[发明专利]一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法

说明书

本发明公开一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法，该装置包括：模型箱框架：由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；水和气压综合调控系统：由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；渗流排液系统：由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；传动系统：放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；监测系统：由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。

技术领域

本发明盾构工程技术领域。更具体地，涉及一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置及其使用方法。

背景技术

随着城镇化的发展，地下空间得到迅速的的开发和利用，越来越多的地铁投入建设，其中采用盾构法施工的越江跨海隧道也比比皆是。盾构机水底，特别是海底隧道的掘进，施工环境复杂，承受水压高，维持挖面的稳定是极其重要的一个环节。

现今国内外学者对于盾构开挖面稳定性的研究多集中于低水压或者是干砂条件下的研究，对于高水压渗流条件下的开挖面稳定性研究还存在许多缺失；同时，开挖面支护方法也多采用挡板支撑的刚性支护，而实际工程中水下隧道掘进多采用泥水平衡盾构施工，其与泥水平衡盾构的柔性支护有较大差别。因此，如何采用与工程更接近的泥水压力支护手段来确定在高水压条件下开挖面支护压力的大小，以及观察在高水压渗流条件下的开挖面破坏形态和特征，是急需解决的一个问题。

发明内容

为了实现与工程更接近的泥水压力支护手段来确定在高水压条件下开挖面支护压力的大小，以及观察在高水压渗流条件下的开挖面破坏形态和特征得目的：

本发明一方面提出一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置，该装置包括：

模型箱框架，由金属材料制成的空心长方体，内部隔板将该长方体内部分成彼此分隔的模型箱实验区和设备仓；

泥水和气压综合调控系统，由气泵、气压表、渗流管、圆形隧道构成，其中气泵通过导管将气压表和渗流管以及圆形隧道连接起来；

渗流排液系统，由半圆形隧道、电磁阀、渗流排水管、渗流液储存盒构成，其中渗流排水管将渗流储存盒和电磁阀以及半圆形隧道连接起来；

传动系统，放置在设备仓中，由两个气缸通过活塞杆来带动圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板移动；

监测系统，由微型土压力传感器、孔隙水压力传感器以及高速摄像机组成。

在一种优选的实施例中，所述圆形隧道和半圆形隧道内部的挡板开有预留孔，孔洞部分粘贴覆盖滤网。

在另一种优选的实施例中，所述微型土压力传感器和孔隙水压力传感器用来测量圆形隧道外部的土压力和隧道内部的泥水压力，高速摄像机采集开挖面前方土体的破坏形态与范围。

本发明另一方面还提出一种采用泥水支护的开挖面稳定实验装置的使用方法，该方法包括：

S1：在模型箱实验内采用砂雨法制备土样，并在土样上部加注羟丙基甲基纤维素水溶液，并向渗流管加入泥浆；

S2：将整个装置放置于离心机上，分级缓慢提高离心机离心加速度至预定离心加速度；

S3：在离心加速度增大的过程中，根据微型土压力传感器和孔隙水压力传感器来测量圆形隧道内外的压力大小，并根据测量的压力大小来改变气泵的气压大小从而平衡开挖面压力；

S4：圆形隧道内外压力平衡稳定后，缓慢后撤圆形隧道开挖面部位的挡板，使得隧道开挖面完全由泥浆压力进行支护，系统稳定后，此时的状态即为实验初始状态，记录传感器初始读数；