CN110031369A - 复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，包括土箱、半圆形盾壳和动力加载***，土箱和盾壳采用透明材质制作，动力加载***为泥水仓内混有荧光粉的泥浆提供驱动力，土箱内位于刀盘的前方设有连接至U型压力计的超孔隙水压力监测孔，土箱上还设有为其提供常水头的常水头模拟装置；土箱设有盾壳的侧壁上设有与盾壳轴线平行的刻度尺，土箱的底部设有通过排水管连接至量筒的排水孔，排水管上设有排水阀。该装置可以控制不同地层条件、泥浆配比、注浆压力、注浆量等进行泥水盾构注浆***模拟，测定泥浆滤水量、泥膜厚度及泥膜前方土体超孔隙水压力等参数进行泥膜形成效果的研究分析。

Description

复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置及模拟方法。

背景技术

随着我国城市轨道交通建设的不断发展，出现越来越多复杂条件下的隧道施工，如水下隧道、近接既有隧道及建筑物施工、砂卵石等复杂地质条件下隧道施工等。泥水平衡盾构具有施工安全、施工扰动小、适用性广等优点，广泛应用在研究高水压强渗透复杂地质条件下的隧道施工。泥水平衡盾构隧道施工的核心就是通过注浆在开挖面前方形成一层致密的泥膜，从而将泥浆压力有效的作用在开挖面平衡地层的水土压力，保证开挖面稳定性。而对于复杂地层水下盾构隧道施工对泥膜形成效果的要求更高，因此如何在复杂地质条件选择能形成致密泥膜的泥浆配比、注浆压力及注浆量等是广大工程人员密切关注的问题。而通过施工现场对泥膜进行取样测试涉及施工工序较多，不经济，不利于深入进行泥浆性能对不同地质条件下泥膜形成效果的研究。

专利2015109384764公开了一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置，本发明对泥膜形成过程各监测参数变化规律以及泥浆渗透情况和泥膜性能定性参数进行归纳分析，找出影响泥浆平衡式盾构有效泥膜形成的主要因素，为泥浆盾构施工开挖面稳定提供可靠的实验依据。

专利2017109040525公开了一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法，该专利适用地质情况广泛，对泥水盾构的动态掘进模拟全面，可对地层进行多角度的监测，试验结果可以为现场开挖面的稳定、掘进参数及泥浆配比提供技术支持。

但是上述专利并不能模拟水下泥水盾构隧道的泥膜形成效果，而且观察泥膜的形成情况需要在注浆结束后，挖出实验土层，取出泥膜，较为麻烦，容易破坏泥膜，不能实时的观察泥膜的形成情况和泥浆在实验土层中的渗透路径。因此如何设计一种复杂地质条件下室内泥水盾构隧道注浆模拟***，是亟需解决的工程问题。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置。该装置可以控制不同地层条件、泥浆配比、注浆压力、注浆量等进行泥水盾构注浆***模拟，测定泥浆滤水量、泥膜厚度及泥膜前方土体超孔隙水压力等参数进行泥膜形成效果的研究分析。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，包括土箱、半圆形盾壳和动力加载***，所述盾壳固定安装在所述土箱的内侧壁上，所述盾壳的前端设有刀盘，内部形成有泥水仓，所述土箱和盾壳采用透明材质制作，所述动力加载***为所述泥水仓内混有荧光粉的泥浆提供驱动力，所述土箱内位于所述刀盘的前方设有连接至U型压力计的超孔隙水压力监测孔，所述土箱上还设有为其提供常水头的常水头模拟装置；所述土箱设有盾壳的侧壁上设有与盾壳轴线平行的刻度尺，所述土箱的底部设有通过排水管连接至量筒的排水孔，所述排水管上设有排水阀。

进一步的，所述常水头模拟装置包括第一水箱、第二水箱和抽水泵，所述第一水箱设置在所述第二水箱的下方，所述第二水箱的出水口通过进水管连接至所述土箱顶部的进水口，所述第二水箱的侧部设有连通至所述第一水箱的溢流口，所述第一水箱通过抽水泵将其内的水泵送至与所述第二水箱，所述进水管上设有进水阀。

进一步的，所述盾壳的内腔通过活塞分隔为前侧的泥水仓和后侧的气压仓，所述泥水仓的侧壁上设有注浆孔，所述注浆孔通过注浆管连接至注浆设备。

进一步的，所述气压仓的侧壁上设有进气孔，所述动力加载***包括空气压缩机，所述进气孔通过进气管连接至所述空气压缩机，所述气压仓上设有气压表，所述进气管上设有调压阀。

进一步的，所述刀盘上设有渗透孔且其内侧设有滤网。

进一步的，所述盾壳采用有机玻璃制作，且平直面利用环氧树脂胶结在土箱上。

进一步的，所述盾壳上还设有对活塞进行位置锁定的止动阀。

进一步的，在土箱底部设有砂卵石滤层。

进一步的，所述土箱呈方形。

一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成的模拟方法，采用上述模拟装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将土箱底部的排水孔通过排水管连接至量筒，并关闭排水阀，将刀盘安装在盾壳的前端，将超孔隙水压力监测孔与U型压力计连接，并关闭U型压力计阀门；

步骤二：在土箱底部装一层砂卵石滤层，然后装入试验土层并压实；通过顶板将土箱封闭并连接至常水头模拟装置，关闭进水管上的进水阀。

步骤三：在第一水箱内注入水，打开抽水泵，将第一水箱内的水箱泵送至第二水箱内并溢流；打开进水阀，使第二水箱中的水流入土箱中，直到土箱内实验土层饱和；然后打开排水阀，调整排水管和量筒的高度，直到排水管刚好不再有水流入量筒中；

步骤四：通过止动阀将活塞位置进行锁止，打开空气压缩机，利用调压阀设置预定大小的气压，通过进气孔，使气压传递到气压仓，观察气压表，保证气压仓气压达到要求值；

步骤五：将配制完成的泥浆通过泥浆管和注浆孔注入泥水仓，泥水仓被注满后，将注浆孔封住，然后打开超孔隙水压力监测孔上的U型压力计阀门；

步骤六：关闭锁止阀，用秒表记录开始时间，使气压仓的气压通过活塞传递到泥水仓中，形成预定大小的注浆压力，泥浆通过刀盘上的渗透孔，向刀盘前方实验土层渗透，在刀盘前方形成泥膜；

步骤七：泥浆向实验土层中渗透，每隔一段时间利用量筒记录泥浆滤水量，读取U型压力计各个超孔隙水压力监测孔位置处的孔隙水压力，直到泥浆滤水量和U型压力计的读数稳定时，表明致密的泥膜形成，通过刻度尺读取活塞移动的距离以及泥膜的厚度和泥浆渗透距离，计算出泥浆用量；最后，取出泥膜并将泥膜放入烘箱测量泥膜含水率，完毕后，将试验后的土层和砂卵石滤层清除，至此一个试验就完全完成。

采用上述技术方案的复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，通过常水头模拟装置将土箱内水头控制在稳定的高度，使土箱内的试验土体饱和，经注浆***将配制好的泥浆通过注浆孔注入泥水仓，关闭注浆孔打开空气压缩机，通过调压阀在气压仓形成恒定的气压，打开止动阀，通过可移动的活塞，给泥水仓内的泥浆提供给定的泥浆压力，泥浆通过刀盘上孔隙进入实验土层，在刀盘前方形成泥膜，通过测量***记录泥膜厚度，盾构前方土体超孔隙水压力和泥浆滤水量，为方便观察泥膜形成效果，本发明将地层和盾构机沿对称轴切开，根据预先在泥浆中掺入的荧光粉，取其中一半进行研究，根据预先在泥浆中掺入的荧光粉，可以清晰的在土箱侧面观察泥浆在土样中的渗透路径，实现泥膜成型过程的原位观察。

综上所述，本发明是一种简单可行有效的研究复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，可以控制不同地层条件、隧道埋深、泥浆配比、注浆压力、注浆量以及刀盘开口率等进行泥水盾构泥膜形成效果的研究，模拟施工现场复杂地质条件，通过本发明装置选择能在此地层形成致密泥膜的泥浆配比、注浆压力及注浆量，为施工现场泥浆参数的选择提供依据，有较强的工程适用性和应用前景。也可以对不同的泥浆配比、性能参数及注浆参数进行单因素或正交试验分析，进行泥浆性能、注浆参数等对泥水盾构隧道泥膜形成效果进行定性和定量的科学研究。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为动力加载***示意图；

图4为土箱与盾壳连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，包括土箱1、半圆形盾壳7和动力加载***，盾壳7固定安装在土箱1的内侧壁上，盾壳7的前端设有刀盘10，刀盘10上设有渗透孔且其内侧设有滤网29，盾壳7内部形成有泥水仓9，动力加载***为泥水仓9内混有荧光粉的泥浆30提供驱动力，土箱1内位于刀盘10的前方设有连接至U型压力计21的超孔隙水压力监测孔4，土箱1上还设有为其提供常水头的常水头模拟装置；土箱1设有盾壳7的侧壁上设有与盾壳7轴线平行的刻度尺13，土箱1的底部设有通过排水管连接至量筒的排水孔2，排水管上设有排水阀19，土箱1和半圆形盾壳7均采用透明材质制作，从而可以方便对泥膜成型过程进行观察，透明材质可以选择有机玻璃或塑料等。

参见图1，常水头模拟装置包括第一水箱15、第二水箱16和抽水泵17，第一水箱15设置在第二水箱16的下方，第二水箱16的出水口通过进水管连接至土箱1顶部的进水口3，第二水箱16的侧部设有连通至第一水箱15的溢流口，第一水箱15通过抽水泵17将其内的水泵送至与第二水箱16，进水管上设有进水阀18。

参见图1和图3，盾壳7的内腔通过活塞28分隔为前侧的泥水仓9和后侧的气压仓8，盾壳7上还设有对活塞28进行位置锁定的止动阀12。泥水仓9的侧壁上设有注浆孔5，注浆孔5通过注浆管14连接至注浆设备，气压仓8的侧壁上设有进气孔6，动力加载***包括空气压缩机25，进气孔6通过进气管27连接至空气压缩机25，气压仓8上设有气压表11，通过气压表11对气压仓8内的气压大小进行测量，进气管27上设有调压阀26，从而调节进气流量。

本申请将地层和盾构机沿竖向对称轴切开，取其中一半进行研究，根据预先在泥浆中掺入的荧光粉，可以清晰的在土箱侧面实时观察随着注浆的进行泥膜的形成过程、泥膜厚度以及泥浆在土样中的渗透路径，从而无需在注浆结束后，挖出实验土层，取出泥膜进行观察，可以实现泥膜的原位观察，能够实时的观察泥膜的形成情况和泥浆在实验土层中的渗透路径。

参见图4，盾壳7采用有机玻璃制作，且平直面利用环氧树脂胶结在土箱1上，土箱1为方形箱体，方形箱体由四块侧板、顶板以及底板围成组成。

超孔隙水压力监测孔4在刀盘前方的土箱上成排布置，每排超孔隙水压力监测孔4包括垂直于盾壳轴线布置的四个孔，排与排之间的间距采用100mm，然后通过螺栓连接U型压力计，与现有技术中在土层中埋设孔隙水压力计相比，U型压力计具有精度高、响应快、测量幅度广、造价低廉、稳定可靠等优点，而且每次更换土层不需要拆除测量装置，操作简单方便，更加适合高水压的水下盾构隧道孔隙水压力测量；而孔隙水压力计造价较高，体积较大，一般多用于工程实际现场测量，对于实验装置，各测点间距较小，不适合埋置孔隙水压力计。

参见图1-图4，一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成的模拟方法，采用上述模拟装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将土箱1底部的排水孔2通过排水管连接至量筒20，并关闭排水阀19，将刀盘10安装在盾壳7的前端，将超孔隙水压力监测孔4与U型压力计21连接，并关闭U型压力计阀门；

步骤二：在土箱1底部装一层砂卵石滤层22，然后装入试验土层23并压实；通过顶板将土箱1封闭并连接至第二水箱16，关闭进水管上的进水阀18。

步骤三：在第一水箱15内注入水，打开抽水泵17，将第一水箱15内的水箱泵送至第二水箱16内并溢流；打开进水阀18，使第二水箱16中的水流入土箱1中，直到土箱1内实验土层饱和；然后打开排水阀19，调整排水管和量筒20的高度，直到排水管刚好不再有水流入量筒20中；

步骤四：通过止动阀12将活塞28位置进行锁止，打开空气压缩机25，利用调压阀26设置预定大小的气压，通过进气孔6，使气压传递到气压仓8，观察气压表11，保证气压仓8气压达到要求值；

步骤五：将配制完成的泥浆30通过泥浆管14和注浆孔5注入泥水仓9内，泥水仓9被注满后，将注浆孔5封住，然后打开超孔隙水压力监测孔4上的U型压力计阀门；

步骤六：关闭锁止阀12，活塞28在气压作用下朝向刀盘10方向运动，用秒表记录开始时间，使气压仓8的气压通过活塞传递到泥水仓9中，形成预定大小的注浆压力，泥浆30通过刀盘10上的渗透孔，向刀盘10前方实验土层23渗透，在刀盘10前方形成泥膜24；

步骤七：泥浆30向实验土层23中渗透，每隔一段时间利用量筒20记录泥浆滤水量，读取U型压力计21各个超孔隙水压力监测孔4位置处的孔隙水压力，直到泥浆滤水量和U型压力计21的读数稳定时，表明致密的泥膜24形成，通过刻度尺直接读取活塞28移动的距离以及泥膜的厚度和泥浆渗透距离，利用活塞28移动的距离计算出泥浆用量；最后，取出泥膜24并将泥膜放入烘箱测量泥膜含水率，完毕后，将试验后的土层和砂卵石滤层清除，至此一个试验就完全完成。分别注入配置好的不同性能的泥浆，重复上述试验步骤。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。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。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成模拟装置，包括土箱、半圆形盾壳和动力加载***，所述盾壳固定安装在所述土箱的内侧壁上，所述盾壳的前端设有刀盘，内部形成有泥水仓，所述土箱和盾壳采用透明材质制作，其特征在于：所述动力加载***为所述泥水仓内混有荧光粉的泥浆提供驱动力，所述土箱内位于所述刀盘的前方设有连接至U型压力计的超孔隙水压力监测孔，所述土箱上还设有为其提供常水头的常水头模拟装置；所述土箱设有盾壳的侧壁上设有与盾壳轴线平行的刻度尺，所述土箱的底部设有通过排水管连接至量筒的排水孔，所述排水管上设有排水阀。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：所述常水头模拟装置包括第一水箱、第二水箱和抽水泵，所述第一水箱设置在所述第二水箱的下方，所述第二水箱的出水口通过进水管连接至所述土箱顶部的进水口，所述第二水箱的侧部设有连通至所述第一水箱的溢流口，所述第一水箱通过抽水泵将其内的水泵送至与所述第二水箱，所述进水管上设有进水阀。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于：所述盾壳的内腔通过活塞分隔为前侧的泥水仓和后侧的气压仓，所述泥水仓的侧壁上设有注浆孔，所述注浆孔通过注浆管连接至注浆设备。

4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于：所述气压仓的侧壁上设有进气孔，所述动力加载***包括空气压缩机，所述进气孔通过进气管连接至所述空气压缩机，所述气压仓上设有气压表，所述进气管上设有调压阀。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于：所述刀盘上设有渗透孔且其内侧设有滤网。

6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于：所述盾壳采用有机玻璃制作，且平直面利用环氧树脂胶结在土箱上。

7.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于：所述盾壳上还设有对活塞进行位置锁定的止动阀。

8.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于：在土箱底部设有砂卵石滤层。

9.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于：所述土箱呈方形。

10.一种复杂地层水下泥水盾构泥膜形成的模拟方法，采用权利要求4-9任一项所述的模拟装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将土箱底部的排水孔通过排水管连接至量筒，并关闭排水阀，将刀盘安装在盾壳的前端，将超孔隙水压力监测孔与U型压力计连接，并关闭U型压力计阀门；

步骤二：在土箱底部装一层砂卵石滤层，然后装入试验土层并压实；通过顶板将土箱封闭并连接至常水头模拟装置，关闭进水管上的进水阀。

步骤三：在第一水箱内注入水，打开抽水泵，将第一水箱内的水箱泵送至第二水箱内并溢流；打开进水阀，使第二水箱中的水流入土箱中，直到土箱内实验土层饱和；然后打开排水阀，调整排水管和量筒的高度，直到排水管刚好不再有水流入量筒中；

步骤四：通过止动阀将活塞位置进行锁止，打开空气压缩机，利用调压阀设置预定大小的气压，通过进气孔，使气压传递到气压仓，观察气压表，保证气压仓气压达到要求值；

步骤五：将配制完成的泥浆通过泥浆管和注浆孔注入泥水仓，泥水仓被注满后，将注浆孔封住，然后打开超孔隙水压力监测孔上的U型压力计阀门；

步骤六：关闭锁止阀，用秒表记录开始时间，使气压仓的气压通过活塞传递到泥水仓中，形成预定大小的注浆压力，泥浆通过刀盘上的渗透孔，向刀盘前方实验土层渗透，在刀盘前方形成泥膜；

步骤七：泥浆向实验土层中渗透，每隔一段时间利用量筒记录泥浆滤水量，读取U型压力计各个超孔隙水压力监测孔位置处的孔隙水压力，直到泥浆滤水量和U型压力计的读数稳定时，表明致密的泥膜形成，通过刻度尺读取活塞移动的距离以及泥膜的厚度和泥浆渗透距离，计算出泥浆用量；最后，取出泥膜并将泥膜放入烘箱测量泥膜含水率，完毕后，将试验后的土层和砂卵石滤层清除，至此一个试验就完全完成。