一种模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置，该装置包括用于模拟泥水盾构工作室的有机玻璃管道、泥浆压力加载系统以及地层中孔隙水压力监测系统；所述的孔隙水压力监测系统通过孔隙水压力计导线与有机玻璃管道内布设的孔隙水压力计连接，所述泥浆压力加载系统从有机玻璃管道的另一端为有机玻璃管道内的泥浆提供驱动力。本实用新型对泥浆浸入地层时形成泥膜过程中各监测量参数进行监测，分析各监测参数变化规律，进而对实验过程中形成的泥膜质量进行分析，找出影响泥水盾构中高质量泥膜形成的因素，为泥水盾构施工过程中确保开挖面稳定提供可靠的依据。
【专利说明】
一种模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及隧道与地下工程实验仪器技术领域。特别是涉及一种用于模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置。
【背景技术】
[0002]泥水盾构在修建城市地铁、城市道路隧道或大直径跨海越江隧道工程中被广泛采用。由于盾构穿越的地层一般稳定性很差，地质环境十分复杂，导致泥水盾构开挖面的稳定性问题越来越严峻，在实际工程中新的问题不断涌现，施工安全受到严重威胁。大量的工程实践和理论表明:在泥水盾构开挖面上形成一层有效的泥膜作为支护介质是确保其稳定的关键，关于泥膜的形成机理、形成条件、有效性评价指标等问题，国内外许多学者进行了一些有意义的尝试，取得了一定研究成果，为后续的研究起到了良好的借鉴作用。但泥水盾构开挖面稳定的机理十分复杂，泥膜形成的影响因素、各因素的影响规律及其与地层参数、施工参数和泥浆特性之间的相互作用关系等尚无清晰的认识，这些问题的研究，多数需要借助实验来完成。
[0003]有效泥膜的形成是开挖面稳定的前提，泥膜为泥浆有效压力与地下水压力和土侧压力的平衡提供作用介质。由于现场实验具有很大的安全风险且不经济，对于泥水盾构开挖面稳定性的实验研究几乎都采用室内实验方法。因此，室内实验装置和相关设备的研制是泥水盾构开挖面稳定性研究的关键性工作之一。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型为解决上述技术问题提供一种用于模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置，该装置包括上法兰板2、下法兰板2A和紧压在上法兰板2和下法兰板2A之间的用于承载实验材料的有机玻璃管道I;
[0005]所述有机玻璃管道I由上至下依次包括加载气囊5、传力活塞6、泥浆室7、模拟地层室8和砂石滤层9。
[0006]优选的，该装置进一步包括用于为加载气囊5充气的空气压缩机20;
[0007]该空气压缩机20通过设置在上法兰板2上的充气通孔12为加载气囊充气。
[0008]优选的，该装置进一步包括连接在充气通孔12和空气压缩机20之间的调压阀19。
[0009]优选的，该装置进一步包括用于为泥浆室7供应实验泥浆的泥浆栗22;
[0010]该泥浆栗22通过设置在泥浆室7上的泥浆注入通孔15向泥浆室7注入泥浆。
[0011]优选的，该装置进一步包括设置在泥浆室7内的至少一个泥浆孔隙水压力计，该泥浆孔隙压力计通过设置在泥浆室7上的泥浆孔隙压力检测通孔14将压力数据传输至外部设备。
[0012]优选的，该装置进一步包括设置在模拟地层室8中的多个孔隙水压力计16，该孔隙水压力计通过设置在模拟地层室8上的空隙水压力检测通孔将压力数据传输至外部设备。
[0013]优选的，该装置进一步包括用于接收实验过程中孔隙压力数据的孔隙水压力采集仪。
[0014]优选的，所述上法兰板2和下法兰板2A与有机玻璃管道I通过密封垫圈密封。
[0015]优选的，所述下法兰板2A上设有向有机玻璃管道I内注水的注水通孔18和用于辅助测量渗流量的渗流量检测通孔17。
[0016]优选的，上法兰板2和下法兰板2A通过至少6个螺栓杆3固定锁紧。
[0017]本实用新型的有益效果如下:
[0018]本实用新型所述技术方案与现有技术相比:
[0019]1、本方案采用有机玻璃作为主材制作装置，可透视性强，能直接观察到实验过程中，泥浆向地层中浸透时的形态，在不卸泥浆压力的情况下，保持实验各参数不变，直接测量泥膜厚度，相比现有卸压后再测量的实验装置，更能保证所测泥膜厚度的准确性；
[0020]2、本方案基于泥水盾构工作原理，采用气囊结合传力活塞的加载方式，更符合实际工程中盾构机刀盘对泥浆施加压力情况；
[0021]3、本方案采用透水性良好的砂石层代替透水石，更符合实际工况，提高实验的严谨性，确保实验结论科学性；
[0022]4、本方案所述实验装置操作简单，所需人力少，实验可重复性强，实验周期短且经济效益高；
[0023]5、本方案采用自动数据采取装置，可以同步记录实验过程中，不同监测位置空隙水压力的变化情况，便于实验数据对比分析，探究监测参数的变化规律。
【附图说明】
[0024]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0025]图1示出本实用新型所述实验装置的示意图。
[0026]附图标号:
[0027]1、有机玻璃管道，2、上法兰板，2A、下法兰板，3、螺栓杆，4、支座，5、加载气囊，6、传力活塞，7、泥浆室，8、模拟地层室，9、砂石滤层，10、密封垫圈，11、加载气囊放气通孔，IIA、加载气囊放气管道阀门，12、加载气囊充气通孔，13、泥浆排泄通孔，13A、泥浆排泄管道阀门，14、泥浆孔隙水压监测通孔，15、泥浆灌入通孔，16、孔隙水压力计，16A、孔隙水压力计导线通道，17、渗流量监测通孔，17A、渗流量监测管道阀门，18、注水通孔，18A、注水管道阀门，19、调压阀，20、空气压缩机，21、泥浆灌入管道阀门，22、外部泥浆栗，23、孔隙水压力采集仪，24、孔隙水压力计导线，25、有压气体输送管道，26、泥浆灌入管道。
【具体实施方式】
[0028]为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
[0029]如图1所示，一种用于模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置，该装置包括上法兰板2、下法兰板2A和紧压在上法兰板2和下法兰板2A之间的用于承载实验材料的有机玻璃管道I;所述有机玻璃管道I由上至下依次包括具有进气口和出气口的加载气囊5、传力活塞6、泥浆室7、模拟地层室8和砂石滤层9。本方案中，模拟地层室8中填充有满足实验要求的模拟地层材料;砂石滤层9中填充有用于滤谁的砂石滤层，以取代现有技术中的透水石。所述上法兰板2与有机玻璃管道I通过密封垫圈密封。上法兰板2和下法兰板2A通过至少两个螺栓杆3固定锁紧。本方案为了配合实验过程中向有机玻璃管道I内注水和辅助测量渗流量，在所述下法兰板2A上设有向有机玻璃管道I内注水的注水通孔18和渗流量检测通孔17。
[0030]本方案利用调压阀19对空气压缩机20输出的气体进行调节，通过有压气体输送管道和设置在上法兰板2上的充气通孔12将有压气体通入加载气囊5中。若实验完毕，则可通过设置在上法兰板2上的放气通孔11将加载气囊5中的气体排出，为了配合加载气囊5充气和放气的使用，分别在充气通孔12的入口处和放气通孔11的出口处设置控制阀门，实现对有压气体充排的控制。
[0031]本方案中泥浆室7中的泥浆是由外部泥浆栗22供应的，该泥浆栗22通过设置在泥浆室7上的泥浆注入通孔15向泥浆室7注入泥浆。待实验完毕后，可以通过设置在泥浆室7上的泥浆排泄通孔13将泥浆排出泥浆室。为了配合泥浆室7上泥浆注入通孔15和泥浆排泄通孔13的使用，分别在泥浆注入通孔15的入口处和泥浆排泄通孔13出口处设置控制阀门，实现对泥浆注排的控制。
[0032]本方案中，为了实时对实验过程中泥浆室7和模拟地层室8中的孔隙水压进行监测，分别在泥浆室7和模拟地层室8中设置有一定数量的孔隙水压力计，具体布置数量和位置，可以根据实验的实际需要配置。泥浆室7和模拟地层室8中的孔隙水压力计采集回的数据分别通过泥浆室7上和模拟地层室8上的孔隙水压力检测通孔，利用孔隙水压力计导线24输出至孔隙水压力采集仪。
[0033]下面通过实例对本方案做进一步说明。
[0034]如图1所示，本实例中给出一种用于模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置，该装置包括具有砂石滤层9、地层模拟室8、泥浆室7、传力活塞6和加载气囊室5的有机玻璃管道、地层中孔隙水压力监测系统和为泥浆提供驱动力的动力加载系统。地层模拟室8内按既定位置埋设孔隙水压力计16，孔隙水压力计导线24由通孔16A与外部孔隙水压力采集仪23连接。地层室8与下法兰板2A之间布设渗透性良好的砂石滤层9;泥浆室7侧壁上设置有泥浆排泄孔13、泥浆孔隙水压监测通孔14和注浆孔15，注浆孔15与外部注浆栗22通过带阀门21的泥浆输送管道26相连接;动力加载系统由传力活塞6、加载气囊5、空气压缩机20和用于连接空气压缩机20与加载气囊5的带有调压阀19的有压气体输送管25组成，加载气囊5设有进气口和出气口。上法兰板2与下法兰板2A外周一圈至少等间距布设六个等孔径的通孔，通孔中心与法兰板中心的距离大于有机玻璃管道外径5毫米以上，用于螺栓杆连接上法兰板2与下法兰板2A所用，上法兰板2与下法兰板2A通过不少于六根的螺栓杆3固定在有机玻璃管道I两端，上法兰板2与加载气囊5进气口和出气口相对应的位置开设有充气通孔12和排气通孔11，下法兰板2A中央设置注水孔18和渗流量测量孔17。下法兰板2A焊接在支座4上。上法兰板2、下法兰板2A与有机玻璃管道端部接触面需垫设密封垫圈10，确保有机玻璃管道I内的气密性良好。
[0035]本实验装置进行实验的具体操作方式如下:
[0036]—、实验前准备工作:准备实验所用泥浆、土样、孔隙水压力计等辅助材料，检查实验仪各部件是否正常，尤其是装置的气密性是否良好。
[0037]二、实验材料准备与填装:先铺设砂石滤层9，然后再将现场取回的土干燥后，按照实验要求筛除不符合实验要求的土颗粒，再将选取得土样分层填入地层模拟室8并夯实，在预设的位置布设孔隙水压力计16，导线从侧壁预留通孔16A引出，并与数据采集装置23相连，继续土样填充，直至预设高度;打开下法兰板2A上的注水孔18上设置的阀门18A以及排浆孔13上的阀门13A，关闭渗流量测量通孔17上的阀门17A，向地层模拟室8内缓慢注入水，当有水从排浆孔中流出时，证明土层已经处于富水状态，然后关闭注水孔18A的阀门。
[0038]三、关闭排浆孔13上的阀门13A，打开输送泥浆管道26上的阀门21，启动泥浆栗22，向泥浆室7内注浆，待泥浆液面到达预设高度后，关闭泥浆栗22以及阀门21，依次缓慢放入传力活塞6和加载气囊5，放上密封垫圈10，安装上法兰板2，关闭阀门IIA，将加载气囊充气通孔12与有压气体输送管道25相连接，固定螺栓杆3，确保有机玻璃管道I内部处于密闭环境。
[0039]四、实验开始，将与渗流量测量孔17相连的导管出口与装置内土层与泥浆的交界面平齐，并放入液体容器内，打开孔隙水压力数据采集装置23，同时打开空气压缩机20，通过调压阀19迅速将气压加到预设值，实现对加载气囊加压，进促使传力活塞6向泥浆室方向移动，对泥浆进行加载，形成有压泥浆，实现泥浆向实验地层渗透，此时，同步测量土层中空隙水压力和渗流量及其随时间和加载压力值之间的变化规律。
[0040]五、当监测参数的数值不再有明显变化后，说明泥膜已经完全形成，记录各测量值，此时，保持气压阀19压力值不变，利用有机玻璃管道的通透性，测量形成泥膜的厚度。[0041 ]六、停止加压，并逐步小压力，缓慢打开气囊排气阀，排除加载气囊内的气体，打开排浆孔上的阀门13A，将实验后的泥浆排除，打开上法兰板2，依次取出加载气囊5、传力活塞6，缓慢开挖土体，对泥浆渗透距离、形状、泥膜厚度、泥浆对土层的填充吸附情况等指标、现象进行记录，并与未卸载压力时的测量值进行对比。
[0042]七、分别改变土层特性、泥浆特性、加载压力等，重复上述步骤，进行多组实验。
[0043]综上所述，本发明所述技术方案能模拟泥水盾构施工过程中，泥浆渗入地层并形成泥膜过程，可以对泥浆渗透过程中土层内空隙水压力变化规律、泥浆渗入量、泥膜形成情况等进行监测，且操作简单便捷，本发明将复杂的工程问题带进实验室，开展系统研究，为提高实际工程中泥水盾构开挖面的稳定性提供依据。
[0044]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
【主权项】
1.一种模拟泥水盾构中泥浆浸入地层形成泥膜的实验装置，其特征在于，该装置包括上法兰板(2)、下法兰板(2A)和紧压在上法兰板(2)和下法兰板(2A)之间的用于承载实验材料的有机玻璃管道(I); 所述有机玻璃管道(I)由上至下依次包括加载气囊(5)、传力活塞(6)、泥浆室(7)、模拟地层室(8)和砂石滤层(9)。2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括用于为加载气囊(5)充气的空气压缩机(20); 该空气压缩机(20)通过设置在上法兰板(2)上的充气通孔(12)向加载气囊(5)的充气口充气。3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括连接在充气通孔(12)和空气压缩机(20)之间的调压阀(19)。4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括用于为泥浆室(7)供应实验泥浆的泥浆栗(22); 该泥浆栗(22)通过设置在泥浆室(7)上的泥浆注入通孔(15)向泥浆室(7)注入泥浆。5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在泥浆室(7)内的至少一个泥浆孔隙水压力计，该泥浆孔隙压力计通过设置在泥浆室(7)上的泥浆孔隙压力检测通孔(14)将压力数据传输至外部设备。6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在模拟地层室(8)中的多个孔隙水压力计(16)，该孔隙水压力计通过设置在模拟地层室(8)上的孔隙水压力检测通孔将压力数据传输至外部设备。7.根据权利要求5或6所述的实验装置，其特征在于，该装置进一步包括用于接收实验过程中孔隙压力数据的孔隙水压力采集仪。8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述上法兰板(2)和下法兰板(2A)与有机玻璃管道(I)通过密封垫圈密封。9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述下法兰板(2A)上设有向有机玻璃管道(I)内注水的注水通孔(18)和用于辅助测量渗流量的渗流量检测通孔(17)。10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，上法兰板(2)和下法兰板(2A)通过至少6个螺栓杆(3)固定锁紧。
【文档编号】G01N15/08GK205483943SQ201620190879
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】陈鹏, 张成平, 蒋龙, 邱爱博, 刘恒辰
【申请人】北京交通大学