本發(fā)明屬于隧道與地下工程試驗儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

泥水盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，在復(fù)雜地層條件下，盾構(gòu)機掘進面臨巨大的工程風險，容易造成開挖面坍塌、地表沉降和隆起，盾構(gòu)在開挖過程中經(jīng)常因為一些特殊情況不得不開艙施工，如更換刀具，為了能夠安全的完成開艙作業(yè)，需要在開挖面上形成閉氣性能良好的泥膜，能夠承受開艙所需要的壓力；目前，實驗室關(guān)于泥膜閉氣性能的研究較少，僅局限于漏氣現(xiàn)象的觀測和濾失量的測定，泥膜從閉氣到漏氣的臨界時間點難以判定，試驗現(xiàn)象的描述往往滯后于實際漏氣的臨界時間點；

目前已有判定泥膜漏氣僅限于泥膜閉氣過程中濾失量突然增大和觀察氣泡兩種方法，且沒有將漏氣量考慮其中，如：張寧等在《泥水盾構(gòu)帶壓開艙時泥膜性質(zhì)對其閉氣性的影響研究》文中實驗以泥膜閉氣過程中所測濾失量突然增大點為泥膜漏氣點，此方法可以測定濾失量但對微小漏氣量的測量尚有欠缺，因為當只有微小漏氣量時，濾失量增長依舊緩慢，沒有突然增大的點，所以對泥膜漏氣時間測量只是一個粗略測量，測得漏氣時間點存在滯后性，比實際泥膜漏氣時間點要晚，且對漏氣量無法測量；閔凡路等在《不同泥漿滲透模式下形成泥膜的閉氣效果探討》文中將出水管通向裝滿水的筒底中，以筒中液面上升進而出現(xiàn)連續(xù)的氣泡為泥膜漏氣時間點，其所用筒能夠測量泥膜漏氣初始漏氣時間，但無法測定泥膜漏氣快速增長的不同時間節(jié)點和泥膜閉氣過程中的濾失量，且無法測量漏氣量。

綜上所述現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點：①以濾失量的突然增大為泥膜漏氣的判定標準，忽視了在閉氣過程中地層和泥膜微小孔隙中氣體的排出量；②將排水管連通到水中，以水中連續(xù)冒氣泡來判定泥膜漏氣，沒有測量漏氣前透過泥膜的濾失量；③無法測定泥膜漏氣量，不能實現(xiàn)泥膜濾失量和漏氣量同步測定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置及方法，其目的在于解決目前試驗手段不能實現(xiàn)濾失量和漏氣量同步測定的問題，通過引入細徑管，根據(jù)細徑管的入水口處是否有氣泡冒出和水位液面變動快速直觀判定泥膜是否漏氣和初始漏氣時間。

一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置，包括A筒1、B筒5、進水管10、排水管11、電子天平12以及上位機13；

所述A筒上部設(shè)置有細徑管2，所述進水管10插入細徑管2，所述排水管11連通A筒1和B筒5；

所述A筒1和B筒5分別放置在兩個電子天平12的托盤上，電子天平與上位機相連；

所述A筒1和B筒5的內(nèi)徑相同，細徑管2的內(nèi)徑為A筒1內(nèi)徑的

所述A筒1和B筒5外壁上均設(shè)置有刻度線7，且兩者的高度相同。

進一步地，所述細徑管2外壁標有刻度線的一側(cè)設(shè)置有圖像監(jiān)控單元15，且圖像監(jiān)控單元15與所述上位機13相連。

進一步地，所述A筒1上的開口處分別設(shè)置有A孔密封蓋3和B孔密封蓋4，A孔密封蓋3和B孔密封蓋4均開設(shè)有通孔A孔和B孔，A孔內(nèi)徑與進水管10外徑相同，B孔內(nèi)徑與排水管11外徑相同。

進一步地，所述B筒5上的開口設(shè)置有防蒸發(fā)瓶蓋6，防蒸發(fā)瓶蓋6上設(shè)有C孔，排水管插入C孔，且排水管與C孔之間留有透氣縫隙。

進一步地，所述排水管11的入水口端部位于A筒1底部以上1-2cm處，所述排水管11的出水口端部位于B筒5的開口處以下0.5-2cm處；

進水管10伸入細徑管2中液面以下1-3cm處，細徑管2中液面距離細徑管2頂部1.5-3cm。

進一步地，所述B孔密封蓋4帶有螺紋，旋擰在A筒1上，A孔密封蓋3帶有螺紋，旋擰在細徑管2上。

進一步地，所述細徑管2內(nèi)徑為7-9mm；進水管10外徑為4.5-5mm，內(nèi)徑為3-4mm；A筒1內(nèi)徑為6-8cm；B筒2內(nèi)徑為6-8cm；

細徑管2的長度為15-22cm，A筒和B筒的整體高度均為60-80cm。

一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的方法，采用上述的可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置與泥膜閉氣裝置連接，具體步驟如下：

(1)在排水管11中充滿水，在A筒1中裝入水，A筒中初始液面距離細徑管2頂部3cm，進水管10插入細徑管2中液面以下1cm處，排水管11出水口端插入B筒5的C孔且不接觸C孔，出水口端部位于B筒5的頂部以下1cm處；

排水管11出水口的空氣壓力等于細徑管2中空氣壓力，初始空氣壓力為1個標準大氣壓力P_air；

(2)當液體或氣體從進水管10流入到A筒1的細徑管2中，細徑管2中空氣體積被壓縮，氣壓值增長為P₁驅(qū)動A筒1中水流向B筒5，當細徑管2中氣壓P₁降至P_air，水流停止流動；

(3)當水流停止流動后，分3種情況確定濾失量m_w和漏氣量Q_a：

若僅有氣體從進水管10進入，濾失量m_w為0；漏氣量Q_a為B筒5所增加的水的體積或從A筒1的細徑管壁面刻度7讀取液面上升值對應(yīng)的水的體積；

若僅有液體從進水管10進入，濾失量m_w為B筒5的質(zhì)量變化值，漏氣量Q_a為0；

當有氣體和液體從進水管10進入A筒1時，濾失量m_w為B筒5質(zhì)量增加量與A筒1質(zhì)量減少量絕對值之差，A筒11和B筒5質(zhì)量的變化量由電子天平獲得；細徑管2中液面變化被圖像監(jiān)控單元15記錄下來；

漏氣量Q_a為從A筒1的細徑管壁面刻度7讀取液面上升值對應(yīng)的水的體積。

進一步地，根據(jù)圖像監(jiān)控單元15所記錄的細徑管2中水位液面快速變動時間點直觀判定泥膜是否漏氣，確定泥膜漏氣的初始時間。

進一步地，濾失量m_w增長曲線發(fā)生突變的拐點為快速上升階段的起點，對應(yīng)的時間為泥膜漏氣的初始時間。

有益效果

本發(fā)明提供了一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置及方法，該裝置包括A筒1、B筒5、進水管10、排水管11、電子天平12以及上位機13；所述A筒上部設(shè)置有細徑管2，所述進水管10插入細徑管2，所述排水管11連通A筒1和B筒5；所述A筒1和B筒5分別放置在兩個電子天平12的托盤上，電子天平與上位機相連；該裝置通過設(shè)置的細徑管，觀察細徑管中的入水口處是否有氣泡冒出和水位液面變動快速直觀判定泥膜是否漏氣和初始漏氣時間，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)準確確定泥膜開始漏氣的時間和漏氣量增長的不同時間節(jié)點，可以同時追蹤濾失量和漏氣量隨時間的變化規(guī)律，能夠測量微小的漏氣量和濾失量并在電腦上以曲線形式顯示出來為泥膜閉氣性提供了一種有效的檢測方法；

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1)可有效解決目前試驗手段無法測定泥膜漏氣量，不能實現(xiàn)濾失量和漏氣量同步測定的問題；

2)可以根據(jù)細徑管中的入水口處是否有氣泡冒出和水位液面變動快速直觀判定泥膜是否漏氣和初始漏氣時間；

3)可以根據(jù)試驗測定數(shù)據(jù)準確確定泥膜初始漏氣、漏氣快速增長的不同時間節(jié)點，能為泥膜閉氣性提供一種有效的檢測方法；

4)可以同步追蹤濾失量和漏氣量隨時間的變化規(guī)律，能夠測量微小的漏氣量和濾失量，可在電腦上以曲線形式顯示出來。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為泥膜閉氣試驗裝置和本發(fā)明所述裝置的組裝示意圖；

圖3為漏氣量Qa曲線圖；

圖4為濾失量m_w曲線圖；

標號說明：A筒1，細徑管2，A孔密封蓋3，B孔密封蓋4，B筒5，防蒸發(fā)瓶蓋6，刻度線7，水8，氣體9，進水管10，排水管11，電子天平12，上位機13，RS232串口連接線14，攝像機15；閥門16，地層17，有機玻璃筒18，泥膜19，調(diào)壓閥20，閥門21，氣壓泵22。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

如圖1所示，一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置，包括A筒1、B筒5、進水管10、排水管11、電子天平12以及上位機13；

所述A筒上部設(shè)置有細徑管2，所述進水管10插入細徑管2，所述排水管11連通A筒1和B筒5；

所述A筒1和B筒5分別放置在電子天平12的兩端，電子天平與上位機相連；

所述A筒1和B筒5的內(nèi)徑相同，細徑管2的內(nèi)徑為A筒1內(nèi)徑的

所述A筒1和B筒5外壁上均設(shè)置有刻度線7，且兩者的高度相同。

所述細徑管2外壁標有刻度線的一側(cè)設(shè)置有攝像機15，且攝像機15與所述上位機13相連。

所述A筒1上的開口處分別設(shè)置有A孔密封蓋3和B孔密封蓋4，A孔密封蓋3和B孔密封蓋4均開設(shè)有通孔A孔和B孔，A孔內(nèi)徑與進水管10外徑相同，B孔內(nèi)徑與排水管11外徑相同。

所述B筒5上的開口設(shè)置有防蒸發(fā)瓶蓋6，防蒸發(fā)瓶蓋6上設(shè)有C孔，排水管插入C孔，且排水管與C孔之間留有透氣縫隙。

所述排水管11的入水口端部位于A筒1底部以上1-2cm處，所述排水管11的出水口端部位于B筒5的開口處以下0.5-2cm處；

進水管10伸入細徑管2中液面以下1-3cm處，細徑管2中液面距離細徑管2頂部1.5-3cm。

所述B孔密封蓋4帶有螺紋，旋擰在A筒1上，A孔密封蓋3帶有螺紋，旋擰在細徑管2上。

所述細徑管2內(nèi)徑為7-9mm；進水管10外徑為4.5-5mm，內(nèi)徑為3-4mm；A筒1內(nèi)徑為6-8cm；B筒2內(nèi)徑為6-8cm；

細徑管2的長度為15-22cm，A筒和B筒的整體高度均為60-80cm。

一種可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的方法，采用上述的可同步測量泥膜閉氣過程中濾失量和漏氣量的裝置與泥膜閉氣裝置連接，如圖2所示，具體步驟如下：

a)進行泥膜閉氣裝置的組裝，氣壓泵22提供氣壓，閥門21是氣壓泵22的開關(guān)，調(diào)壓閥20能夠調(diào)節(jié)氣壓值，精度為1kPa，泥膜19，有機玻璃筒18水平放置，地層17，閥門16是有機玻璃筒18的底部閥門；

b)實驗前準備，在排水管11中充滿水8，在A筒1中裝入水8，水8初始液面距離A筒1的細徑管2頂部3cm，進水管10插入細徑管2中液面以下1cm處，A筒1、B筒5分別放置于一個電子天平12的兩端，排水管11入水口端插入A筒1密封蓋4上的B孔，入水口端部位于A筒1底部以上2cm處，排水管11出水口端插入B筒5的C孔，出水口端部位于B筒5中頂部以下1cm處且與C孔無接觸；B筒5不裝入水；攝像機15對準刻度7且和細徑管2中液面高度持平；電子天平12和上位機13通過RS232串口連接線14連接，閥門15與A孔密封蓋3上A孔通過進水管10相連，上位機記錄天平12數(shù)值。

c)實驗過程：

①先進行泥漿滲透成膜，將有機玻璃筒18垂直放置，填裝地層17，注入泥漿，打開閥門21，調(diào)壓閥20壓力緩慢調(diào)至0.2MPa，此時p₀為0.2MPa，待泥膜形成后關(guān)閉閥門16，水平放置有機玻璃筒18，此時氣壓p₀直接接觸泥膜；

②連接進水管10和閥門16，打開上位機13上的記錄軟件，打開攝像機15，通過A筒1壁面刻度7記錄水高度，打開閥門16，泥膜19閉氣過程中因壓縮擠出的濾失量m_w會通過管10進入到A筒1中。

③當泥膜19破壞時會產(chǎn)生透氣孔，氣體便會進入到地層17中而后進入到A筒1中，上位機13記錄天平12的質(zhì)量變化，攝像機15記錄細徑管2中液面變化。

當液體或氣體從進水管10流入到A筒1的細徑管2中，細徑管2中空氣體積被壓縮，氣壓值增長，變?yōu)镻₁，此時P₁>P＝排水管11出水口的空氣壓力，驅(qū)動A筒1中水8流向B筒5，P₁開始減小，當P₁降至P_air，水流停止流動；(3)步驟(2)中水流停止流動后，分3種情況確定濾失量m_w和漏氣量Q_a，即從進水管10進入A筒1的流體分別為僅有氣體、僅有液體和同時有液體和氣體3種情況；若僅有氣體從進水管10進入，濾失量m_w為0，漏氣量Q_a與從A筒1的液體排出到B筒5的體積相等或從A筒1壁面刻度7讀取液面下降值，即為漏氣量Q_a；若僅有液體從進水管10進入，A筒1質(zhì)量不變，B筒5質(zhì)量變化即為濾失量m_w值；當有氣體和液體從進水管10進入A筒1時，A筒1中氣體11體積增加量等于漏氣量Q_a，B筒5質(zhì)量增加量為濾失量m_w和A筒1中水8質(zhì)量減少量絕對值之和，A筒1和B筒5質(zhì)量的變化都會被電腦記錄下來；細徑管2中液面變化被攝像機15記錄下來；濾失量m_w和漏氣量Q_a的具體計算方法如下：

1)進入A筒1的流體僅有氣體情況

A筒1質(zhì)量變化絕對值Δm₁，B筒5質(zhì)量變化絕對值Δm₂，Δm₂＝Δm₁。漏氣量Q_a通過2種方法確定，即通過A筒1壁面刻度7讀數(shù)變化確定，和通過電子天平12測定的質(zhì)量數(shù)據(jù)計算確定，Q_a＝Δm₁/ρ_f＝Δm₂/ρ_f；此時，濾失量m_w為0；

2)進入A筒1的流體僅有液體情況

A筒1內(nèi)水8體積不變、天平讀數(shù)不變，即Δm₁＝0，濾失量m_w＝Δm₂，進液體積Q_w＝Δm₂/ρ_f；此時，漏氣量Q_a為0；

3)進入A筒1的流體同時有氣體和液體情況

漏氣量Q_a可通過2種方法確定，即通過A筒1壁面刻度7讀數(shù)變化確定，和通過電子天平12測定的質(zhì)量數(shù)據(jù)計算確定，Q_a＝Δm₁/ρ_f，漏氣量Q_a等于A筒1內(nèi)水8體積減少量，Q_a＝ΔV；A筒1質(zhì)量減少量為|Δm₁|，B筒5質(zhì)量增加量為Δm₂，濾失量m_w＝|Δm₂|-|Δm₁|。

漏氣時間判別

(1)現(xiàn)象初步粗略判別

細徑管2直徑較小，微量的氣體進入可以使細徑管中的液面下降，可以根據(jù)攝像機15所記錄的細徑管2中水位液面變動快速直觀判定泥膜是否漏氣，確定泥膜漏氣的初始時間。

(2)數(shù)據(jù)后處理精確判別

泥膜漏氣是一個劇烈的過程，所以在濾失量m_w增長曲線會由原來的平緩階段突變?yōu)榭焖偕仙A段，發(fā)生突變的拐點即快速上升階段的起點對應(yīng)的時間即為泥膜漏氣時間點；

根據(jù)漏氣和濾失同步發(fā)展的不同階段，快速上升階段可能出現(xiàn)從漏氣量Q_a從低速到高速直至穩(wěn)定的變化，濾失量m_w初始隨著漏氣量Q_a增加而增加，經(jīng)過一定時間，地層中液體完全流出，濾失量m_w降至0。

圖3為漏氣量Q_a曲線圖，第一階段泥膜閉氣性良好，漏氣量Q_a為0；第二階段泥膜已破壞漏氣，t₁為泥膜開始漏氣時間，此時漏氣速率呈增長趨勢，曲線斜率增大；t₂時候為泥膜漏氣速率達到最大值，漏氣速率恒定，漏氣量Q_a增長曲線為斜率一定的直線。

圖4為濾失量m_w曲線圖，第一階段泥膜閉氣性良好，t₀為泥膜壓縮點，此時濾失量m_w增長為泥膜被壓縮排出的濾液；t₁和t₂與圖3得時間點對應(yīng)相同，第二階段濾失量m_w隨著漏氣量Q_a增大排出速度逐漸增大，隨著地層中液體逐漸排出，濾失量m_w增長速度降低；第三階段，地層中液體排完，濾失量m_w不再增長。

本發(fā)明裝置中的細徑管不僅能夠準確測量泥膜閉氣過程中的微小漏氣量和濾失量，還能根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理和攝像機記錄的畫面準確確定泥膜漏氣時間點。

以上所述僅是本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。