盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜试验装置及方法。该装置包括土体开挖舱模型装置、泥浆循环系统、数据采集控制设备、渗流压力传感器、土体动态电阻率监测系统、切削顶进系统和搅吸出渣系统；泥浆循环系统补充新鲜浆液并回收废浆和土体，土体动态电阻率监测系统用于监测砂样电阻率的变化，数据采集控制设备和渗流压力传感器监测地层的孔隙水压力的变化，切削顶进系统采用两个动力源分别控制刀盘旋转和刀具顶进，搅吸出渣系统排出掘进产生的渣土。本发明专利技术装置能够较为真实地模拟泥水盾构下盾构机在掘进过程中盾构刀具对开挖面和泥浆渗透成膜进程的扰动作用，研究泥水盾构掘进参数对开挖面泥浆动态成膜规律和特征的影响。和特征的影响。和特征的影响。

Test device and method for dynamic film formation of slurry under the cutting action of shield cutter head

【技术实现步骤摘要】
盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及盾构
，尤其涉及一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置及方法。

技术介绍

[0002]近些年来，随着水下隧道朝着长、大、深方向发展，泥水盾构施工过程中将不可避免的穿越各类复杂地层，尤其是渗透性较强、黏聚力较低、稳定性较差的砂土、砾石及卵石地层，盾构开挖面泥浆压力难以保持，极易造成盾构开挖面失稳，盾构泥浆成膜是开挖面稳定的关键。根据调查发现目前对于盾构泥浆成膜材料配比的研究主要是基于静态成膜试验，受到刀盘刀具的切削作用，泥膜始终处于形成
‑
破坏
‑
再形成的过程，是一种动态成膜的过程，静态成膜试验结果并不能完全适用于盾构动态成膜；此外，目前盾构泥浆成膜试验装置多为竖向，而盾构掘进过程是一个横向掘进过程，竖向试验装置并不能完全真实地模拟盾构掘进过程，现有技术中还没有一种有效地考虑盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置和方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的实施例提供了一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置及方法，以克服现有试验装置和方法无法适用于盾构掘进泥浆动态成膜测试的问题，对于盾构掘进施工安全具有指导意义。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置，包括土体开挖舱模型装置、泥浆循环系统、数据采集控制设备、渗流压力传感器、土体动态电阻率监测系统、切削顶进系统和搅吸出渣系统；
[0006]所述泥浆循环系统可以及时补充新鲜浆液并回收废浆和土体，所述土体动态电阻率监测系统监测砂样电阻率的变化，所述数据采集控制设备和渗流压力传感器监测地层的孔隙水压力的变化，所述搅吸出渣系统排出掘进产生的渣土，所述切削顶进系统采用两个动力源分别控制刀盘旋转和刀具顶进。
[0007]优选地，所述装置还包括：土体开挖舱模型装置，所述土体开挖舱模型装置为超强轻质合金材质，可以承受2.0MPa水土压力，局部有高压玻璃视窗，便于观察试验现象。
[0008]优选地，所述装置还包括：土体开挖舱模型装置侧壁的电极圈，所述电极圈用于动态电阻率监测，安装在土体开挖舱模型装置侧壁，对范围内的砂土试样进行动态循环扫描，监测砂样电阻率的变化。
[0009]优选地，所述装置还包括：搅吸出渣系统，所述搅吸出渣系统位于开挖舱底部，由搅吸泵将开挖的土体排出开挖舱，减少刀盘前进阻力，控制泥浆的纯度。
[0010]优选地，所述装置还包括：切削顶进系统，所述切削顶进系统由切刀和中心刀构成，刀盘采用十字形式，与土体开挖舱模型装置内径保持一致，中心刀安装在刀盘中心位
置，切刀对称布置在刀盘四根条形轴下方，保证了试验时刀盘的平衡，由两个动力源分别控制刀盘转动和刀具顶进。
[0011]优选地，所述渗流压力传感器按照一定间隔安装于土体开挖舱模型装置侧壁，所述渗流压力传感器在试验前要采用硅油进行饱和。
[0012]根据所专利技术的另一个方面，提供了一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验方法，其特征在于，适用于所述的装置，包括以下步骤：
[0013]A、连接和组装试验装置及数据采集控制设备。采用电焊焊接土体开挖舱模型装置上的电极圈接头和电阻率测试线，确保试验时电阻率测试值的稳定。将用硅油饱和后的渗流压力传感器安装在土体开挖舱模型装置侧壁，并用针筒将硅油注入渗流压力传感器前端的空隙中，随后将用硅油饱和后的滤网粘贴于渗流压力传感器前端的土体开挖舱模型装置侧壁表面，防止制样和泥浆渗透过程中地层颗粒和泥浆进入渗流压力传感器，进而影响数据采集。
[0014]B、制备试样地层和泥浆。根据需要控制的试验地层孔隙率，按比例称取一定质量各粒径范围的砂土(在砂土使用前，应对砂土进行烘干)，拌和均匀后填入土体开挖舱模型装置内。按照一定比例的膨润土和自来水制备泥浆，并采用电动搅拌机搅拌均匀。采用水浴法制备一定浓度的CMC溶液，在制备过程中将溶液温度控制在50℃左右，以加速CMC粉末溶解，将其倒入膨润土泥浆中，并搅拌均匀，随后静置膨化24h以上。
[0015]C、饱和试样。在制备完砂土试样后，采用饱和容器对试样进行饱和，应确保试样缓慢饱和。待液面与砂土试样表面齐平，即认为试样饱和完成，饱和时间大致为24h，根据试样渗透性饱和时间有所差异。
[0016]D、充填储浆罐和密封土体开挖舱模型装置。在试验开始前，保证浆液控制阀处于关闭状态，将制备的泥浆缓慢充填至储浆罐内，直至储浆罐上盖板位置。固定土体开挖舱模型装置于装置固定支座上，安装切削顶进系统的刀具，密封装置。
[0017]E、设置压力控制和数据采集控制设备。打开调压阀阀门，设置气源输出气压。设置渗滤水采集时间间隔。打开数据采集控制设备，设置数据采集间隔，并记录初始数据。打开动态电阻率测试软件，调节电阻率测试档位和采集时间间隔，并开始测试。
[0018]F、开始泥浆渗透。打开浆液控制阀和土体开挖舱模型装置排水管阀门，使浆液充满土体开挖舱模型装置，带压泥浆渗入砂土试样。在泥浆静态渗透成膜试验中，当渗滤水质量逐渐稳定后(每分钟排出渗滤水小于1g)，关闭排水管阀门，即结束泥浆渗透。需要说明的是，当地层透水性较大时，在压力作用下，收集的渗滤水基本为浑浊状态，甚至是原泥浆，试验即停止进行，这表明该泥浆在该地层中形成类似逸泥现象，无法及时成膜。在泥浆动态渗透成膜试验中，待泥浆渗透1h后，设置刀盘切削参数(转动速度、顶进速度和顶进距离)，使刀盘匀速转动并向前掘进切削地层，打开搅吸头装置，排出掘进产生的渣土，直至刀具切深达到设计掘进深度，刀盘停止掘进，待渗滤水质量逐渐稳定后(每分钟排出渗滤水小于1g)，关闭排水管阀门，一组试验结束。
[0019]G、采集砂样。在泥浆静态渗透成膜试验结束后，对地层进行开挖，对地层表面以下0～2cm、2～4cm、4～6cm、6～8cm和8～10cm的砂样进行取样。将砂样放入试样盒中烘干24h，随后称量并记录砂样和试样盒总质量。对砂样进行清洗数次，直至清洗后的水澄清，将清洗后的砂样进行烘干24h，之后称量干净的砂样和试样盒的总质量。
[0020]H、分析试验数据。对试验过程中采集的孔隙水压力、土体电阻率和渗滤水流量进行处理及试验后采样结果进行分析。
[0021]I、为了探究刀具切削频率、刀具切深及泥浆压力对砂土地层泥浆渗透成膜的影响，改变刀盘转速、掘进速度和泥浆压力，改变泥浆材料和配比，重复执行B
‑
F步骤，记录并整理试验数据，直至试验结束，确定最优泥浆材料配比。
[0022]优选地，所述的方法还包括：
[0023]通过动力源自动化控制切削刀具7的刀盘旋转和刀具顶进，通过速度和位移控制实现切削刀具对砂土地层泥浆渗透成膜的影响；
[0024]土体开挖舱模型装置侧壁上的渗流压力传感器连接的监测系统实时记录砂土地层孔隙水压力在泥浆渗透成膜和刀具切削砂土地层试验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验装置，其特征在于：包括土体开挖舱模型装置、泥浆循环系统、数据采集控制设备、渗流压力传感器、土体动态电阻率监测系统、切削顶进系统和搅吸出渣系统；在所述土体开挖舱模型装置内放置砂样，所述泥浆循环系统向土体开挖舱模型装置补充新鲜浆液并回收废浆和土体，所述土体动态电阻率监测系统用于监测土体开挖舱模型装置内的砂样电阻率的变化，所述数据采集控制设备和渗流压力传感器监测地层的孔隙水压力的变化，所述切削顶进系统为齿形刀具，采用两个动力源分别控制刀盘旋转和刀具顶进，对土体开挖舱模型装置内的泥浆进行切削，所述搅吸出渣系统排出掘进产生的渣土。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土体开挖舱模型装置为超强轻质合金材质，承受2.0MPa水土压力，局部设置有加肋高压玻璃视窗。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土体动态电阻率监测系统将电极圈安装在土体开挖舱模型装置侧壁，对范围内的砂土试样进行动态循环扫描，监测泥浆入渗距离的变化。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅吸出渣系统位于开挖舱底部，由搅吸泵将开挖的土体排出开挖舱。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切削顶进系统由20
°
刃角齿刀和50
°
刃角中心刀构成，刀盘采用十字形式，与土体开挖舱模型装置的内径保持一致，50
°
刃角中心刀安装在刀盘中心位置，20
°
刃角齿刀对称布置在刀盘四根条形轴下方，由两个动力源分别控制刀盘转动和刀具顶进。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渗流压力传感器按照一定间隔安装于土体开挖舱模型装置侧壁，所述渗流压力传感器在试验前要采用硅油进行饱和。7.一种盾构刀盘切削作用下的泥浆动态成膜的试验方法，其特征在于，适用于权利要求1至5任一项所述的装置，包括以下步骤：A、连接和组装试验装置及数据采集控制设备，采用电焊焊接土体开挖舱模型装置上的电极圈接头和电阻率测试线，将用硅油饱和后的渗流压力传感器安装在土体开挖舱模型装置侧壁，并用针筒将硅油注入渗流压力传感器前端的空隙中，随后将用硅油饱和后的滤网粘贴于渗流压力传感器前端的土体开挖舱模型装置侧壁表面；B、制备试样地层和泥浆，根据需要控制的试验地层孔隙率，按比例称取一定质量各粒径范围的砂土，拌和均匀后填入土体开挖舱模型装置内，按照一定比例的膨润土和自来水制备泥浆，并采用电动搅拌机搅拌均匀，采用水浴法制备一定浓度的CMC溶液，在制备过程中将溶液温度控制在50℃左右，以加速CMC粉末溶解，将其倒入膨润土泥浆中，并搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：金大龙，袁大军，毛家骅，李兴高，刘腾，蔡博文，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：