CN107328912B - 一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法，该装置包括：模型箱框架：由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；水和气压综合调控系统：由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；渗流排液系统：由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；传动系统：放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；监测系统：由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。
Description
技术领域
本发明盾构工程技术领域。更具体地，涉及一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法。
背景技术
随着城镇化的发展，地下空间得到迅速的的开发和利用，越来越多的地铁投入建设，其中采用盾构法施工的越江跨海隧道也比比皆是。盾构机水底，特别是海底隧道的掘进，施工环境复杂，承受水压高，维持挖面的稳定是极其重要的一个环节。
现今国内外学者对于盾构开挖面稳定性的研究多集中于低水压或者是干砂条件下的研究，对于高水压渗流条件下的开挖面稳定性研究还存在许多缺失；同时，开挖面支护方法也多采用挡板支撑的刚性支护，而实际工程中水下隧道掘进多采用泥水平衡盾构施工，其与泥水平衡盾构的柔性支护有较大差别。因此，如何采用与工程更接近的泥水压力支护手段来确定在高水压条件下开挖面支护压力的大小，以及观察在高水压渗流条件下的开挖面破坏形态和特征，是急需解决的一个问题。
发明内容
为了实现与工程更接近的泥水压力支护手段来确定在高水压条件下开挖面支护压力的大小，以及观察在高水压渗流条件下的开挖面破坏形态和特征得目的：
本发明一方面提出一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置，该装置包括：
模型箱框架，由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体内部分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；
泥水和气压综合调控系统，由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；
渗流排液系统，由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，其中渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；
传动系统，放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；
监测系统，由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。
在一种优选的实施例中，所述圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板开有预留孔，孔洞部分粘贴覆盖滤网。
在另一种优选的实施例中，所述微型土压力传感器和孔隙水压力传感器用来测量圆形隧道外部的土压力和隧道内部的泥水压力，高速摄像机采集开挖面前方土体的破坏形态与范围。
本发明另一方面还提出一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置的使用方法，该方法包括：
S1：在模型箱实验内采用砂雨法制备土样，并在土样上部加注羟丙基甲基纤维素水溶液，并向渗流管加入泥浆；
S2：将整个装置放置于离心机上，分级缓慢提高离心机离心加速度至预定离心加速度；
S3：在离心加速度增大的过程中，根据微型土压力传感器和孔隙水压力传感器来测量圆形隧道内外的压力大小，并根据测量的压力大小来改变气泵的气压大小从而平衡开挖面压力；
S4：圆形隧道内外压力平衡稳定后，缓慢后撤圆形隧道开挖面部位的挡板，使得隧道开挖面完全由泥浆压力进行支护，系统稳定后，此时的状态即为实验初始状态，记录传感器初始读数；
-S5：保持离心机加速度不变，均匀缓慢地减小气泵气压大小，即减小开挖面泥水支护压力的大小，通过计算机系统高频率采集隧道开挖面的土压力与隧道内泥水压力的变化特点，得到开挖面压力变化曲线；
S6：维持半圆形隧道挡板与隧道开挖面平齐，通过计算机控制打开隧道渗流排水管上的电磁阀，让隧道开挖面外部水经开挖面挡板预留孔与连接隧道内部的渗流排水管流入模型箱设备仓的渗流液储存盒里，使隧道开挖面形成稳定的渗流场；
S7：打开高速相机，启动隧道挡板分级后撤系统，提前设定好挡板后撤速度，使得半圆形隧道内的挡板按0.2mm/min的速度缓慢均匀的后撤，在挡板后撤的过程中实时采集传感器度数，记录开挖面的土压力变化情况，同时使用高速相机记录整个后撤过程中开挖面前方土体的变化；
S8：挡板共后撤2cm，后撤完成后，慢慢降低离心机离心加速度直到停止，进行实验完成后的仪器整理工作；
S9：整理分析实验所得压力变化曲线，得到开挖面支护压力变化规律和合理支护压力的大小；采用粒子图像测速技术处理半圆形隧道实验过程中开挖面前方土体变化图片，得到高水压渗流条件下开挖面破坏形态与特征。
优选的，所述S1当中的泥浆采用一种膨润土、水、甘油为1：0.4：0.5的配比配置而成。
优选的，所述S2当中的预定离心加速度为200倍的常重力加速度。
本发明的有益效果如下：
本发明所述装置以及技术方案解决了如何采用与工程更接近的泥水压力支护手段来确定在高水压条件下开挖面支护压力的大小，以及观察在高水压渗流条件下的开挖面破坏形态和特征的问题。
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示出一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置意图。
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，隔板160将模型箱分为模型箱实验区165和设备仓123；在做实验之前要先将微型土压力传感器和孔隙水压力传感器放在模型箱实验区的底部，再通过砂雨法制备土样并将该土样放置在模型箱实验区里面；在向土样上面加注羟丙基甲基纤维素水溶液，最后向渗流管110内部加注由膨润土、水、甘油为1：0.4：0.5的配比配置而成的泥浆使其在隧道开挖面形成泥膜150；气泵100通过导管与气压表105以及渗流管连载起来；渗流管的底端和隧道158相连，隧道的四周侧壁由隧道衬砌125构成，隧道衬砌的夹层当中内置渗流排水管128，该隧道包括圆形隧道和半圆形隧道两种。
在做实验的时候将整个模型箱放置在离心机上，并分级缓慢提高离心机的离心加速度至预定加速度200倍的常重力加速度，由于最开始渗流管当中的泥浆液面高度低于羟丙基甲基纤维素水溶液的液面高度，所以在加速度增大过程中隧道开挖面内外压力差会逐渐增大，为平衡开挖面压力，需要在加速过程中时刻调节泥浆上方气泵气压大小，使得隧道内外的压力始终保持一致，隧道内外压力大小通过提前放置的微型土压力传感器和孔隙水压力传感器读数得到；当隧道内外压力平衡稳定后，通过气缸155缓慢后撤圆形隧道开挖面部位的挡板135，使得隧道开挖面完全由泥浆压力进行支护，挡板上预留孔130可以让泥浆顺畅流通，在挡板两侧140和145处均充满泥浆，泥浆流通到开挖面处形成泥膜150，泥膜在挡板后撤后代替挡板的支护作用，挡板上的滤网疏密根据多次实验确定，使其能保证前方细沙无法进入到隧道内部，又能保证泥浆流通的顺畅，待系统稳定后，此时的状态即为实验初始状态，记录微型土压力传感器和孔隙水压力传感器初始读数；保持离心机加速度不变，均匀缓慢地减小泥水仓气压大小，即减小开挖面泥水支护压力的大小，通过计算机系统高频率采集隧道开挖面的土压力与隧道内泥水压力的变化特点，得到开挖面压力变化曲线。
维持半圆形隧道挡板与隧道开挖面平齐，通过计算机控制打开隧道渗流排水管上的电磁阀115，让隧道开挖面外部水经开挖面挡板预留孔以及连接隧道内部的渗流排水管流入模型箱设备仓的渗流液储存盒120里，使隧道开挖面形成稳定的渗流场；观测开挖面附近微型土压力传感器和孔隙水压力传感器的读数，在稳定之后记录数值作为初始状态；半圆形隧道中的平面部分采用玻璃材料密封，所以通过高速相机可以观测半圆形隧道内部的情况，启动隧道挡板分级后撤系统，提前设定好挡板后撤速度，使得半圆形隧道内的挡板按0.2mm/min的速度缓慢均匀的后撤，在挡板后撤的过程中实时采集微型土压力传感器读数，记录开挖面的土压力变化情况，同时使用高速相机记录整个后撤过程中开挖面前方土体的变化；挡板共后撤2cm，后撤完成后，慢慢降低离心机加速度直到停止，进行实验完成后的仪器整理工作，得到高水压条件下开挖面支护压力变化规律和合理支护压力的大小；采用粒子图像测速技术处理半圆形隧道实验过程中开挖面前方土体变化图片，得到高水压渗流条件下开挖面破坏形态与特征；改变不同的覆土厚度和水头高度，可进行不同工况下的相似实验研究。
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 (6)
1.一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置，其特征在于，该装置包括：
模型箱框架，由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体内部分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；
泥水和气压综合调控系统，由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；
渗流排液系统，由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，其中渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；
传动系统，放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；
监测系统，由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板开有预留孔，孔洞部分粘贴覆盖滤网。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微型土压力传感器和孔隙水压力传感器用来测量圆形隧道外部的土压力和隧道内部的泥水压力，高速摄像机采集开挖面前方土体的破坏形态与范围。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述装置的使用方法，其特征在于，该方法包括：
S1：在模型箱实验内采用砂雨法制备土样，并在土样上部加注羟丙基甲基纤维素水溶液，并向渗流管加入泥浆；
S2：将整个装置放置于离心机上，分级缓慢提高离心机离心加速度至预定离心加速度；
S3：在离心加速度增大的过程中，根据微型土压力传感器和孔隙水压力传感器来测量圆形隧道内外的压力大小，并根据测量的压力大小来改变气泵的气压大小从而平衡开挖面压力；
S4：圆形隧道内外压力平衡稳定后，缓慢后撤圆形隧道开挖面部位的挡板，使得隧道开挖面完全由泥浆压力进行支护，系统稳定后，此时的状态即为实验初始状态，记录传感器初始读数；
S5：保持离心机加速度不变，均匀缓慢地减小气泵气压大小，即减小开挖面泥水支护压力的大小，通过计算机系统高频率采集隧道开挖面的土压力与隧道内泥水压力的变化特点，得到开挖面压力变化曲线；
S6：维持半圆形隧道挡板与隧道开挖面平齐，通过计算机控制打开隧道渗流排水管上的电磁阀，让隧道开挖面外部水经开挖面挡板预留孔与连接隧道内部的渗流排水管流入模型箱设备仓的渗流液储存盒里，使隧道开挖面形成稳定的渗流场；
S7：打开高速相机，启动隧道挡板分级后撤系统，提前设定好挡板后撤速度，使得半圆形隧道内的挡板按0.2mm/min的速度缓慢均匀的后撤，在挡板后撤的过程中实时采集传感器度数，记录开挖面的土压力变化情况，同时使用高速相机记录整个后撤过程中开挖面前方土体的变化；
S8：挡板共后撤2cm，后撤完成后，慢慢降低离心机离心加速度直到停止，进行实验完成后的仪器整理工作；
S9：整理分析实验所得压力变化曲线，得到开挖面支护压力变化规律和合理支护压力的大小；采用粒子图像测速技术处理半圆形隧道实验过程中开挖面前方土体变化图片，得到高水压渗流条件下开挖面破坏形态与特征。
5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述S1当中的泥浆采用一种膨润土、水、甘油为1：0.4：0.5的配比配置而成。
6.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述S2当中的预定离心加速度为200倍的常重力加速度。
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