泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置及方法，先在室内的试验柱中进行特定地层中泥膜形成的模拟试验，形成与实际情况类似的泥膜，然后让气压直接作用在泥膜，采用分级加压的方法进行泥膜闭气值的测定，测试较准确的反映了气压作用下泥膜的闭气效果，克服了现场进行泥浆调整和泥膜闭气值测试耗时长、不经济等等问题。而且本发明所涉及的测试方法简单易行，工作量小，耗时短，现场可以根据测试结果进行快速调整，是一种较快较经济的泥膜闭气值测试方式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥水盾构带压开舱条件下，室内测试开挖面上形成的泥膜的闭气值的装置及方法，属于地下工程领域。

背景技术

我国采用盾构工法修建的水下隧道时多会穿越高渗透性、高石英含量的砂卵石等地层，经常遭遇盾构机刀盘刀具磨损严重、刀盘结饼及障碍物等情况，而被迫停机进行开舱清理或维修等作业。由于受到隧道上部有河流、湖泊等水域、构筑物或者其他原因的影响，从地表加固地层常压开舱的方法被限制，以压气工法为基础的带压开舱方法越来越多被使用。常规的压气工法一般适用于渗透系数小于10^-2cm/s的土层，对于渗透系数大于10^-2cm/s的粗粒土地层，常采用泥浆在开挖面上形成闭气性良好的泥膜等辅助方法来降低地层的透气性，保证开挖面的稳定性。由于泥膜是一种特殊的多孔介质，其所能承受的最大气压值即泥膜的闭气值的大小，直接决定了带压开舱时压力舱内气压值的设定。因此，若能在带压开舱实施之前，先对拟采用的泥浆所形成的泥膜的闭气值进行测试，则可对开舱用的泥浆配比和成膜条件进行验证和改进，有利于带压开舱的安全进行。而在现场进行泥膜闭气性的测试，不仅不经济，而且还存在较大的风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置及方法，能快速测试特定地层条件和泥浆压力条件下形成的泥膜的闭气值。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置，它包括管状的试验柱、与试验柱的顶部相连接的空压机和气压表、设置在试验柱与空压机之间的进气阀、位于试验柱底部的排水口、位于试验柱中部的排泥口。

进一步地，排水口处设置有控制排水口开关的排水阀。

进一步地，排泥口处设置有控制排泥口开关的排泥阀。

一种利用上述的泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置的测试方法，它包括以下步骤：

a.首先在试验柱中装入一定厚度的砂颗粒作为滤水层，在滤水层上装入厚度为滤水层厚度4倍的试验地层，装入地层时，控制地层的干密度，然后采用从下自上的方法进行地层的饱和；

b.在试验柱中饱和的地层上装入厚度与地层厚度大致相等的试验泥浆，泥浆的液面与试验柱的顶部具有一定距离，将试验柱密封好，调节空压机和气压表，设定泥浆渗透的气压值，然后打开进气阀，使气压作用在泥浆液面上；由于实际填装时，由于手法和测量的问题，存在一定的误差，因此这里说厚度大致相等，而不能做到绝对相等；

c.打开试验柱底部的排水口，测量排出液体的体积和重量并计算出泥浆的渗透流量，测量泥膜的厚度；

d.试验进行一定时间后，关闭试验柱底部的排水口，然后打开试验柱中部的排泥口，将试验柱中的泥浆全部排出；

e.关闭排泥口和进气阀，确定测试泥膜闭气值的压力等级和作用时间，设定第一级气压后，打开进气阀，使气压直接作用在泥膜上；

f.打开排水口，测试第一级气压作用下的渗透流量随时间的变化；若渗透流量随时间变化量很小时，待渗透流量的变化量稳定之后，施加下一级气压，继续测试该级气压作用下的渗透流量随时间的变化；

g.若在某一级气压作用下，渗透流量突然变大，随后气体即穿透泥膜，则结束试验，对应的该级压力值即为试验泥浆形成泥膜的闭气值。

进一步地，步骤a中，试验柱中装入的滤水层为粒径范围2mm-5mm的单一粒径砾砂层。

进一步地，步骤a中，试验柱中装入的地层为实际开舱工程中所处位置的地层；步骤b中，试验柱中装入的泥浆为实际开舱工程中拟使用的泥浆。

进一步地，步骤d中，试验进行的时间应根据具体工程中的泥浆成膜时间来设定。

进一步地，步骤b中，采用法兰将试验柱密封。

进一步地，步骤c中，通过烧杯测量出排出液体的体积，通过电子称测量出排出液体的重量。

进一步地，排水口对接有烧杯，烧杯置于电子称上，步骤c和步骤f中，通过烧杯测量出排出液体的体积，通过电子称测量出排出液体的重量

进一步地，步骤g中，泥膜的闭气值是指泥膜所能承受的最大气压值，当气压大于闭气值时，泥皮型泥膜将出现透气现象；当气压小于闭气值时，则泥膜处于完全的闭气状态。

进一步地，地层位于排水口之上，排泥口对应泥浆的底部。

通过采用上述技术方案，本发明泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置及方法，先在室内的试验柱中进行特定地层中泥膜形成的模拟试验，形成与实际情况类似的泥膜，然后让气压直接作用在泥膜，采用分级加压的方法进行泥膜闭气值的测定，测试较准确的反映了气压作用下泥膜的闭气效果，克服了现场进行泥浆调整和泥膜闭气值测试耗时长、不经济等等问题。而且本发明所涉及的测试方法简单易行，工作量小，耗时短，现场可以根据测试结果进行快速调整，是一种较快较经济的泥膜闭气值测试方式。

附图说明

附图1为室内模拟特定地层和泥浆条件下形成泥膜示意图；

附图2为泥膜闭气值测试示意图；

附图3为4组不同泥膜的闭气试验中渗透流量随气压变化及泥膜闭气值示意图。

图中标号为：

1、试验柱；2、滤水层；3、地层；4、泥浆；5、法兰；6、进气阀；7、气压表；8、空压机；9、排水阀；10、烧杯；11、电子称；12、泥膜；13、刻度纸；14、排泥阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1和图2所示，一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置，它包括管状的试验柱1、与试验柱1的顶部相连接的空压机8和气压表7、设置在试验柱1与空压机8之间的进气阀6、开设在试验柱1底部的排水口、开设在试验柱1中部的排泥口。试验柱1的顶部开设有进气口，空压机8和气压表7连接在进气口上。排水口处设置有控制排水口开关的排水阀9，排泥口处设置有控制排泥口开关的排泥阀14。试验柱1的外壁上设置有刻度纸13。排水口对接有一烧杯10，烧杯置于一电子称11上。

一种利用上述泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试装置的测试方法，首先在试验柱1中装入滤水层2，然后装入试验地层3，饱和地层后，装入试验泥浆4，再利用法兰5对试验柱1顶部进行密封；打开进气阀6，通过调整气压表7和空压机8设定泥浆4渗透的压力，使气压直接作用在泥浆4的液面上，打开排水阀9，采用烧杯10和电子称11测试并计算泥浆4的渗透流量；渗透试验持续一定时间后，关闭排水阀9，通过试验柱1上的刻度纸13观测地层3表面形成的泥膜12的厚度和形态；打开排泥阀14，将试验柱1中的泥浆4全部排出后，关闭排泥阀14；调整空压机8设定气压值，然后打开排水阀9，测试并计算气压作用下泥膜12的渗透流量。

上述一种泥水盾构带压开舱时开挖面泥膜闭气值的测试方法，具体而言包括以下步骤：

a.首先在试验柱1中装入5cm厚的砂颗粒作为滤水层2，其上通过控制干密度的方法装入20cm厚的试验地层3，地层3位于排水口之上，然后采用从下自上的方法进行地层3的饱和；控制干密度的方法是本领域技术人员熟知并且惯用的方法，这里不做赘述；

b. 在试验柱1中饱和的地层3上装入约20cm的试验泥浆4，泥浆4的液面与试验柱1的顶部具有一定距离，泥浆4的底部对应试验柱1中部的排泥阀14，采用法兰5将试验柱1密封好，调节空压机8和气压表7，设定泥浆4渗透的气压值，然后打开进气阀6后，使气压作用在泥浆4的液面上；

c. 打开试验柱1底部的排水阀9，通过电子称11和烧杯10测试排出液体的重量和体积，计算出泥浆4的渗透流量，通过试验柱1上的刻度纸13测量泥膜12的厚度；渗透流量的计算方法是本领域公知常识，这里不做赘述；

d. 试验进行4-8h后，关闭试验柱1底部的排水阀9，然后打开试验柱1中部的排泥阀14，将试验柱1中的泥浆4全部排出，如附图2所示；

e. 关闭排泥阀14和进气阀6，确定测试泥膜12闭气值的压力等级和作用时间，设定第一级气压后，打开进气阀14，使气压直接作用在泥膜12上；

f. 打开排水阀9，测试第一级气压作用下的渗透流量（通过电子称11和烧杯10测试排出液体的重量和体积，计算出渗透流量）随时间的变化；若渗透流量随时间变化量很小时，待渗透流量的变化量稳定之后，施加下一级气压，继续测试该级气压作用下的渗透流量随时间的变化；

g.若在某一级气压作用下，渗透流量突然变大，随后气体即穿透泥膜12，则结束试验，对应的该级压力值即为试验泥浆4形成泥膜12的闭气值。

步骤a中，试验柱1中装入的滤水层2为粒径范围2mm-5mm的单一粒径砾砂层，地层3为实际开舱工程中所处位置的地层；步骤b中，泥浆4为实际开舱工程中拟使用的泥浆。

步骤d中，渗透试验的时间应根据具体工程中的泥浆成膜时间来设定。

步骤g中，泥膜12的闭气值是指泥膜所能承受的最大气压值，当气压大于所述闭气值时，泥皮型泥膜将出现透气现象；当气压小于所述闭气值时，则泥膜处于完全的闭气状态。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。