泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定设备及测定方法的制作技术

图片简介:本技术提出的是一种泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其结构包括空压机，A阀门，调压阀，B阀门，泥浆筒，泥浆，C阀门，玻璃筒，D阀门，量筒，滤液，电子天平，电脑，软管，E阀门；其中空压机和泥浆筒通过软管、A阀门、调压阀、B阀门相连，泥浆筒通过软管、C阀门与玻璃筒相连，玻璃筒通过软管、D阀门与盛有滤液的量筒相连，量桶放置在电子天平上，电子天平通过串口数据线与电脑相连，E阀门与玻璃筒相连，泥浆在泥浆筒内。

实时测定方法如下：（一）泥浆制备和地层、滤层制备；（二）泥皮厚度的实时测定。

优点：泥皮厚度的测定可以通过探针压力实时测定，测试方便、准确。

技术要求1.泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其特征是包括空压机，A阀门，调压阀，B 阀门，泥浆筒，泥浆，C阀门，玻璃筒，D阀门，量筒，滤液，电子天平，电脑，软管，E阀门；其中空压机和泥浆筒通过软管、A阀门、调压阀、B阀门相连，泥浆筒通过软管、C阀门与玻璃筒相连，玻璃筒通过软管、D阀门与盛有滤液的量筒相连，量桶放置在电子天平上，电子天平通过串口数据线与电脑相连，E阀门与玻璃筒相连，泥浆在泥浆筒内；玻璃筒顶部的顶板上布置探针，所述探针按以下特征分布：①共有24根探针分布在顶板上，其中九根探针分TA组、TB组和TC组3组，用以确定泥皮在3个不同径向上的厚度增长规律，每组有3根探针，每根探针位于不同圆圈上，同在一条直线上，且每组探针中3根探针的长度相同；所述TA组、TB组和TC组3组间的夹角为120°；TA组、TB组和TC组3组探针的探针端部分别距离地层表面高度为h1、h2和h3，且h1< h2< h3；选取h1为0，即测定地层表面泥皮的压力；②另15根探针为n1、n2、...、n15，其长度依次递增，分布在以顶板中心点为三个同心圆圈上，具体为：TA探针组中的TA2与TB探针组中的TB2之间在三等分点处布置n1、n2二根探针；TB探针组中的TB2与TC探针组中的TC2之间在三等分点处布置有n3、n4二根探针；TA探针组中的TA2与TC探针组中的TC2之间在三等分处布置有n5、n6二根探针，在TA探针组中的TA3、TB探针组中的TB3、TC探针组中的TC3所在的圆圈上，TA3与TB3之间在四等分点处布置有n7、n8、n9三根探针；TB3与TC3之间在四等分点处布置有n10、n11、n12三根探针；TA3与TC3之间在四等分处布置有n13、n14、n15三根探针，探针端部与地层表面距离由小到大依次为h1、h1+Δh×1、h1+Δh×2、...、h1+Δh×6、h2、h1+Δh×8、...、h1+Δh×14、h3、h1+Δh×16、h1+Δh×17；式中的Δh根据估计泥皮的最大厚度hmax来定，选取h1为0，即测定地层表面泥皮压力，h2取h1+Δh×7、h3取h1+Δh×15，探针n14、n15端部的位置略高于估算泥皮表面，最长的探针端部位于地层表面，最短的探针端部高于泥皮最大厚度；③24根探针通过软管与24个压力传送器相连，24个压力传送器与无纸记录仪的24个通道接口相连，压力数据以1s间隔由无纸记录仪记录并用曲线显示出来。

2.根据权利要求1所述的泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其特征是所述的玻璃筒的顶部有通过金属法兰连接的顶板。

3.根权利要求1所述的泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其特征是所述的玻璃筒内从上到下依次分布泥皮、地层、滤层。

4.根据权利要求1所述的泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其特征是所述的软管与无纸记录仪、压力变送器串接，该无纸记录仪是将压力变送器的压力信号通过32位ARM微处理器进行数据处理，一方面在大屏幕上液晶显示屏幕上以画面形式显示，另一方面把这些监察信号的数据存放在本机内藏的大容量存储芯片内，以便在本记录仪上直接进行数据和图形查询、翻阅，通过上位机管理软件，了解仪器记录信息，以曲线、图形、列表形式打印。

5.应用如权利要求1所述的泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置测定泥水盾构模型试验泥皮厚度的方法，其特征是包括如下步骤：（1）泥浆制备和地层、滤层制备；（2）泥皮厚度的实时测定；所述步骤（2）泥皮厚度的实时测定：①将空压机用软管与泥浆筒上部相连，通过调压阀控制泥浆顶面的气压p0大小,通过B阀门开关气压加载；②将带探针的顶板通过导杆缓慢下压与玻璃筒顶部金属法兰对齐，用螺栓将顶板与玻璃筒顶部金属法兰拧紧；③通过E阀门向玻璃筒注满清水，直至清水通过24根探针和与探针连接的24根软管流出，将充满水的24根软管与24个压力传送器连接，24个压力传送器与无纸记录仪相连，无纸记录仪以1s间隔实时采集各探针端部的泥水压力，关闭E阀门；④泥浆筒下部出泥浆口用一根软管与玻璃筒进泥浆口相连，通过一个C阀门开关泥浆进入玻璃筒；⑤打开B阀门、C阀门，调节调压阀使无纸记录仪上显示探针上的压力等于泥浆顶面的气压p0；⑥玻璃筒下部出泥浆口与软管相连，通过D阀门开关滤液流出，流出的滤液通过软管排入到放置在电子天平上的量筒内，电子天平通过串口数据线与电脑相连，以1s间隔实时记录滤液质量数据；⑦打开D阀门，泥浆在压力p0作用下从玻璃筒顶部进泥浆口进入，滤液从玻璃筒底部的出泥浆口排出并进入量筒，泥浆在地层表面形成泥皮，随着时间增加，滤液的质量增加，泥皮厚度逐渐增加；⑧当泥皮形成高于探针端部，此时记录的压力为探针端部对应点的泥皮内部压力；确定探针的压力与时间、滤液的关系；⑨分别对泥皮在各个点的压力进行监测，通过对不同点的压力和渗流量数据的分析，测定泥皮厚度与泥皮压降的关系。

6.根据权利要求5所述的测定泥水盾构模型试验泥皮厚度的方法，其特征是所述步骤（1）泥浆制备和地层、滤层制备，具体为：①根据泥水盾构工程实践，选取跟模型试验地层相适应的泥浆配比，按照该配比称取清水倒入搅拌桶中，边搅拌边缓慢倒入膨润土、碳酸钠、羧甲基纤维素钠溶液，充分搅拌均匀后静置24小时，让泥浆充分反应，并测定泥浆的Ph值、漏斗粘度、比重、含砂率和析水率性质，试验之前，将泥浆装入泥浆筒内；所述清水、膨润土、碳酸钠、羧甲基纤维素钠溶液的重量比：(7000-10000)：(800-1600)：(20-30)：(150-250)；②对砂土进行清洗、筛分，准备砂土滤层材料和砂土地层材料；③根据砂土地层级配选取砂土滤层级配，称取砂土滤层材料，将砂土滤层材料放入玻璃筒内夯实，达到预定高度；④根据砂土地层级配，称取砂土地层材料，采用分5层并逐层击实，将砂土地层材料放入玻璃筒内夯实，达到预定高度；⑤从玻璃筒底部出泥浆口缓慢注入清水，从底部向上渗透，直至把玻璃筒内的地层清洗干净，使其没有杂质，且水量高于地层以上。

7.根据权利要求5所述的测定泥水盾构模型试验泥皮厚度的方法，其特征是所述的测定泥皮厚度与泥皮压降的关系，具体表现出A、B、C三个阶段的变化关系，其中A阶段，开始至时间t1，随着泥浆的连续注入，探针处的压力恒定为p0；B阶段，时间t1-t2，随时间的增加，泥浆侵入地层后泥浆颗粒在地层面缓慢堆积，形成有厚度的泥皮，随着泥皮厚度的不断增加，在泥皮处的探针压力逐渐减小，当泥皮形成稳定厚度不再增长时，探针处压力稳定为p1；C阶段，时间t2至测定结束，泥皮厚度不再增长后，探针处的压力随时间的增加而保持恒定。

8.根据权利要求5所述的测定泥水盾构模型试验泥皮厚度的方法，其特征是所述的确定探针压力与滤液的关系，表现出A、B、C三个阶段的变化关系，其中A阶段，随着泥浆连续不断注入到玻璃筒中，玻璃筒中的水被从筒底的出口排出流入量筒中，随着滤失量从开始到增加至Q1，泥浆注入压力恒定为p0；B阶段，随着泥皮在地层表面缓慢成型，滤失量从Q1增加至Q2，探针处压力缓慢降为p1；C阶段，泥皮最终成型，压力稳定为p1，滤矢量不再增加。

技术说明书泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置及测定方法技术领域本技术涉及一种泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置及测定方法，属于岩土工程及隧道工程领域，涉及保障泥水盾构开挖面稳定的泥膜形成过程的测定方法。

背景技术泥水盾构广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，在复杂地层条件下，盾构机掘进面临巨大的工程风险，容易造成开挖面坍塌、地表沉降和隆起，所以要保证开挖面的稳定，在开挖面上计算形成有效的泥膜是保证开挖面稳定的关键，确定在不同地质条件下泥皮厚度增长规律，确定泥皮质量和形成施加，合理调度工程施工进度，是保证盾构机安全施工的保证。

但是传统的泥水盾构模型试验只能在卸压后用刻度尺大概估算出泥皮的厚度，而在卸压后去测量泥皮厚度泥皮会受到扰动产生变形和破坏，造成泥皮厚度与真实值存在差异，且只能得到卸压后那个时刻的泥皮厚度。

另外常规厚度测试仪器难以准确确定泥皮边界，只能得到一个估读值，对泥皮较薄的情形，测定误差可能大于泥皮自身的厚度，难以应用于泥皮性质判断和泥浆配比方案优化，因此需要研究泥皮厚度的大小与泥皮压降之间的关系，从而更准确直观地了解泥膜的形成时间以及可以实时测定泥皮的厚度，弥补了传统方法的不足。

传统的卸压后测定泥皮厚度有如下不足之处：①卸压后的地层和泥皮将产生变形，泥皮与地层接触处可能产生脱开或裂纹，测定泥皮厚度不准确；②卸压后取土容易扰动地层和泥皮，造成泥皮变形，测定值与真实值差别较大，且传统采用直尺测量泥皮厚度也不够精度，存在人为读数误差；③卸压后抽取泥皮表面的泥浆，抽取过程也会对泥皮产生扰动，造成不同位置测定的值具有较大差异，难以准确判别真实泥皮厚度；④卸压后仅能测定试验结束时刻对应的泥皮厚度，无法获取泥皮厚度在试验过程中的增长规律，也难以获得判定泥皮质量的关键数据。

传统采用直接从模型玻璃筒内壁上读取泥皮厚度有如下不足之处：①泥皮与泥浆颜色差异较小，二者界面难以确定；②玻璃筒避免存在毛细作用，从壁面读取的泥皮厚度可能略大于真实泥皮厚度，而这个增加值受到多种因素影响作用而难以确定；③泥皮内部不同位置的泥皮厚度可能不同，这种泥皮厚度差异性规律无法从模型玻璃筒内壁上泥皮厚度来获取；④泥皮厚度难以准确读取，且无法实时测定。

技术内容本技术提出的是一种泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置及测定方法，其目的旨在弥补现有盾构模型试验泥皮厚度难以测定的不足，对泥水盾构模型试验形成的泥膜进行实时跟踪监测。

本技术的技术解决方案，泥水盾构模型试验泥皮厚度实时测定装置，其结构包括空压机1，A阀门2，调压阀3，B阀门4，泥浆筒5，泥浆6，C阀门7，玻璃筒11，D阀门15，量筒16，滤液17，电子天平18，电脑19，软管20，E阀门21；其中空压机1和泥浆筒5通过软管20、A阀门2、调压阀3、B阀门4相连，泥浆筒5通过软管20、C阀门7与玻璃筒11相连，玻璃筒通过软管20、D阀门15与盛有滤液17的量筒16相连，量桶16放置在电子天平18上，电子天平通过串口数据线与电脑19相连，E阀门21与玻璃筒11相连，泥浆6在泥浆筒5内。