一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置及方法与流程

本发明涉及盾构隧道，尤其涉及一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置及方法。

背景技术：

1、我国隧道建设规模日益增大，隧道向着长距离、大直径、深埋、高水压环境发起更高挑战。在盾构施工过程中开挖面的稳定性研究一直受到广泛关注，土压盾构利用开挖舱内渣土平衡前方土压力；泥水盾构利用开挖舱内泥水压力与前方水土压力达到平衡，由于地层中大量的自由水，使得泥水盾构开挖面稳定分析更加复杂，在一般分析研究中还要考虑泥浆的保压机制建立。

2、通过室内试验可以较好的直观反映泥浆与地层的匹配性，通过分析泥浆在地层中的渗透距离，滤失量，承压能力等来判断开挖面保压机制的建立与否。受现场施工各工序的限制，对泥浆性能提出要求，仅从单方面分析泥浆选用好坏是不合理的。同时受盾构刀盘的影响，掘进过程中，刀盘不断地切削地层，会破坏既有保压机制(泥膜)，影响开挖面的稳定。目前对于泥水盾构开挖面稳定性研究大多从泥浆渗透机理出发，分析浆液在不同压力下的渗透扩散过程，包括静态和动态泥膜分析。而泥浆渗透模型试验装置主要包括渗透柱和模型箱，渗透柱模型可以反映泥浆在单一方向的渗透过程，但不能直接反映地层变形和开挖面的稳定情况，模型箱装置可以更全面的分析泥浆在三维地层中的扩散，但对试验的规模及成本提出了更高要求。此外在盾构施工中，为了减少盾构掘进对地层的扰动，会在盾壳与管片之间注入克泥效，克泥效的注入改善隧道周边地层位移，同时也会提高盾构开挖面的稳定性，当前研究盾构开挖面稳定室内试验有如下不足之处：

3、1、泥浆渗透对开挖面的稳定性影响研究缺少直接的模型试验研究；

4、2、泥浆的渗透试验装置较少考虑高水压及地应力对泥浆扩散及保压机制的影响；

5、3、泥浆扩散室内试验装置对于泥浆扩散和地层的位移变化不能直接观察；

6、4、开挖面稳定室内试验中较少研究克泥效对地层及开挖面稳定性的影响。

7、5、室内试验装置的适用性较差，仅适用于单一的试验目的和研究对象。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置及方法，本发明可以实现模拟盾构泥浆渗透或克泥效充填对地层及开挖面稳定性的影响研究，通过可视化窗口配套不同研究对象的装置，可以很好地分析不同泥浆参数及地层水土荷载对泥浆扩散的影响，同时通过替换克泥效充填加固装置也可以用以分析克泥效充填对开挖面稳定性影响。模型箱中还留有整圆盾构掘进通道，用于更完整全面的试验研究。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，包括模型箱系统、地层环境模拟系统、模拟盾构掘进系统、监测系统；所述模型箱系统由模型箱刚性底座、侧向加固钢板和顶部密封钢板构成，所述顶部密封钢板与侧向加固钢板之间增设有防水密封垫，所述箱刚性底座与侧向加固钢板之间安装有加固螺栓用于加固模型箱系统，所述侧向加固钢板上设置有整圆开挖通道；所述地层环境模拟系统包括地应力加载装置和水荷载加压装置，地应力加载装置由反力架、千斤顶和传力板构成；所述模拟盾构掘进系统包括泥浆渗透装置和克泥效加固装置；所述监测系统包括若干孔压计、若干土压计和数据采集箱。

4、为了进行掘进实验，优选地，所述泥浆渗透装置包括：整圆刀盘，所述整圆刀盘上刚性连接有旋转螺杆，所述旋转螺杆远离刀盘的一侧通过联轴器连接有旋转步进电机；柱状盾壳，所述柱状盾壳置于整圆刀盘之后，且所述柱状盾壳外径与整圆刀盘外径一致，所述柱状盾壳内固定安装有隔板，所述隔板上设置有安装孔以及与该安装孔相适配的送泥管，所述送泥管远离隔板的一端固定连接有泥浆罐；所述泥浆罐上固定安装有压力计和稳压计。

5、为了使内部空间始终处于恒定状态，避免造成内部压力的变化，进一步地，所述隔板上开设有圆形滑槽，所述整圆刀盘上固定安装有连接杆，所述连接杆滑动安装在圆形滑槽内。

6、为了对泥水舱内压力过大时进行排泥处理，更进一步地，所述隔板上设置有回泥孔以及与该回泥孔相适配的回泥管，所述回泥管内转动安装有绞龙，所述绞龙传动轴与旋转螺杆之间通过调节组件传动连接。

7、为了通过控制模拟盾构装置前后压力的平衡，以保持稳定的工作环境，更进一步地，所述调节组件包括：固定安装在所述旋转螺杆上的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮的直径小于第二齿轮；固定安装在所述柱状盾壳内的第一安装座，所述第一安装座上转动安装有传递齿轮，所述传递齿轮与第一齿轮啮合连接；固定安装在所述柱状盾壳内的第二安装座，第二安装座上转动安装有第三齿轮，所述第三齿轮直径大于第一齿轮并与传递齿轮啮合连接；固定安装在所述柱状盾壳内的第三安装座，所述第三安装座上转动安装有第四齿轮，所述第四齿轮直径与第一齿轮直径相同且与第二齿轮啮合连接；所述绞龙传动轴上滑动安装有调节环，所述调节环内壁上弹性安装有插销，所述调节环外缘面上固定安装有嵌块，所述绞龙传动轴上开设有与插销相适配的键槽，所述第三齿轮和第四齿轮上开设有与嵌块相适配的嵌槽。

8、为了进行克泥效加固测试，进一步地，所述克泥效加固装置包括：模拟盾壳，所述模拟盾壳内部套有模拟管片，所述模拟管片内部刚性安装有刚性隔板且密封处理，所述模拟盾壳前端与模拟管片接触部位之间安装有橡胶密封套；所述模拟管片内侧固定安装有橡胶气囊，所述橡胶气囊与前方开挖面地层以及刚性隔板接触，所述刚性隔板上设置有气孔以及与该气孔相适配的气管，所述气管的一端延伸至橡胶气囊内部，所述气管的另一端连接有气泵，所述气管上固定安装有流量计；所述模拟盾壳和模拟管片之间设置有注入管，所述注入管的一端贯穿出模拟盾壳，所述注入管的另一端连接有克泥效罐，所述克泥效罐上固定安装有压力计和稳压阀。

9、为了确保喷射的有效性和土层的稳定性，更进一步地，所述柱状盾壳与模拟盾壳外缘面上均固定安装有喷嘴，所述喷嘴与机身呈5°—10°角倾斜。

10、为了进行水荷载加压测试，优选地，所述水荷载加压装置包括：空气压缩机，所述侧向加固钢板上设置有气孔以及与该气孔相适配的气管，所述气管与空气压缩机固定连接，所述气管上固定安装有阀门和压力计。

11、为了利用监测元件对地层水土荷载变化展开监测，优选地，所述侧向加固钢板上预留用于监测元件的引线孔，所有监测元件数据传输线通过统一的监测元件引线孔与数据采集箱相连。

12、一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验方法，操作步骤如下：

13、步骤1：安装模型箱系统并填充模型土和水；

14、步骤2：安装泥浆渗透装置或克泥效充填加固装置；

15、步骤3：连接注入系统，将泥浆注入系统或克泥效注入系统接入对应的浆渗透装置或克泥效充填加固装置中；

16、步骤4：接入压力系统并达到预设值，利用监测元件对地层水土荷载变化展开监测；

17、步骤5：启动开挖面施工工序；

18、步骤6：开展开挖面稳定性分析；

19、步骤7：试验结束后，通过监测系统收集数据，总结泥浆渗透或克泥效充填对地层和开挖面稳定的影响规律，分析地层参数，掘进参数的影响；

20、步骤8：重复以上步骤，设置不同地应力，水荷载、注浆压力、注浆量等参数，完成不同条件下的盾构开挖面稳定试验。

21、与现有技术相比，本发明提供了一种高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置及方法，具备以下有益效果：

22、1、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，通过泥浆渗透装置控制模拟盾构装置前后压力的平衡，以保持稳定的工作环境；通过调节绞龙的转速来调整装置的压力平衡，以保持稳定的工作状态，避免土层的塌方；

23、2、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，通过旋转电机带动旋转螺杆旋转并将旋转的力传递至整圆刀盘上，使整圆刀盘旋转掘进，掘进产生的废土掉入整圆刀盘与整圆隔板之间的空间内，整圆刀盘与整圆隔板之间通过连接杆支撑，从而使内部空间始终处于恒定状态，避免造成内部压力的变化；

24、3、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，通过模型箱装置可以同时实现地应力和高水压环境的模拟；

25、4、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，克泥效充填加固装置通过对气囊内体积进行调整，以反映开挖面主动土压力的变化对开挖面稳定性的影响；

26、5、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，提高了模型箱的试验对象的多样化，实现对盾构开挖面泥浆渗透保压以及克泥效充填对地层的影响；

27、6、该高水压地层环境盾构开挖面稳定性试验装置，通过监测系统，能够更好、更准确的反映模拟地层应力变化，泥浆扩散行为，开挖面稳定性等关键现象，能够有效获得盾构开挖面稳定性规律。