一种考虑压气固结过程的盾构泥膜闭气值和固结量的测量方法与流程

本发明涉及种考虑压气固结过程的盾构泥膜闭气值和固结量的测量方法，属于地下工程技术领域。

背景技术：

随着我国经济与科技水平的发展，地铁隧道、引水隧道及大型越江海隧道的建设欣欣向荣，盾构机在地下掘进过程中常遇到刀盘结饼、刀具磨损等问题，需要停机进行开舱检修等操作，频繁开舱检修是我国盾构隧道施工的特点。带压开舱工艺由于适用范围广、成本低、工期短的特点成为主流的开舱方法。带压开舱工艺使用泥浆在开挖面上渗透形成泥膜来维持开挖面两端的气压与土水压力。泥膜的质量关系着进舱人员的生命安全与盾构施工的顺利进行，通过室内试验模拟泥浆在地层中的渗透及泥膜的闭气性能，对施工现场进行评估指导，对实际工程意义重大。

现有闭气值评价方法忽略或无法考虑固结对于闭气值的影响。随着隧道埋深的日益变大，泥膜两侧的压力相应变大，泥膜在闭气过程中产生明显的固结排水现象，进而影响泥膜的闭气值。考虑泥膜在压气条件下的固结，及其对闭气值的影响对工程有重要参考意义。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑压气固结过程的盾构泥膜闭气值和固结量的测量方法，现有方法中，气压下只能测得泥膜的闭气值，不能测得泥膜的固结量，本发明方法先进行面压下测量泥膜的固结量，由于对应压力及增压速率下气压和面压下泥膜的固结量一致，从而可得到压气条件下透气时泥膜的固结量和闭气值。

泥膜是一种人工形成的软土，泥膜在封闭气压时，受到气压的影响会发生固结，而固结影响了泥膜的孔隙比，泥膜变得致密，破坏时的压力(闭气值)也会发生改变。因此考虑泥膜在气压下的固结对泥膜闭气值的影响十分必要，所以要测泥膜在闭气过程中的固结量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种考虑压气固结过程的盾构泥膜闭气值和固结量的测量方法，具体包含如下步骤：

步骤1，配制模拟泥浆，模拟泥浆的成分与现场带压开舱的泥浆成分基本一致；

步骤2，在试验筒体内，以土工布为渗滤介质，对泥浆加压向土工布渗透，在土工布表面形成泥膜；

步骤3，重复步骤2，得到两块相同的泥膜，将两个泥膜分别置于两个试验条件完全相同的试验装置内，将其中一块泥膜上覆盖一块不透气的膜，对两块泥膜施加同等的压力并以相同的增压速率逐渐增大压力，未覆盖不透气膜的泥膜进行闭气试验，覆盖有不透气膜的泥膜进行固结试验；

步骤4，分别测量两块泥膜在闭气试验和固结试验对应试验期间产生的排水量，得到泥膜在闭气试验中的闭气值和固结试验中的固结变形量，从而得到泥膜闭气过程中发生的固结变形量和闭气值。

本发明方法是先形成两块泥膜后，认为两块泥膜相同(泥浆参数、泥浆渗透压力与渗透时间根据实际工况确定，以此形成不同的泥膜，当泥浆参数、泥浆渗透压力、渗透时间以及土工布不变时，将形成同样的泥膜)，一块施加气压，进行闭气试验；在另一块泥膜上放橡胶模等不透气的薄膜，将气压转化为面压施加在泥膜上，进行固结，在对应的压力及增压速率下认为两块泥膜发生的固结变化一致。

其中，步骤2中，试验筒体为有机玻璃筒体，试验筒体底部设有排水沟槽，土工布放置于沟槽上。

其中，步骤2中，土工布的目数为100～400目；土工布可根据需求调整目数，以此模拟不同渗透系数的地层，一般为100～400目。泥浆向土工布渗透，土工布将过滤泥浆中的固体颗粒，固体颗粒逐渐堆积在土工布表面形成泥膜。

其中，步骤3中，从0开始增大气压，增压速率为10kPa/1s～10kPa/120s。从0开始增大气压，控制气压增大的速率，增压速率一般在10kPa/1s～10kPa/120s之间，增压速率不同，泥膜闭气值不同，发生透气时的固结变形量也不同。

其中，步骤3中，未覆盖不透气膜的泥膜是直接对泥膜施加气压，以此进行泥膜闭气试验。

其中，步骤3中，覆盖有不透气膜的泥膜是将气压转化为面压施加在泥膜上，以此进行泥膜固结试验。

其中，步骤4中，实时测量固结试验的排水量，泥膜实时的固结变形量等于泥膜固结试验产生的实时排水量。排水从试验筒体底部的排水沟槽排出简体，经过后续收集装置测量得到对应的排水量。

其中，步骤4中，实时测量闭气试验的排水量，在压力不断增大过程中，闭气试验排水量先短时间内快速增加，之后缓慢增加，当闭气试验排水量突然再次大量增加时的对应的气压力为泥膜在该增压速率下的闭气值。排水从试验筒体底部的排水沟槽排出筒体，经过后续收集装置测量得到排水量。

其中，步骤4中，将压力增加到闭气值所需的时间，此时对应的固结试验中泥膜的固结变形量等于泥膜在压气条件下透气时的固结变形量。两块泥膜以相同的增压速率加大气压，当闭气泥膜失效时，另一块泥膜的固结量就是泥膜闭气过程中的固结量。相比于直接测量闭气泥膜的厚度来算固结量，由于卸压后泥膜会回弹，因此用固结试验测量排水量作为泥膜的固结量更加精确。

相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：

本发明方法能简单易行地模拟地层中泥浆渗透成膜的过程，并能对泥膜在闭气过程中的固结变形量进行准确测量，从而能够对泥膜闭气过程中固结对闭气值的影响进行分析，以此动态地对泥膜闭气质量进行有效评估。

附图说明

图1为本发明方法中固结试验的试验装置图；闭气试验与固结试验唯一的区别是泥膜上没有覆盖不透气薄膜；

图1中，1为试验装置筒体；2为泥膜；3为不透气薄膜；4为加压口；5为筒体底部的排水沟槽；6为土工布。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明考虑压气固结过程的盾构泥膜闭气值和固结量的测量方法，其中泥浆采用选用汤山膨润土(钙基，无添加剂)、江宁粘土、清水作为基础材料(质量比为1∶1∶5)，然后向其中添加膨润土干粉质量4％的Na2CO3，泥浆质量2％的CMC溶液(质量浓度为2％)配制泥浆。得到比重1.2，马氏漏斗粘度49s的试验泥浆，该泥浆参数与南京纬三路过江通道泥水盾构机在砂卵石地层中进行带压开舱时选用的泥浆基本一致。

在试验筒体1底部铺设土工布6，土工布6采用100目；取500g试验泥浆倒入试验筒体1内，向泥浆施加200kPa的压力，持续3h，使泥浆渗过土工布6形成泥膜2。重复上述步骤，形成两块相同的泥膜；每块形成泥膜的厚度为9.3mm，总体积105.18cm³，质量含水率100％；

将两个泥膜分别置于两个试验条件完全相同的试验筒体1内，在其中一块泥膜2上覆盖一块不透气的膜3，对两块泥膜均采用10kPa/60s的增压速率逐渐从0开始增大压力；

闭气试验中，测得泥膜闭气值为360kPa，试验时间为36min，闭气试验中，将压力增加到闭气值所需的时间(36min)，此时对应的固结试验中泥膜的固结变形量等于泥膜在压气条件下透气时的固结变形量，此时固结试验中泥膜的固结变形量为37.32cm³，侧限情况下的体应变为35.48％，由于固结试验中泥膜的固结变形量与闭气试验中泥膜的固结变形量一样，从而得到闭气试验中泥膜的闭气值(360kPa)和固结变形量(37.32cm³)。

对比实施例1

本对比例采用与实施例1相同的泥浆，实施步骤与实施例1基本相同，不同的是固结与闭气试验时的增压速率不同。

在试验筒体底部铺设土工布，土工布采用100目；取500g试验泥浆倒入试验简体内，向泥浆施加200kPa的压力，持续3h，使泥浆渗过土工布形成泥膜；重复上述步骤，形成两块相同的泥膜，形成泥膜厚度为9.3mm，总体积105.18cm³，质量含水率100％；

将两个泥膜分别置于两个试验条件完全相同的试验筒体1内，在其中一块泥膜2上覆盖一块不透气的膜3，对两块泥膜均采用10kPa/100s的增压速率逐渐从0开始增大压力；

闭气试验中，测得泥膜闭气值为450kPa，试验时间为75min；此时泥膜固结变形量为49.76cm³，侧限情况下的体应变为47.31％。

由实施例1和对比实施例1可知，当增压速率越慢，泥膜的固结变形量越大，从而泥膜的闭气值越大，因此泥膜在气压下的固结量很大，不应该忽略，固结量会对闭气值产生影响，呈一定的线性相关。本发明方法可模拟泥浆在地层中渗透成膜的过程，并可测量泥膜的闭气值，同时可以测量出泥膜在闭气过程中发生的排水固结变形量。

本发明方法实测了闭气过程中泥膜发生的固结变形量，从而考虑了压气条件下固结对泥膜闭气值的影响，简单易行，工作量小，能全面地对泥膜质量进行评估，闭气值越大，泥膜的质量越好。