[发明专利]多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统

说明书

本发明提供了一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，包括供水系统、压力气源、试验筒及设置在试验筒内的剪切杆、轴向加载装置、径向挤压环囊与试验仓压力传感器。试验筒可对土压平衡盾构机的土仓工作状态进行模拟，轴向加载装置用于模拟不同的盾构机顶推力，径向挤压环囊用于模拟螺旋输送机排土速度的变化，供水系统用于模拟不同地下水环境的水压力，改良剂添加系统用于渣土样改良试验。本发明可在水压与土压同步变化的情况下对土样的工作性进行综合测试，也有利于针对水压与土压对土样工作性的耦合影响进行研究。本发明的试验系统测得的土样工作性参数更加科学客观，更加符合下穿河海等特殊富水地层的盾构工程的实际工况。

技术领域

本发明涉及盾构隧道工况模拟实验设备，尤其是一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统。

背景技术

在土压平衡盾构施工中试验仓渣土的工作性对盾构的安全快速掘进具有重要影响，为达到理想的工作性，通常需对不同的渣土进行改良优化。改良后渣土的工作性(即渣土改良性能)主要包括强度、变形和渗透性三个方面：具体为较低的强度以减少刀盘扭矩的负荷，降低刀盘磨损；适中的压缩变形特性以减少泥饼等的形成，提高施工速度；较低的渗透性以满足试验仓保压平衡掌子面土水压力的需要，特别是在富水地层中对高压水的抗渗涌性。如何科学测试评价渣土的工作性及改良优化效果对盾构安全高效施工及相关科学研究至关重要，而研发及提出合理的测试评价试验系统和方法则成为关键所在。

现有对渣土及改良体工作性的测试试验设备不同程度的存在一些缺陷：①用于强度、变形特性测试的主要为直剪仪、三轴仪和侧限压缩仪，但是对渣土而言当改良剂增加一定量后其流塑性增强，难以形成用于上述设备试验的塑状试样；②上述用于强度和变形参数的测试设备尺寸规格相对较小，难以适应盾构工程中频现的粗颗粒宽级配渣土土样的测试研究；③现有土体渗透测试设备主要在常水头或变水头下对渣土进行渗透性测试，但是对诸如下穿河、海底地层等富水性地层而言，通常面临几百千帕的高富水压力；同时，在富水性地层中盾构机试验仓中的水压与土压存在相互的耦合作用，对渣土的工作性产生影响，而现有渗透设备在渗透试验时一般不能对渣土施加土压，所得渣土工作性也将失去客观性。诸如中国专利201610365907.7公开了一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置和方法，该方案用千斤顶对土样施加土压，用伺服水泵对土样施加高水压，但不能同时对土样施加土压与水压，因此并并不适用于富水高水压的土压平衡盾构施工工况相关模拟研究。进一步而言，现有对渣土工作性测试主要以三个方面单独测试为主，难以同步测试得到强度、变形和渗透性三个指标，造成测试试验工作量的大量增加，与此同时，单独测试时受渣土制样等的误差影响所测渣土的初始状态未必相同。综上而言，解决上述问题最有效的途径无疑是开发设计一种可用于常高土、水压条件下满足同步测试渣土工作性及改良优化效果评价的综合测试评价试验系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，以解决背景技术中提出的问题。

一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，包括试验筒、固定板、活动板、透水垫一、透水垫二、剪切杆、剪切传动杆、轴向加载装置、轴向位移传感器、径向挤压环囊、试验仓压力传感器、水箱一、开关阀一、水压调节阀、气压调节阀二、流量控制阀与控制终端；

所述试验筒的轴向方向沿水平方向设置，试验筒轴向左端通过其封板封闭，试验筒轴向右端设有开口，右端开口通过可拆除的端盖封闭，所述固定板与活动板上均设有透水孔且两者的板面均沿竖直方向设置，固定板固定在试验筒内的左端，固定板与试验筒的封板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成左容腔的间距一，活动板可活动的设置在试验筒内的右端，固定板与活动板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成试验仓的间距二，活动板与试验筒端盖之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成右容腔的间距三，所述透水垫一用于隔设在固定板与试验仓内的土样之间，所述透水垫二用于隔设在活动板与试验仓内的土样之间；