饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置。

背景技术：

在隧道通过饱水地层进行盾构法施工过程中，随着盾构刀具的不断磨损，掘进效率不断降低，需要对刀具进行更换。若进行常压换刀，掌子面在水压与土压的共同作用下极易发生失稳破坏，严重危及换刀作业人员安全，影响施工进程。带压换刀技术利用空气压缩机将空气加压，并注入稳压舱室，使气压与舱内泥土压达到动态平衡的同时逐步排出舱内土体，并通过在稳压舱室内建立合理的气压进一步平衡刀盘前方水、土压力，使开挖面达到稳定并防止地下水涌入舱室内部，增强了掌子面稳定性，极大地提高了换刀人员的安全性和工作效率。因此带压换刀技术现在广泛用于跨江越海隧道、城市地铁隧道施工建设中。目前模拟带压换刀施工的相关试验设备的主要问题是(1)试验无法通过同一装置实现试样的饱和以及后续渗透气压测定，由于试样完全饱和到套上橡胶模、安装透水并放入试验仪器中，会对原状试样造成很多不必要的人为扰动，造成试样结构破坏，使得试验结果不准确；(2)现有试验设备大多采用有侧限的方法，随着轴压的增加，侧限压力亦会增加且无法定量的控制，试验中土体随着气体的进入，土体围压亦会发生变化，这些都是与实际带压换刀环境具有较大区别，无法真实模拟土体在实际环境中的三维应力状态和水-气二相流过程，造成试验结果失真。

因此如果按照原有试验设备所得的渗透气压与气体损失率的试验结果直接用于盾构隧道带压换刀施工，要么气压小于实际需要气压，造成地下水大量涌出，严重影响掌子面以及支护结构稳定性，危及换刀人员安全、严重影响施工进度；要么气压大于实际需要气压，极大的增加了带压换刀难度，施工成本，减低施工速度，对进行带压换刀人员的身体健康也会带来严重影响；即使气压接近实际需要值，也因气体损失率预测的不准确亦会极大地增加施工成本，危及带压换刀人员安全。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置，该装置能准确的测试出饱水地层掌子面不同孔隙比的土体在不同三向应力下的临界渗透气压以及渗透气压与气体损失率的定量关系，从而为饱水地层盾构法隧道带压换刀施工提供可靠的关键试验数据及依据，在有效保证掌子面稳定性的前提下，降低施工成本，提供施工进度，确保施工安全。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置，包括试样饱和单元、临界渗透气压测试单元、轴向压力模拟单元，径向围压模拟单元；

试样饱和单元：包括侧壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)和上盖(6)及底座 (9)，原状试样(4)套上隔水橡胶膜(3)装入侧壁(7)中，侧壁(7)与隔水橡胶膜 (3)紧密贴合，原状试样(4)上部与底部分别与高渗透性上透水石(1)、下透水石(2) 紧密贴合，下透水石(2)与底座(9)的凹槽中的加载活塞(16)密封嵌置连接，上透水石(1)与上盖(6)的凹槽嵌置密封连接；上盖(6)中部设置上盖通道(5)，底座 (9)中部设置有底座通道(10)；

临界渗透气压测试单元：利用试样饱和单元对原状试样进行饱和以后，进行临界渗透气压测试，将试样饱和单元中的侧壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)替换为承压壁(27)、止水透气的上陶土板(12)和下陶土板(13)，饱和试样的上部与底部分别与上陶土板(12)、下陶土板(13)紧密贴合，下陶土板(13)和加载活塞(16)密封嵌置连接，上陶土板(12)和承压板(24)嵌置密封连接，承压板(24)位于上盖(6) 下部，承压壁(27)和上盖(6)及底座(9)密封嵌置构成压力室(21)；底座(9)中部的凹槽中固定有油缸(22)，油缸(22)内部的加载杆(25)与加载活塞(16)相连，加载活塞(16)向上伸入压力室(21)；底座(9)位于压力室(21)内腔与油缸(22) 之间的部位设有向压力室(21)注水的进水阀(18)；上盖通道(5)与气液压力-流量测试系统(14)相连，底座通道(10)与气液压力-流量控制系统(11)相连，底座通道(10)贯穿加载活塞(16)；气液压力-流量控制系统(11)连接底部通道(10)，上盖通道(5)与气液压力-流量测试系统(14)相连；

轴向压力模拟单元包括GDS轴压控制系统(19)、进油接头(17)、出油接头(20)、油缸(22)、加载活塞(16)，GDS轴压控制系统通过与进油接头(17)、出油接头(20) 相连，控制底座(9)中部的凹槽中固定的油缸(22)内的压力，油缸(22)内部的加载杆(25)与加载活塞(16)相连；GDS轴压控制系统(19)通过加载活塞(16)向原状试样(4)施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向压力；

径向围压模拟单元：包括压力室(21)，底座(9)位于压力室(21)内腔与油缸(22) 之间的部位设有向压力室(21)注水的进水阀(18)，上盖(6)设有与压力室(21)连通的排气阀(15)，进水阀(18)与径向围压控制系统(26)相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、实现了试样从饱和到渗透气压测试等相关试验的一体化操作，使得试样在无人为扰动的前提下在同一装置中实现了试样的饱和与渗透气压测试等相关试验，提高了试验精度；

2、通过向压力室注水，在压力室内试样四周形成水压以模拟隧道围岩的径向压力，通过油缸向试样的端面施加压力以模拟隧道围岩的轴向压力；

3、使用气液压力-流量控制系统通过底座通道对试样施加并维持不同的气压值，并对穿过试样的气体通过上盖通道的气液压力-流量测试系统，同步测量、记录气体的压力、流量以及流速；

4、试验时，试样的应力场环境以及水气二相流过程与实际隧道非常接近，对固、液、气多相耦合能够完整、合理的模拟。可以通过运用该装置以及对应方法，可以较准确的得到不同孔隙比不同三向应力下土体临界渗透气压以及渗透气压与气体渗透速度的定量关系，从而为饱水地层盾构法隧道带压换刀施工提供可靠的关键试验数据及依据，在有效保证掌子面稳定性的前提下，降低施工成本，提供施工进度，确保施工安全。

附图说明

图1为本实用新型试样饱和单元的结构示意图。

图2为本实用新型临界渗透气压测试单元的结构示意图。

图3为压力室的放大示意图。

1上透水石，2下透水石，3隔水橡胶膜，4原状试样，5上盖通道，6上盖，7侧壁，8拉杆，9底座，10底座通道，11气液压力-流量控制系统，12上陶土板，13下陶土板，14气液压力-流量测试系统，15排气阀，16加载活塞，17进油接头，18进水阀， 19GDS轴压控制系统，20出油接头，21压力室，22油缸，24承压板，25加载杆，26 径向围压控制系统，27承压壁；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

图1、图2、图3示出，一种饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置，包括试样饱和单元、临界渗透气压测试单元、轴向压力模拟单元，径向围压模拟单元；

试样饱和单元：包括侧壁7、上透水石1、下透水石2和上盖6及底座9，侧壁7 为无底圆筒状，原状试样4套上隔水橡胶膜3装入侧壁7中，并使侧壁7与隔水橡胶膜 3紧密贴合，并将原状试样4上部与底部分别与高渗透性上透水石1、下透水石2紧密贴合，最后将下透水石2与底座9的凹槽中的加载活塞16密封嵌置连接，将上透水石1 与上盖6的凹槽嵌置密封连接；上盖6中部设置上盖通道5，底座9中部设置有底座通道10；进行试样饱和时，底座通道10与气液压力-流量控制系统11相连，上盖通道5 与大气相连，打开上盖通道5与底部通道10，用气液压力-流量控制系统11维持一定水压(50kPa)对原状试样4进行饱和，待上盖通道5连续出水后，原状试样4即完全饱和。

临界渗透气压测试单元：将试样饱和单元中的侧壁7、上透水石1、下透水石2替换为承压壁27、止水透气的上陶土板12和下陶土板13，将饱和试样的上部与底部分别与上陶土板12、下陶土板13紧密贴合，保证密封，再将下陶土板13和加载活塞16密封嵌置连接，将上陶土板12和承压板24嵌置密封连接，承压板(24)位于上盖(6) 下部，承压壁27和上盖6及底座9密封嵌置构成压力室21。底座9中部的凹槽中固定有油缸22，油缸22内部的加载杆25与加载活塞16相连，加载活塞16向上伸入压力室 21；底座9位于压力室21内腔与油缸22之间的部位设有向压力室21注水的进水阀18。上盖通道5与气液压力-流量测试系统14相连，底座通道10与气液压力-流量控制系统 11相连，底座通道10贯穿加载活塞16。通过气液体压力-流量控制系统11通过底部通道10对原状试样4施加并维持制定的气压值，上盖通道5与气液压力-流量测试系统14 相连，对穿过原状试样4的气体进行同步记录其压力、流量以及流速。

轴向压力模拟单元包括GDS轴压控制系统19、进油接头17、出油接头20、油缸22、加载活塞16，GDS轴压控制系统通过与进油接头17、出油接头20相连，控制底座9 中部的凹槽中固定的油缸22内的压力，油缸22内部的加载杆25与加载活塞16相连。GDS轴压控制系统19通过加载活塞16向原状试样4施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向压力。

径向围压模拟单元：包括压力室21，底座9位于压力室21内腔与油缸22之间的部位设有向压力室21注水的进水阀18，上盖6设有与压力室21连通的排气阀15，进水阀18与径向围压控制系统26相连；径向围压控制系统26通过进水阀18、压力室21，向原状试样4施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围压σ3。

使用本例的饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置进行饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试试验方法，其具体做法是：

A.将原状试样4套上隔水橡胶膜3装入侧壁7中，并使侧壁7与隔水橡胶膜3紧密贴合，并将原状试样4上部与底部分别与高渗透性上透水石1、下透水石2紧密贴合，最后将下透水石2与底座9的凹槽中的加载活塞16密封嵌置连接，将上透水石1与上盖6的凹槽嵌置密封连接。

B.试样饱和步骤：打开上盖通道5与底部通道10，用气液压力-流量控制系统11 维持50kPa水压对原状试样4进行饱和，待上盖通道5连续出水后，原状试样4即完全饱和；

C.将装置中部饱和试样器替换为由外壁透明的承压壁27和上盖6及底座9密封嵌置构成的压力室21，并将原状试样4两端的高渗透性上透水石1、下透水石2拆下，替换为止水、透气的上陶土板12、下陶土板13，同样将原状试样的上部与底部分别与上陶土板12、下陶土板13紧密贴合，保证密封，再将下陶土板13和加载活塞16密封嵌置连接，将上陶土板12和承压板24嵌置密封连接；

D.拧紧拉杆8螺母，松开上盖6的排气阀15，围压控制系统26通过进水阀18向压力室21注水，当排气阀15有水溢出时即关闭排气阀15；

E.GDS轴压控制系统19通过加载活塞16向原状试样4施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向压力；围压控制系统26通过进水阀18、压力室21，向原状试样4施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围压；

F.气液压力-流量控制系统11通过底部通道10对原状试样4施加并维持制定的气压值，并对穿过原状试样4的气体通过上盖通道5的气液压力-流量测试系统14相连，同步记录气体的压力、流量以及流速；最终获得饱水地层隧道掌子面不同孔隙比土体在不同的三向应力状态下的临界渗透气压、气体损失率，并建立渗透气压与气体损失率的定量关系。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。