一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置及測試方法與流程
2023-09-15 02:49:05 2
本發明屬於盾構隧道泥水壓力測試技術領域，尤其涉及一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置，還涉及一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試方法。適用於泥水盾構隧道掌子面所施加的泥水壓力室內實驗測試。
背景技術：
近年來隨著城市地下交通隧道、越江跨海隧道的快速發展，盾構機因其施工安全性能好、速度快、擾動小以及經濟效益高等優點得到了廣泛的應用。在盾構隧道施工過程中掌子面的穩定性對隧道的安全高效施工以及地表沉降的有效控制具有重要的影響，而在泥水盾構施工中，掌子面的水土壓力主要是依靠所施加的泥水壓力來平衡，進而保障掌子面的穩定。在施工過程中由於掌子面施工的複雜性，因此無法直接對掌子面處的泥水壓力進行監測，目前對掌子面所施加的泥水壓力主要是依靠作業技術人員的經驗來判斷控制，而在相關研究中簡單的認為泥水倉內的壓力與掌子面處的泥水壓力分布形式和大小相同，顯然此種做法存在不合理之處。由於掌子面與泥水倉之間間隔一個刀盤且刀盤上設置有開口，二者之間的泥水壓力存在一定關聯性，而泥水倉內的泥水壓力在施工中比較容易測出，因此可以通過測定泥水倉內的壓力值，進行反演分析得出掌子面處的泥水壓力值，進而可以對掌子面穩定進行有效控制。現有的相關文獻如「土壓平衡盾構機密封艙壓力控制機理模型及實驗研究」一文中闡述了土壓倉內的土壓力與掌子面的處的土壓力具有一定的映射關聯，然而數值模擬方法無法模擬盾構掘進時掌子面與土壓倉內的土壓力存在和分布的真實狀態，通過數值模擬分析得出結論具有一定的局限性，需要通過相應的實驗方法進行論證方可有效合理的利用，除此之外土體與泥水的力傳遞形式具有一定的區別。因此研究一種能夠真實有效的反映盾構掘進中掌子面和泥水倉內泥水流動賦存狀態的實驗裝置尤為重要，通過實驗確定掌子面水壓力與泥水倉泥水壓力之間的映射關係，依據泥水倉泥水壓力的監測結果預測掌子面處的水壓力，對掌子面的穩定性控制具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的是在於針對現有技術存在的上述問題，提供一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置，還提供一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試方法。通過設定不同的實驗條件測試出掌子面內和泥水倉內相應位置泥水壓力值，通過相關性分析得出掌子面泥水壓力與泥水倉泥水壓力值之間的映射函數關係式，通過監測泥水倉泥水壓力值可以更好預測掌子面處泥水壓力值，為掌子面的支護壓力的動態控制提供有力的理論支撐，保障施工安全高效的進行。
一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置，包括土箱，還包括可移動金屬外殼，土箱的側壁開設有土箱連通孔，可移動金屬外殼的側壁開設有外殼連通孔，圓筒狀的泥水倉通過支撐臺橫向水平設置在可移動金屬外殼內，泥水倉一端設置有開口控制件且穿出外殼連通孔與土箱連通孔無縫連接，泥水倉另一端密封，泥水倉頂部通過泥水進管與緩衝箱連接，泥水倉底部通過泥水出管與泥水泵連接，泥水泵通過泥水連接管與緩衝箱連接，泥水倉內泥水經過的路徑上從上至下垂直設置有若干個泥水壓力計，土箱的內壁位於土箱連通孔的部分罩設有鋼筋網，鋼筋網上從上至下設置有若干個與泥水壓力計一一高度對應的孔隙水壓力計，孔隙水壓力計與孔隙水壓力存儲器連接，泥水壓力計與泥水壓力存儲器連接，泥水進管上設置有閥門。
如上所述的開口控制件包括連接軸、第一擋片和第二擋片，第一擋片和第二擋片上均開設有流通口，第一擋片和第二擋片均套設在連接軸上並均可以連接軸為中心周向旋轉，第一擋片和第二擋片貼合設置。
如上所述的土箱與可移動金屬外殼之間通過法蘭連接。
一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試方法，包括以下步驟：
步驟1、將土箱和可移動金屬外殼分離開來，通過開口控制件控制泥水倉與土箱連通孔連通的開口的開口率為實驗設定開口率；
步驟2、再土箱和可移動金屬外殼安裝在一起，並使得土箱連通孔和泥水倉連通；
步驟3、取下孔隙水壓力存儲器和土箱的頂板，向土箱內裝入實驗所用土體並將土體夯實壓密達到實驗要求，安裝上土箱的頂板並將孔隙水壓力存儲器放置在土箱頂板上；
步驟4、向緩衝箱內加入實驗要求的泥水漿液，直至緩衝箱內泥水漿液面達到設定位置並保持穩定不變；
步驟5、打開泥水泵並設置泥水泵的流量，打開閥門，待泥水漿液流動穩定時，打開孔隙水壓力存儲器和泥水壓力存儲器，讀取並記錄孔隙水壓力數據和泥水壓力數據；
步驟6、關閉泥水泵和閥門，將步驟5中獲得高度位置對應的泥水壓力計和孔隙水壓力計測得的孔隙水壓力數據和泥水壓力數據進行擬合，得出在實驗設定的開口率條件下孔隙水壓力與泥水倉內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B，其中Pn為當前開口率條件下的泥水倉12內泥水壓力變量，Pm為當前開口率條件下的孔隙水壓力變量，A和B均為在實驗設定的開口率條件下映射關係函數的常量係數；
步驟7、打開泥水泵排乾泥水倉內的泥水，調整開口率到下一個實驗設定的開口率，重複步驟1~6，測試在不同開口率條件下孔隙水壓力與泥水倉內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B；
步驟8、將不同開口率與對應的開口率條件下的A進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數A』，將不同開口率與對應開口率條件下的B進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數B』，獲得有關開口率影響下的孔隙水壓力（掌子面泥水壓力）與泥水倉內泥水壓力的數學表達式Pm=A』×Pn-B』 。
本發明相對於現有技術，具有以下優點：
模擬的水泥漿液流動狀態更加接近實際情況，因此通過對水泥倉內水壓力和掌子面處泥水壓力進行監測得出的數據更加真實有效，通過對監測得到的兩組數據進行擬合分析，可以得到水泥倉內水壓力和掌子面處泥水壓力的映射關係，本裝置內的固定擋板上設置有開口控制件，可以改變固定擋板上縫隙的大小，研究刀盤開口率對掌子面泥水壓力和泥水倉泥水壓力的影響，可以為動態調控泥水倉內泥水壓力並保障掌子面的穩定性提供有力的理論依據；此外本發明還具有操作方便、成本低、可靠性強等優點，具有較強的推廣使用價值。
附圖說明
圖1是泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置示意圖；
圖2是固定擋板的平面示意圖；
圖3是改變開口率後的固定擋板平面示意圖；
圖4是泥水倉泥水壓力與掌子面孔隙水壓力擬合關係示意圖。
圖中：1-孔隙水壓力存儲器，2-泥水壓力存儲器，3-緩衝箱，401-泥水進管，402-泥水出管，403-泥水連接管，5-泥水泵，6-開口控制件，7-土箱，8-鋼筋網，9-孔隙水壓力計，10-開口控制件，11-支撐臺，12-泥水倉，13-泥水壓力計，14-可移動金屬外殼，15-閥門，16-土箱連通孔，17-外殼連通孔。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步詳細描述：
實施例1
如圖1所示，一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置，包括土箱7，還包括可移動金屬外殼14，土箱7的側壁開設有土箱連通孔16，可移動金屬外殼14的側壁開設有外殼連通孔17，圓筒狀的泥水倉12通過支撐臺11橫向水平設置在可移動金屬外殼14內，泥水倉12一端設置有開口控制件10且穿出外殼連通孔17與土箱連通孔16無縫連接，泥水倉12另一端密封，泥水倉12頂部通過泥水進管401與緩衝箱3連接，泥水倉12底部通過泥水出管402與泥水泵5連接，泥水泵5通過泥水連接管403與緩衝箱3連接，泥水倉12內泥水經過的路徑上從上至下垂直設置有若干個泥水壓力計13，土箱7的內壁位於土箱連通孔16的部分罩設有鋼筋網8，鋼筋網8上從上至下設置有若干個與泥水壓力計13一一高度對應的孔隙水壓力計9，孔隙水壓力計9與孔隙水壓力存儲器1連接，泥水壓力計13與泥水壓力存儲器2連接，泥水進管401上設置有閥門15。
開口控制件10包括連接軸、第一擋片和第二擋片，第一擋片和第二擋片上均開設有流通口，第一擋片和第二擋片均套設在連接軸上並均可以連接軸為中心周向旋轉，第一擋片和第二擋片貼合設置。
土箱7與可移動金屬外殼14之間通過法蘭連接。
土箱7的頂板位可拆卸頂板，孔隙水壓力存儲器1放置在土箱7的頂板上。
泥水倉12的軸線、土箱連通孔16的軸線、外殼連通孔17的軸線共線。
實施例2：
利用實施例1所述的一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置進行一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試方法，包括以下步驟
步驟1、將土箱7和可移動金屬外殼14分離開來，通過開口控制件10控制泥水倉12與土箱連通孔16連通的開口的開口率為實驗設定開口率；
步驟2、再土箱7和可移動金屬外殼14安裝在一起，並使得土箱連通孔16和泥水倉12連通；
步驟3、取下孔隙水壓力存儲器1和土箱7的頂板，向土箱7內裝入實驗所用土體並將土體夯實壓密達到實驗要求，安裝上土箱7的頂板並將孔隙水壓力存儲器1放置在土箱7頂板上；
步驟4、向緩衝箱3內加入實驗要求的泥水漿液，直至緩衝箱3內泥水漿液面達到設定位置並保持穩定不變；
步驟5、打開泥水泵5並設置泥水泵5的流量，打開閥門15，待泥水漿液流動穩定時，打開孔隙水壓力存儲器1和泥水壓力存儲器2，讀取並記錄孔隙水壓力數據和泥水壓力數據；
步驟6、關閉泥水泵5和閥門15，將步驟5中獲得各個高度位置對應的泥水壓力計13和孔隙水壓力計9測得的孔隙水壓力數據和泥水壓力數據進行擬合，得出在實驗設定的開口率條件下孔隙水壓力（掌子面泥水壓力）與泥水倉12內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B，其中Pn為當前開口率條件下的泥水倉12內泥水壓力變量，Pm為當前開口率條件下的孔隙水壓力變量（掌子面泥水壓力變量），A和B均為在實驗設定的開口率條件下擬合出的映射關係函數的常量係數；
步驟7、打開泥水泵5排乾泥水倉12內的泥水，調整開口率到下一個實驗設定的開口率，重複步驟1~6，測試在不同開口率條件下孔隙水壓力與泥水倉12內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B；
步驟8、將不同開口率與對應的開口率條件下的A進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數A』，將不同開口率與對應開口率條件下的B進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數B』，擬合要求相關係數R2不低於0.9，獲得有關開口率影響下的孔隙水壓力（掌子面泥水壓力）與泥水倉12內泥水壓力的數學表達式Pm=A』×Pn-B』 。
實施例3：
以某隧道施工過程中揭露的砂土地層為實驗土樣，利用實施例1所述的一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試裝置進行一種泥水盾構掌子面泥水壓力實驗測試方法，包括以下步驟
步驟1、將土箱7和可移動金屬外殼14分離開來，通過開口控制件10控制泥水倉12與土箱連通孔16連通的開口的開口率為22.2%開口率；
步驟2、再土箱7和可移動金屬外殼14安裝在一起，並使得土箱連通孔16和泥水倉12連通；
步驟3、取下孔隙水壓力存儲器1和土箱7的頂板，向土箱7內裝入含水率為12%的砂土試樣並將砂土試樣分層夯實壓密至密度達到2.6g/cm3，安裝上土箱7的頂板並將孔隙水壓力存儲器1在土箱7頂板上放置穩妥；
步驟4、向緩衝箱3內加入實驗要求的泥水漿液，泥水漿液為水灰比為1:1的水泥漿液，直至緩衝箱3內泥水漿液面達到緩衝箱3高度的1/3處並保持穩定不變；
步驟5、打開泥水泵5並設置泥水泵5的流量為5L/min，打開閥門15，待泥水漿液流動穩定時，打開孔隙水壓力存儲器1和泥水壓力存儲器2，讀取並記錄孔隙水壓力數據和泥水壓力數據；依據孔隙水壓力計9自上而下的位置讀取孔隙水壓力數據為0.434MPa、0.462MPa、0.485MPa、0.509MPa、0.533MPa，對應泥水壓力計的讀取值分別為0.46MPa、0.48MPa、0.5MPa、0.52MPa、0.54Mpa。
步驟6、關閉泥水泵5和閥門15，將步驟5中獲得高度位置對應的泥水壓力計13和孔隙水壓力計9測得的孔隙水壓力數據和泥水壓力數據進行擬合，得出在實驗設定的開口率條件下孔隙水壓力（掌子面泥水壓力）與泥水倉12內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B，其中A為1.225，B為0.1279，其中Pn為當前開口率條件下的泥水倉12內泥水壓力變量，Pm為當前開口率條件下的孔隙水壓力變量（掌子面泥水壓力變量），A和B均為在實驗設定的開口率條件下映射關係函數的常量係數；
步驟7、打開泥水泵5排乾泥水倉12內的泥水，調整開口率到依次為33%、44.4%和55.6%，重複步驟1~6，測試在不同開口率條件下孔隙水壓力與泥水倉12內泥水壓力的映射關係函數：Pm=A×Pn-B；
步驟8、將不同開口率與對應的開口率條件下的A進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數A』，將不同開口率與對應開口率條件下的B進行擬合，獲得以開口率為自變量的函數B』，擬合要求相關係數R2不低於0.9，獲得有關開口率影響下的孔隙水壓力（掌子面泥水壓力）與泥水倉12內泥水壓力的數學表達式Pm=A』×Pn-B』 。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。