模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法
【专利摘要】本发明公开一种模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，包括以下步骤：首先转动转轴，调节刀盘开口率为0，使有机玻璃直角圆筒封闭；然后，在有机玻璃模型箱中装入利用透明土制备的模拟地层，并从下向上饱和地层；接着，在有机玻璃直角圆筒中注入试验泥浆，密封直角圆筒；最后，打开气压源，转动转轴，调节刀盘开口率为某一值（0%?50%），进行渗透实验。此种泥浆渗透的可视化方法，可以实时观测泥浆在地层中的渗透形态，并精确观测到泥膜的形成类型及各方向渗透距离。
【专利说明】
模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种对泥水盾构掘进过程中压力舱内泥浆向地层渗透过程的可视化的测试方法。该方法能实现可视化地层条件、不同泥浆压力和不同刀盘开口率条件下泥浆渗透过程的模拟，并直观观测泥浆在各个方向的渗透形态。该发明属于地下工程领域。
【背景技术】
[0002]近年来，泥水盾构法以其优越的开挖面控制模式在我国城市过江地铁和越江海隧道的建设中被广泛地采用。在泥水盾构向前掘进过程中，压力舱内的泥浆向地层渗透以平衡地层中水土压力，保持开挖面稳定。同时，由于地质条件复杂多变，盾构机出现刀盘刀具磨损严重、刀盘结饼、刀具与地层不匹配需要更换等情况，而不得不停机进行开舱清理或维修等作业，需要向开挖面注入泥浆形成泥膜保持维修空间稳定，如南京长江隧道工程在江底粉细砂、砾砂地层中进行的维修性带压开舱。不管是正常掘进过程中，还是在带压开舱检修时，都难以观测到泥浆在地层中渗透形成泥膜的情况，更加难以判断开挖面的稳定性和施工方案是否合理。
[0003]随着透明土合成技术的发展及透明土三轴试验等物性实验的开展，证明了透明土应用于实验研究的可能性，目前已逐步应用于盾构隧道研究，已有实验采用透明土研究盾构开挖引起的周围土体内部变形规律、盾构隧道壁后同步注浆模型等。
[0004]本发明设计了一种用透明土模拟地层，以实现泥浆在不同刀盘开口率条件下向地层中渗透的可视化的观测方法。该方法可直观简便地观测到不同刀盘开口率条件下泥浆在地层各方向渗透形态，对泥水盾构施工和泥浆配制具有指导意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化方法，能研究泥浆在不同刀盘开口率条件下各个方向的渗透形态。
[0006]本发明的技术方案如下:
模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，
所述测试方法采用的可视化装置包括有机玻璃箱、有机玻璃直角圆筒和用于施加压力的气压源;所述有机玻璃箱的底部放置有用于模拟工程地层的中粗粒径透明土，在机玻璃箱的上部设置有泥浆溢流槽，在机玻璃箱的下部设置有注水口，有机玻璃箱的箱体上设有用于量测透明土地层厚度的箱体刻度尺;所述有机玻璃直角圆筒包括用于模拟泥水盾构刀盘向地层注入泥浆的水平玻璃管和用于控制泥浆量和施加气压的竖直玻璃管;有机玻璃圆筒的顶部通过可拆卸的法兰盘进行密封，竖直玻璃管上设有刻度尺，竖直玻璃管的顶部侧壁与气压源相连接，其底部侧壁设置有排泥阀；
所述测试方法包括以下步骤:
步骤一，调节模型刀盘开口率:转动转轴，调节模型刀盘开口率为O，将有机玻璃箱和有机玻璃直角圆筒之间进行分隔，用于分隔试验地层和泥浆； 步骤二，制备地层:采用透明土模拟中粗砂试验地层;用分层击实的方法向有机玻璃箱中装入透明土并形成实验地层，然后通过箱体下部的注水口自下往上均匀缓慢地注入溴化钙溶液来饱和试验地层，用于防止饱和过程中地层隆起或砂沸；
步骤三，形成渗透带:关闭排泥阀和稳压阀，从有机玻璃直角圆筒的顶端注入试验泥浆，泥浆液位位于有机玻璃直角圆筒上部的进气管的下方，通过法兰盘将有机玻璃直角圆筒的顶端进行密封;打开气压源，调节气压源气压，将有机玻璃直角圆筒上部气压值调节至预定值，预定值为有机玻璃箱中的土水压力值；然后，转动转轴，调节模型刀盘开口率至20%，泥浆开始渗入试验地层并形成渗透带;观察渗透全过程，待形成完整渗透带，溢流槽处溴化钙溶液稳定的流出或者不流出时，关闭气压源，渗透结束，观测泥浆在试验地层中各个方向的渗透距离和渗透带形式；
步骤四，对照实验:重复两次上述步骤一、二、三，分别调节步骤三中模型刀盘的开口率为30%和40%，通过三组对比实验，观测在不同的模型刀盘开口率条件下各方向渗透带形态。
[0007]进一步地，步骤一中，所述泥水盾构模型刀盘由两片内外紧贴的圆形挡土片组成，外侧挡土片固定在水平玻璃管的前端上，所述外侧挡土片上每间隔30°开设一转角为30°的扇形开口 ；内测挡土片通过转轴与外侧挡土片同轴连接，并固定在转轴上，所述内侧挡土片上每间隔32°开设一转角为28°的扇形开口。
[0008]进一步地，步骤二中，所述试验地层高度不低于25cm，并位于泥浆溢流槽位置下方。
[0009]进一步地，步骤三中，所述泥浆为实际施工工程中拟使用的泥浆，且用量不超过有机玻璃直角圆筒上端的气压源进气口。
[0010]进一步地，步骤三中，所述有机玻璃箱中渗透排出的溴化钙溶液由溢流槽流出。
[0011]进一步地，步骤四中，三组实验应控制试验地层高度、泥浆高度和预定气压值保持相同。本发明的技术效果:
本发明能观察泥水盾构掘进过程和带压开舱条件下泥浆在地层中各个方向的渗透全过程，通过改变刀盘开口率研究泥浆渗透规律，从而确定泥浆的用量，指导盾构施工。
[0012]
说明书附图:
图1:本发明所用的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化试验装置示意图；
图2:本发明所用泥水盾构模型刀盘外侧挡土片示意图；
图3:本发明所用泥水盾构模型刀盘内侧挡土片示意图；
其中:1、有机玻璃箱;2、溢流槽;3、有机玻璃直角圆筒;4、法兰盘;5、模型刀盘;6、排泥阀；7、气压源;8、转轴;9、刻度尺;1、箱体刻度尺;11、稳压阀；12、注水口。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0016]本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。
[0017]本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0018]如图1所示，本发明测试方法采用的可视化装置包括有机玻璃箱1、有机玻璃直角圆筒3和用于施加压力的气压源7;有机玻璃箱I的底部放置有用于模拟工程地层的中粗粒径透明土，在机玻璃箱的上部设置有泥浆溢流槽2，在机玻璃箱的下部设置有注水口 12，有机玻璃箱I的箱体上设有用于量测透明土地层厚度的箱体刻度尺10;有机玻璃直角圆筒3包括用于模拟泥水盾构刀盘向地层注入泥浆的水平玻璃管和用于控制泥浆量和施加气压的竖直玻璃管;有机玻璃圆筒的顶部通过可拆卸的法兰盘4进行密封，竖直玻璃管上设有刻度尺9，竖直玻璃管的顶部侧壁与气压源7相连接，其底部侧壁设置有排泥阀6;
本发明的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的装置的测试方法，首先调节刀盘开口率为O，使有机玻璃直角圆筒封闭，然后在有机玻璃模型箱中装入利用透明土制备的模拟地层并饱和，在有机玻璃直角圆筒中注入试验泥浆，最后打开气压源，转动转轴，在不同刀盘开口率下进行渗透实验，此种泥浆渗透的可视化方法，可以实时观测泥浆在地层中的渗透形态，并精确观测到泥膜的形成类型及各方向渗透距离。
[0019]上述一种研究泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化方法，具体而言包括以下步骤:
a、调节刀盘开口率:首先转动转轴，调节刀盘开口率为O，使两片刀盘将有机玻璃箱及有机玻璃直角圆筒分隔开，防止装入实验材料时，试验地层与泥浆二者互相掺杂。
[0020]b、制备地层:利用透明土模拟自然砂土，制备满足级配要求的中粗砂试验地层。再用分层击实的方法装入试验土，用刻度尺控制透明土用量，然后通过注水口从下往上注溴化钙溶液饱和地层，饱和过程中，应防止地层隆起或砂沸。
[0021]C、形成渗透带:关闭排泥口及稳压阀门，注入试验泥浆，用刻度尺控制泥浆用量，采用法兰盘将装置密封。转动转轴，调节刀盘开口率20%，打开气压源阀门，调节气压至预定值，泥浆开始渗入试验透明土土层并形成渗透带，观察渗透全过程，一定时间后关闭气压源阀门，渗透结束，打开排泥阀，排出多余泥浆，观测各方向渗透距离及渗透带形式。
[0022]d、对照实验:重复两次上述步骤a、b、c，分别调节步骤c中刀盘开口率为30%、40%，通过三组对比实验，观测在不同刀盘开口率条件下各方向渗透带形态，总结规律。
[0023]步骤a中，所述模型刀盘由两片紧贴圆形挡土片组成，外侧挡土片固定，每隔30°具有转角为30°的扇形开口；内测挡土片通过转轴与外侧挡土片相连，每隔32°具有转角为28°的扇形开口，转动转轴可以调节开口率，开口率范围0%-50%。
[0024]步骤b中，所述透明土地层高度不低于25cm且位于排水口以下，试验时可制备不同级配的透明土土层，研究渗透规律。
[0025]步骤c中，所述的泥浆为实际施工工程中拟使用的泥浆，且用量不得超过气压源进气口。
[0026]步骤c中，所述有机玻璃箱中由渗透排出的溴化钙溶液由溢流槽流出。
[0027]步骤d中，三组实验应控制试验地层高度、泥浆高度、预定气压值等除刀盘开口率以外的各基本量相同，以便观察刀盘开口率对各方向渗透带形态的影响。
[0028]以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于， 所述测试方法采用的可视化装置包括有机玻璃箱、有机玻璃直角圆筒和用于施加压力的气压源;所述有机玻璃箱的底部放置有用于模拟工程地层的中粗粒径透明土，在机玻璃箱的上部设置有泥浆溢流槽，在机玻璃箱的下部设置有注水口，有机玻璃箱的箱体上设有用于量测透明土地层厚度的箱体刻度尺;所述有机玻璃直角圆筒包括用于模拟泥水盾构刀盘向地层注入泥浆的水平玻璃管和用于控制泥浆量和施加气压的竖直玻璃管;有机玻璃圆筒的顶部通过可拆卸的法兰盘进行密封，竖直玻璃管上设有刻度尺，竖直玻璃管的顶部侧壁与气压源相连接，其底部侧壁设置有排泥阀； 所述测试方法包括以下步骤: 步骤一，调节模型刀盘开口率:转动转轴，调节模型刀盘开口率为O，将有机玻璃箱和有机玻璃直角圆筒之间进行分隔，用于分隔试验地层和泥浆； 步骤二，制备地层:采用透明土模拟中粗砂试验地层；用分层击实的方法向有机玻璃箱中装入透明土并形成实验地层，然后通过箱体下部的注水口自下往上均匀缓慢地注入溴化钙溶液来饱和试验地层，用于防止饱和过程中地层隆起或砂沸； 步骤三，形成渗透带:关闭排泥阀和稳压阀，从有机玻璃直角圆筒的顶端注入试验泥浆，泥浆液位位于有机玻璃直角圆筒上部的进气管的下方，通过法兰盘将有机玻璃直角圆筒的顶端进行密封;打开气压源，调节气压源气压，将有机玻璃直角圆筒上部气压值调节至预定值，预定值为有机玻璃箱中的土水压力值；然后，转动转轴，调节模型刀盘开口率至20%，泥浆开始渗入试验地层并形成渗透带;观察渗透全过程，待形成完整渗透带，溢流槽处溴化钙溶液稳定的流出或者不流出时，关闭气压源，渗透结束，观测泥浆在试验地层中各个方向的渗透距离和渗透带形式； 步骤四，对照实验:重复两次上述步骤一、二、三，分别调节步骤三中模型刀盘的开口率为30%和40%，通过三组对比实验，观测在不同的模型刀盘开口率条件下各方向渗透带形态。2.根据权利要求1所述的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于，步骤一中，所述泥水盾构模型刀盘由两片内外紧贴的圆形挡土片组成，外侧挡土片固定在水平玻璃管的前端上，所述外侧挡土片上每间隔30°开设一转角为30°的扇形开口 ；内测挡土片通过转轴与外侧挡土片同轴连接，并固定在转轴上，所述内侧挡土片上每间隔32°开设一转角为28°的扇形开口。3.根据权利要求1所述的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于，步骤二中，所述试验地层高度不低于25cm，并位于泥浆溢流槽位置下方。4.根据权利要求1所述的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于，步骤三中，所述泥浆为实际施工工程中拟使用的泥浆，且用量不超过有机玻璃直角圆筒上端的气压源进气口。5.根据权利要求1所述的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于，步骤三中，所述有机玻璃箱中渗透排出的溴化钙溶液由溢流槽流出。6.根据权利要求6所述的模拟泥水盾构泥浆在地层中渗透的可视化的测试方法，其特征在于，步骤四中，三组实验应控制试验地层高度、泥浆高度和预定气压值保持相同。
【文档编号】E21D9/06GK105863624SQ201610223266
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】杜佳芮, 闵凡路, 王媛, 徐静波
【申请人】河海大学