【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及盾构气压辅助领域，特别涉及适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置及方法。
技术介绍
1、土压平衡盾构气压辅助掘进模式达到了减轻盾构负荷、降低刀具磨损和刀盘结泥饼风险、提高掘进效率的良好效果。土压平衡盾构气压辅助施工，利用空压机产生压缩空气，将气体或气体与泡沫的混合物注入土舱内，代替舱内上部渣土，在舱内以“气压+土压”一起抵抗隧道开挖地层的水土压力。
2、盾构土舱内加压气体渗透性强，会向刀盘前方地层渗透，驱替地层土体中的孔隙水，造成土舱气压损失，同时在开挖地层一定范围内形成非饱和区。如果土舱气压过大，会在地层土体内形成优势气流通道，引起非饱和区扩大甚至延伸到地面，最终造成地表隆起甚至气体击穿地层破坏。一旦发生气压击穿破坏，会引起土舱内压力骤降，导致地层大变形甚至失稳坍塌。
3、因此，对非饱和区域的研究是安全掘进的关键，而目前对于非饱和区域的研究集中于渗气参数的研究，对非饱和区的时空变化规律研究较少，难以反馈真实情况下非饱和区的真实变化规律。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置及方法，其目的是为了研究非饱和区时空变化规律，为土压平衡盾构气压辅助掘进模式提供理论基础。
2、为了达到上述目的，本专利技术的实施例提供了一种适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，包括：
3、透明的密封箱，在所述密封箱的侧面下部设置有向密封箱内凹陷的模拟隧道，所述密封箱用于填充配置土；>
4、进气系统，与所述模拟隧道连通并通过模拟隧道向密封箱内注入气体；
5、进水系统，与所述密封箱的底部连通用于向密封箱内注入液体；
6、收集排放系统，包括支路管以及设置在支路管上的第一流量计和第一压力计，所述支路管设置在密封箱的上方与所述密封箱的内部连通；
7、信息采集系统，包括采集单元、与采集单元信号连接的摄录单元、电极单元，若干电极单元间隔的埋设在配置土内，所述摄录单元设置在密封箱的前方，所述摄录单元用于记录配置土内部的变化，所述采集单元检测相邻电极单元之间的电流变化。
8、优选地，所述密封箱内还设置有分隔板，若干所述分隔板设置在配置土的上方，并将配置土上方分隔形成若干水平的分隔区，在每个分隔区内对应设置有一个收集排放系统，各收集排放系统的支路管汇聚于排放管。
9、优选地，所述进气系统包括气源设备，所述气源设备与所述模拟隧道连通，所述气源设备与模拟隧道之间的气体流动路径上还设置有第二流量计和第二压力计。
10、优选地，所述模拟隧道靠近密封箱的一端设置有多孔透气板。
11、优选地，配置土为透明的土体，所述密封箱的底部设置有带有排水阀的排水口。
12、本申请还提供了一种实验方法，采用前述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置：
13、s10.对不同饱和度的配置土进行电阻率测试，并构建电阻率与饱和度公式；
14、s20.采用湿装法分层将配置土填充至密封箱内并达到指定高度，对配置土进行饱和处理以及调整配置土的初始地下水位；
15、s30.向密封箱内通入气体，气体以分级增压的方式注入，直至达到指定气压值，在分级注气的过程中，获取如下信息：
16、a.获取配置土内优势气流通道的发展变化规律及气流分布范围；
17、b.获取经配置土上表面溢出气体的气体总量及出口压力；
18、c.获取配置土非饱和区的发展变化规律；
19、s40.根据出口压力及时间绘制出口压力-时间曲线，并将出口压力急剧增大时的注气压力定义为击穿压力；
20、s50.调整配置土的级配，重复步骤s10-s40，研究不同配置土对优势气流通道、击穿压力、非饱和区发展变化规律的影响。
21、优选地，在步骤s20中，当配置土填充结束后，将无气水充入配置土内并静置一段时间使配置土达到充分饱和，调整密封箱内初始地下水的水位。
22、优选地，在步骤s30的分级注气过程中，在每一级气压下，流量稳定后再施加下一级气压，直至增加值预设的气压值。
23、优选地，在步骤s30中，利用摄录单元记录渗气过程中配置土内的优势气流通道的发展变化规律、气流分布范围；
24、在获取配置土非饱和区的发展变化规律时，保持电极单元之间的电势差恒定，并获取渗气过程中电极单元之间的电流变化，进而获得各电极单元处的实时电阻率，结合s10中电阻率与饱和度公式，换算得到各电极单元处配置土饱和度的大小，进而获得非饱和区的发展变化规律。
25、优选地，非饱和区和优势气流通道的发展变化规律包括大小变化和形状变化。
26、本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
27、在本申请中，通过模拟当前的工况以及获取配置土内部的变化表征非饱和区、气流优势通道的发展变化规律、击穿压力等，形成气压渗入过程中不同阶段的土体非饱和度值的等高线图，有助于探究非饱和区土体饱和度的时空变化规律，为实际施工提供了理论指导。
28、本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
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1.适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述密封箱(1)内还设置有分隔板(12)，若干所述分隔板(12)设置在配置土的上方，并将配置土上方分隔形成若干水平的分隔区，在每个分隔区内对应设置有一个收集排放系统(4)，各收集排放系统(4)的支路管(41)汇聚于排放管(44)。
3.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述进气系统(2)包括气源设备(21)，所述气源设备(21)与所述模拟隧道(11)连通，所述气源设备(21)与模拟隧道(11)之间的气体流动路径上还设置有第二流量计(22)和第二压力计(23)。
4.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述模拟隧道(11)靠近密封箱(1)的一端设置有多孔透气板(13)。
5.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：配置土为透明的土体，所述密封箱(1)的底部设置有带
6.一种实验方法，采用权利要求1-5任一项所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：在步骤S20中，当配置土填充结束后，将无气水充入配置土内并静置一段时间使配置土达到充分饱和，调整密封箱(1)内初始地下水的水位。
8.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：在步骤S30的分级注气过程中，在每一级气压下，流量稳定后再施加下一级气压，直至增加值预设的气压值。
9.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：在步骤S30中，利用摄录单元记录渗气过程中配置土内的优势气流通道的发展变化规律、气流分布范围；
10.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：非饱和区和优势气流通道的发展变化规律包括大小变化和形状变化。
...【技术特征摘要】
1.适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述密封箱(1)内还设置有分隔板(12)，若干所述分隔板(12)设置在配置土的上方，并将配置土上方分隔形成若干水平的分隔区，在每个分隔区内对应设置有一个收集排放系统(4)，各收集排放系统(4)的支路管(41)汇聚于排放管(44)。
3.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述进气系统(2)包括气源设备(21)，所述气源设备(21)与所述模拟隧道(11)连通，所述气源设备(21)与模拟隧道(11)之间的气体流动路径上还设置有第二流量计(22)和第二压力计(23)。
4.根据权利要求1所述的适用于盾构气压辅助掘进的非饱和区模拟实验装置，其特征在于：所述模拟隧道(11)靠近密封箱(1)的一端设置有多孔透气板(13)。
5.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄杉，潘秋景，李吉，王胜军，詹享东，罗凛，陈世君，谭博，向南，黄金勇，
申请(专利权)人：中铁五局集团电务工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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