一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置及方法与流程

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置及方法。

背景技术：

泥水盾构广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，在复杂地层条件下，盾构机掘进面临巨大的工程风险，容易造成开挖面坍塌、地表沉降和隆起，盾构在开挖过程中经常因为一些特殊情况不得不开舱施工，如更换刀具，为了能够安全的完成开舱作业，需要在开挖面上形成闭气性能良好的泥膜，能够承受开舱所需要的压力；目前，实验室关于泥膜闭气性能的研究较少，仅局限于漏气现象的观测和滤失量的测定，泥膜从闭气到漏气的临界时间点难以判定，试验现象的描述往往滞后于实际漏气的临界时间点；

目前已有判定泥膜漏气仅限于泥膜闭气过程中滤失量突然增大和观察气泡两种方法，且没有将漏气量考虑其中，如：张宁等在《泥水盾构带压开舱时泥膜性质对其闭气性的影响研究》文中实验以泥膜闭气过程中所测滤失量突然增大点为泥膜漏气点，此方法可以测定滤失量但对微小漏气量的测量尚有欠缺，因为当只有微小漏气量时，滤失量增长依旧缓慢，没有突然增大的点，所以对泥膜漏气时间测量只是一个粗略测量，测得漏气时间点存在滞后性，比实际泥膜漏气时间点要晚，且对漏气量无法测量；闵凡路等在《不同泥浆渗透模式下形成泥膜的闭气效果探讨》文中将出水管通向装满水的筒底中，以筒中液面上升进而出现连续的气泡为泥膜漏气时间点，其所用筒能够测量泥膜漏气初始漏气时间，但无法测定泥膜漏气快速增长的不同时间节点和泥膜闭气过程中的滤失量，且无法测量漏气量。

综上所述现有技术存在以下缺点：①以滤失量的突然增大为泥膜漏气的判定标准，忽视了在闭气过程中地层和泥膜微小孔隙中气体的排出量；②将排水管连通到水中，以水中连续冒气泡来判定泥膜漏气，没有测量漏气前透过泥膜的滤失量；③无法测定泥膜漏气量，不能实现泥膜滤失量和漏气量同步测定。

技术实现要素：

本发明提出了一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置及方法，其目的在于解决目前试验手段不能实现滤失量和漏气量同步测定的问题，通过引入细径管，根据细径管的入水口处是否有气泡冒出和水位液面变动快速直观判定泥膜是否漏气和初始漏气时间。

一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置，包括A筒1、B筒5、进水管10、排水管11、电子天平12以及上位机13；

所述A筒上部设置有细径管2，所述进水管10插入细径管2，所述排水管11连通A筒1和B筒5；

所述A筒1和B筒5分别放置在两个电子天平12的托盘上，电子天平与上位机相连；

所述A筒1和B筒5的内径相同，细径管2的内径为A筒1内径的

所述A筒1和B筒5外壁上均设置有刻度线7，且两者的高度相同。

进一步地，所述细径管2外壁标有刻度线的一侧设置有图像监控单元15，且图像监控单元15与所述上位机13相连。

进一步地，所述A筒1上的开口处分别设置有A孔密封盖3和B孔密封盖4，A孔密封盖3和B孔密封盖4均开设有通孔A孔和B孔，A孔内径与进水管10外径相同，B孔内径与排水管11外径相同。

进一步地，所述B筒5上的开口设置有防蒸发瓶盖6，防蒸发瓶盖6上设有C孔，排水管插入C孔，且排水管与C孔之间留有透气缝隙。

进一步地，所述排水管11的入水口端部位于A筒1底部以上1-2cm处，所述排水管11的出水口端部位于B筒5的开口处以下0.5-2cm处；

进水管10伸入细径管2中液面以下1-3cm处，细径管2中液面距离细径管2顶部1.5-3cm。

进一步地，所述B孔密封盖4带有螺纹，旋拧在A筒1上，A孔密封盖3带有螺纹，旋拧在细径管2上。

进一步地，所述细径管2内径为7-9mm；进水管10外径为4.5-5mm，内径为3-4mm；A筒1内径为6-8cm；B筒2内径为6-8cm；

细径管2的长度为15-22cm，A筒和B筒的整体高度均为60-80cm。

一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的方法，采用上述的可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置与泥膜闭气装置连接，具体步骤如下：

(1)在排水管11中充满水，在A筒1中装入水，A筒中初始液面距离细径管2顶部3cm，进水管10插入细径管2中液面以下1cm处，排水管11出水口端插入B筒5的C孔且不接触C孔，出水口端部位于B筒5的顶部以下1cm处；

排水管11出水口的空气压力等于细径管2中空气压力，初始空气压力为1个标准大气压力P_air；

(2)当液体或气体从进水管10流入到A筒1的细径管2中，细径管2中空气体积被压缩，气压值增长为P₁驱动A筒1中水流向B筒5，当细径管2中气压P₁降至P_air，水流停止流动；

(3)当水流停止流动后，分3种情况确定滤失量m_w和漏气量Q_a：

若仅有气体从进水管10进入，滤失量m_w为0；漏气量Q_a为B筒5所增加的水的体积或从A筒1的细径管壁面刻度7读取液面上升值对应的水的体积；

若仅有液体从进水管10进入，滤失量m_w为B筒5的质量变化值，漏气量Q_a为0；

当有气体和液体从进水管10进入A筒1时，滤失量m_w为B筒5质量增加量与A筒1质量减少量绝对值之差，A筒11和B筒5质量的变化量由电子天平获得；细径管2中液面变化被图像监控单元15记录下来；

漏气量Q_a为从A筒1的细径管壁面刻度7读取液面上升值对应的水的体积。

进一步地，根据图像监控单元15所记录的细径管2中水位液面快速变动时间点直观判定泥膜是否漏气，确定泥膜漏气的初始时间。

进一步地，滤失量m_w增长曲线发生突变的拐点为快速上升阶段的起点，对应的时间为泥膜漏气的初始时间。

有益效果

本发明提供了一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置及方法，该装置包括A筒1、B筒5、进水管10、排水管11、电子天平12以及上位机13；所述A筒上部设置有细径管2，所述进水管10插入细径管2，所述排水管11连通A筒1和B筒5；所述A筒1和B筒5分别放置在两个电子天平12的托盘上，电子天平与上位机相连；该装置通过设置的细径管，观察细径管中的入水口处是否有气泡冒出和水位液面变动快速直观判定泥膜是否漏气和初始漏气时间，根据试验数据准确确定泥膜开始漏气的时间和漏气量增长的不同时间节点，可以同时追踪滤失量和漏气量随时间的变化规律，能够测量微小的漏气量和滤失量并在电脑上以曲线形式显示出来为泥膜闭气性提供了一种有效的检测方法；

本发明的优点如下：

1)可有效解决目前试验手段无法测定泥膜漏气量，不能实现滤失量和漏气量同步测定的问题；

2)可以根据细径管中的入水口处是否有气泡冒出和水位液面变动快速直观判定泥膜是否漏气和初始漏气时间；

3)可以根据试验测定数据准确确定泥膜初始漏气、漏气快速增长的不同时间节点，能为泥膜闭气性提供一种有效的检测方法；

4)可以同步追踪滤失量和漏气量随时间的变化规律，能够测量微小的漏气量和滤失量，可在电脑上以曲线形式显示出来。

附图说明

图1为本发明所述的装置结构示意图；

图2为泥膜闭气试验装置和本发明所述装置的组装示意图；

图3为漏气量Qa曲线图；

图4为滤失量m_w曲线图；

标号说明：A筒1，细径管2，A孔密封盖3，B孔密封盖4，B筒5，防蒸发瓶盖6，刻度线7，水8，气体9，进水管10，排水管11，电子天平12，上位机13，RS232串口连接线14，摄像机15；阀门16，地层17，有机玻璃筒18，泥膜19，调压阀20，阀门21，气压泵22。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置，包括A筒1、B筒5、进水管10、排水管11、电子天平12以及上位机13；

所述A筒上部设置有细径管2，所述进水管10插入细径管2，所述排水管11连通A筒1和B筒5；

所述A筒1和B筒5分别放置在电子天平12的两端，电子天平与上位机相连；

所述A筒1和B筒5的内径相同，细径管2的内径为A筒1内径的

所述A筒1和B筒5外壁上均设置有刻度线7，且两者的高度相同。

所述细径管2外壁标有刻度线的一侧设置有摄像机15，且摄像机15与所述上位机13相连。

所述A筒1上的开口处分别设置有A孔密封盖3和B孔密封盖4，A孔密封盖3和B孔密封盖4均开设有通孔A孔和B孔，A孔内径与进水管10外径相同，B孔内径与排水管11外径相同。

所述B筒5上的开口设置有防蒸发瓶盖6，防蒸发瓶盖6上设有C孔，排水管插入C孔，且排水管与C孔之间留有透气缝隙。

所述排水管11的入水口端部位于A筒1底部以上1-2cm处，所述排水管11的出水口端部位于B筒5的开口处以下0.5-2cm处；

进水管10伸入细径管2中液面以下1-3cm处，细径管2中液面距离细径管2顶部1.5-3cm。

所述B孔密封盖4带有螺纹，旋拧在A筒1上，A孔密封盖3带有螺纹，旋拧在细径管2上。

所述细径管2内径为7-9mm；进水管10外径为4.5-5mm，内径为3-4mm；A筒1内径为6-8cm；B筒2内径为6-8cm；

细径管2的长度为15-22cm，A筒和B筒的整体高度均为60-80cm。

一种可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的方法，采用上述的可同步测量泥膜闭气过程中滤失量和漏气量的装置与泥膜闭气装置连接，如图2所示，具体步骤如下：

a)进行泥膜闭气装置的组装，气压泵22提供气压，阀门21是气压泵22的开关，调压阀20能够调节气压值，精度为1kPa，泥膜19，有机玻璃筒18水平放置，地层17，阀门16是有机玻璃筒18的底部阀门；

b)实验前准备，在排水管11中充满水8，在A筒1中装入水8，水8初始液面距离A筒1的细径管2顶部3cm，进水管10插入细径管2中液面以下1cm处，A筒1、B筒5分别放置于一个电子天平12的两端，排水管11入水口端插入A筒1密封盖4上的B孔，入水口端部位于A筒1底部以上2cm处，排水管11出水口端插入B筒5的C孔，出水口端部位于B筒5中顶部以下1cm处且与C孔无接触；B筒5不装入水；摄像机15对准刻度7且和细径管2中液面高度持平；电子天平12和上位机13通过RS232串口连接线14连接，阀门15与A孔密封盖3上A孔通过进水管10相连，上位机记录天平12数值。

c)实验过程：

①先进行泥浆渗透成膜，将有机玻璃筒18垂直放置，填装地层17，注入泥浆，打开阀门21，调压阀20压力缓慢调至0.2MPa，此时p₀为0.2MPa，待泥膜形成后关闭阀门16，水平放置有机玻璃筒18，此时气压p₀直接接触泥膜；

②连接进水管10和阀门16，打开上位机13上的记录软件，打开摄像机15，通过A筒1壁面刻度7记录水高度，打开阀门16，泥膜19闭气过程中因压缩挤出的滤失量m_w会通过管10进入到A筒1中。

③当泥膜19破坏时会产生透气孔，气体便会进入到地层17中而后进入到A筒1中，上位机13记录天平12的质量变化，摄像机15记录细径管2中液面变化。

当液体或气体从进水管10流入到A筒1的细径管2中，细径管2中空气体积被压缩，气压值增长，变为P₁，此时P₁>P＝排水管11出水口的空气压力，驱动A筒1中水8流向B筒5，P₁开始减小，当P₁降至P_air，水流停止流动；(3)步骤(2)中水流停止流动后，分3种情况确定滤失量m_w和漏气量Q_a，即从进水管10进入A筒1的流体分别为仅有气体、仅有液体和同时有液体和气体3种情况；若仅有气体从进水管10进入，滤失量m_w为0，漏气量Q_a与从A筒1的液体排出到B筒5的体积相等或从A筒1壁面刻度7读取液面下降值，即为漏气量Q_a；若仅有液体从进水管10进入，A筒1质量不变，B筒5质量变化即为滤失量m_w值；当有气体和液体从进水管10进入A筒1时，A筒1中气体11体积增加量等于漏气量Q_a，B筒5质量增加量为滤失量m_w和A筒1中水8质量减少量绝对值之和，A筒1和B筒5质量的变化都会被电脑记录下来；细径管2中液面变化被摄像机15记录下来；滤失量m_w和漏气量Q_a的具体计算方法如下：

1)进入A筒1的流体仅有气体情况

A筒1质量变化绝对值Δm₁，B筒5质量变化绝对值Δm₂，Δm₂＝Δm₁。漏气量Q_a通过2种方法确定，即通过A筒1壁面刻度7读数变化确定，和通过电子天平12测定的质量数据计算确定，Q_a＝Δm₁/ρ_f＝Δm₂/ρ_f；此时，滤失量m_w为0；

2)进入A筒1的流体仅有液体情况

A筒1内水8体积不变、天平读数不变，即Δm₁＝0，滤失量m_w＝Δm₂，进液体积Q_w＝Δm₂/ρ_f；此时，漏气量Q_a为0；

3)进入A筒1的流体同时有气体和液体情况

漏气量Q_a可通过2种方法确定，即通过A筒1壁面刻度7读数变化确定，和通过电子天平12测定的质量数据计算确定，Q_a＝Δm₁/ρ_f，漏气量Q_a等于A筒1内水8体积减少量，Q_a＝ΔV；A筒1质量减少量为|Δm₁|，B筒5质量增加量为Δm₂，滤失量m_w＝|Δm₂|-|Δm₁|。

漏气时间判别

(1)现象初步粗略判别

细径管2直径较小，微量的气体进入可以使细径管中的液面下降，可以根据摄像机15所记录的细径管2中水位液面变动快速直观判定泥膜是否漏气，确定泥膜漏气的初始时间。

(2)数据后处理精确判别

泥膜漏气是一个剧烈的过程，所以在滤失量m_w增长曲线会由原来的平缓阶段突变为快速上升阶段，发生突变的拐点即快速上升阶段的起点对应的时间即为泥膜漏气时间点；

根据漏气和滤失同步发展的不同阶段，快速上升阶段可能出现从漏气量Q_a从低速到高速直至稳定的变化，滤失量m_w初始随着漏气量Q_a增加而增加，经过一定时间，地层中液体完全流出，滤失量m_w降至0。

图3为漏气量Q_a曲线图，第一阶段泥膜闭气性良好，漏气量Q_a为0；第二阶段泥膜已破坏漏气，t₁为泥膜开始漏气时间，此时漏气速率呈增长趋势，曲线斜率增大；t₂时候为泥膜漏气速率达到最大值，漏气速率恒定，漏气量Q_a增长曲线为斜率一定的直线。

图4为滤失量m_w曲线图，第一阶段泥膜闭气性良好，t₀为泥膜压缩点，此时滤失量m_w增长为泥膜被压缩排出的滤液；t₁和t₂与图3得时间点对应相同，第二阶段滤失量m_w随着漏气量Q_a增大排出速度逐渐增大，随着地层中液体逐渐排出，滤失量m_w增长速度降低；第三阶段，地层中液体排完，滤失量m_w不再增长。

本发明装置中的细径管不仅能够准确测量泥膜闭气过程中的微小漏气量和滤失量，还能根据后期数据处理和摄像机记录的画面准确确定泥膜漏气时间点。

以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。