一种泥水盾构简易压力舱模型及其使用方法
【专利摘要】本发明公开一种泥水盾构简易压力舱模型及其使用方法，模型包括有机玻璃筒，底部连接集水装置，中部隔板将筒体分成两部分，顶部通过稳压阀与空压机相连，下部有机玻璃筒用来模拟泥水盾构的泥水舱，上部有机玻璃筒用来模拟泥水盾构的压力舱。其使用方法，步骤：在下部有机玻璃筒中装入试验地层，并反向充水饱和；装入泥浆至一定高度；为有机玻璃筒提供气压；将有机玻璃筒水平放置；调整有机玻璃筒内气压值至实验气压，打开隔板上连通孔阀门，使压力舱的压缩空气进入泥水舱，泥水舱内泥浆逐渐进入压力舱，直至两个模型舱的泥浆液位持平。本发明是一种简单可行的室内模拟复杂条件下泥水盾构掘进和带压开舱时开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试的装置。
【专利说明】
一种泥水盾构简易压力舱模型及其使用方法
技术领域
[0001]本发明属于地下工程领域，具体涉及一种泥水盾构简易压力舱模型及其使用方法。
【背景技术】
[0002]我国采用盾构工法修建的水下隧道多会穿越高渗透性、高石英含量的砂卵石等地层，经常遭遇盾构机刀盘刀具磨损严重、刀盘结饼及障碍物等情况，而被迫停机进行开舱清理或维修等作业。由于受到隧道上部有河流、湖泊等水域、构筑物或者其他原因的影响，从地表加固地层-常压开舱的方法被限制，以压气工法为基础的带压开舱方法被广泛使用。常规的压气工法一般适用于渗透系数小于10—2cm/s的土层，对于渗透系数大于10—2cm/s的粗粒土地层，常采用泥浆在开挖面上形成闭气性良好的泥膜等辅助方法来降低地层的透气性，保证开挖面的稳定。由于泥膜是一种特殊的多孔介质，其闭气性能直接决定了带压开舱的实施条件和工程安全性。因此，若能在带压开舱实施之前，先对拟采用的泥膜进行闭气性测试，然后根据实验结果对开舱用的泥浆配比和成膜条件进行调整，有利于保证带压开舱的安全、高效的进行。而在现场进行泥膜的闭气性测试，不仅不经济，而且还存在较大的风险。
【发明内容】
[0003]为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种泥水盾构简易压力舱模型及其使用方法。可以近似模拟双舱式泥水盾构压力舱内泥浆成膜的过程，同时可以测试带压开舱时泥水盾构开挖面上泥膜的闭气性。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种泥水盾构简易压力舱模型，包括:
有机玻璃筒，其下部侧面连接有集水装置，上部侧面通过调压装置与空压机连接，其顶端和底端分别安装有法兰盘支座，所述法兰盘支座之间通过不锈钢柱预紧连接；
隔板，设置在有机玻璃筒的中部，用于将有机玻璃筒筒体分成设置在上部的压力舱和设置在下部的泥水舱，所述隔板的一侧开设有连通缺口，用于连通泥水舱和压力舱，另一侧设置有通过阀门控制的连通孔；
支架，分别安装在顶端和底端的法兰盘支座的侧端，并与连通缺口位于相同侧，用于压力舱模型水平放置时的支撑。
[0005]进一步地，所述泥水舱的侧壁上设有毫米刻度尺。
[0006]进一步地，所述隔板固定在压力舱上。
[0007]进一步地，所述有机玻璃筒的下部侧面与集水装置相连位置处设有排水阀；所述有机玻璃筒的上部侧面与调压装置相连位置处有进气阀。
[0008]进一步地，所述钢柱依次贯穿底部法兰盘支座、筒体和顶部法兰盘支座。
[0009]进一步地，当压力舱模型水平放置时，所述连通缺口位于隔板的下部;所述连通孔位于隔板的上部。
[0010]本发明还提供了一种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，包括以下步骤:
步骤一:在有机玻璃筒的下部依次由下往上装入滤层和试验地层，并反向充水饱和； 步骤二:将有机玻璃筒的泥水舱和压力舱固定安装在一起，关闭隔板一侧的连通孔，在泥水舱中装入泥浆，使泥浆的高度满足当有机玻璃筒水平放置时，压力舱内的液位高于开设在隔板另一侧的连通缺口的顶端；
步骤三:采用法兰盘支座对有机玻璃筒的顶端和底端进行密封;打开连通在有机玻璃筒上部侧面的空压机开关，向有机玻璃筒内提供气压，同时打开连通在有机玻璃筒下部侧面的集水装置的阀门，开始泥浆渗透成膜实验；
步骤四:待底部滤水量变化稳定后，将有机玻璃筒水平放置，并使连通缺口位于隔板的下部，连通孔位于隔板的上部；
步骤五:调整有机玻璃筒内气压值至实验气压，打开连通孔阀门，使压力舱的压缩空气进入泥水舱，同时泥水舱内的泥浆逐渐进入压力舱，直至压力舱和泥水舱的泥浆液位持平；步骤六:测试气压作用下地层表面泥膜的闭气性，记录泥膜在气压作用下的厚度和滤水量的变化。
[0011]进一步地，步骤一中的试验地层为实际开舱工程中所处位置的地层，装入地层时通过控制地层干密度使试验地层接近实际地层。
[0012]进一步地，步骤二中装入的泥浆为实际开舱工程中拟使用的泥浆。
[0013]进一步地，步骤三中所述底部滤水量变化稳定是指单位时间内的滤水量小于预设值，预设值由试验者确定。
[0014]本发明的有益效果:
本发明将有机玻璃筒竖直放置，使泥浆在地层中渗透形成泥膜，然后将装置横放，根据连通器原理使气压直接作用在泥膜上，进行泥膜的闭气性测试。该模型可以近似模拟双舱式泥水盾构压力舱内泥浆成膜的过程，同时可以测试带压开舱时泥水盾构开挖面上泥膜的闭气性，而且该模型操作简单、压力设定方便，通过模型的放置方式即可实现由泥浆渗透过程向泥膜闭气过程的转化，是一种值得推广的简易压力舱模型及使用方法。
[0015]【附图说明】:
图1:泥膜形成示意图；
其中:1.进气阀；2.压缩空气;3.法兰盘支座;4.泥浆;5.隔板;6.法兰盘;7.地层;8.滤层;9.排水阀；10.集水装置;11.毫米刻度尺;12.连通阀；13.空压机;14.调压装置。
[0016]图2:泥膜闭气值测试示意图
其中:1.进气阀；2.压缩空气;3.法兰盘支座;4.泥浆;5.隔板;6.法兰盘;7.地层;8.滤层;9.排水阀；10.集水装置；11.毫米刻度尺；12.连通阀；13.空压机；14.调压装置；15.泥膜。
[0017]图3:隔板处剖面图
其中:a.连通孔;b.连通阀；c.隔板;d.法兰盘;e.泥浆通道。
【具体实施方式】
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0021]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。
[0022]本发明中所述的“上、下”的含义指的是装置直立或水平放置时，处在较高位置的为上，处于较低位置的为下。
[0023]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。
[0024]如图1-图3所示，一种泥水盾构压力舱模型，一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置，它包括筒状的模型舱，与模型舱底部相连的集水装置10，与顶部相连的空压机13和调压装置14，在模型舱中部的隔板5;设置在模型舱与空压机13之间的进气阀I，模型舱与集水装置10之间的排水阀9，连接模型舱两部分的连通阀12，以及筒身外壁的毫米刻度尺11。
[0025]—种上述泥水盾构压力舱的使用方法，首先是在有机玻璃筒中装入滤水层8和试验地层7，反向饱和地层后，用螺栓连接有机玻璃筒，然后装入试验泥浆4，再用法兰盘3对有机玻璃筒进行密封;打开进气阀I，通过空压机13和调压装置14设定泥浆的渗透压力，使压缩空气2直接作用在泥浆4的液面上，打开排水阀9，采用集水装置10量测泥浆的渗透流量；渗透试验持续一定时间后关闭排水阀9，通过有机玻璃筒上的刻度尺11观测地层7表面形成泥膜15的厚度和形态;将有机玻璃筒横放，利用调压装置14调整有机玻璃筒中的气压值，打开隔板上方连通阀12，原有机玻璃筒下部的泥浆4流入上部，上下两部的泥浆液位相持平且将隔板的下方开口淹没，气体2通过连通阀12直接作用在试验地层表面的泥膜15上;然后打开排水阀9，记录泥膜15在气压作用下的厚度、滤水量变化，测定泥膜的闭气规律。
[0026]上述一种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，具体而言包括以下步骤:
步骤一.在下部有机玻璃筒中装入试验地层，并反向充水饱和；
步骤二.将有机玻璃筒用螺栓相连，关闭隔板上的空气连通阀，装入泥浆至一定高度(水平放置装置时，压力舱内的液位高于隔板底部缺口线一段距离)；
步骤三.顶部采用法兰盘密封有机玻璃筒，然后通过稳压阀连接空压机;打开空压机开关，为有机玻璃筒提供气压，同时打开底部的集水管阀门，开始泥浆渗透成膜实验；
步骤四.待底部滤水量变化稳定后，将有机玻璃筒水平放置；
步骤五.调整有机玻璃筒内气压值至实验气压，打开隔板上连通孔阀门，使上部有机玻璃筒(压力舱)的压缩空气进入下部有机玻璃筒(泥水舱)，同时下部有机玻璃筒(泥水舱)内泥浆逐渐进入上部有机玻璃筒(压力舱)，直至两个模型舱的泥浆液位持平；步骤六.测试气压作用下地层表面泥膜的闭气性，记录泥膜在气压作用下的厚度、滤水量变化等。
[0027]步骤一中所述的试验地层为实际开舱工程中所处位置的地层，并控制地层的干密度接近实际地层。
[0028]步骤二中所述装入的泥浆为实际开舱工程中拟使用的泥浆；同时泥浆的装入量保证水平放置装置时，压力舱内的液位高于隔板底部缺口一段距离，以保证气体完全由隔板的连通孔进入泥水舱。
[0029]步骤四中所述底部滤水量变化稳定是指单位时间内泥膜的滤水量小于某一固定值，该值由试验者自行确定。
[0030]步骤五中所述调整有机玻璃筒内的气压值，该气压值由试验者自行确定。
[0031]步骤六中所述泥膜的厚度由筒身侧壁的毫米刻度尺确定;滤水量由集水装置和天平测定。
[0032]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】
1.一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，包括: 有机玻璃筒，其下部侧面连接有集水装置，上部侧面通过调压装置与空压机连接，其顶端和底端分别安装有法兰盘支座，所述法兰盘支座之间通过不锈钢柱预紧连接； 隔板，设置在有机玻璃筒的中部，用于将有机玻璃筒筒体分成设置在上部的压力舱和设置在下部的泥水舱，所述隔板的一侧开设有连通缺口，用于连通泥水舱和压力舱，另一侧设置有通过阀门控制的连通孔； 支架，分别安装在顶端和底端的法兰盘支座的侧端，并与连通缺口位于相同侧，用于压力舱模型水平放置时的支撑。2.根据权利要求1所述的一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，所述泥水舱的侧壁上设有毫米刻度尺。3.根据权利要求1所述的一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，所述隔板固定在压力舱上。4.根据权利要求1所述的一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，所述有机玻璃筒的下部侧面与集水装置相连位置处设有排水阀;所述有机玻璃筒的上部侧面与调压装置相连位置处有进气阀。5.根据权利要求1所述的一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，所述钢柱依次贯穿底部法兰盘支座、筒体和顶部法兰盘支座。6.根据权利要求1所述的一种泥水盾构简易压力舱模型，其特征在于，当压力舱模型水平放置时，所述连通缺口位于隔板的下部;所述连通孔位于隔板的上部。7.—种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:在有机玻璃筒的下部依次由下往上装入滤层和试验地层，并从排水阀后接的排水管中灌入清水，自下而上反向饱和地层； 步骤二:将有机玻璃筒的泥水舱和压力舱固定安装在一起，关闭隔板一侧的连通孔，在泥水舱中装入泥浆，使泥浆的高度满足当有机玻璃筒水平放置时，压力舱内的液位高于开设在隔板另一侧的连通缺口的顶端； 步骤三:采用法兰盘支座对有机玻璃筒的顶端和底端进行密封;打开连通在有机玻璃筒上部侧面的空压机开关，向有机玻璃筒内提供气压，同时打开连通在有机玻璃筒下部侧面的集水装置的阀门，开始泥浆渗透成膜实验； 步骤四:待底部滤水量变化稳定后，将有机玻璃筒水平放置，并使连通缺口位于隔板的下部，连通孔位于隔板的上部； 步骤五:调整有机玻璃筒内气压值至实验气压，所述实验气压根据盾构机实际开舱过程中的气压确定，打开连通孔阀门，使压力舱的压缩空气进入泥水舱，同时泥水舱内的泥浆逐渐进入压力舱，直至压力舱和泥水舱的泥浆液位持平； 步骤六:测试气压作用下地层表面泥膜的闭气性，记录泥膜在气压作用下的厚度和滤水量的变化。8.根据权利要求7所述的一种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，其特征在于，步骤一中的试验地层为模拟实际开舱工程中盾构机所处位置的地层，装入地层时通过控制地层干密度使试验地层接近实际地层，用于模拟不同地层条件下的泥水盾构带压开舱时的泥浆成膜及泥膜闭气密性试验。9.根据权利要求7所述的一种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，其特征在于，步骤二中装入的泥浆为实际开舱工程中拟使用的泥浆。10.根据权利要求7所述的一种泥水盾构简易压力舱模型的使用方法，其特征在于，步骤三中所述底部滤水量变化稳定是指单位时间内的滤水量小于预设值，预设值由试验者确定。
【文档编号】G01N15/08GK105823717SQ201610204196
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】朱伟, 闵凡路, 张宁, 钱勇进, 杜瑞, 徐静波
【申请人】河海大学