[发明专利]模拟泥水盾构掘进过程中地层劈裂的装置及实验方法

说明书

本发明提供了一种模拟泥水盾构掘进过程中地层劈裂的装置及实验方法，包括围压室，底板，设置在底板中心的注浆管，注浆管底帽，设置在注浆管底端的油缸，用来模拟盾壳的端管，设置在端管和注浆管顶端之间的连接件，设置在注浆管和端管内部的A、B高压软管，包裹在试样外侧的橡胶套，放置在试样顶部的顶板，设置在顶板上部施加轴压的轴压杆，用来连接压力室和底板的螺栓，设置在压力室顶部的压力表和排气孔，设置在底板上的注水孔，设备台架。本发明可以实现高水压条件下泥水盾构掘进过程中动态劈裂过程的模拟，对浆液进行着色便于观察裂缝的产生，注浆速度、泥浆压力和注浆管抽出速度可以通过流量计、液压传感器和位移传感器准确测量出来。

技术领域

本发明涉及隧道修建技术领域，尤其涉及一种模拟泥水盾构掘进过程中地层劈裂的装置及实验方法。

背景技术

随着隧道修建技术的不断进步与发展，盾构法以其开挖速度快、机械化程度高、对周围环境扰动小、适用范围广等优点广泛应用于各种隧道的建设。尤其是泥水平衡盾构，在穿河跨海隧道的修建过程中基本均得以应用。泥水平衡盾构最大的特点就是采用带压泥水维持开挖面稳定的同时，通过泥水循环运出渣土，而泥水压力的设定是施工中的一个难题。泥水压力过小，会导致开挖面发生坍塌破坏、泥水压力过大，会导致开挖面发生劈裂，如果裂缝贯穿至江底引发江水倒灌等事故。因此，研发一种研究裂缝贯穿与泥水压力之间的关系的装置与方法对防止劈裂的发生具有重要意义。

目前，对泥水盾构中泥水劈裂的研究相对较少，主要有：袁大军2010采用自己的现场劈裂仪在地表对深孔注浆，直至地表冒浆，试验过程中记录了泥浆压力、泥浆量等数据，总结出劈裂发生、伸展与泥浆压力之间的关系、宋为2013年对常规应变式三轴仪进行改造，研究中孔圆柱试样在不同条件下的劈裂压力，总结出劈裂发生压力与各因素之间的关系。

实际工程中泥水劈裂的发生是一个动态过程，裂缝的启裂位置为刀盘与盾壳之间的开缝处，初始时为微裂缝，之后逐步向上伸展，在伸展至江底之前，随着盾构机的推进盾壳会堵住裂缝的开口，此时裂缝将停止伸展，而在新的开缝位置开始产生微裂缝，如此循环下去，当泥水仓压力过大或盾构推进速度过慢时，微裂缝会贯通至江底形成贯通缝，如图4所示。

目前，现有技术主要针对劈裂发生压力和单一裂缝的伸展，对裂缝持续产生的动态过程基本没有研究。

发明内容

本发明的实施例提供了一种模拟泥水盾构掘进过程中地层劈裂的装置及实验方法，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种模拟泥水盾构掘进过程中地层劈裂的装置，包括：水平放置的底板(6)，在底板(6)上设置压力室(2)，压力室(2)的内部放置试样(4)，在底板(6)的中孔中垂直放置注浆管(22)，所述注浆管(22)从所述试样(4)的内孔中上下贯穿，在注浆管(22)的下部侧壁留有注浆口(31)，底端设置有底帽(8)；

用来模拟盾壳的端管(15)通过连接件(16)与注浆管(22)的顶端连接，在注浆管(22)和端管(15)的内部设置液高压软管，在试样(4)的顶部设置盖板(12)，在盖板(12)的上部设置施加轴压的轴压杆(10)，在底板(6)上设置注水孔(5)；

从底板(6)上的进水孔(5)往压力室(2)内注水，直至加到指定围压，通过底帽(8)的液体注入口向注浆管(22)的注浆口(31)内注入上色泥浆，注浆管(22)向下运动，连接件(16)牵引着端管(15)同步向下运动，注浆管(22)内的泥浆在开缝处作用在试样(4)上。

进一步地，所述装置还包括设置在注浆管(22)底部两侧的两个油缸(7)，两个油缸(7)为液压伸缩式油缸，对称布置在注浆管(22)的两侧，两个油缸(7)同步伸缩，以使得注浆管(22)沿竖向运动不会倾斜。