充到预留的有机玻璃管道5的预留导洞下边沿时，将有机玻璃管道5导入地层模拟箱1内，其另一端放在支架50上。本装置可以模拟至少两种情况下泥浆渗透与泥膜形成实验，即用土层模拟箱1与有机玻璃管道5组合形成筒套筒结构时，即土层不进入有机玻璃筒内部，如图1所示的土样填充界面7，以及可开展扩散型泥浆渗透试验，当将一部分有机玻璃管道5与涂层模拟箱1一同用于承装土样时，即如图1所示的土样填充界面8时，可开展定向型泥浆渗透试验，有利于实验结果对比。因此，本实例中需先用与有机玻璃管道5内径相同的圆柱形木塞从如图1所示的有机玻璃管的右侧导入有机玻璃管道5中，保证该木塞可在有机玻璃管道5内移动，并将木塞推到玻璃管道最左侧如图1所示的土样填充界面7或将木塞推到玻璃管道如图1所示的土样填充界面8的位置，以满足泥浆渗透与泥膜形成实验和开展扩散型泥浆渗透试验的需求，然后，将继续土样填充，直至与地层模拟箱1的箱口上缘平齐，加上顶板以及顶板密封圈，并用螺栓杆将箱盖与箱体底部固定。本方案中，为防止土箱上的渗流量测量孔12上设置的阀门被土颗粒堵塞，在箱体上渗流量测量孔12对应设有阀门一侧的箱体内壁上铺设有一层透水石，打开箱体渗流量测量孔12处设置的阀门，将渗流量测量孔12与外部水源管路连接，向地层模拟箱1内缓慢注入水，当有水从渗流量测量孔中流出时，证明土层已经处于富水状态，然后关闭阀门；即在试验开始阶段，让水从土箱底部逐步向上浸透土层，这样可充分排除土层中的空气，直至与地层模拟箱1的箱口上缘距离最近的通孔中有水流出时，说明土层已经全部被水浸透，土层处于富水状态，在泥浆渗透阶段，断开与渗流量测量孔12连接的外部水源，换成量筒与之连接，此时，渗流量测量孔12转换为测量渗流量。

三、将木塞小心地从有机玻璃管道5中抽出，确保土层不向非土样填充区垮塌，依次向有机管内装入传力活塞51、加载气囊52，将端部密封板59通过螺栓杆58固定在地层模拟箱1的利用钢板支撑的箱体上，端部密封板59与有机玻璃管道5之间有密封圈，加载气囊52通过连接管道54通过端部密封板59上的加压孔与空气压缩机55相连；

四、实验开始，将球形阀61A、61B关闭，土压力盒2导线通过侧壁预留通孔11导出，并与数据采集装置相连，关闭球形阀53A，打开球形阀53B，通过注浆孔，将泥浆注入泥浆室53，同时打开空气压缩机55，调节调压阀57对加载气囊52充气，通过加载气囊52对传力活塞51提供一定推力，在注浆过程中，确保活塞不动，当泥浆注入到有机玻璃管道5的泥浆室53内无空气时，注浆完毕，关闭注浆孔以及球形阀53B，打开渗透量测量孔12，保持与渗透量测量孔12连接的硅胶管的出口同所注泥浆液面相平齐；

五、按照实验设计的压力值，通过调节气压阀57和加载气囊52，对传力活塞51向泥浆室方向移动进行加载，形成有压泥浆，同步测量土层中空隙水压力、土压力以及渗流量，及其随时间和加载压力值之间的变化规律；

六、当测量值不再有明显变化后，说明泥膜已经完全形成，记录各测量值，此时，保持气压阀57压力值不变，打开球形阀61A、61B，向泥膜冻结装置6通入液氮，当温度传感器4显示冻结装置周围土体温度降到零摄氏度以下时，再持续通入氮气5分钟后停止，确保泥膜被彻底冻结；

七、停止加压，并逐步小压力，打开地层模拟箱1顶板，缓慢开挖土体，直到泥膜形成面，对泥浆渗透距离、形状、向有机玻璃管端部侧方扩散范围、泥膜厚度、泥浆对土层的填充吸附情况等指标、现象进行记录，打开球形阀53B，将泥浆排出泥浆室；

八、分别改变土层特性、泥浆特性、加载压力等，重复上述步骤，进行多组实验。

综上所述，本发明所述技术方案能模拟泥水盾构施工过程中，泥浆渗入地层并形成泥膜过程，可以对泥浆渗透过程中土层内空隙水压力变化规律、泥浆渗入量、泥膜形成情况等进行监测，且操作简单便捷，本发明将复杂的工程问题带进实验室，开展系统研究，为提高实际工程中泥水盾构开挖面的稳定性提供依据。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，其特征在于，该装置包括地层模拟箱、用于模拟泥浆仓的有机玻璃管道和为有机玻璃管道内的泥浆供驱动力的动力加载系统；

所述有机玻璃管道的一端与所述地层模拟箱套接连通，所述动力加载系统从有机玻璃管道的另一端为有机玻璃管道内的泥浆提供驱动力。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述地层模拟箱中按模拟需求在箱内布置有至少一组土压力盒、空隙水压力计和温度传感器。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述地层模拟箱1上进一步设有多个通孔；

所述多个通孔中的一个通孔用于与外部容器或管路连接的渗流量测量孔；

所述多个通孔中除渗流量测量孔之外的至少一个通孔用于为地层模拟箱中的土压力盒、空隙水压力计和温度传感器与外部数据采集装置提供连接；

所述地层模拟箱上的设有渗流量测量孔的内壁上进一步铺设有透水石。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述有机玻璃管道具有用于承载泥浆的泥浆室以及设置在有机玻璃管道上的泥浆灌孔、排气孔和泥浆排孔。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述动力加载系统包括传力活塞和具有充放气口的加载气囊；

所述传力活塞和加载气囊依次设置在有机玻璃管道内泥浆的动力施加方向。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述动力加载系统进一步包括通过连接管道与所述加载气囊连接的空气压缩机和设置在连接管道上的调压阀。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该实验装置进一步包括用于密封有机玻璃管道的背离地层模拟箱的一端的端部密封板和设置在端部密封板和有机玻璃管道端面之间的密封垫；

所述端部密封板通过至少两个螺栓杆固定在所述地层模拟箱上；

所述端部密封板上设有容纳加载气囊与外部装置连接的连接管道的加压孔。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该实验装置进一步包括具有进气端和出气端泥膜冻结装置。

9.根据权利要求8所述的实验装置，其特征在于，该实验装置进一步包括通过连接管道与所述泥膜冻结装置的进气端连接的液氮存储装置和设置在进气端和出气端的球形阀。

10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该实验装置进一步包括用于支撑有机玻璃管道的支座。