专利名称：用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法
技术领域：
本发明涉及一种试验方法，特别是涉及一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法。
背景技术：
泥水盾构是通过泥水仓中带压力的泥水平衡地层中的应力，为了维持开挖面的稳定，泥水盾构中对泥水的功能有如下的要求一、通过泥水压力来平衡土压力和水压力； 二、为使泥水压力有效地作用，在开挖面需形成具有一定结构特性的泥膜；三、对于具有透水性的开挖地层，由于泥水的渗透，提高了开挖面附近土体的自立性。从泥膜功能上来看，泥膜作为一种隔水材料和传力介质，能使泥水仓的压力更均勻地作用在开挖面上，但是泥膜的形成并不是瞬时实现的，而是工作泥浆在泥水仓压力的作用下通过向土体的渗透逐渐形成的，这除了和泥水仓与开挖地层的压力差、开挖地层的渗透特性有关外，还与泥浆本身的颗粒级配以及它的粘度、比重等流体力学性质有关。这就存在一种关于开挖地层力学特性与泥水盾构工作泥浆特性之间的匹配关系，进而就涉及到了在施工过程中如何合理地控制施工参数来确保这种匹配关系。考虑泥膜在泥水盾构掘进过程中维持正面稳定所起到的作用和泥膜需要一定的时间才能形成，因此为了防止盾构开挖面坍塌或者局部破坏，泥膜的形成就受到开挖地层、泥浆和施工参数三者的共同作用和相互制约。由于目前施工条件和监测手段的限制，使得在施工现场无法通过有效的手段来判断泥膜形成的过程和泥膜本身的特性，所以目前大部分研究工作都是在试验室内完成的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其可以用于研究泥水盾构正面稳定力学机理和土体力学性质。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其特征在于，该试验方法采用上法兰盖板、试验桶体、第二球阀、空气压缩机、指针式压力表和泥浆泵，该试验方法包括以下步骤步骤一从工地上取原状土，干燥后过筛去除土中的大颗粒，然后装入试验桶体， 装土过程中要分层夯实；步骤二 打开上法兰盖板，将试验桶体内冲水，使土体饱和，冲水时采用放射状撒水，在撒水的过程中，第二球阀处于打开状态以释放流出的水，然后盖上上法兰盖板，并确保上法兰盖板和试验桶体之间密封；步骤三待上法兰盖板和试验桶体之间密封后，通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气，直至指针式压力表的压力为试验的压力；步骤四在维持压力的条件下，将水排出；步骤五待水完全排出后，在维持指针式压力表的压力不变的条件下，通过泥浆泵向试验桶体上部注入添加荧光材料后的泥水，待泥水高度达到十厘米后，停止泥水的注入；步骤六通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压，进入数据记录阶段， 同时记录从第二球阀排出水量的变化量和泥水渗透的距离；步骤七待失水量稳定后，再通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压， 重复上述过程至极限压力；步骤八待完成上述试验后，将试验桶体水平放置。优选地，所述第二球阀、泥浆泵和一个第一球阀组成进出泥水系统。优选地，所述步骤八结束时，测量内部土压力计与空隙水压力计读数的变化，待数值稳定后，进行下一次试验。本发明的积极进步效果在于本发明不仅可以用于研究泥水盾构正面稳定力学机理和土体力学性质，而且突破了以前用于室内泥膜试验仪器的压力只能做到0. 3 0. 4MPa 的局限性，本发明可以模拟泥水压力最大为0. SMPa的工况，为今后跨海隧道和深层地下空间的开发过程中碰到的高水压环境下形成泥膜研究奠定了基础。
图1为本发明形成泥膜的原理图。图2为本发明刀盘转动时的示意图。图3为本发明建立试验参数与施工参数之间的关系的示意图。图4为本发明用使用的各个元件之间连接关系的示意图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。如果将开挖地层视为多孔介质，那么地层颗粒之间空隙存在为泥浆的渗透提供了天然的通道，使得泥浆在泥水仓压力的作用下向开挖地层中的渗透成为了可能。无论将泥浆视为非牛顿流体(单相流体)还是多相流，压差是驱动这种流动的动力，如果将泥水仓中的泥浆视为理想的均勻流动介质，那么泥水仓中压力分布是以泥浆比重为梯度的线性函数，而地层中孔隙水压力的分布同理是线性函数，这就使得在整个开挖面上任意一点泥水仓压力和孔隙水压力的差值一个恒定的值，也就形成了流体流动的压力差。但是随着泥膜的形成，泥浆向土体中流动的通道被堵死，在开挖面上形成的泥膜变成为了一种传力隔水介质，该介质能够更好地使泥膜两侧的水土压力和泥水仓压力达到平衡。另外，由于泥膜本身的低渗透特性和结构特性，防止了当泥水盾构在承压水地层掘进过程中地层中的承压水向泥水仓突涌的现象。泥水盾构的刀盘通常设计为轮辐形，刀盘可以采用海瑞克公司的S-317型混合式盾构机的刀盘，为了使刀盘中心具有较高的刀具速度和动力，后来研制了泥水盾构主动中心刀具。对于采用轮辐形刀盘的盾构，刀盘转动时带动辐条上的刀具切削在开挖面上形成泥膜的复合体。切削后，泥浆在泥浆仓压力的作用下，在新鲜的开挖面上形成新的泥膜。因此，刀盘转速的不同使得在下一幅刀具切削前，作用在开挖面上泥膜形成的时间也就不相同。据此，刀盘转动的速度可以等价为泥膜形成的时间。由于形成致密的泥膜需要一定的
4时间，如果刀盘进齿的深度过大，即盾构掘进的速度较快，除了盾构的扭矩增大外，还会导致在盾构开挖面上起到有效支承作用的泥膜较薄或者没有泥膜支护开挖面，则容易导致开挖面整体失稳或局部失稳造成工程风险。因此，盾构掘进时，要根据形成泥膜的厚度来合理选择盾构掘进的速度。如图1和图2所示，当刀盘2以角速度w转动时，刀盘2上的刀具从I转动到II 需要时间为t，刀具扫过的阴影部分即为开挖部分，泥水仓1作用在阴影部分的时间为t，即形成泥膜3的时间也为t，单位时间内盾构掘进地层4的速度ν等同于刀具的进齿速度，在盾构掘进地层过程中其不但沿着盾构的掘进方向前进，而且还在刀盘的带动下在刀盘平面内做转动，其运动轨迹形成螺旋形的曲线。当刀具的进齿速度超过了泥膜形成的速度，则造成了盾构开挖面无支护的风险工况。考虑到轮辐式刀盘，当一条轮辐切削后，在下一轮辐切削前，总有一块面积是在泥水仓压力下形成泥膜的，因此在理想状态下t = B/w, B为刀具扫过的角度，形成泥膜厚度应该不超过刀具的进齿深度L = vXt。泥膜的形成是一个多参数制约的动态过程，这就使得开挖面的平衡成为了一个动态的趋于平衡的过程，即不平衡到相对平衡，再到不平衡的过程，也就是说不平衡是绝对的，平衡是相对的，关键在通过施工参数的控制及时补偿卸荷造成的应力损失。在这个过程中除了要考虑开挖地层本身的土力学性质与泥水仓压力外，还要考虑刀盘的角速度以及盾构掘进的速度等施工参数密不可分。对于一个多参数的动态过程，显然各个参数对于形成泥膜的作用不是相等的，因此找出形成泥膜的敏感性参数将更有利于施工中的控制和调整。虽然理论上泥膜形成厚度与时间的关系存在一个必然的函数关系，国外的一些学者也做了一些类似的试验模拟，考虑到在实际的试验过程中较难实现，但是可以通过地层中应力变化和孔隙水压力变化来间接的说明这个过程。本发明用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法是通过在室内进行模型试验，模拟泥水平衡盾构开挖面情况，分析在不同压力差及时间作用下，泥膜的形成过程以及泥膜的存在导致土体受力模式的变化。如图3所示，本发明建立试验参数与施工参数之间的关系如下一、利用土箱模拟开挖面情况，用土箱内的土体模拟实际开挖地层，土箱上部空间模拟泥水盾构泥水仓，通过空气压缩机对泥水加压模拟泥水盾构泥水仓压力；地层中埋设两个传感器，一个传感器是土压力计和另一个传感器是孔隙水压力计，测量试验过程中土压力和孔隙水压力的值；空气压缩机对泥水加压，泥浆渗入地层形成泥膜，通过土压力和孔隙水压力的变化间接反映泥膜形成的过程。根据泥水盾构的工作原理及试验原理中的抽象模型，将泥水仓压力等价为试验中的加载压力，刀盘转速反映到试验中即为加载时间，盾构掘进速度等同于加载稳定时间。如图4所示，本发明用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法使用以下元件上法兰盖板41、泥膜42、试验桶体43、隔板44、下法兰盖板45、第一球阀46、第二球阀47、溢流阀48、空气压缩机49、指针式压力表50、第一气路截止阀51、空气减压阀52、第二气路截止阀53、泥浆泵M。其中，上法兰盖板41、泥膜42、试验桶体43、隔板44、下法兰盖板45通过螺栓连接组成了试验装置的本体；第一球阀46、第二球阀47、泥浆泵M及相应的管路组成了进出泥水系统；空气压缩机49、指针式压力表50、第一气路截止阀51、空气减压阀52、第二气路截止阀53及相应的管路组成了进气加压系统；溢流阀48及相应的管路组成了排气减压系统。其中，空气减压阀52用于在进气加压过程中出现过载时进行自动卸压，溢流阀48用于在进气加压和加泥水过程中试验桶体43内部过载时进行自动卸压。隔板44本身为可过滤装置，处于试验桶体43内部，并与试验桶体43焊接；泥膜42处于试验桶体43内的上部。在操作运行时，先关闭第二球阀47，然后打开上法兰盖板41，向试验桶体43内、隔板44上部填充土体，当土体的高度达到试验桶体43的四分之三高度时，将上法兰盖板41 盖在试验桶体43上，并用螺栓拧紧，使其接缝处密封。开启第一球阀46，通过泥浆泵M向试验桶体43内注入事先拌制好的泥浆。待泥浆注入量达到规定值后，关闭第一球阀46，开启第一气路截止阀51和第二气路截止阀53，通过空气压缩机49向试验桶体43内注入空气，达到对泥浆加压的目的。在一定条件下，试验桶体43内部将会形成一层具有密封效果的泥膜42，阻止上部空气和下部土体的互通。通过变化空气压缩机的压力、泥浆配比、泥浆量、土体的性质等参数，从而研究高压下泥水盾构泥膜形成的机理。本发明用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法包括以下步骤步骤一从工地上取原状土，干燥后过筛去除土中的大颗粒，然后装入试验桶体 43。装土过程中要分层夯实，建议每隔10厘米夯实一次。待装土至布置土压力计和空隙水压力计的下表面高度时安装好土压力计、孔隙水压力计等各种量测元件。装土 50厘米后停止装土，并在试验土体的上表面夯实。夯实的原则是轻轻夯，反复夯实。切忌试验每层土体的上表面出现裂缝。夯土时，准备备用土，以备夯实时补土。步骤二 打开上法兰盖板41，将试验桶体43(用于模拟盾构机的泥水压力仓)内冲一定高度的水，使土体饱和。在向土仓中冲水时采用放射状撒水，以减少对土体的扰动。 刚开始撒水时流量不要太大，但要保持均勻。如果土体表面出现积水，静止一段时间待水消失后继续撒水，直至土体表面的积水没有变化，待水的高度高出土体表面约5厘米后停止加水。在撒水的过程中，第二球阀47处于打开状态，以释放流出的水。然后盖上上法兰盖板41，并确保上法兰盖板41和试验桶体43之间密封。步骤三待上法兰盖板41和试验桶体43之间密封后，通过空气压缩机49向试验桶体43上部压入空气，直至指针式压力表50的压力为试验的压力P。维持压力不变待埋置的孔隙水压力计显示为P，记录此时从第二球阀47排出的水量。步骤四在维持压力为P的条件下，将水排出。步骤五待水完全排出后，在维持指针式压力表50的压力不变的条件下，通过泥浆泵M向试验桶体43上部注入规定量的添加荧光材料后的泥水，在这个条件下，由于内外压力相等，泥水不会向土体内渗透，待泥水高度达到10厘米后，停止泥水的注入。标定土压力计、孔隙水压力计的初值。步骤六通过空气压缩机49向试验桶体43上部压入空气进行增压，进入数据记录阶段，同时记录从第二球阀47排出水量的变化量和泥水渗透的距离。步骤七待失水量稳定后(稳定的标准为液面无变化，或者前后的差值为小值) 再通过空气压缩机49向试验桶体43上部压入空气进行增压，重复上述过程至极限压力 (0. 8MPa)；步骤八待完成上述试验后，将试验桶体43水平放置，测量内部土压力计与空隙水压力计读数的变化，待数值稳定后，进行下一次试验。在试验过程中，土箱中土体是是没有初始应力的(不考虑试验土体由于重力而产生的应力)。在利用空气压缩机49进行加载时，根据气体的特性和连通管原理，认为施加在泥浆上的压力即为空气压缩机输出的压力，且空气压缩机49输出气压的变化会同步导致施加在泥浆上压力的变化。假设泥水盾构在实际的掘进过程中，假设泥水仓中压力不发生波动，那么以上分析，压力始终作用在泥浆上，对于土体的支护压力是通过形成的泥膜来传递的，所以，根据这个假设作用在泥浆上的压力是恒定而不发生变化的。另外，在实际的掘进过程中，对于不同的掘进深度，泥水仓的压力又随之进行调节以平衡地层压力。针对以上问题，可利用土箱试验模拟逐级加压和瞬时加压两个工况，逐级加压用来模拟泥水仓压力的变化，而瞬时加压则模拟泥水仓压力恒定不变的工况。逐级加压即通过空气压缩机49施加初压后，维持压力七分钟使泥膜形成充分，再通过空气压缩机49提高一定压力并维持一分钟，直至增加到试验结束压力；瞬时加压即初压施加完成后立刻卸压， 初压的施加模拟泥水盾构掘进过程中的支护压力，而卸压则模拟泥水盾构的开挖。本系统可分别完成 0. 3MPa 0. 8MPa、0. 5MPa 0. 8MPa、0. 7MPa 0. 8MPa 逐级加压以及 0. 4MPa、 0. 6MPa、0. 7MPa瞬时加压的试验。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其特征在于，该试验方法采用上法兰盖板、试验桶体、第二球阀、空气压缩机、指针式压力表和泥浆泵，该试验方法包括以下步骤步骤一从工地上取原状土，干燥后过筛去除土中的大颗粒，然后装入试验桶体，装土过程中要分层夯实；步骤二 打开上法兰盖板，将试验桶体内冲水，使土体饱和，冲水时采用放射状撒水，在撒水的过程中，第二球阀处于打开状态以释放流出的水，然后盖上上法兰盖板，并确保上法兰盖板和试验桶体之间密封；步骤三待上法兰盖板和试验桶体之间密封后，通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气，直至指针式压力表的压力为试验的压力； 步骤四在维持压力的条件下，将水排出；步骤五待水完全排出后，在维持指针式压力表的压力不变的条件下，通过泥浆泵向试验桶体上部注入添加荧光材料后的泥水，待泥水高度达到十厘米后，停止泥水的注入；步骤六通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压，进入数据记录阶段，同时记录从第二球阀排出水量的变化量和泥水渗透的距离；步骤七待失水量稳定后，再通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压，重复上述过程至极限压力；步骤八待完成上述试验后，将试验桶体水平放置。
2.如权利要求1所述的用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其特征在于，所述第二球阀、泥浆泵和一个第一球阀组成进出泥水系统。
3.如权利要求1所述的用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其特征在于，所述步骤八结束时，测量内部土压力计与空隙水压力计读数的变化，待数值稳定后，进行下一次试验。
全文摘要
本发明公开了一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其包括以下步骤从工地上取原状土，干燥后过筛去除土中的大颗粒，然后装入试验桶体；打开上法兰盖板，将试验桶体内冲水，冲水时采用放射状撒水，然后盖上上法兰盖板，并确保上法兰盖板和试验桶体之间密封；待上法兰盖板和试验桶体之间密封后，通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气；在维持压力的条件下，将水排出；通过泥浆泵向试验桶体上部注入添加荧光材料后的泥水；通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压；再通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气；待完成上述试验后，将试验桶体水平放置。本发明可以用于研究泥水盾构正面稳定力学机理和土体力学性质。
文档编号E21D9/06GK102191939SQ201010118198
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者孔祥鹏, 李毕华, 滕丽, 白云 申请人:上海城建(集团)公司, 上海盾构设计试验研究中心有限公司