一种用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置的制作方法

本发明涉及一种土木工程盾构掘进模拟试验装置，尤其涉及一种用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置。

背景技术：

在地下空间的开发中，盾构法由于其施工快速、安全，对周围环境影响小，越来越受到重视，在工程实践中，盾构法适应于不同直径、地层条件下隧道的修建，其中在跨江、越海隧道修建中泥水盾构受到决策者的青睐。泥水盾构在工作时需要在掘削面注入配制好的加压泥浆来平衡前方的水、土压力，维持掘削面的稳定，保证施工安全。

泥水盾构的掘削面要获得稳定，泥浆的压力需要有效转换为对掘削面前方水、土压力的平衡力，通常泥浆压力大于地层中水压力，泥浆有向地层中渗透的趋势，从而在盾构的开挖面形成一层致密的低渗透系数的泥膜结构，阻止泥浆向地层渗透，同时也将泥浆的压力转化为对开挖面前方水、土压力的平衡力。虽然有很多泥水盾构在不同地层中成功的施工案例，但是对于泥水盾构掘削面处泥膜形成的机制研究不是很透彻。

现有技术中，专利号为“zl2013102052684”的发明专利，公开了一种泥水盾构泥膜形成过程的模拟试验装置，其蓄泥箱顶部与气压源的出口相连，顶部装有压力传感器，底部放置在电子天平上；土样舱的底部有反滤层，反滤层上部放置土样，土样舱的沿轴线方向的侧壁装有tdr探头，探头布置在土样内，在侧壁上布置七个孔压传感器，蓄泥箱下部与土样舱顶部连接，土样舱下部出口与蓄水箱下部相连；蓄水箱顶部与气压源的出口相连，蓄水箱上部与渗流量测量筒顶部相连，渗流量测量筒底部放在电子天平上。该发明在不同泥浆配方条件下，通过对泥浆施加驱动压力使其渗入土样，并监测不同时刻泥浆的渗透距离和孔压分布，探明泥浆成膜的极限条件，揭示泥膜渗透系数随时间变化的关系，研究泥膜形成过程，指导泥水盾构施工。

申请号为“2010101181985”的发明专利申请，公开了一种用于高压下泥水盾构形成泥膜的试验方法，其包括以下步骤：从工地上取原状土，干燥后过筛去除土中的大颗粒，然后装入试验桶体；打开上法兰盖板，将试验桶体内冲水，冲水时采用放射状撒水，然后盖上上法兰盖板，并确保上法兰盖板和试验桶体之间密封；待上法兰盖板和试验桶体之间密封后，通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气；在维持压力的条件下，将水排出；通过泥浆泵向试验桶体上部注入添加荧光材料后的泥水；通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气进行增压；再通过空气压缩机向试验桶体上部压入空气；待完成上述试验后，将试验桶体水平放置。该发明申请可以用于研究泥水盾构正面稳定力学机理和土体力学性质。

专利号为“zl201110047667.3”的发明专利，公开了一种泥水盾构泥膜形成过程的模拟试验装置，其组成是：模拟隧道结构的模型箱内分布有冻结管；冻结管的进口端通过连接管与液氮罐连接，出口端伸出到模型箱外；冻结管的进口端和出口端与模型箱的连接均为密封连接；模型箱的顶壁密封连接有加压管；模型箱的一侧设有盾构机套合口；模型箱内填充有土体，土体与模型箱壁之间置有一层泡沫，土体内还埋置有温度传感器。该装置能够模拟泥水盾构过程中的泥膜形成条件，并将形成的泥膜予以冻结固化，方便对泥膜的形态与结构进行观察与分析，从而得出泥膜的形成机制及与各种掘进参数的关系，进而为泥水盾构施工和泥水盾构机的设计提供更加科学可靠的试验依据。

上述公开的发明专利或发明申请存在以下缺陷：

由于地层中的孔隙水不仅对泥膜形成有影响，而且与泥膜形成后对泥膜的稳定有关；上述公开的发明专利或发明申请对地层中孔隙水压力对泥膜的影响考虑不足；同时，上述公开的发明专利或发明申请在进行泥水盾构泥膜形成试验的过程中，对地层中孔隙水压力调节的范围很窄，对实际地层中孔隙水压力模拟不够真实。

在泥膜形成的试验中，渗流作用起到了重要作用，由于地层土体颗粒与试验装置的侧壁接触不紧密，容易导致在侧壁位置渗流作用比土体中强，使试验结果不精确，产生边壁效应；上述公开的发明专利或发明申请没有对试验过程中的渗流边壁效应提出解决措施。

泥水盾构能够适应的地层较多，地层土体的颗粒大小跨度很大，要在不同地层中进行泥膜形成试验，满足试验要求的时需要对不同土体颗粒大小的地层在不同直径的试验装置中进行；上述公开的发明专利或发明申请采用一种直径的试验桶进行试验，无法对粒径变化范围较大的土颗粒地层进行试验。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置，该试验装置能够模拟在不同土颗粒地层、不同地层孔隙水压力的条件下泥膜成形及渗透试验，并较好地解决了试验过程中的渗流边壁效应。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置，包括渗流装置、气压装置、水压装置和控制台，所述气压装置和所述水压装置分别在所述控制台的控制下为所述渗流装置提供高压气源和高压水源，所述渗流装置包括渗流筒、上盖、底座、透水板和拉杆，竖向的所述渗流筒的上下两端均开口，横向的所述上盖和横向的所述底座分别安装于所述渗流筒的上下两端，所述上盖与所述底座之间通过竖向的所述拉杆连接，横向的所述透水板上设有多个竖向的透水孔，所述透水板置于所述底座上并位于所述渗流筒内，所述上盖的中部设有竖向通孔且该竖向通孔内安装有气源接头，所述气源接头与所述气压装置的出气口连接，所述底座设有输水通道且该输水通道的内端与所述渗流筒相通、该输水通道的外端安装有水源接头，所述水源接头与所述水压装置的出水口连接。

上述结构中，气压装置用于在控制台的控制下产生高压气源；水压装置用于在控制台的控制下产生高压水源；控制台即电气控制主体，通过现有技术的常规硬件和软件实现对气压装置和水压装置的控制，使气压装置和水压装置在需要的时候送出需要压力的气体和水流；气压装置、水压装置和控制台均为现有技术的常规设备，比如，气压装置可以是空压机，水压装置可以是水泵，控制台可以是由微处理器和常规外围电路组成的控制器；当然，如果控制台具有更多的设备和功能，气压装置也可以是气压瓶，水压装置也可以是水压瓶；渗流装置是本发明的核心结构，用于模拟泥水盾构泥膜形成及渗透破坏过程；渗流装置的渗流筒是渗流装置的核心部件，使用时其内部填充试验土体，在下部加入高压水、上部充入高压气体后形成泥浆和泥膜，用于试验；上盖和底座通过拉杆连接，分别用于封闭渗流筒的上端和下端，同时上盖中心位置设置气源接头，高压气体从渗流筒的上端中部充入筒内，底座设置输水通道和水源接头，高压水从渗流筒底部注入筒内，两者共同作用形成泥浆和泥膜，并能够通过改变气压和水压大小实现不同工况的模拟，达到高仿真模拟试验目的；透水板用于将渗流筒底部注入的高压水进行均匀分布，并利用透水孔的孔径和透水孔间距的适应性设计来实现最优的地下水渗透模拟效果，也是本发明的重要部件之一。

作为优选，为了增大土体颗粒与渗流筒内壁的摩擦，实现更好的模拟效果，所述渗流筒的内壁的中下段设有多个沿竖向间隔排列的摩擦力较高的高摩擦环，所述高摩擦环为打磨为粗砂表面的磨砂环或内凹的刻槽环。

作为优选，所述高摩擦环的轴向宽度为6-10mm，相邻两个所述高摩擦环之间的间距为8-12mm；最上端的所述高摩擦环在所述渗流筒上的高度是所述渗流筒高度的50-60％。

为了在需要的时候能够测量渗流筒内不同位置的水压或从两侧不同位置向渗流筒内施压，所述渗流筒的相对两侧侧壁分别设有多个沿竖向间隔排列的用于测量水压或向所述渗流筒内施压的横向的备用孔，所述备用孔内安装孔塞。不使用时孔塞封闭备用孔，不影响泥膜形成及相关试验，使用时取下孔塞，在备用孔内安装测量接头并外接测量仪器，或者在备用孔内安装气压或水压接头并外接高压气源设备或高压水源设备。

作为优选，所述渗流筒为有机玻璃筒。

为了实现更好的泥膜形成效果，所述上盖与所述渗流筒的上端之间、所述底座与所述渗流筒的下端之间设有防水密封圈。

作为优选，所述底座上的输水通道包括一个或多个设于所述底座上表面的环形凹槽和多个条形通孔，所述环形凹槽与所述条形通孔的内端相通，每一个所述条形通孔的外端均安装有一个所述水源接头。这种结构使高压水能够从多个角度均匀注入输水通道并均匀地从透水板的下方向上注入，通过透水板的透水孔后能够更加逼真地模拟地下水的渗透效果。

具体地，所述条形通孔为8个且分别沿所述底座的两个相互垂直的板面轴向均匀分布。

具体地，所述拉杆的两端设有螺纹，所述拉杆的两端分别穿过所述上盖四角的通孔和所述底座四角的通孔并用螺母固定，所述拉杆为四根且均匀分布于所述渗流筒的四周。

所述透水板为钢板，所述透水孔的直径为4-6mm，多个所述透水孔等间距布满所述透水板且其间距为3-8mm。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在渗流筒的上端充入高压气体，在渗流筒的下端注入高压水并通过透水板使高压水以多孔渗透的方式进入筒内，而且能够通过控制台实时控制气压和水压的大小，从而能够较为准确地模拟真实泥水盾构施工地层中泥膜形成的过程，从而高精度地完成泥水盾构施工中泥膜形成及其渗透破坏等相关性质的研究试验；通过在渗流筒的内壁中下段设置高摩擦环，能够增大土体颗粒与渗流筒内壁的摩擦，有效解决了渗流过程中的边壁效应，实现更好的泥膜形成效果；通过在渗流筒的两侧设置备用孔，能够在泥膜形成后外接施压设备，调节泥膜两侧的压力，模拟盾构机开仓换刀时与空气接触部分掘削面的受力情况，观测地层的反应，确定掘削面的稳定性，或者利用备用孔测量泥膜不同深度的压力，从而完成更多试验功能和更好试验效果。

附图说明

图1是本发明所述用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置的整体结构示意图，图中的渗流装置为立体结构视图；

图2是本发明所述用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置的渗流装置的主视剖视结构示意图；

图3是本发明所述用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置的渗流筒的主视剖视结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明所述用于泥水盾构泥膜形成及渗透破坏试验的试验装置包括渗流装置5、气压装置3、水压装置2和控制台1，气压装置3和水压装置2分别在控制台1的控制下为渗流装置5提供高压气源和高压水源，渗流装置5包括渗流筒54、上盖51、底座59、透水板57和拉杆55，竖向的渗流筒54的上下两端均开口，横向的上盖51和横向的底座59分别安装于渗流筒54的上下两端，上盖51与渗流筒54的上端之间、底座59与渗流筒54的下端之间设有防水密封圈53，上盖51与底座59之间通过竖向的拉杆55连接，具体连接结构是：拉杆55的两端设有螺纹，拉杆55的两端分别穿过上盖51四角的通孔和底座59四角的通孔并用螺母52固定，拉杆55为四根且均匀分布于渗流筒54的四周；横向的透水板57上设有多个竖向的透水孔(图中未示但便于理解)，透水板57置于底座59上并位于渗流筒54内，透水板57优选为钢板，所述透水孔的直径为4-6mm，优选5mm，多个所述透水孔等间距布满透水板57且其间距为3-8mm，优选为5mm；上盖51的中部设有竖向通孔且该竖向通孔内安装有气源接头50，气源接头50与气压装置3的出气口连接，底座59设有输水通道58且该输水通道58的内端与渗流筒54相通、该输水通道58的外端安装有水源接头60，水源接头60与水压装置2的出水口连接，输水通道58优选结构如下：输水通道58包括一个或多个设于底座59上表面的环形凹槽和8个条形通孔，8个条形通孔分别沿底座59的两个相互垂直的板面轴向均匀分布，所述环形凹槽与所述条形通孔的内端相通，每一个所述条形通孔的外端均安装有一个水源接头60；渗流筒54的内壁的中下段设有多个沿竖向间隔排列的摩擦力较高的高摩擦环56，高摩擦环56为打磨为粗砂表面的磨砂环或内凹的刻槽环，高摩擦环56的轴向宽度为6-10mm，优选8mm，相邻两个高摩擦环56之间的间距为8-12mm，优选10mm，最上端的高摩擦环56在渗流筒54上的高度是渗流筒54高度的50-60％，优选54％；渗流筒54的相对两侧侧壁分别设有多个沿竖向间隔排列的用于测量水压或向渗流筒54内施压的横向的备用孔(图中未标记)，所述备用孔内安装孔塞61；渗流筒54优选为有机玻璃筒。说明：图1中的气压装置3、水压装置2和控制台1均为简单结构示意图，完全不代表实际产品形状及构造。

如图1、图2和图3所示，应用时，将渗流装置5安装在安装底座4上，先不安装上盖51，通过渗流筒54的上端开口在透水板57上铺置一层片石以防止试验土体中的细颗粒掉下堵塞底座59上的输水通道58，片石层厚度45mm；然后将试验土体填充于渗流筒54内的中下段，形成土体填充区，根据需要，土体填充区的厚度在不同直径的渗流筒54中分别为350mm～500mm不等，确保土层全部处于渗流边壁效应改善区；然后，通过控制台1开启水压装置2，通过输水通道58自下而上向渗流筒54内注入高压水，高压水经过透水板57上均匀分布的多个透水孔后进入渗流筒54内的土体填充区，模拟实际地层孔隙水压力；再从渗流筒54的上端开口加入提前配置好的泥浆，在土体填充区以上形成泥浆区，泥浆区的厚度在不同直径渗流筒54中分别为250mm～500mm不等；然后安装好上盖51，通过控制台1开启气压装置3，通过气源接头50向渗流筒54内充入高压气体，向泥浆区施压，使泥浆压力与渗流筒底部的水压之间存在压力差且泥浆压力大于渗流筒底部的水压，以使泥浆向土体填充区渗透，形成泥膜；通过观测或通过渗流筒54的备用孔测量泥膜两侧的压力，获得试验结果，完成试验。在试验过程中，根据实际需要，可以通过控制台1调节气压装置3和水压装置2的压力，也可以通过渗流筒54的备用孔从两侧不同位置施加不同压力，从而模拟施工过程中的更多不同工况，完成更多试验功能和更好试验效果。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。