CN219915299U - 一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及盾构实验模拟技术领域，特别涉及泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置。其包括动力加载机构、泥浆搅拌注入机构、泥浆仓、地层模拟箱、数据监测采集系统，地层模拟箱设有复合地层和箱体气囊，泥浆仓与复合地层接触，数据监测采集系统设置在复合地层内，泥浆仓设有第一搅拌组件和仓体气囊，动力加载结构分别连接泥浆搅拌注入机构、仓体气囊、箱体气囊，泥浆搅拌注入机构设有第二搅拌组件，泥浆搅拌注入机构连接泥浆仓。通过改变地层模型设计，完成复合地层泥浆渗透和成膜效果的试验模拟分析；配置数据监测采集系统，实现泥浆渗透成膜过程中地层变化特征的实时记录；在泥浆仓增加搅拌组件，提高泥浆与现场实际的吻合性。

Description

一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置

技术领域

本实用新型涉及盾构实验模拟技术领域，特别涉及一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置。

背景技术

随着大直径和超大直径泥水盾构技术的广泛应用到过江隧道施工中，盾构施工条件越来越复杂，因此在盾构施工的模拟实验中也需要模拟出实际施工的复杂环境。现有模拟装置中存在以下问题：首先，泥浆注入压力的精准控制决定着模拟结果的准确性，现今的装置中对于泥浆压力控制的精度较低；其次，盾构过程中所遇地层越来越复杂，且多数为复合地层，已有装置中难以实现对复合地层的模拟，尤其是不同地层倾角和厚度的铺设；再次，泥浆在注入过程中会存在一定的沉淀，已有装置中缺乏泥浆的实时搅拌装置，进而导致泥浆舱内的泥浆粘度较低。

实用新型内容

本实用新型提供一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，旨在解决现有模拟装置中存在的问题。

本实用新型提供一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，包括动力加载机构、泥浆搅拌注入机构、泥浆仓、可视化装配式的地层模拟箱、数据监测采集系统，所述地层模拟箱内设有可调节倾角和厚度的复合地层和位于复合地层上部的箱体气囊，所述泥浆仓与复合地层接触，所述数据监测采集系统设置在复合地层内部，所述泥浆仓内设有第一搅拌组件和仓体气囊，所述动力加载机构分别连接泥浆搅拌注入机构、仓体气囊、箱体气囊，所述泥浆搅拌注入机构内设有第二搅拌组件，所述泥浆搅拌注入机构的泥浆输出端连接泥浆仓。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一搅拌组件包括第一电机和第一螺旋搅拌棒，所述泥浆仓内的泥浆注入端和仓体底部安装有多个第一螺旋搅拌棒，所述第一电机连接并驱动第一螺旋搅拌棒。

作为本实用新型的进一步改进，所述泥浆仓为半圆柱形结构，所述地层模拟箱的侧面设有可视侧板，所述泥浆仓一侧的平底面与可视侧板接触，所述泥浆仓的平底面设有密封圈。

作为本实用新型的进一步改进，所述泥浆仓的刀盘部位由多个圆孔与复合地层接触，通过紧固件与圆孔的配合以控制刀盘部位的开孔数量。

作为本实用新型的进一步改进，泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置还包括注水池和注水管，所述注水池设置在地层模拟箱顶部，所述注水管一端对接注水池，所述注水管的另一端对接符复合地层顶部。

作为本实用新型的进一步改进，泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置还包括滤液采集测量器、滤液采集管，所述滤液采集管一端对接地层模拟箱底部，所述滤液采集管的另一端对接滤液采集测量器。

作为本实用新型的进一步改进，所述地层模拟箱包括后侧板、可视侧板、多个可调节倾角的活动板，所述可视侧板的后端与后侧板连接，所述地层模拟箱的后侧板内侧设有多排凹槽，所述可视侧板的前端设有卡齿，所述活动板的后端连接在凹槽内，所述活动板的前端通过调节齿轮与卡齿连接，所述活动板的侧端通过密封圈与可视侧板接触。

作为本实用新型的进一步改进，所述动力加载机构包括空气压缩机、回压阀、高压气瓶、压力计、管线，所述空气压缩机与高压气瓶的进气口连接，所述高压气瓶的出气口通过管线分别连接泥浆搅拌注入机构、仓体气囊、箱体气囊，所述回压阀和压力计设置在管线上。

作为本实用新型的进一步改进，所述泥浆搅拌注入机构包括柱形外壳、活塞，所述第二搅拌组件包括第二电机和第二螺旋搅拌棒，所述柱形外壳内部通过活塞分隔为气压腔室和泥浆腔室，所述气压腔室与动力加载机构对接，所述泥浆腔室与泥浆仓对接，所述第二螺旋搅拌棒设置在泥浆腔室内，所述第二电机连接并驱动第二螺旋搅拌棒。

作为本实用新型的进一步改进，所述数据监测采集系统包括摄像机、土压力盒、孔隙水压力计、位移传感器、采集设备、控制电脑。

本实用新型的有益效果是：通过改变地层模型设计，可完成复合地层泥浆渗透和成膜效果的试验模拟分析，改变了传统上仅能进行单一地层试验分析的现状，并配置可视化有机玻璃板，数据监测采集系统，实现了泥浆渗透成膜过程中地层变化特征的实时记录，通过在泥浆仓增加搅拌组件，提高泥浆与现场实际的吻合性。

附图说明

图1是本实用新型泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置的整体结构图；

图2是本实用新型中泥浆仓的结构示意图；

图3是本实用新型中泥浆仓刀盘部位的结构图；

图4是本实用新型地层模拟箱在填充复合地层时的模型结构图；

图5是图4中A区域的结构放大图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，包括动力加载机构1、泥浆搅拌注入机构2、泥浆仓3、可视化装配式的地层模拟箱4、数据监测采集系统5，地层模拟箱4内设有可调节倾角和厚度的复合地层6和位于复合地层6上部的箱体气囊41，泥浆仓3与复合地层6接触，数据监测采集系统5设置在复合地层6内部，泥浆仓3内设有第一搅拌组件32和仓体气囊31，动力加载机构分别连接泥浆搅拌注入机构2、仓体气囊31、箱体气囊41，泥浆搅拌注入机构2内设有第二搅拌组件，泥浆搅拌注入机构2的泥浆输出端连接泥浆仓3。

第一搅拌组件32包括第一电机和第一螺旋搅拌棒，泥浆仓3内的泥浆注入端和仓体底部安装有多个第一螺旋搅拌棒，第一电机连接并驱动第一螺旋搅拌棒。为了防治泥浆仓3内的泥浆发生固结和沉淀，泥浆仓3注入端装和底部装有螺旋搅拌棒，并由微型电机提供动力，持续对仓内的泥浆进行搅拌。

如图2所示，泥浆仓3为半圆柱形结构，地层模拟箱4的侧面设有可视侧板42，泥浆仓3一侧的平底面与可视侧板42接触，泥浆仓3的平底面设有密封圈33。半圆柱形泥浆仓3主体由不锈钢管制作而成，泥浆仓3与模拟箱接触部位采用橡胶密封圈33进行密封，以实现仓内的密闭性，同时采用螺栓34对密封圈33进行固定，而且通过可视侧板42可以观察到泥浆仓3和地层模拟箱4的内部情况。

如图3所示，泥浆仓3的刀盘部位35由多个圆孔36与复合地层6接触，通过紧固件与圆孔36的配合以控制刀盘部位35的开孔数量。泥浆仓3的刀盘部位35由带有螺纹的圆孔36与复合地层6保持沟通，该圆孔36共设计4圈，共计34孔，由内到外的数量为3、6、12和13，可通过螺栓与圆孔36的配合，来控制刀盘的开孔率，以实现不同工况下的泥浆渗透成膜试验。

如图1，泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置还包括注水池71和注水管72，注水池71设置在地层模拟箱4顶部，注水管72一端对接注水池71，注水管72的另一端对接符复合地层6顶部。通过顶部的注水池71向地层模拟箱4内的复合地层6进行注水，用来模拟不同地层含水率条件下的泥浆渗透和成膜规律。

泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置还包括滤液采集测量器81、滤液采集管82，滤液采集管82一端对接地层模拟箱4底部，滤液采集管82的另一端对接滤液采集测量器81。地层模拟箱4底部装有滤液采集测量系统，滤液采集测量器81采集从复合地层6里流出的滤液，用来记录泥浆的滤失量。

如图1、图4、图5所示，地层模拟箱4包括后侧板43、可视侧板42、多个可调节倾角的活动板44，可视侧板42的后端与后侧板43连接，地层模拟箱4的后侧板43内侧设有多排凹槽45，可视侧板42的前端设有卡齿46，活动板44的后端连接在凹槽45内，活动板44的前端通过调节齿轮47与卡齿46连接，活动板44的侧端通过密封圈48与可视侧板42接触。

可视化装配式的地层模拟箱4为立方体结构，底座、顶部和侧面的前后两方为不锈钢板，正视两侧的可视侧板42为高压有机玻璃板。

多个活动板44可拆卸地安装在地层模拟箱4内，通过调节活动板44在地层模拟箱4内的倾角，以及调节活动板44之间的相对距离，形成不同层次的区域，在每个区域内根据实验需求铺设不同的地层样品，实现不同倾角和厚度的复合地层6，满足了复合地层6的地层铺设需求。

活动板44的侧端通过密封圈48与可视侧板42接触，可以防止每个层次的地层样品在铺设时通过缝隙相互渗透。活动板44安装时，先将活动板44的后端插入所需高度对应的凹槽45内固定，再将活动板44前段的调节齿轮47啮合到卡齿46内，调节齿轮47与活动板44此采用螺旋连接的方式，通过旋拧调节尺寸可以调节活动板44的角度以及和其他活动板44的间隔，从而完成对整个活动板44的倾角和间距调节，实现不同倾角和厚度的复合地层6的铺设要求；在铺设完地层后可以随时将活动板44从地层模拟箱4内抽出。

如图1，动力加载机构1包括空气压缩机11、回压阀13、高压气瓶12、压力计14、管线15，空气压缩机11与高压气瓶12的进气口连接，高压气瓶12的出气口通过管线15分别连接泥浆搅拌注入机构2、仓体气囊31、箱体气囊41，回压阀13和压力计14设置在管线15上。

通过空气压缩机11将空气注入到高压气瓶12中，再通过管线15与气囊和泥浆搅拌注入机构2相连，通过回压阀13分别调节气囊和泥浆搅拌注入机构2的压力，并在压力计14上实时显示压力值。

地层模拟箱4的复合地层6顶部装有的箱体气囊41通过高压气瓶12供气，并改变箱体气囊41的充气量，来实现模拟不同深度的泥浆渗透和成膜规律。泥浆仓3内装有仓体气囊31通过管线15与高压气瓶12相连，通过控制对仓体气囊31充气量的多少调节泥浆仓3内的泥浆注入压力。

如图1，泥浆搅拌注入机构2包括柱形外壳21、活塞22，第二搅拌组件包括第二电机23和第二螺旋搅拌棒24，柱形外壳21内部通过活塞22分隔为气压腔室和泥浆腔室，气压腔室与动力加载机构1对接，泥浆腔室与泥浆仓3对接，第二螺旋搅拌棒24设置在泥浆腔室内，第二电机23连接并驱动第二螺旋搅拌棒24。

螺旋搅拌棒通过电机的带动对泥浆腔室内的泥浆进行搅拌，气压腔室通过与高压气瓶12相连，通过注入的气压来推动活塞22移动，从而将泥浆注入到泥浆仓3内，并通过泥浆注入管路上的阀门控制泥浆注入速度和体积。

数据监测采集系统5包括摄像机、土压力盒、孔隙水压力计、位移传感器、采集设备、控制电脑。主要用记录盾构掘进过程中地层位移、地层压力、孔隙水压力以及掌子面压力的变化特征。

本实用新型的一种实现泥水盾构复合地层6过程中泥浆渗透和成膜规律试验装置，与传统模拟装置相比，装配式地层模拟箱4可以实现地层倾角和厚度的调节，进而模拟复原复杂的复合地层6特征；地层模拟箱4上部装有箱体气囊41，能够模拟深部地层泥浆渗透和成膜规律；地层模拟箱4一侧采用透明有机玻璃板，用来观测和记录泥浆的侵入和成膜过程。设计了半圆柱形的泥浆仓3，内部装有仓体气囊31并通过回压阀13调节泥浆仓3压力，模拟不同压力条件下泥浆渗透和成膜特征；同时泥浆仓3内装有螺旋搅拌棒，可对泥浆实时搅拌以防止沉淀和凝聚。设计了活塞22式泥浆搅拌注入机构2，可实现泥浆的实时搅拌和注入。设计了由高压气瓶12和回压阀13组成动力加载系统，可为泥浆仓3和气囊提供不同的压力。该模拟装置能够进行泥水盾构复合地层6泥浆配置合理性的评价，进而改变传统装置只能模拟泥浆在单一地层渗透和成膜的弊端。

使用本试验模拟装置进行试验的具体操作方式如下：

一、试验前准备工作：根据实际工况情况，设计试验中地层倾角、厚度、气囊压力、泥浆粘度、施工压力等参数特征。用空气压缩机11向高压气瓶12里充气，使其压力大于地层模拟箱4的箱体气囊41和泥浆仓3的仓体气囊31所需的试验压力。检查试验仪器各部件是否正常及密封性；架设摄像机对准可视化地质环境的地层模拟箱4；检查控制电脑控制是否灵敏，数据连接线是否正常工作。

二、试验材料准备与填装：根据试验设计方案在地层模拟箱4中完成复合地层6的布置，布置过程中将土压力计14、孔隙水压力计14和位移传感器布置在复合地层6相应的位置处，将仪器上盖封闭，连接各个管线15，并提前48h配置好试验所需的泥浆。

三、泥浆渗透和成膜：试验前观察地层压力和孔隙水压力数据是否满足条件（30min内压力保持稳定），若满足则根据方案，打开摄像机以及压力、位移采集系统，然后按照下列顺序进行操作，①逐步向地层模拟箱4的箱体气囊41中冲入气体，使其达到试验所需压力；②在泥浆搅拌注入机构2中加入泥浆并开动电机不断搅拌泥浆；③向泥浆搅拌注入机构2中注入气体，打开阀门使泥浆注入到泥浆仓3后关闭阀门，打开泥浆仓3内螺旋搅拌棒；⑤立刻打开与泥浆仓3仓体气囊31对接回压阀13，逐步调节压力使其达到试验设定的压力值；⑥收集泥浆滤失液体并测量其体积，持续时间30~60min后结束试验。

四、试验结束后，按下列顺序进行拆除，①将泥浆仓3的仓体气囊31放气后打开泥浆注入阀门；②将地层模拟箱4中的箱体气囊41放气；③吸出泥浆仓3内泥浆，清除地层模拟箱4中地层砂土，及时拷贝试验各项记录数据，并完成装备的拆卸和清理清洁工作。

五、试验结果分析：系统分析泥浆渗透成膜过程中采集的各项压力和位移数据，并分析试验结果。

本技术方案能模拟泥水盾构复合地层泥浆渗透和成膜规律，可以实现对不同地层倾角和厚度的地层还原布置，并能对泥浆渗透成膜过程中的滤失量、渗透距离、成膜厚度、土层内空隙水压力变化、地层压力和地层变形等进行实时监测，且操作简单便捷，本实用新型将复杂的工程问题带进试验室，开展系统研究，为提高实际工程中泥浆渗透和成膜方面的评价提供可靠的试验依据。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，包括动力加载机构、泥浆搅拌注入机构、泥浆仓、可视化装配式的地层模拟箱、数据监测采集系统，所述地层模拟箱内设有可调节倾角和厚度的复合地层和位于复合地层上部的箱体气囊，所述泥浆仓与复合地层接触，所述数据监测采集系统设置在复合地层内部，所述泥浆仓内设有第一搅拌组件和仓体气囊，所述动力加载机构分别连接泥浆搅拌注入机构、仓体气囊、箱体气囊，所述泥浆搅拌注入机构内设有第二搅拌组件，所述泥浆搅拌注入机构的泥浆输出端连接泥浆仓。

2.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述第一搅拌组件包括第一电机和第一螺旋搅拌棒，所述泥浆仓内的泥浆注入端和仓体底部安装有多个第一螺旋搅拌棒，所述第一电机连接并驱动第一螺旋搅拌棒。

3.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述泥浆仓为半圆柱形结构，所述地层模拟箱的侧面设有可视侧板，所述泥浆仓一侧的平底面与可视侧板接触，所述泥浆仓的平底面设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述泥浆仓的刀盘部位由多个圆孔与复合地层接触，通过紧固件与圆孔的配合以控制刀盘部位的开孔数量。

5.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，还包括注水池和注水管，所述注水池设置在地层模拟箱顶部，所述注水管一端对接注水池，所述注水管的另一端对接符复合地层顶部。

6.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，还包括滤液采集测量器、滤液采集管，所述滤液采集管一端对接地层模拟箱底部，所述滤液采集管的另一端对接滤液采集测量器。

7.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述地层模拟箱包括后侧板、可视侧板、多个可调节倾角的活动板，所述可视侧板的后端与后侧板连接，所述地层模拟箱的后侧板内侧设有多排凹槽，所述可视侧板的前端设有卡齿，所述活动板的后端连接在凹槽内，所述活动板的前端通过调节齿轮与卡齿连接，所述活动板的侧端通过密封圈与可视侧板接触。

8.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述动力加载机构包括空气压缩机、回压阀、高压气瓶、压力计、管线，所述空气压缩机与高压气瓶的进气口连接，所述高压气瓶的出气口通过管线分别连接泥浆搅拌注入机构、仓体气囊、箱体气囊，所述回压阀和压力计设置在管线上。

9.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述泥浆搅拌注入机构包括柱形外壳、活塞，所述第二搅拌组件包括第二电机和第二螺旋搅拌棒，所述柱形外壳内部通过活塞分隔为气压腔室和泥浆腔室，所述气压腔室与动力加载机构对接，所述泥浆腔室与泥浆仓对接，所述第二螺旋搅拌棒设置在泥浆腔室内，所述第二电机连接并驱动第二螺旋搅拌棒。

10.根据权利要求1所述的泥水盾构复合地层泥浆渗透及成膜规律试验模拟装置，其特征在于，所述数据监测采集系统包括摄像机、土压力盒、孔隙水压力计、位移传感器、采集设备、控制电脑。