高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置及方法，装置包括气压源、放置于恒温箱内的泥浆渗透室、反压装置与集水装置；泥浆渗透室是钢制模型筒结构，通过螺栓固定在底座上；在底座上设有凹槽，在凹槽中从下到上依次铺设多孔铜板、钢筛网和土工布，底座侧面设有排水阀；筒体顶盖与周壁通过螺栓连接，其上设有进气孔和注浆孔，泥浆渗透室通过穿过进气孔的进气管与气压源的一个输出端连接；集水装置是一个双层玻璃管，其底部设有排水阀，与底座侧面的排水阀通过排水管连接，其顶部通过反压装置与气压源的另一输出端连接。本发明方法简单可行，装置通过室内试验对泥水盾构开挖面中泥浆在地层中的渗透过程进行模拟，对泥膜的质量进行测试，装置可承受的最大压力为2.5MPa。
【专利说明】
高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置及方法
技术领域
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[0001]本发明涉及的是高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试试验仪及其方法，属于地下工程领域。
【背景技术】
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[0002]随着我国对地下空间的开发，泥水盾构技术、石油钻井技术以及钻孔灌注粧技术得到了广泛应用，这几种技术的共同特点之一便是需要泥浆地层表面形成一层致密性的泥膜，支护开挖面以保证工程顺利安全的实施。由于地下空间开发深度的不断加大，对泥浆成膜质量的要求也越来越高，由于工程埋深大，地质条件复杂，现场取样对泥浆的成膜质量进行测试不仅不经济，还存在较大的安全问题，在大的压力下易出现爆裂等问题;如何对不同埋深及不同地质条件下泥浆成膜的质量进行模拟成为了广大工程人员密切关注的话题。
[0003]通过室内试验模拟工程所在位置的地质环境，进行成膜试验，对拟采用的泥浆进行评估有利于保证工程安全、高效的进行。现有试验装置可模拟的压力环境最大在0.7MPa左右，这已不能满足实际工程的需求。
【发明内容】
[0004]发明目的:针对现有技术中存在的问题，本发明提出高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置及方法，该装置可对泥水盾构开挖面、石油钻井及钻孔灌注粧中泥浆在地层中的渗透过程进行模拟，可以近似模拟泥浆在地层中成膜的过程，同时对泥膜的质量进行测试，该装置可承受的最大压力为2.5MPa，是简单可行的室内模拟高压条件下泥浆成膜及测试泥膜气密性的装置。
[0005]技术方案:本发明提出一种高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置，包括气压源、调压装置、放置于恒温箱内的泥浆渗透室、反压装置与集水装置，所述气压源包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机、气驱增压器和储气瓶，去除灰尘和水蒸气的空气，经压缩，再通过气驱气体增压器将高压气体储存于钢瓶中，通过进气孔为渗透室提供0-
2.0MPa的压力;所述泥浆渗透室是钢制模型筒结构，通过螺栓固定在底座上，筒体底部侧面的设有侧孔，用于放空泥膜上方残存的泥浆;在底座上设有凹槽，在凹槽中从下到上依次铺设多孔铜板、钢筛网和土工布，多孔铜板的作用是作为泥浆渗透时的排水通道，钢筛网作为土工布的支撑材料，土工布的作用是泥浆的过滤介质，其类型可根据泥浆性质自由选择，底座侧面设有排水阀；筒体顶盖与周壁通过螺栓连接，其上设有进气孔和注浆孔，泥浆渗透室通过穿过进气孔的进气管及调压装置与储气瓶的一个输出端连接;所述集水装置是一个双层玻璃管，双层玻璃管底部设有排水阀，与泥浆渗透室底座侧面的排水阀通过排水管连接，收集泥浆渗透和泥膜闭气过程中渗出的水分，双层玻璃管顶部通过反压装置与储气瓶的另一输出端连接，为泥浆渗透室提供反压;所述调压装置包括进气调压阀和进气压力表，所述反压装置包括反压调节阀和反压压力表。
[0006]进一步的，所述气驱增压器比例为1:15。
[0007]进一步的，所述钢制模型筒的直径为12cm，高度为15cm，筒壁厚度为1.2cm，可以抵抗的最大压力为2.5MPa。
[0008]进一步的，所述泥浆渗透室模型筒通过6个螺栓与底座连接，底座与筒壁之间有橡胶垫用于止水。
[0009]进一步的，所述底座为20cmX 20cmX 1cm的长方体，所述凹槽的深度为2cm，所述多孔铜板各孔之间相互连通，其孔径为0.5cm左右，所述钢筛网的孔径在0.1mm左右。
[0010]进一步的，所述进气管通过一个等温气体箱，在等温气体箱中进气管螺旋盘绕，可以控制气体进入时的稳定性。
[0011]进一步的，所述进气孔与进气管通过旋转螺栓连接，便于压力室的拆洗。
[0012]进一步的，所述注浆孔内有螺纹，注浆结束后可以用螺栓将注浆孔封住。
[0013]进一步的，所述双层玻璃管的内部管量程为200ml，外部管量程为500ml，集水装置中的水超出量程时可以通过底部的排水阀排出，集水装置可以抵抗的最大压力为2.0MPa。
[0014]进一步的，所述进气管、排水管均用内径为3mm的铜管制作。
[0015]上述高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置的测试方法，包括如下步骤:
[0016]a)使用等效的土工布替代地层:通过地层等效孔径确定选用的土工布类型；
[0017]b)在土工布的上方置入实验泥浆:将泥浆渗透室密封，并将多孔铜板与土工布反向饱和，用漏斗向泥浆渗透室中注入一定质量的泥浆；
[0018]c)通过气体压力向泥浆加压使泥浆向地层(等效的土工布)方向渗透:打开泥浆渗透室上方的进气阀及与泥浆渗透室直接相连的排水阀，通过调压装置和反压装置分别设定泥浆渗透时的渗透压和反压；
[0019]d)整个泥浆渗透室置于恒温箱中，设定泥浆渗透室内气体的温度，进行泥浆的渗透试验；
[0020]e)测定泥膜质量:一定渗透时间后，泥浆在土工布表面形成一层致密的泥膜，记录泥浆渗透过程中滤水量的变化；
[0021]f)当滤水量稳定时表明泥浆渗透室中的泥浆全部形成泥膜，测定泥膜的厚度、含水率；
[0022]g)闭气试验:通过侧孔放空泥膜上方残存的泥浆，通过调压装置和反压装置设定泥膜的闭气压力与反压，通过气体加压进行泥膜的闭气试验，记录闭气过程中泥膜滤水量、厚度、含水率的变化，同时观测泥膜的形态。
[0023]进一步地，所述步骤a)通过盾构机所在地层的孔径确定土工布的类型，使得土工布的开口孔径AOS与地层的孔径中值D5q相接近。
[0024]进一步地，所述步骤b)中泥浆为盾构机进行开舱时拟使用的泥浆，泥浆的重量为100g0
[0025]进一步地，所述步骤c)中泥浆渗透时的渗透压和反压根据盾构机掘进或停机维修时刀盘中心所在位置的压力确定。
[0026]进一步地，所述步骤d)中泥浆渗透室的温度范围为10-60°C，与盾构机所处位置的温度相同。
[0027]进一步地，所述步骤e)中泥浆渗透时的滤水量通过面板上的集水管读取;一定时间根据具体工程中的泥浆成膜时间来设定。
[0028]进一步地，所述步骤f)中泥浆滤水量稳定是指单位时间内泥浆的滤水量小于
0.1ml/cm3/min，该值根据试验所选用的泥浆、土工布确定;泥膜的厚度、含水率测定需要试验结束后将泥膜取出后进行。
[0029]进一步地，所述步骤g)中泥膜闭气时的压力值根据盾构机刀盘中心位置确定；泥膜形态主要为泥膜的破坏形式。
[0030]有益效果:本发明提供的装置是简单可行的室内模拟高压条件下泥浆成膜及测试泥膜气密性的装置，通过室内试验可对泥水盾构开挖面中泥浆在地层中的渗透过程进行模拟，同时对泥膜的质量进行测试，可实现最大压力达到2.0MPa的泥浆成膜与泥膜闭气，而且本发明所涉及的测试方法简单易行，工作量小，耗时短。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明的泥浆渗透原理示意图；
[0032]图2是本发明的底座1-1剖面图；
[0033]图3是本发明的集水管2-2剖面图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右。
[0039]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。
[0040]如图1-3所示的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置，包括气压源1、调压装置、放置于恒温箱8内的泥浆渗透室7、反压装置与集水装置10，所述气压源包括依次连接的空气过滤器2、空气压缩机3、气驱增压器4和储气瓶5，所述气驱增压器4比例为1:15;所述泥浆渗透室7是钢制模型筒结构，其直径为12cm，高度为15cm，筒壁厚度为
1.2cm，筒体底部侧面设有侧孔，所述筒体底部通过6个螺栓与底座9连接，底座9与筒壁之间有橡胶垫;所述底座9为20cm X 20cm X 1cm的长方体，在底座9上设有凹槽，所述凹槽的深度为2cm，在凹槽中从下到上依次铺设多孔铜板、钢筛网和土工布，所述多孔铜板各孔之间相互连通，其孔径为0.5cm,所述钢筛网的孔径在0.1mm，底座9侧面设有排水管;筒体顶盖与周壁通过螺栓连接，其上设有进气孔5和注浆孔6，泥浆渗透室通过穿过进气孔5的进气管与储气瓶5的一个输出端连接，所述进气孔5与进气管通过旋转螺栓连接，进气管是螺旋盘绕结构，注浆孔6内有螺纹，注浆结束后可以用螺栓将注浆孔6封住;所述集水装置10是一个双层玻璃管，其内部管量程为200ml，外部管量程为500ml，双层玻璃管10底部与泥浆渗透室底座9侧面的排水管连接，双层玻璃管顶部通过反压装置与储气瓶5的另一输出端连接;所述调压装置包括进气调压阀11和进气压力表12，所述反压装置包括反压调节阀13和反压压力表
14。该装置的进气管、排水管均用内径为3mm的铜管制作。
[0041]上述高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置的测试方法，包括如下步骤:
[0042]上述高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置的测试方法，包括如下步骤:
[0043]a)使用等效的土工布替代地层:通过地层等效孔径确定选用的土工布类型，具体的:所述土工布的类型通过盾构机所在地层的孔径确定，使得土工布的开口孔径AOS与地层的孔径中值D5Q相接近。
[0044]b)在土工布的上方置入实验泥浆:将泥浆渗透室密封，并将多孔铜板与土工布反向饱和，用漏斗向泥浆渗透室中注入一定质量的泥浆，具体的:所使用的泥浆为盾构机进行开舱时拟使用的泥浆，泥浆的重量为I OOOg。
[0045]c)通过气体压力向泥浆加压使泥浆向地层(等效的土工布)方向渗透:打开泥浆渗透室上方的进气阀及与泥浆渗透室直接相连的排水阀，通过调压装置和反压装置分别设定泥浆渗透时的渗透压和反压，进行泥浆的渗透试验，具体的:所述泥浆渗透时的渗透压和反压根据盾构机掘进或停机维修时刀盘中心所在位置的压力确定。
[0046]d)整个泥浆渗透室置于恒温箱中，设定泥浆渗透室内气体的温度，进行泥浆的渗透试验，具体的:泥浆渗透室的温度范围为10_60°C，根据盾构机所处位置的温度确定，与盾构机所处位置的温度相同。
[0047]e)测定泥膜质量:一定渗透时间后，泥浆在土工布表面形成一层致密的泥膜，记录泥浆渗透过程中滤水量的变化，具体的:所述泥浆渗透时的滤水量通过面板上的集水管读取，一定时间根据具体工程中的泥浆成膜时间来设定。
[0048]f)当滤水量稳定时表明泥浆渗透室中的泥浆全部形成泥膜，可测定泥膜的厚度、含水率，具体的:所述泥浆滤水量稳定是指单位时间内泥浆的滤水量小于小于0.lml/cm3/min，，该值根据试验所选用的泥浆、土工布确定;泥膜的厚度、含水率测定需要试验结束后将泥膜取出后进行。
[0049]g)闭气试验:通过侧孔放空泥膜上方残存的泥浆，通过调压装置和反压装置设定泥膜的闭气压力与反压，通过气体加压进行泥膜的闭气试验，记录闭气过程中泥膜滤水量、厚度、含水率的变化，同时观测泥膜的形态，具体的:所述泥膜闭气时的压力值根据盾构机刀盘中心位置确定;泥膜形态主要为泥膜的破坏形式。
【主权项】
1.一种高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置，其特征在于:包括气压源、调压装置、放置于恒温箱内的泥浆渗透室、反压装置与集水装置，所述气压源包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机、气驱增压器和储气瓶;所述泥浆渗透室是钢制模型筒结构，通过螺栓固定在底座上，筒体底部侧面的设有侧孔;在底座上设有凹槽，在凹槽中从下到上依次铺设多孔铜板、钢筛网和土工布，底座侧面设有排水阀；筒体顶盖与周壁通过螺栓连接，其上设有进气孔和注浆孔，泥浆渗透室通过穿过进气孔的进气管及调压装置与储气瓶的一个输出端连接;所述集水装置是一个双层玻璃管，双层玻璃管底部设有排水阀，其与泥浆渗透室底座侧面的排水阀通过排水管连接，双层玻璃管顶部通过反压装置与储气瓶的另一输出端连接;所述调压装置包括进气调压阀和进气压力表，所述反压装置包括反压调节阀和反压压力表。2.根据权利要求1所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置，其特征在于:所述进气管通过一个等温气体箱，在等温气体箱中进气管螺旋盘绕。3.一种高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:包括如下步骤: a)使用等效的土工布替代地层:通过地层等效孔径确定选用的土工布类型； b)在土工布的上方置入实验泥浆:将泥浆渗透室密封，并将多孔铜板与土工布反向饱和，用漏斗向泥浆渗透室中注入一定质量的泥浆； c)通过气体压力向泥浆加压使泥浆向地层方向渗透:打开泥浆渗透室上方的进气阀及与泥浆渗透室直接相连的排水阀，通过调压装置和反压装置分别设定泥浆渗透时的渗透压和反压，进行泥浆的渗透试验； d)整个泥浆渗透室置于恒温箱中，设定泥浆渗透室内气体的温度，进行泥浆的渗透试验； e)测定泥膜质量:一定渗透时间后，泥浆在土工布表面形成一层致密的泥膜，记录泥浆渗透过程中滤水量的变化； f)当滤水量稳定时表明泥浆渗透室中的泥浆全部形成泥膜，测定泥膜的厚度、含水率； g)闭气试验:通过侧孔放空泥膜上方残存的泥浆，通过调压装置和反压装置设定泥膜的闭气压力与反压，通过气体加压进行泥膜的闭气试验，记录闭气过程中泥膜滤水量、厚度、含水率的变化，同时观测泥膜的形态。4.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤a)通过盾构机所在地层的孔径确定土工布的类型，使得土工布的开口孔径与地层的中值孔径相接近。5.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤b)中泥浆为盾构机进行开舱时拟使用的泥浆，泥浆的重量为lOOOg。6.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤c)中泥浆渗透时的渗透压和反压根据盾构机掘进或停机维修时刀盘中心所在位置的压力确定。7.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤d)中泥浆渗透室的温度范围为10-60°C，根据盾构机所处位置的温度确定，与盾构机所处位置的温度相同。8.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤e)中泥浆渗透时的滤水量通过面板上的集水管读取;一定时间根据具体工程中的泥浆成膜时间来设定。9.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤f)中泥浆滤水量稳定是指单位时间内泥浆的滤水量小于某一值，该值可根据试验所选用的泥浆、土工布确定;泥膜的厚度、含水率测定需要试验结束后将泥膜取出后进行。10.根据权利要求3所述的高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试方法，其特征在于:所述步骤g)中泥膜闭气时的压力值根据盾构机所处位置确定;泥膜形态主要为泥膜的破坏形式。
【文档编号】G01N33/00GK105866337SQ201610252108
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】朱伟, 张宁, 闵凡路, 钱勇进, 杜瑞, 徐静波
【申请人】河海大学