阅读说明：本技术 一种动态泥浆渗透性能试验装置及方法 (Dynamic slurry permeability test device and method ) 是由 李凤远 张兵 王发民 孙振川 王国安 陈桥 王超峰 王凯 高攀 王延辉 李云涛 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：一种动态泥浆渗透性能试验装置及方法,包括：渗透系统、切削系统和加压系统；所述渗透系统包括土样筒、A泥浆筒、B泥浆筒和储水罐,用于进行泥浆渗透并实时测量试验过程中孔隙压力和渗水量；所述切削系统包括动力单元、传动轴和刀盘,用于带动刀盘旋转前进以切削土样；所述加压系统包括储气罐和压力控制器,用于控制土样筒泥浆压力。该装置可开展盾构掘进过程中刀盘不断切削开挖面土体情况下的泥浆动态渗透模拟试验,并测量土体的孔隙水压力及地层渗水量的动态变化过程,进一步评价泥浆的渗透性能和泥浆压力在开挖面的传递效果,得出有效的结论,以指导实际泥水盾构施工项目。(A dynamic slurry permeability test device and method comprises: a permeation system, a cutting system, and a pressurization system; the infiltration system comprises a soil sample cylinder, a slurry cylinder A, a slurry cylinder B and a water storage tank and is used for performing slurry infiltration and measuring the pore pressure and the water infiltration amount in the test process in real time; the cutting system comprises a power unit, a transmission shaft and a cutter head and is used for driving the cutter head to rotate and advance so as to cut a soil sample; the pressurization system comprises an air storage tank and a pressure controller and is used for controlling the mud pressure of the soil sample cylinder. The device can be used for carrying out a mud dynamic permeation simulation test under the condition that the cutter head continuously cuts the soil body of the excavation surface in the shield tunneling process, measuring the dynamic change process of the pore water pressure and the stratum water seepage quantity of the soil body, further evaluating the permeation performance of the mud and the transmission effect of the mud pressure on the excavation surface, and obtaining an effective conclusion so as to guide the actual mud-water shield construction project.)

一种动态泥浆渗透性能试验装置及方法

技术领域

本发明涉及泥水盾构隧道施工技术领域，尤其是一种适用于泥浆稳定隧道开挖面的动态 泥浆渗透性能试验装置及方法。

背景技术

近年来，泥水盾构在城市轨道交通、公路隧道、输水隧洞等领域得到了广泛应用。泥水 盾构隧道多处在地下水位以下，通过施加略高于开挖面水土压力的泥浆压力来维持开挖面的 稳定，泥浆渗透过程中固相颗粒物逐渐堵塞地层孔隙，进而形成透水性较低的泥膜，维持泥 浆与开挖面水土之间的压力差。泥浆压力差一部分通过泥膜传递给开挖面土体，以提高土体 的有效应力；另一部分则传递给地层中的水，在土体中产生超孔隙水压力，但超孔隙水压力 会低开挖面土体的稳定性。所以，泥浆对地层的渗透性能和泥浆压力的传递效果直接影响到 开挖面的稳定性。

目前，泥水盾构施工中主要通过调节泥浆的比重、粘度和滤失量等特征参数来应对不同 地层条件，未考虑到泥浆压力在开挖面的传递效果问题，且对泥浆特征参数的选择往往靠已 有的施工经验，因此，在现场应用的过程中效果并不理想。国内一般采用静态泥浆渗透试验 装置开展泥浆渗透规律研究，通过测量泥浆的比重、粘度、滤失量和泥膜厚度等特征参数来 应对不同地层条件，未考虑开挖过程中由于刀具对开挖面土体的切削而导致的泥浆渗透和泥 膜形成过程周期性的破坏和重建，也未测量和评价泥浆压力差在开挖面的传递规律，导致对 泥浆性能的研究方法过于简化，对泥浆性能的评价指标不够全面。

因此，如何模拟实际施工过程开挖过程中泥浆的渗透过程，获取泥浆压力对不同地层的 渗透性能和泥浆压力在开挖面的传递效果，是本领域技术人员急需解决的一大难题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方 便、能获取不同地层的动态泥浆渗透性能试验装置及方法。

技术方案：本发明的一种动态泥浆渗透性能试验装置，包括渗透系统、切削系统和加压 系统；

所述渗透系统包括土样筒、A泥浆筒、B泥浆筒和储水罐；所述的土样筒包括筒体、设 在筒体两侧的前端透盖和后端透盖，筒体内前部依次设有透水隔板的土样柱，所述的筒体外 壁上间隔设有多个连通筒体内部的传感器接口，每个传感器接口上均设有与计算机相连的孔 隙压力传感器，通过上位机记录和显示孔隙压力传感器的信息；所述的前端透盖上也设有与 上位机相连的孔隙压力传感器，前端透盖通孔经排水管连接储水罐，储水罐与大气连通；所 述的B泥浆筒经b泥浆管连接在筒体后部的外壁入口上，所述的A泥浆筒经a泥浆管、再经 密封接头连通后端透盖；

所述切削系统包括动力单元、连接在动力单元上的传动轴和与传动轴相连位于土样筒内 的刀盘，刀盘的中心开有使传动轴穿过的进浆孔；所述的动力单元设在可前后移动的导轨上， 所述的传动轴为空心杆，传动轴的轴心线与土样筒的轴心线重合；

所述的加压系统包括储气罐和控制储气罐的压力控制器；所述的储气罐通过输气管分别 连通A泥浆筒和B泥浆筒，通过压力控制器控制储气罐向A泥浆筒和B泥浆筒中输入气体压 力。

所述的土样筒的筒体由透明的有机玻璃制成，筒体的外壁上设有便观察刀盘所处位置和 开挖面位置的刻度尺。

所述的储水罐下方设有与计算机相连实时测量渗出水量的电子秤。

所述的刀盘由多个横截面为直角梯形结构的辐条构成，每个辐条上都安装有用于切削土 样的多个长方体金属块。

所述的前端透盖和后端透盖与筒体内壁相接触的圆周面上开有半圆形凹槽，凹槽内设有 的密封橡胶圈。

所述a泥浆管上设有a开关阀门，所述的b泥浆管上设有b开关阀门，所述的排水管上 设有开关阀门c开关阀门。

所述的刀盘的外径略小于土样筒筒体的内径。

所述的动力单元包括安装在导轨上的第一同步电机和第二同步电机，所述第一同步电机 用于带动动力单元沿导轨移动，所述第二同步电机用于带动刀盘旋转。

所述的后端透盖的透孔处设有与传动轴相配合的密封圈。

一种使用上述装置的测量动态泥浆渗透性能试验方法，包括以下步骤：

步骤S1：在土样筒内依次放置透水隔板和土样柱，并对土样柱进行饱水和压实处理；

步骤S2：先将切削系统中的将刀盘和传动轴安装在土样筒内，保持刀盘与土样筒中的土 样柱表面间隔1～2cm，再将后端透盖密封安装在土样筒的后端，然后打开b开关阀门，B泥浆 筒中的泥浆进入土样柱表面与后端透盖之间的空间内，直至填满；

步骤S3：对水平放置的土样筒进行固定，将传动轴通过密封接头固定在动力单元上；

步骤S4：设定A泥浆筒与B泥浆筒内的气体压力，通过压力控制器调节所述A泥浆筒与B泥浆筒内的气体压力，使土样筒内的泥浆压力在整个试验过程中保持稳定；将A泥浆筒的a泥浆管和传动轴连接，同时打开a开关阀门和排水管上的开关阀门，对土样筒内的土样柱进行加压；

步骤S5：对土样柱加压15min后，启动第二同步电机，使切削系统沿导轨匀速向土样筒 移动，移动速度在0～60mm/min之间任意调节，同时启动第一同步电机，使传动轴上的刀盘 按固定转速转动切削土样柱，转动速度在0～5r/min之间任意调节；

步骤S6：通过计算机记录孔隙压力传感器的输出信号和电子秤测量的数据，并观察土样 筒筒体外壁上的刻度尺，当刀盘掘进至距前段透盖5cm时停止动力单元；

步骤S7：将计算电子秤测得的单位时间内排水量的变化量作为泥浆渗透性能的评价指 标，计算掘进过程中孔隙压力传感器测的泥浆压力与土样柱中孔隙水压力之间的差值，作为 评价泥浆压力传递效果的评价指标。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能有效测量泥浆动态渗透过程中开挖面土 体的孔隙水压力以及地层渗水量，进一步评价泥浆对地层的渗透性能和泥浆压力在开挖面的 传递效果，为指导实际泥水盾构施工开挖面的稳定性提供安全保障。实验装置通过加压系统 对渗透系统内的泥浆加压，泥浆压力作用在土样柱，开启动力单元带动刀盘旋转切削土样柱， 泥浆渗透过程中水分从土样柱渗出后经排水管流到储水罐中，通过孔隙压力传感器测量土样 柱不同位置孔隙水压力，通过电子秤测量土样柱渗出液体的质量，获得设定压力下土样柱内 孔隙水压力变化规律和土样柱渗出水量变化规律。符合实际施工过程中泥浆动态渗透过程， 能获得更真实、更准确可靠的泥浆压力的传递效果和泥浆动态渗透性能，与现有技术相比的 主要下优点如下：

具有刀盘切削机构，通过该装置进行动态泥浆渗透试验，原理简单，功能明确，可模拟 刀盘切削土体过程中泥浆对不同地层的渗透过程，符合实际施工过程，可有效测量泥浆动态 渗透过程中开挖面土体的孔隙水压力以及地层渗水量，进一步评价泥浆对地层的渗透性能和 泥浆压力在开挖面的传递效果，得出有效的结论，以指导实际泥水盾构施工项目。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2(a)是本发明的刀盘结构示意图。

图 2（b）是图 2（a）的A-A截面结构图。

图3是本发明各部件之间的连接关系示意图。

图中：1-土样筒，2-泥浆，3-土样柱，4-传感器接口，5-透水隔板，6-前端透盖，7-排水 管，8-c开关阀门，9-孔隙压力传感器，10-后端透盖，11-动力单元，12-密封接头，13-导轨， 14-传动轴，15-刀盘，16-长方形金属块，17-A泥浆筒，18-a泥浆管，19-a开关阀门，20-储 气罐，21-压力控制器，22-输气管，23-B泥浆筒，24-b泥浆管，25-b开关阀门，26-电子秤，27-储水罐，28-电缆，29-计算机，30-第一同步电机，31-第二同步电机，32-进浆孔，32-辐条。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的动态泥浆渗透性能试验装置，主要由渗透系统、切削系统和加压 系统构成；

所述渗透系统包括土样筒1、A泥浆筒17、B泥浆筒23和储水罐27；所述的土样筒1包括筒体、设在筒体两侧的前端透盖6和后端透盖10，前端透盖6和后端透盖10的中心均 开有一透孔，筒体内前部依次设有透水隔板5的土样柱3，所述的筒体外壁上间隔设有多个 连通筒体内部的传感器接口4，每个传感器接口4上均设有与计算机29相连的孔隙压力传感器9，通过上位机记录和显示孔隙压力传感器9的信息；所述的前端透盖6上也设有与上位机相连的孔隙压力传感器9，前端透盖6通孔经排水管7连接储水罐27，所述的储水罐27下方设有与计算机相连实时测量渗出水量的电子秤26，电子秤26用于实时测量土样筒1排到储水罐27内的液体质量。所述的储水罐27与大气连通，放置在电子秤26上，以便实时测量渗水量；所述的B泥浆筒23经b泥浆管24连接在筒体后部的外壁入口上，所述的A泥浆筒 17经a泥浆管18、再经密封接头12连通后端透盖10；后端透盖10的透孔处设有与传动轴 14相配合的密封圈，密封接头12用于连接泥浆管18和传动轴14。所述a泥浆管18上设有 a开关阀门19，所述的b泥浆管24上设有b开关阀门25，所述的排水管7上设有开关阀门c 开关阀门8。所述的土样筒1的筒体由透明的有机玻璃制成，筒体的外壁上设有便观察刀盘 所处位置和开挖面位置的刻度尺。所述的前端透盖6和后端透盖10与筒体内壁相接触的圆周 面上开有半圆形凹槽，凹槽内设有的密封橡胶圈。

所述切削系统包括动力单元11、连接在动力单元11上的传动轴14和与传动轴14相连 位于土样筒1内的刀盘15，所述的刀盘15的外径略小于土样筒筒体的内径。刀盘15的中心 开有使传动轴14穿过的进浆孔32；所述的动力单元11设在可前后移动的导轨13上，所述的传动轴14为空心杆，传动轴14的轴心线与土样筒1的轴心线重合；所述泥浆筒17内的泥浆通过传动轴14注入到土样筒1中刀盘15前方。所述传动轴14安装在端盖10中心开孔内，与端盖10之间密封连接，传动轴14可沿端盖10的轴线进行运动。传动轴14一端安装有刀 盘15，刀盘15外径略小于土样筒1内径；所述刀盘15上安装有多个的金属块16，金属块 16为长方体，用于切削土样柱3。所述的动力单元11包括安装在导轨13上的第一同步电机 30和第二同步电机31，所述第一同步电机30用于带动动力单元11沿导轨移动，所述第二同 步电机31用于带动刀盘旋转切削土样柱3。所述的刀盘15由多个横截面为直角梯形结构的 辐条33构成，如图2(a)(b)所示，本实例中的辐条33为6个，相邻两辐条中轴线之间夹 角为60°，可根据实验情况选择，每个辐条上都安装有用于切削土样的多个长方体金属块16。 刀盘15旋转过程中通过辐条33的斜面将长方体金属块16切削下的土排至刀盘后方。

所述的加压系统包括储气罐20和控制储气罐20的压力控制器21，压力控制器21安装 在储气罐20上；所述的储气罐20通过输气管22分别连通A泥浆筒17和B泥浆筒23，试验过程中通过压力控制器21控制储气罐向A泥浆筒17和B泥浆筒23中输入气体压力。所述的 A泥浆筒17和B泥浆筒23筒体内均装有泥浆，筒体上方连有储气罐20连通的进气口。

图3所示为本发明各部件之间的连接关系示意图，土样筒1上的多个传感器和设在储水罐26下的电子秤27通过电缆28与计算机29连接，土样筒1分别经输气管22与连接储气罐20的压力控制器21相连。所述计算机29用于记录和显示孔隙压力传感器9和电子秤26测量结果。

本发明的测量动态泥浆渗透性能试验方法，具体步骤如下：

步骤S1：在土样筒1内依次放置透水隔板5和土样柱3，并对土样柱3进行饱水和压实 处理；

步骤S2：先将切削系统中的将刀盘15和传动轴14安装在土样筒1内，保持刀盘15与土样筒1中的土样柱3表面间隔1～2cm，再将后端透盖10密封安装在土样筒1的后端，然后打开b开关阀门25，B泥浆筒23中的泥浆进入土样柱3表面与后端透盖10之间的空间内， 直至填满；

步骤S3：对水平放置的土样筒1进行固定，将传动轴14通过密封接头12固定在动力单 元11上；

步骤S4：设定A泥浆筒17与泥浆筒23内的气体压力在0～1MPa之间，通过压力控制器21调节所述A泥浆筒17内的气体压力，使土样筒1内的泥浆压力在整个试验过程中保持稳定；将A泥浆筒17的a泥浆管18和传动轴14连接，同时打开a开关阀门19和排水管7 上的开关阀门，对土样筒1内的土样柱3进行加压；

步骤S5：对土样柱加压15min后，启动第二同步电机31，使切削系统沿导轨13匀速向 土样筒1移动，移动速度在0～60mm/min之间任意调节，同时启动第一同步电机30，使传动 轴14上的刀盘15按固定转速转动切削土样柱3，转动速度在0～5r/min之间任意调节；

步骤S6：通过计算机记录孔隙压力传感器9的输出信号和电子秤26测量的数据，并观 察土样筒筒体外壁上的刻度尺，当刀盘15掘进至距前段透盖(6)5cm时停止动力单元11的 运行；

步骤S7：将计算电子秤26测得的单位时间内排水量的变化量作为泥浆2渗透性能的评 价指标，计算试验过程中孔隙压力传感器9测的泥浆2压力与土样柱3中孔隙水压力之间的 差值，作为评价泥浆压力传递效果的评价指标。