CN102175406B - 用于隧道变形缝止水带水密性试验的试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种用于隧道变形缝止水带水密性试验的试验系统，包括密封安装于待测试止水带两侧的两个钢箱及一钢结构试验台，一气压试验台，一液压试验台，一空压机，及远距离全自动观测、读数设备和安全防护装置。本发明的试验装置可以用于多种止水带的水密性测试，准确实现任意张开位移量和剪切位移量，通过气压试验台给试验对象施加囊内气压，通过液压试验台给钢箱内施加液压以模拟海水压力，以模拟变形缝止水结构在不同工况下的受力情况。本发明不但适于OMEGA止水带和GINA止水带的试验，还可适用于可膨胀式止水带的试验。

Description

用于隧道变形缝止水带水密性试验的试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及建筑工程、港口工程、公路和桥梁工程等领域，具体涉及沉管隧道变形缝止水带水密性试验时采用的试验装置、试验方法以及配套紧固装置。

背景技术

沉管隧道由若干数量的管节连接而成，管节又分为柔性管节和刚性管节，柔性管节又有若干管段连接而成，为了保障隧道的水密性，相邻管节之间和相邻管段之间均通过变形缝止水带连接，目前隧道施工中常用的止水带有GINA止水带、OMEGA止水带、可注浆钢边止水带以及可膨胀式止水带；沉管隧道在运营期间，由于地基不均匀沉降、地震作用等影响，相邻管节间、相邻管段间均可能发生横向、垂向及纵向位移，从而导致固定于管节或管段的止水带随之发生剪切、张拉变形；为了保障隧道在使用寿命内安全运营，必须保障止水带在发生不同剪切、张拉变形后能够有效止水。那么，在沉管隧道施工前，对拟采用的止水带事先进行不同变形量、不同水压组合下的水密性试验检测就显得非常必要。然而，到目前为止，国际上尚未形成一套成熟的沉管隧道止水带水密性试验检测装置和方法，既可测试OMEGA止水带，又可测试可膨胀式止水带的试验装置还是空白。随着沉管隧道在近海和内河的大量使用，发明一套可用于检测隧道变形缝止水带结构水密性的试验装置和试验方法非常必要。

另一方面，对于橡胶止水带，目前生产厂家(现以荷兰和日本厂家为主)只提供产品，并不提供相应的配套紧固装置。但是，实际工程中，尤其是对主要依靠机械防水的OMEGA止水带来说，最终影响变形缝防水效果的往往是止水带紧固装置的设计和安装。这在广州的仑头生物岛沉管隧道和洲头咀沉管隧道都得到充分的体现。早期的紧固装置由螺栓和压板组成，螺栓须贯穿OMEGA止水带，这样，容易造成止水带因应力集中而受损，且贯穿止水带的螺栓孔极易造成漏水。如何从根本上解决透过螺栓孔的漏水问题始终是一个难点。因此，设计出一套用于OMEGA止水带的紧固装置是目前沉管隧道工程施工过程中的迫切需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种可适用于多种类型的止水带的沉管隧道止水带水密性试验检测装置和方法。

本发明的用于隧道变形缝止水带水密性试验的试验系统，包括：用于模拟隧道两边端钢壳结构的两个钢箱，通过紧固装置分别密封安装于待测试止水带两侧；一钢结构试验台，设置有供所述钢箱实现纵向和横向位移的纵向导轨和横向导轨及其定位装置；

一气压试验台，用于给测试件内施加囊内气压；

一液压试验台，用于给钢箱内施加液压以模拟海水压力；

一空压机，给气压试验台和液压试验台提供动力源；及

远距离全自动观测、读数设备和安全防护装置；

所述钢箱箱体上设有一进水口，通过水管分别连接于水源及所述液压试验台，及一排气口，用于充水时排开钢箱内气体，及一设置于箱体底部的排水口。

上述气压试验台和液压试验台的连接管道装有高压阀门，阀门关闭后，它们在承受高水压的情况下能够保证钢箱水密性。

所述钢箱上预埋有盖形螺母，用于安装OMEGA止水带试件，箱体拐角处设置135°的倒角，用于模拟沉管隧道的实际倒角。

所述气压试验台和液压试验台上分别设置有用于防止加载过度的自动安全卸荷阀，当施加的气压或液压超过警界值时自动卸载。

作为优选方案，连接所述止水带与所述钢箱的紧固装置包括：连接所述止水带与所述钢箱的紧固装置包括：一用于充当杠杆横臂的扣板、一用于充当杠杆支点的水平放置的圆钢、及一紧固螺栓，所述螺栓穿过所述扣板中点紧固于所述钢箱的箱盖，所述扣板一侧压于圆钢弧面上，另一侧通过一压块夹紧固定所述止水带的连接边。

进一步地，所述压块突出于所述扣板外侧。

应用如上所述的试验系统于隧道变形缝止水带水密性试验的方法，包括如下步骤：

(1)安装好待检测止水带于两个钢箱之间，并以紧固装置固紧密封；

(2)调节两钢箱间的横向及纵向位移至预设值；

(3)往钢箱内注水、并向钢箱内施加水压；

(4)加第一级水压，稳压后保压并读取数据；

(5)加下一级水压，稳压后保压并读取数据。

上述方法还包括向止水带囊内施加气压的步骤。

本发明的试验装置可以用于多种止水带的水密性测试，以设置于止水带两的钢箱模拟隧道两边的端钢壳结构，并通过纵向和横向导轨确定位置，准确实现任意张开位移量和剪切位移量，通过气压试验台给试验对象施加囊内气压，通过液压试验台给钢箱内施加液压以模拟海水压力，以模拟变形缝止水结构在不同工况下的受力情况。由于本试验装置属于高压试验装置，考虑到试验人员的安全，设计了一套远距离全自动观测和读数设备，并在试验台周围设置挡板，以保证试验人员安全。本发明可通过手动和气动两种方式施加囊内气压和腔内液压，每到一级荷载，稳压半小时，让应力得到充分释放，然后保压2小时，每隔20分钟观测一次压降值。本发明不但适于OMEGA和GINA止水带的试验，还可适用于可膨胀式止水带的试验。

本发明的优点如下：

(1)设计出了一套完整的、可以方便地检验止水带在不同变形量和不同施加水压组合作用下的水密性的试验装置，该试验装置可以实现：使止水带发生0～100mm的剪切变形量、发生0～120mm的张拉变形量、施加的水压为0～2MPa，并且剪切变形量、张拉变形量和施加水压三者可以随意组合。本试验方案可以用来检测多种橡胶止水带在不同剪切变形量、不同张拉变形量和不同水压力组合下的水密性。

(2)制定了完整的试验方法，对不同类型的橡胶止水带给出了完整的试验方法和试验标准。

(3)利用杠杆原理所设计的止水带紧固装置，既保证了止水带与管节之间有足够的压紧力以实现密封，又避免了螺栓贯穿止水带的弊端，从根本上解决了透过螺栓孔的漏水问题。将传统的一次性加载扭矩改为分级加载扭矩，经过试验验证，改进后的工艺使相同条件下时止水带水密性的可靠度提高了近4倍。

附图说明

图1是本发明的试验系统的立面示意图。

图2是本发明的试验系统的俯向示意图。

图3是钢箱结构示意图，其中图3a是立面图，图3b是俯视图。

图4是止水带紧固装置安装示意图。

图5是实施例1的实验步骤流程图。

图6是实施例2的实验步骤流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明整套系统主要包括钢箱1、2，钢结构试验台、气压试验台、液压试验台、空压机及一套远距离全自动观测、读数设备和安全防护装置。如图1、图2所示，钢结构试验台是钢箱的承载及操作台，钢箱1、2分别放置于底座5、6之上，底座5安设于横向导轨3之上，可沿横向导轨作X方向的移动，底座6安设于纵向导轨4之上，可沿纵向导轨作Y方向移动。千斤顶7用于驱动钢箱1及其底座5沿X方向移动，千斤顶8用于驱动钢箱2及其底座6沿Y方向移动。定位拉杆9、10用于标定两钢箱之间的距离。

以钢箱2为例，如图3a、3b所示，钢箱箱体上设有进水口103，设置于箱体顶部，通过进水管连接于水源，进水口同时还是液压加压口，通过管路连接液压试验台；排气口104，设置于箱体顶部，用于充水时排开钢箱内气体，在箱体内设置有排气小管1041，用于排开钢箱上部空间的气体；排水孔106，设置于箱体底部，其作用是排出箱体内的水。

钢箱上预埋有盖形螺母107，用于安装OMEGA止水带试件，并在箱体拐角处设置135°的倒角，用于模拟沉管隧道的实际倒角。

气压试验台和液压试验台上分别设置有用于防止加载过度的自动安全卸荷阀，当施加的气压或液压超过警界值时自动卸载。

上述系统可实现张拉变形、剪切变形和水压的组合加载。

钢箱1、2中间安装OMEGA止水带11，止水带上设有加气压口，通过管路连接于所述气压试验台。以如图4所示的紧固装置固紧于钢箱盖板。该紧固装置20包括用于充当杠杆横臂的扣板201、用于充当杠杆支点的水平放置的圆钢203、紧固螺栓202、压块204，紧固螺栓202穿过所述扣板201中点紧固于所述钢箱1的箱盖，扣板201的一侧压于圆钢204弧面上，另一侧压紧于压块205，并通过压块205进一步压紧于止水带11的连接边。同理，止水带的另一连接边也通过紧固装置固定于另一钢箱2的箱盖。止水带外侧设有帘子布110，以进一步加强密封防水效果。其中螺栓的强度不低于8.8级，直径不小于20mm。压块205突出于扣板201外侧边缘。

上述紧固装置的优势在于利用杠杆原理，以圆钢204为支点，将螺栓202的预紧力转化为压块205对止水带11的压紧力，使止水带11与钢箱紧密接触而实现密封止水。创新的止水带紧固装置的设计具有以下特征：①圆钢使得整个紧固装置够根据需要自动调整受力角度，以实现最佳受力状态；②不穿透止水带，对止水带不会产生削弱；③在端钢壳上预埋螺栓，易于现场定位安装，提高精度；④压块适当突出扣板，可减少扣板宽度，节约材料。

该紧固装置在使用过程中取得了以下效果：①大大提高了紧固装置的可靠性，传统紧固装置扭矩达到300Nm时其能够实现止水的水压不超过1MPa，经过我们创新设计的紧固装置螺栓扭矩只需120Nm，其有效止水的水压已可达到1MPa；②由于螺栓不再贯穿止水带，透过螺栓孔的漏水现象得以根治，且避免了止水带穿孔造成的应力集中；③本紧固装置由于经过严格计算和选形，因此止水带的受力和变形趋于均匀，更加有利于止水。试验证明：改进后的紧固装置使相同扭矩时止水带水密性的可靠度提高了近4倍。

如图5所示，开始OMEGA止水带的试验，先安装好待测止水带，然后检查试验台；调节钢箱的位移，使张开量达到预设值；往钢箱内注水；检查加水压设备；空压机加压；加第一次水压；稳压、保压和读取数据；加下一级水压；结束试验，或者进入下一加水压循环测试中，然后结束该张开量的试验。

按照试验预定方案施加变形和水压组合，沿纵向、横向导轨移动不同距离，调节变形缝使之发生不同的张拉-剪切变形，并注入不同的水压。开始在这一变形和水压组合条件下的试验。

保持组合变形量和水压值2个小时不变，观察钢箱体内水压的变化，如水压下降不大于5％，说明水密性符合要求，否则，止水带水密性不能满足要求。

上述对OMEGA止水带的试验步骤同样适用于GINA止水带的试验。

实施例2

如实施例1的安装步骤，把可膨胀止水带通过紧固装置固定于试验系统的钢箱之间。如图6所示，开始可膨胀止水带的试验，先安装好待测止水带，然后检查试验台；调节钢箱的位移，使张开量达到预设值；空压机加压；给可膨胀式止水带囊内加气压；往钢箱内注水；检查加水压设备；空压机加压；加第一次水压；稳压、保压和读取数据；加下一级水压；结束试验，或者进入下一加水压循环测试中，然后结束该张开量的试验。

实施例3

本例为应用实例，为港珠澳大桥管节变形缝的水密性模型试验。

本项发明已成功应用于“港珠澳大桥管节变形缝的水密性模型试验”中，港珠澳大桥沉管隧道管节变形缝运营期设计最大张拉变形量为85mm，剪切变形量为10mm，最大工作水压为0.48MPa，安全系数取2.5，试验时施加的最大水压为1.2MPa。

试验实施步骤为：按照预设的变形量组合调整好钢箱模型并加以固定，利用加压设备向钢箱-止水带腔体内施加预设的水压力，保压2小时，观察压降，若压降不大于5％，则此变形量和施加水压组合下的止水带通过水密性测试。

水密性试验外观合格标准为：钢箱接头外侧无喷水点，无顺墙流水现象，无滴水现象；止水合格标准为：2小时保压以后，压降不超过0.05MPa，压降百分比不超过5％(不包括由设备仪器本身原因引起的压降)。

Claims (8)

1.用于隧道变形缝止水带水密性试验的试验系统，其特征在于：包括

用于模拟隧道两边端钢壳结构的两个钢箱，通过紧固装置分别密封安装于待测试止水带两侧，及

一钢结构试验台，设置有供所述钢箱实现纵向和横向位移的纵向导轨和横向导轨及钢箱的定位装置，

一气压试验台，用于给待测试止水带施加囊内气压，

一液压试验台，用于给钢箱内施加液压以模拟海水压力，

一空压机，给气压试验台和液压试验台提供动力源，及

远距离全自动观测、读数设备和安全防护装置；

所述钢箱箱体上设有

一进水口，通过水管分別连接于水源及所述液压试验台，及

一排气口，用于充水时排开钢箱内气体，及

一设置于箱体底部的排水口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：连接于所述气压试验台及液压试验台的管道设有高压阀门。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述钢箱上预埋有盖形螺母，并在箱体拐角处设置135°的倒角。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述气压试验台和液压试验台设置有用于防止加载过度的自动安全卸荷阀。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：连接所述止水带与所述钢箱的紧固装置包括：一用于充当杠杆横臂的扣板、一用于充当杠杆支点的水平放置的圆钢及一紧固螺栓，所述螺栓穿过所述扣板中点紧固于所述钢箱的箱盖，所述扣板一侧压于圆钢弧面上，另一侧通过一压块夹紧固定所述止水带的连接边。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述压块突出于所述扣板外侧。

7.如权利要求1~6所述的试验系统应用于隧道变形缝止水带水密性试验的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）安装好待检测止水带于两个钢箱之间，并以紧固装置固紧密封；

（2）调节两钢箱间的横向及纵向位移至预设值；

（3）往钢箱内注水、并向钢箱内施加水压；

（4）加第一级水压，稳压后保压并读取数据；

（5）加下一级水压，稳压后保压并读取数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括向止水带囊内施加气压的步骤。

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