一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置及测试方法与流程

本发明属于盾构隧道泥水压力测试技术领域，尤其涉及一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置，还涉及一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试方法。适用于泥水盾构隧道掌子面所施加的泥水压力室内实验测试。

背景技术：

近年来随着城市地下交通隧道、越江跨海隧道的快速发展，盾构机因其施工安全性能好、速度快、扰动小以及经济效益高等优点得到了广泛的应用。在盾构隧道施工过程中掌子面的稳定性对隧道的安全高效施工以及地表沉降的有效控制具有重要的影响，而在泥水盾构施工中，掌子面的水土压力主要是依靠所施加的泥水压力来平衡，进而保障掌子面的稳定。在施工过程中由于掌子面施工的复杂性，因此无法直接对掌子面处的泥水压力进行监测，目前对掌子面所施加的泥水压力主要是依靠作业技术人员的经验来判断控制，而在相关研究中简单的认为泥水仓内的压力与掌子面处的泥水压力分布形式和大小相同，显然此种做法存在不合理之处。由于掌子面与泥水仓之间间隔一个刀盘且刀盘上设置有开口，二者之间的泥水压力存在一定关联性，而泥水仓内的泥水压力在施工中比较容易测出，因此可以通过测定泥水仓内的压力值，进行反演分析得出掌子面处的泥水压力值，进而可以对掌子面稳定进行有效控制。现有的相关文献如“土压平衡盾构机密封舱压力控制机理模型及实验研究”一文中阐述了土压仓内的土压力与掌子面的处的土压力具有一定的映射关联，然而数值模拟方法无法模拟盾构掘进时掌子面与土压仓内的土压力存在和分布的真实状态，通过数值模拟分析得出结论具有一定的局限性，需要通过相应的实验方法进行论证方可有效合理的利用，除此之外土体与泥水的力传递形式具有一定的区别。因此研究一种能够真实有效的反映盾构掘进中掌子面和泥水仓内泥水流动赋存状态的实验装置尤为重要，通过实验确定掌子面水压力与泥水仓泥水压力之间的映射关系，依据泥水仓泥水压力的监测结果预测掌子面处的水压力，对掌子面的稳定性控制具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置，还提供一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试方法。通过设定不同的实验条件测试出掌子面内和泥水仓内相应位置泥水压力值，通过相关性分析得出掌子面泥水压力与泥水仓泥水压力值之间的映射函数关系式，通过监测泥水仓泥水压力值可以更好预测掌子面处泥水压力值，为掌子面的支护压力的动态控制提供有力的理论支撑，保障施工安全高效的进行。

一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置，包括土箱，还包括可移动金属外壳，土箱的侧壁开设有土箱连通孔，可移动金属外壳的侧壁开设有外壳连通孔，圆筒状的泥水仓通过支撑台横向水平设置在可移动金属外壳内，泥水仓一端设置有开口控制件且穿出外壳连通孔与土箱连通孔无缝连接，泥水仓另一端密封，泥水仓顶部通过泥水进管与缓冲箱连接，泥水仓底部通过泥水出管与泥水泵连接，泥水泵通过泥水连接管与缓冲箱连接，泥水仓内泥水经过的路径上从上至下垂直设置有若干个泥水压力计，土箱的内壁位于土箱连通孔的部分罩设有钢筋网，钢筋网上从上至下设置有若干个与泥水压力计一一高度对应的孔隙水压力计，孔隙水压力计与孔隙水压力存储器连接，泥水压力计与泥水压力存储器连接，泥水进管上设置有阀门。

如上所述的开口控制件包括连接轴、第一挡片和第二挡片，第一挡片和第二挡片上均开设有流通口，第一挡片和第二挡片均套设在连接轴上并均可以连接轴为中心周向旋转，第一挡片和第二挡片贴合设置。

如上所述的土箱与可移动金属外壳之间通过法兰连接。

一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将土箱和可移动金属外壳分离开来，通过开口控制件控制泥水仓与土箱连通孔连通的开口的开口率为实验设定开口率；

步骤2、再土箱和可移动金属外壳安装在一起，并使得土箱连通孔和泥水仓连通；

步骤3、取下孔隙水压力存储器和土箱的顶板，向土箱内装入实验所用土体并将土体夯实压密达到实验要求，安装上土箱的顶板并将孔隙水压力存储器放置在土箱顶板上；

步骤4、向缓冲箱内加入实验要求的泥水浆液，直至缓冲箱内泥水浆液面达到设定位置并保持稳定不变；

步骤5、打开泥水泵并设置泥水泵的流量，打开阀门，待泥水浆液流动稳定时，打开孔隙水压力存储器和泥水压力存储器，读取并记录孔隙水压力数据和泥水压力数据；

步骤6、关闭泥水泵和阀门，将步骤5中获得高度位置对应的泥水压力计和孔隙水压力计测得的孔隙水压力数据和泥水压力数据进行拟合，得出在实验设定的开口率条件下孔隙水压力与泥水仓内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B，其中P_n为当前开口率条件下的泥水仓12内泥水压力变量，P_m为当前开口率条件下的孔隙水压力变量，A和B均为在实验设定的开口率条件下映射关系函数的常量系数；

步骤7、打开泥水泵排干泥水仓内的泥水，调整开口率到下一个实验设定的开口率，重复步骤1~6，测试在不同开口率条件下孔隙水压力与泥水仓内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B；

步骤8、将不同开口率与对应的开口率条件下的A进行拟合，获得以开口率为自变量的函数A’，将不同开口率与对应开口率条件下的B进行拟合，获得以开口率为自变量的函数B’，获得有关开口率影响下的孔隙水压力（掌子面泥水压力）与泥水仓内泥水压力的数学表达式P_m=A’×P_n-B’ 。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

模拟的水泥浆液流动状态更加接近实际情况，因此通过对水泥仓内水压力和掌子面处泥水压力进行监测得出的数据更加真实有效，通过对监测得到的两组数据进行拟合分析，可以得到水泥仓内水压力和掌子面处泥水压力的映射关系，本装置内的固定挡板上设置有开口控制件，可以改变固定挡板上缝隙的大小，研究刀盘开口率对掌子面泥水压力和泥水仓泥水压力的影响，可以为动态调控泥水仓内泥水压力并保障掌子面的稳定性提供有力的理论依据；此外本发明还具有操作方便、成本低、可靠性强等优点，具有较强的推广使用价值。

附图说明

图1是泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置示意图；

图2是固定挡板的平面示意图；

图3是改变开口率后的固定挡板平面示意图；

图4是泥水仓泥水压力与掌子面孔隙水压力拟合关系示意图。

图中：1-孔隙水压力存储器，2-泥水压力存储器，3-缓冲箱，401-泥水进管，402-泥水出管，403-泥水连接管，5-泥水泵，6-开口控制件，7-土箱，8-钢筋网，9-孔隙水压力计，10-开口控制件，11-支撑台，12-泥水仓，13-泥水压力计，14-可移动金属外壳，15-阀门，16-土箱连通孔，17-外壳连通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

实施例1

如图1所示，一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置，包括土箱7，还包括可移动金属外壳14，土箱7的侧壁开设有土箱连通孔16，可移动金属外壳14的侧壁开设有外壳连通孔17，圆筒状的泥水仓12通过支撑台11横向水平设置在可移动金属外壳14内，泥水仓12一端设置有开口控制件10且穿出外壳连通孔17与土箱连通孔16无缝连接，泥水仓12另一端密封，泥水仓12顶部通过泥水进管401与缓冲箱3连接，泥水仓12底部通过泥水出管402与泥水泵5连接，泥水泵5通过泥水连接管403与缓冲箱3连接，泥水仓12内泥水经过的路径上从上至下垂直设置有若干个泥水压力计13，土箱7的内壁位于土箱连通孔16的部分罩设有钢筋网8，钢筋网8上从上至下设置有若干个与泥水压力计13一一高度对应的孔隙水压力计9，孔隙水压力计9与孔隙水压力存储器1连接，泥水压力计13与泥水压力存储器2连接，泥水进管401上设置有阀门15。

开口控制件10包括连接轴、第一挡片和第二挡片，第一挡片和第二挡片上均开设有流通口，第一挡片和第二挡片均套设在连接轴上并均可以连接轴为中心周向旋转，第一挡片和第二挡片贴合设置。

土箱7与可移动金属外壳14之间通过法兰连接。

土箱7的顶板位可拆卸顶板，孔隙水压力存储器1放置在土箱7的顶板上。

泥水仓12的轴线、土箱连通孔16的轴线、外壳连通孔17的轴线共线。

实施例2：

利用实施例1所述的一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置进行一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试方法，包括以下步骤

步骤1、将土箱7和可移动金属外壳14分离开来，通过开口控制件10控制泥水仓12与土箱连通孔16连通的开口的开口率为实验设定开口率；

步骤2、再土箱7和可移动金属外壳14安装在一起，并使得土箱连通孔16和泥水仓12连通；

步骤3、取下孔隙水压力存储器1和土箱7的顶板，向土箱7内装入实验所用土体并将土体夯实压密达到实验要求，安装上土箱7的顶板并将孔隙水压力存储器1放置在土箱7顶板上；

步骤4、向缓冲箱3内加入实验要求的泥水浆液，直至缓冲箱3内泥水浆液面达到设定位置并保持稳定不变；

步骤5、打开泥水泵5并设置泥水泵5的流量，打开阀门15，待泥水浆液流动稳定时，打开孔隙水压力存储器1和泥水压力存储器2，读取并记录孔隙水压力数据和泥水压力数据；

步骤6、关闭泥水泵5和阀门15，将步骤5中获得各个高度位置对应的泥水压力计13和孔隙水压力计9测得的孔隙水压力数据和泥水压力数据进行拟合，得出在实验设定的开口率条件下孔隙水压力（掌子面泥水压力）与泥水仓12内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B，其中P_n为当前开口率条件下的泥水仓12内泥水压力变量，P_m为当前开口率条件下的孔隙水压力变量（掌子面泥水压力变量），A和B均为在实验设定的开口率条件下拟合出的映射关系函数的常量系数；

步骤7、打开泥水泵5排干泥水仓12内的泥水，调整开口率到下一个实验设定的开口率，重复步骤1~6，测试在不同开口率条件下孔隙水压力与泥水仓12内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B；

步骤8、将不同开口率与对应的开口率条件下的A进行拟合，获得以开口率为自变量的函数A’，将不同开口率与对应开口率条件下的B进行拟合，获得以开口率为自变量的函数B’，拟合要求相关系数R²不低于0.9，获得有关开口率影响下的孔隙水压力（掌子面泥水压力）与泥水仓12内泥水压力的数学表达式P_m=A’×P_n-B’ 。

实施例3：

以某隧道施工过程中揭露的砂土地层为实验土样，利用实施例1所述的一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试装置进行一种泥水盾构掌子面泥水压力实验测试方法，包括以下步骤

步骤1、将土箱7和可移动金属外壳14分离开来，通过开口控制件10控制泥水仓12与土箱连通孔16连通的开口的开口率为22.2%开口率；

步骤2、再土箱7和可移动金属外壳14安装在一起，并使得土箱连通孔16和泥水仓12连通；

步骤3、取下孔隙水压力存储器1和土箱7的顶板，向土箱7内装入含水率为12%的砂土试样并将砂土试样分层夯实压密至密度达到2.6g/cm³，安装上土箱7的顶板并将孔隙水压力存储器1在土箱7顶板上放置稳妥；

步骤4、向缓冲箱3内加入实验要求的泥水浆液，泥水浆液为水灰比为1:1的水泥浆液，直至缓冲箱3内泥水浆液面达到缓冲箱3高度的1/3处并保持稳定不变；

步骤5、打开泥水泵5并设置泥水泵5的流量为5L/min，打开阀门15，待泥水浆液流动稳定时，打开孔隙水压力存储器1和泥水压力存储器2，读取并记录孔隙水压力数据和泥水压力数据；依据孔隙水压力计9自上而下的位置读取孔隙水压力数据为0.434MPa、0.462MPa、0.485MPa、0.509MPa、0.533MPa，对应泥水压力计的读取值分别为0.46MPa、0.48MPa、0.5MPa、0.52MPa、0.54Mpa。

步骤6、关闭泥水泵5和阀门15，将步骤5中获得高度位置对应的泥水压力计13和孔隙水压力计9测得的孔隙水压力数据和泥水压力数据进行拟合，得出在实验设定的开口率条件下孔隙水压力（掌子面泥水压力）与泥水仓12内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B，其中A为1.225，B为0.1279，其中P_n为当前开口率条件下的泥水仓12内泥水压力变量，P_m为当前开口率条件下的孔隙水压力变量（掌子面泥水压力变量），A和B均为在实验设定的开口率条件下映射关系函数的常量系数；

步骤7、打开泥水泵5排干泥水仓12内的泥水，调整开口率到依次为33%、44.4%和55.6%，重复步骤1~6，测试在不同开口率条件下孔隙水压力与泥水仓12内泥水压力的映射关系函数：P_m=A×P_n-B；

步骤8、将不同开口率与对应的开口率条件下的A进行拟合，获得以开口率为自变量的函数A’，将不同开口率与对应开口率条件下的B进行拟合，获得以开口率为自变量的函数B’，拟合要求相关系数R²不低于0.9，获得有关开口率影响下的孔隙水压力（掌子面泥水压力）与泥水仓12内泥水压力的数学表达式P_m=A’×P_n-B’ 。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。