一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置及方法与流程

本发明涉及泥水平衡盾构，尤其涉及一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置及方法。

背景技术：

1、盾构法已成为各种隧道工程的常用方法，在水压高、地层渗透系数大的情况下，泥水平衡盾构是首选方案。在泥水平衡盾构机掘进过程中，加压泥浆渗透进开挖面的地层，形成一层渗透系数小的泥膜，将泥水压力转化为开挖面的支护力，平衡开挖面的土压和水压，从而保证施工安全。

2、明确泥浆渗透成膜的规律对盾构掘进参数的设定具有重要的参考价值，现有的泥浆渗透成膜试验装置中地层一般与外界相连通，其内部孔隙的水压力接近常压，但具体数值不明确。目前，超高孔隙水压力地层中泥浆渗透成膜的规律尚不清晰，制约了泥水盾构在高水压地层中的应用，急需可模拟泥浆在高水压地层渗透成膜过程的试验设备。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置及方法，以解决现有技术中没有对泥浆在高水压地层渗透成膜原理进行研究模拟的试验设备的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供的一种技术方案：一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置，包括两台空气压缩机、泥浆罐、储水罐和渗流筒，两台所述空气压缩机均通过第一压力管道分别与泥浆罐和储水罐连通，所述第一压力管道上均安装有进气阀，所述泥浆罐与储水罐上均设有压力计和排气阀，所述泥浆罐通过第二压力管道与渗流筒顶部连通，所述第二压力管道上设有进浆阀，所述储水罐通过第三压力管道与渗流筒底部连通，所述第三压力管道上设有截水阀，所述渗流筒的上下两侧均连接有盖板，位于上侧的所述盖板上连通有通气管，所述通气管上安装有通气阀，所述渗流筒内由下至上依次设有隔水层、透水挡板、碎石垫层和地层。

3、优选地，所述泥浆罐、储水罐和渗流筒均采用透明材质制成。

4、通过上述设置，从而便于观察泥浆罐、储水罐或渗流筒内的具体状况，有利于分析成膜的条件。

5、优选地，所述储水罐的外表面设有刻度线。

6、通过上述设置，便于及时记录储水罐内清水的容量。

7、优选地，所述渗流筒的上侧连通有测流管，所述测流管上设有阀门。

8、通过上述设置，因为地层的顶面与侧流管平齐，那么打开侧流管上的阀门，就可以轻松保证水位与地层顶面平齐，使试验情况与实际的泥水平衡盾构中泥浆开始渗透的情况相符合，提高了试验结果的准确性。

9、本发明的另一种技术方案：一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置的试验方法，包括如下步骤：

10、s1、利用土壤试样制作地层，利用碎石材料制作碎石垫层，按比例制备泥浆并在制备过程中添加有色颜料；

11、s2、在渗流筒内由下至上依次铺设隔水层、透水挡板、碎石垫层和地层，并将碎石垫层和地层夯实，保持地层顶面与测流管平齐，最后盖上位于上侧盖板；

12、s3、将泥浆罐和储水罐分别与渗流筒连接，然后打开通气阀、截水阀和储水罐上的排气阀，同时关闭测流管上的阀门，将储水罐内的清水从渗流筒底部灌入，使渗流筒内的液面位于土层以上，此时储水罐内的液面位于2/3处；

13、s4、关闭储水罐上的排气阀，同时打开储水罐上方的进气阀，启动空气压缩机将储水罐内的清水缓慢压入渗流筒内，直至清水超过地层2-3㎝，关闭截水阀、储水罐上方的进气管和空气压缩机，静置直至地层完全饱和，液面高度不再变化；

14、s5、打开测流管上的阀门，让渗流筒内的液面高度与地层顶面一致，然后关闭测流管上的阀门，读取此时储水罐上液面刻度；

15、s6、泥浆罐内的泥浆灌装至2/3的容量，将进浆阀、通气阀和泥浆罐上方的进气阀打开，关闭泥浆罐上的排气阀，启动空气压缩机将泥浆缓慢压入渗流筒内，直至泥浆紧贴渗流筒顶部的盖板，并漫过通气管后立即关闭对应的空气压缩机、通气阀和泥浆罐上的进气阀；

16、s7、重新启动储水罐上的空气压缩机，打开储水罐上的进气管和截水阀，确保储水罐内液面不上升；

17、s8、等待储水罐压力计数值上升到预设水压力值的同时重新启动泥浆罐处的空气压缩机，并打开泥浆罐上方的进气阀，利用泥浆罐处的空气压缩机保持泥浆罐内的压力值略大于预设水压力值，当储水罐的压力计和泥浆罐的压力计数值上升到预设值后打开进浆阀，此时泥浆开始渗透进地层；

18、s9、在泥浆渗透成膜的试验过程中，当泥浆渗透导致储水罐压力计数值大于预设水压力值时，利用储水罐的排气阀放出少量气体，使储水罐压力计数值稳定在预设水压力值；

19、s10、在泥浆渗透成膜的试验过程中，泥浆罐处的空气压缩机采用分级加压，每级加压过程中，当泥浆罐上压力计的压力值大于该级压力时，调节泥浆罐上的排气阀放出少量气体，使泥浆罐压力计数值稳定在该级压力值，泥浆在每级压力作用下充分地完成泥浆渗透成膜的过程；

20、s11、从打开进浆阀开始计时，每隔一段时间，泥浆罐处的空气压缩机增加一级压力，通过泥浆的颜色能够直接观察和记录渗流筒中泥膜形成情况并测量出泥浆渗透距离，同时观察储水罐液面上升情况，，同时观察储水罐液面上升情况，每隔1min读取一次液面刻度；

21、s12、当泥膜逐渐形成，储水罐液面逐渐稳定，刻度不再变化时，关闭泥浆罐处的空气压缩机，同时关闭进浆阀和截水阀，打开泥浆罐上的排气阀和储水罐上的排气阀释放本装置内的高气压，打开渗流筒的通气阀和渗流筒顶部的盖板，取出形成泥膜的土样。

22、本发明的有益效果：

23、1、本方案根据有色泥浆和带有刻度的透明储水罐可以直观地观测到泥浆的渗透过程、渗透距离和泥膜的形成过程，以及泥浆的滤失量。

24、2、本方案可以灵活地设置出实际高水压土层中存在的水压力并且保持土层中水压力的恒定。

25、3、本方案可以真实地模拟了高水压地层盾构中，泥浆与孔隙水、土层相互作用的真实情况。

技术特征：

1.一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：包括两台空气压缩机(1)、泥浆罐(2)、储水罐(3)和渗流筒(4)，两台所述空气压缩机(1)均通过第一压力管道分别与泥浆罐(2)和储水罐(3)连通，所述第一压力管道上均安装有进气阀(5)，所述泥浆罐(2)与储水罐(3)上均设有压力计(6)和排气阀(7)，所述泥浆罐(2)通过第二压力管道与渗流筒(4)顶部连通，所述第二压力管道上设有进浆阀(8)，所述储水罐(3)通过第三压力管道与渗流筒(4)底部连通，所述第三压力管道上设有截水阀(9)，所述渗流筒(4)的上下两侧均连接有盖板(10)，位于上侧的所述盖板(10)上连通有通气管，所述通气管上安装有通气阀(11)，所述渗流筒(4)内由下至上依次设有隔水层(12)、透水挡板(13)、碎石垫层(14)和地层(15)。

2.根据权利要求1所述的一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述泥浆罐(2)、储水罐(3)和渗流筒(4)均采用透明材质制成。

3.根据权利要求2所述的一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述储水罐(3)的外表面设有刻度线。

4.根据权利要求1所述的一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述渗流筒(4)的上侧连通有测流管，所述测流管上设有阀门(16)。

5.一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明属于泥水平衡盾构技术领域，公开了一种高水压地层泥水盾构泥浆渗透成膜试验装置及方法，试验装置包括空气压缩机、泥浆罐、储水罐和渗流筒，空气压缩机与泥浆罐和储水罐连通，第一压力管道上均安装有进气阀，泥浆罐与储水罐上均设有压力计和排气阀，泥浆罐与渗流筒连通，储水罐与渗流筒连通，第三压力管道上设有截水阀，渗流筒连接有盖板，盖板上安装有通气阀，渗流筒内设有隔水层、透水挡板、碎石垫层和地层。本发明仪器简明，可操作性强，能实现地层在泥浆渗透过程中保持恒定的高孔隙水压力；试验采用分级加压，在试验过程中，可直接观察到泥膜形成过程，测量记录泥浆渗透距离，可有效探究泥水盾构机在高水压地层中的泥浆渗透成膜规律。

技术研发人员：邹福清,耿芳闯,单青红,方勇,吴遁,李树良,张成来,李双军,田敬军,杨勇,经伟平,田立,严孝军,赵卫星
受保护的技术使用者：中铁十四局集团隧道工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15