模拟泥水盾构开挖面泥浆成膜及测量泥膜渗透系数的装置的制作方法

本实用新型属于地下工程领域，涉及一种盾构隧道领域的实验装置，特别涉及模拟泥水盾构开挖面泥浆成膜及测量泥膜渗透系数的装置。该装置能完成不同泥浆压力和不同地层条件下泥浆渗透成膜过程的模拟，并可直接利用室内变水头实验测量泥膜的渗透系数。

背景技术：

近年来，随着我国隧道的大力建设，泥水盾构技术以其优良的压力控制模式、环保、快速、低扰动等优点，被广泛的应用于城市地铁和过江过河及海底隧道的建设中。盾构机在掘进时，需向地层中注入泥浆，使其在开挖面表面形成一层致密的泥膜，泥水压力作用在泥膜上用以平衡地层中水土压力，从而保持开挖面稳定。因此，施工中对泥膜的质量有着较高的要求，渗透系数是评价其质量的重要指标。由于盾构施工时地层条件较为复杂，会产生刀盘刀具过量磨损、刀盘结饼等问题，需要停机开舱检修。盾构停机常位于高水压、高透水性地层中，不满足常压开舱的施工条件，采用带压开舱技术进行检修。带压开舱检修需要泥膜具有良好的闭气性，在一定的气压条件下可以支护开挖面稳定，为开舱作业人员提供一个安全稳定的操作环境。由于泥膜闭气性与其渗透系数有关，因此，得出较为准确的泥膜渗透系数是十分必要的。

目前学术界通过室内泥浆渗透成膜过程中的滤水量来计算泥膜的渗透系数。此过程中，由于泥浆在不断地向泥膜及地层中渗透，使泥膜的性质不断变化，且泥浆颗粒会充填泥膜孔隙，难以测得准确的渗透系数。

技术实现要素：

本实用新型为模拟泥水盾构开挖面泥浆成膜及测量泥膜渗透系数的装置，将变水头实验装置与泥浆渗透成膜装置相结合，渗透形成泥膜后直接用清水测量泥膜的渗透系数，测试结果更为准确。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为，模拟泥水盾构开挖面泥浆成膜及测量泥膜渗透系数的装置，包括泥浆渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；泥浆渗透成膜机构包括有机玻璃柱、第一排水阀、法兰盘、空气压缩机、调压装置以及底座；有机玻璃柱的下端设于底座上；有机玻璃柱的底部设有第一排水阀；有机玻璃柱的顶端设有能拆卸的法兰盘，法兰盘的中心位置处设有进气口；空气压缩机通过进气口与有机玻璃柱的上部连通，调压装置设于空气压缩机与有机玻璃柱之间；泥膜渗透系数测量机构包括变水头管、刻度尺以及供水瓶；变水头管能穿过底座并与有机玻璃柱的底部连通，刻度尺设于变水头管上；供水瓶能与变水头管的底部连通，并能向变水头管中供水。

进一步地，供水瓶通过细管与变水头管连通。

进一步地，细管上设有第三排水阀。

进一步地，变水头管与有机玻璃柱间设有第二排水阀。

进一步地，有机玻璃柱的侧面在上方设有第四排水阀、下方设有排泥阀。

进一步地，供水瓶的上部并列设有接水源管与排气管，排气管的底部高度高于接水源管的底部高度。

进一步地，还包括烧杯，烧杯设于有机玻璃柱底部，并位于第一排水阀出口处。

进一步地，还包括土工布与钢丝网，钢丝网置于有机玻璃柱中并位于有机玻璃柱的底部，土工布设于钢丝网上。

进一步地，有机玻璃柱上设有刻度线。

有益效果

本实用新型的装置，通过将变水头实验装置与泥浆渗透成膜装置相结合，能在渗透形成泥膜后直接用清水测量泥膜的渗透系数。现有方法为直接利用渗透成膜过程中产生的滤水量来计算渗透系数，由于此过程中泥膜性质仍在发生变化，且泥浆颗粒不断填充泥膜孔隙，因此所得计算结果不是泥膜的真实渗透系数。本实用新型较好的解决了这一问题，使结果更为准确，操作简便、实用性强。

附图说明

附图1本实用新型装置的剖面图；

附图2本实用新型装置中有机玻璃柱示意图；

图中，1、第一排水阀；2、第二排水阀；3、第三排水阀；4、排泥阀；5、第四排水阀；6、有机玻璃柱；7、底座；8、法兰盘；9、泥浆；10、土工布；11、钢丝网；12、烧杯；13、调压装置；14、空气压缩机；15、变水头管；16、刻度尺；17、供水瓶；18、接水源管；19、排气管；20、细管；21、刻度线。

具体实施方式

下面结合附图和和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例中第一排水阀1、第二排水阀2、第三排水阀3、排泥阀4、第四排水阀5、有机玻璃柱6、底座7、法兰盘8、泥浆9、土工布10、钢丝网11、烧杯12、调压装置13、空气压缩机14、变水头管15、刻度尺16、供水瓶17、接水源管18、排气管19、细管20、刻度线21。

如图1所示，模拟泥水盾构开挖面泥浆9成膜及测量泥膜渗透系数的装置，包括泥浆9渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；

泥浆9渗透成膜机构包括有机玻璃柱6、第一排水阀1、法兰盘8、空气压缩机14、调压装置13土工布10、钢丝网11、烧杯12、以及底座7；有机玻璃柱6的下端设于底座7上；第一排水阀1能与有机玻璃柱6的底部连通；烧杯12设于有机玻璃柱6底部，并位于第一排水阀1出口处；有机玻璃柱6的顶端设有能拆卸的法兰盘8，法兰盘8的中心位置处设有进气口；空气压缩机14通过进气口与有机玻璃柱6的上部连通，调压装置13设于空气压缩机14与有机玻璃柱6之间；有机玻璃柱6的侧面在上方设有第四排水阀5、下方设有排泥阀4；钢丝网11置于有机玻璃柱6中并位于有机玻璃柱6的底部，土工布10设于钢丝网11上；为了方便测量，有机玻璃柱6上设有刻度线21；

空气压缩机14与调压装置13相连，通过法兰盘8中心的进气口向有机玻璃柱6内加压；所述有机玻璃柱6底部设有钢丝网11与土工布10，土工布10的类型通过盾构机所在地层的孔径进行等效计算确定，使得土工布10的开口孔径与地层的中值孔径相接近。钢丝网11主要作用是支撑土工布10。

泥膜渗透系数测量机构包括变水头管15、刻度尺16以及供水瓶17；变水头管15能穿过底座7并与有机玻璃柱6的底部连通，变水头管15与有机玻璃柱6间设有第二排水阀2，刻度尺16设于变水头管15上；供水瓶17能与变水头管15的底部连通，并能向变水头管15中供水。

所述泥膜渗透系数测量机构中供水瓶17通过细管20向变水头管15供水，细管20上设有第三排水阀3，变水头管15设有刻度尺16，供水瓶17瓶口并列设有接水源管18与排气管19，排气管19的底部高度高于接水源管18的底部高度。本实施例中，所述有机玻璃柱6底面积为45.6cm²，高度为6cm；排水阀距有机玻璃柱6顶端1.3cm，排泥阀4(注水阀)距有机玻璃柱6底端1.5cm。变水头管15及细管20横截面积为0.5cm²。

使用时，首先关闭第三排水阀3，通过接水源管18向供水瓶17中注水；确定所需地层条件，根据地层等效孔径计算出所需土工布10类型，打开密封法兰盘8，在有机玻璃柱6内依次铺设钢丝网11与土工布10；关闭第一排水阀1、第四排水阀5及排泥阀4，打开第二排水阀2与第三排水阀3，将土工布10反向饱和，关闭第二排水阀2与第三排水阀3，用引流棒向有机玻璃柱6中加入泥浆9；密封法兰盘8，打开空气压缩机14，通过调压装置13设定泥浆9渗透压力，打开第一排水阀1进行渗透实验，记录泥浆9渗透过程中滤水量；当泥浆9在土工布10表面形成一层致密的泥膜后，关闭第一排水阀1、调压装置13和空气压缩机14，打开排泥阀4，排净有机玻璃柱6内剩余泥浆9，通过刻度线21测量泥膜厚度后通过排泥阀4向有机玻璃柱6内注水，水位加至排水阀时停止注水，关闭排泥阀4，打开排水阀；打开第二排水阀2与第三排水阀3，将水平细管20注满水，关闭第二排水阀2，调节变水头管15内液面高度后关闭第三排水阀3；打开第二排水阀2与第三排水阀3，一定时间后若第四排水阀5有水滴出，则发生渗流，若没有水滴出，则继续增加变水头管15内液面高度；记录变水头管中水头高度h₁，同时开启秒表，记录发生渗流时间t后的变水头管中水头高度h₂，计算渗透系数k，

其中，a为变水头管的内截面积，单位cm²；L为泥膜厚度，单位cm；t为测读变水头管中水头高度的时间，单位s；h₁为变水头管的起始水头高度，，单位cm；h₂为变水头管的终止水头高度，单位cm；保证h₁与h₂的高度差大于10cm，并且变水头管中的初始水头h₁不能太低，否则不会发生渗流；测试时间t不超过3-4小时；

上述具体实施方式仅为本实用新型的优选方式，并非对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳作而做出的变化，均应属于本实用新型的保护范围。