CN102778337A - 一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统 - Google Patents
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本发明属于盾构隧道技术领域，公开了一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统；该系统包括自平衡框架系子系统、荷载与变形控制子系统、试件运送子系统、操作子系统和数据采集子系统；平衡框架系子系统和荷载与变形控制子系统以螺栓进行连接，平衡框架系子系统和试件运送子系统以螺栓进行连接，荷载与变形控制子系统和操作子系统以导线进行连接，荷载与变形控制子系统和数据采集子系统以导线进行连接。本发明通过荷载与变形控制子系统的不同组合可完成盾构隧道管片一字缝、T字缝和十字缝的防水能力试验。
Description
技术领域
本发明属于盾构隧道技术领域，涉及一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统。
背景技术
盾构隧道作为一种特殊的地下构筑物其主体结构是由管片构成。管片之间通过环向螺栓连接成管片环，管片环之间通过纵向螺栓连接成隧道结构。由于是采用管片拼装的方式组成隧道衬砌结构，管片之间和管片环之间存在大量的纵缝与环缝。因此隧道出现渗漏的情况较为常见，盾构隧道一般修建于富含地下水的软土之中，隧道发生渗漏以后引起周围水土流失，从而导致隧道周围水土压力变化和隧道不均匀沉降，对隧道结构的安全性构成极大的威胁。管片作为隧道的永久结构，其造价大约占到整个隧道工程造价的30%~40%，对隧道长期稳定和安全运行也起到了至关重要的作用。因此，管片接缝的防水性能直接关系到隧道工程的安全性和经济性。
目前，盾构法施工隧道密封防水材料主要以管片接缝EPDM（三元乙丙橡胶）弹性密封垫、遇水膨胀密封垫、螺栓孔密封垫和内侧嵌缝腻子等材料组成。密封垫本身的防水性能高低直接决定了管片接缝的防水性能好坏。因此弹性密封垫的设计是盾构隧道防水设计中的重要组成部分。目前，对弹性密封垫的防水能力测试一般都通过防水性能试验进行确定。对于盾构隧道管片接缝的防水能力试验，国内外均有所开展，但试验的形式主要为一字缝防水试验。对于盾构隧道结构中普遍存在的T字缝和十字缝的防水能力的试验方法和试验设备较少，并且往往结构简单，功能单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其能够进行盾构隧道各种管片接缝形式的防水能力试验。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，该系统包括自平衡框架系子系统、荷载与变形控制子系统、试件运送子系统、操作子系统和数据采集子系统；平衡框架系子系统和荷载与变形控制子系统以螺栓进行连接，平衡框架系子系统和试件运送子系统以螺栓进行连接，荷载与变形控制子系统和操作子系统以导线进行连接，荷载与变形控制子系统和数据采集子系统以导线进行连接。
所述的自平衡框架系子系统为构成平衡框架结构的主框架，其中：主框架进一步包括框架顶梁、框架底梁、左框架立柱和右框架立柱；框架顶梁分别与框架底梁和左框架立柱以螺栓进行连接，框架底梁分别与左框架立柱和右框架立柱以螺栓进行连接；框架底梁位于自平衡框架系子系统的最下部，紧贴地面；左框架立柱位于框架底梁左侧；右框架立柱位于框架底梁右侧；框架顶梁位于自平衡框架系子系统的最上部。
所述的荷载与变形控制子系统包括X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统，X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统由计算机调控的千斤顶控制；Y向荷载与变形控制子系统为竖直方向，X向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统为水平面内相互垂直的两个方向。
所述的X向荷载与变形控制子系统包括两个X向加载作动器、两个X向上层调节垫块、两个X向上层调节螺栓、两个X向下层左侧调节垫块、两个X向下层左侧调节螺栓、两个X向下层右侧调节垫块和两个X向下层右侧调节螺栓；两个X向加载作动器分别和两个X向上层调节垫块中心正对，两个X向下层左侧调节垫块分别与两个X向下层右侧调节垫块中心正对；X向加载作动器、X向下层左侧调节垫块和X向下层左侧调节螺栓分别用螺栓固定位于左框架立柱上，X向上层调节垫块、X向上层调节螺栓、X向下层右侧调节垫块和X向下层右侧调节螺栓分别用螺栓固定位于右框架立柱上。
所述的Y向荷载与变形控制子系统包括两个Y向加载作动器和试件底座；两个Y向加载作动器分别位于试件底座中心线正上方，Y向加载作动器用螺栓联接位于框架顶梁上，试件底座搁置位于框架底梁（放置，无连接）上。
所述的Z向荷载与变形控制子系统包括Z向加载框架前立柱、Z向加载框架后立柱、两个Z向加载上拉杆、两个Z向加载下拉杆、两个Z向加载作动器、Z向加载上调节垫块、第一Z向加载调节螺栓、Z向加载下调节垫块和第二Z向加载调节螺栓；两个Z向加载上拉杆和两个Z向加载下拉杆分别固定位于Z向加载框架前立柱和Z向加载框架后立柱的四个角点上，两个Z向加载作动器分别与Z向加载上调节垫块和Z向加载下调节垫块中心正对；Z向加载作动器用螺栓固定位于Z向加载框架前立柱上，Z向加载上调节垫块、第一Z向加载调节螺栓、Z向加载下调节垫块和第二Z向加载调节螺栓用螺栓固定位于Z向加载框架后立柱上。
所述的X向加载作动器、Y向加载作动器、Z向加载作动器上均设置有负荷传感器和位移传感器；X向加载作动器、Y向加载作动器、Z向加载作动器的加载头部设置有球铰。
所述的试件运送子系统包括试件底座、4个滚轮、轨道和高度调节油缸；4个滚轮安装位于试件底座上，轨道焊接在主框架的框架底梁上，高度调节油缸固定位于地面的四个支座上。
所述的操作子系统包括计算机和电液加载控制器，计算机和电液加载控制器通过导线相连。
所述的电液加载控制器通过电液伺服阀来控制X向加载作动器、Y向加载作动器、Z向加载作动器、高度调节油缸的动作。
所述的数据采集子系统包括上位计算机、数据采集器和传感器，上位计算机与数据采集器通过导线连接，数据采集器与传感器通过导线连接；传感器置于试验混凝土试件表面及千斤顶内部。
所述的Y向加载作动器为2个，且每个作动器可独立加卸载。
所述的X向加载作动器为1个。
所述的Z向加载作动器为2个，且每个作动器可独立加卸载。
所述的X向上层调节垫块、X向下层左侧调节垫块、X向下层右侧调节垫块、Z向加载上调节垫块和Z向加载下调节垫块通过调节螺栓可调节伸缩量，用于控制接缝的张开量或错动量。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明通过荷载与变形控制子系统的不同组合可完成盾构隧道管片一字缝、T字缝和十字缝的防水能力试验。
2、本发明能进行试件的三向同步或异步加载，模拟接缝的实际受力与变形情况。
3、本发明控制系统有位移加载与力加载两种方式，对于各个方向的加载作动器可分别控制，满足各种加载工况要求。
4、本发明借助于程序控制和自动数据采集技术，提高了工作效率和数据的准确性。
5、本发明加载控制子系统采用伺服控制，可完成多通道异步阶梯加载和负荷保持。
6、本发明自动采集试验力和垂向作动器的活塞位移，记录试验曲线，并可以用通信方式或模拟输出方式输出上述试验数据给数据采集系统。
附图说明
图1为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统的结构示意图。
图2为沿图1中B-B线的剖视图。
图3为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统的荷载与变形控制子系统结构示意图。
图4为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝一字缝防水能力试验示意图。
图5为沿图4中A-A线的剖视图。
图6为沿图4中B-B线的剖视图。
图7为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝T字缝防水能力试验示意图。
图8为沿图7中A-A线的剖视图。
图9为沿图7中B-B线的剖视图。
图10为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝十字缝防水能力试验示意图。
图11为沿图10中A-A线的剖视图。
图12为沿图10中B-B线的剖视图。
其中：1为主框架、2为框架顶梁、3为框架底梁、4为左框架立柱、5为右框架立柱、6为Z向加载框架前立柱、7为Z向加载框架后立柱，8为Z向加载上拉杆、9为Z向加载下拉杆、10为试件底座、11为X向加载作动器、12为Z向加载作动器、13为Y向加载作动器、14为高度调节油缸、15为滚轮、16为轨道、20为电液加载控制器、41为X向上层调节垫块、42为X向上层调节螺栓、43为X向下层左侧调节垫块、44为X向下层左侧调节螺栓、45为X向下层右侧调节垫块、46为X向下层右侧调节螺栓、47为Z向加载上调节垫块、48为第一Z向加载调节螺栓、49为Z向加载下调节垫块、50为第二Z向加载调节螺栓。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
图1为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统的结构示意图；图2为沿图1中B-B线的剖视图；图3为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统的荷载与变形控制子系统结构示意图。
一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，该系统包括自平衡框架系子系统、荷载与变形控制子系统、试件运送子系统、操作子系统和数据采集子系统；平衡框架系子系统和荷载与变形控制子系统以螺栓进行连接，平衡框架系子系统和试件运送子系统以螺栓进行连接，荷载与变形控制子系统和操作子系统以导线进行连接，荷载与变形控制子系统和数据采集子系统以导线进行连接。
自平衡框架系子系统为构成平衡框架结构的主框架1，其中：主框架1进一步包括框架顶梁2、框架底梁3、左框架立柱4和右框架立柱5；框架顶梁2分别与框架底梁3和左框架立柱4以螺栓进行连接，框架底梁3分别与左框架立柱4和右框架立柱5以螺栓进行连接；框架底梁3位于自平衡框架系子系统的最下部，紧贴地面；左框架立柱4位于框架底梁3左侧；右框架立柱5位于框架底梁3右侧；框架顶梁2位于自平衡框架系子系统的最上部。
荷载与变形控制子系统包括X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统，X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统由计算机调控的千斤顶控制；Y向荷载与变形控制子系统为竖直方向，X向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统为水平面内相互垂直的两个方向。
X向荷载与变形控制子系统包括两个X向加载作动器11两个、两个X向上层调节垫块41、两个X向上层调节螺栓42、两个X向下层左侧调节垫块43、两个X向下层左侧调节螺栓44、两个X向下层右侧调节垫块45和两个X向下层右侧调节螺栓46；两个X向加载作动器11分别和两个X向上层调节垫块41中心正对，两个X向下层左侧调节垫块43分别与两个X向下层右侧调节垫块45中心正对；X向加载作动器11、X向下层左侧调节垫块43和X向下层左侧调节螺栓44分别用螺栓固定位于左框架立柱4上，X向上层调节垫块41、X向上层调节螺栓42、X向下层右侧调节垫块45和X向下层右侧调节螺栓46分别用螺栓固定位于右框架立柱5上。
Y向荷载与变形控制子系统包括两个Y向加载作动器13和试件底座10；两个Y向加载作动器13分别位于试件底座10中心线正上方，Y向加载作动器13用螺栓联接位于框架顶梁2上，试件底座10搁置位于框架底梁3（放置，无连接）上。
Z向荷载与变形控制子系统包括Z向加载框架前立柱6、Z向加载框架后立柱7，两个Z向加载上拉杆8、两个Z向加载下拉杆9、两个Z向加载作动器12、Z向加载上调节垫块47、第一Z向加载调节螺栓48、Z向加载下调节垫块49和第二Z向加载调节螺栓50；两个Z向加载上拉杆8和两个Z向加载下拉杆9分别固定位于Z向加载框架前立柱6和Z向加载框架后立柱7的四个角点上，两个Z向加载作动器12分别与Z向加载上调节垫块47和Z向加载下调节垫块49中心正对；Z向加载作动器12用螺栓固定位于Z向加载框架前立柱6上，Z向加载上调节垫块47、第一Z向加载调节螺栓48、Z向加载下调节垫块49和第二Z向加载调节螺栓50用螺栓固定位于Z向加载框架后立柱7上。
试件运送子系统包括试件底座10、4个滚轮15、轨道16和高度调节油缸14；4个滚轮15安装位于试件底座10上，轨道16焊接在主框架1的框架底梁3上，高度调节油缸14固定位于地面的四个支座上。
操作子系统包括计算机和电液加载控制器20，计算机和电液加载控制器20通过导线相连。
电液加载控制器20通过电液伺服阀来控制X向加载作动器11、Y向加载作动器13、Z向加载作动器12、高度调节油缸14的动作。
数据采集子系统包括上位计算机、数据采集器和传感器，上位计算机与数据采集器通过导线连接，数据采集器与传感器通过导线连接；传感器置于试验混凝土试件表面及千斤顶内部。
Y向加载作动器13为2个，且每个作动器可独立加卸载。
X向加载作动器11为1个。
Z向加载作动器12为2个，且每个作动器可独立加卸载。
X向上层调节垫块41、X向下层左侧调节垫块43、X向下层右侧调节垫块45、Z向加载上调节垫块47和Z向加载下调节垫块49通过调节螺栓可调节伸缩量，用于控制接缝的张开量或错动量。
X向加载作动器11、Y向加载作动器13、Z向加载作动器12上均设置有负荷传感器和位移传感器；X向加载作动器11、Y向加载作动器13、Z向加载作动器12的加载头部设置有球铰。
本系统主要可用于：
1、盾构隧道管片接缝一字缝防水能力试验，图4为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝一字缝防水能力试验示意图；图5为沿图4中A-A线的剖视图；图6为沿图4中B-B线的剖视图。首先通过2个X向的作动器同步加载使待试验的管片接缝处产生一个设定的错动量，然后通过2个Y向的作动器同步加载，对上半块试件作用一个可知可控的荷载，使上半块和下半块试件之间的接缝产生一个设定的变形量，通过水压机向试件内部注入带压力的水，即可测得在该错动量与接缝张开量下的接缝防水性能。
2、盾构隧道管片接缝T字缝防水能力试验，图7为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝T字缝防水能力试验示意图；图8为沿图7中A-A线的剖视图；图9为沿图7中B-B线的剖视图。首先通过2个X向的作动器异步加载分别对左上半块和右上半块的试件施加错动量，然后通过Z向作动器控制左上半块试件与右上半块试件之间接缝的张开量，接着通过Y向作动器控制左上半块试件、右上半块试件与下半块试件之间的接缝张开量，通过水压机向试件内部注入带压力的水，即可测得在该错动量与接缝张开量下的接缝防水性能。
3、盾构隧道管片接缝十字缝防水能力试验，图10为本发明三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统进行盾构隧道管片接缝十字缝防水能力试验示意图；图11为沿图10中A-A线的剖视图；图12为沿图10中B-B线的剖视图。首先通过2个X向的作动器异步加载分别对左上半块和右上半块的试件施加错动量，然后通过Z向作动器控制左上半块试件与右上半块试件之间接缝的张开量和左下半块与右下半块试件接缝的张开量，接着通过Y向作动器控制左上半块试件、右上半块试件与左下半块与右下半块试件之间的接缝张开量，通过水压机向试件内部注入带压力的水，即可测得在该错动量与接缝张开量下的接缝防水性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：该系统包括自平衡框架系子系统、荷载与变形控制子系统、试件运送子系统、操作子系统和数据采集子系统；平衡框架系子系统和荷载与变形控制子系统以螺栓进行连接，平衡框架系子系统和试件运送子系统以螺栓进行连接，荷载与变形控制子系统和操作子系统以导线进行连接，荷载与变形控制子系统和数据采集子系统以导线进行连接。
2.根据权利要求1所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的自平衡框架系子系统为构成平衡框架结构的主框架（1），其中：主框架（1）进一步包括框架顶梁（2）、框架底梁（3）、左框架立柱（4）和右框架立柱（5）；框架顶梁（2）分别与框架底梁（3）和左框架立柱（4）以螺栓进行连接，框架底梁（3）分别与左框架立柱（4）和右框架立柱（5）以螺栓进行连接；框架底梁（3）位于自平衡框架系子系统的最下部，紧贴地面；左框架立柱（4）位于框架底梁（3）左侧；右框架立柱（5）位于框架底梁（3）右侧；框架顶梁（2）位于自平衡框架系子系统的最上部。
3.根据权利要求1所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的荷载与变形控制子系统包括X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统，X向荷载与变形控制子系统、Y向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统由计算机调控的千斤顶控制；Y向荷载与变形控制子系统为竖直方向，X向荷载与变形控制子系统和Z向荷载与变形控制子系统为水平面内相互垂直的两个方向。
4.根据权利要求3所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的X向荷载与变形控制子系统包括两个X向加载作动器（11）、两个X向上层调节垫块（41）、两个X向上层调节螺栓（42）、两个X向下层左侧调节垫块（43）、两个X向下层左侧调节螺栓（44）、两个X向下层右侧调节垫块（45）和两个X向下层右侧调节螺栓（46）；两个X向加载作动器（11）分别和两个X向上层调节垫块（41）中心正对，两个X向下层左侧调节垫块（43）分别与两个X向下层右侧调节垫块（45）中心正对；X向加载作动器（11）、X向下层左侧调节垫块（43）和X向下层左侧调节螺栓（44）分别用螺栓固定位于左框架立柱（4）上，X向上层调节垫块（41）、X向上层调节螺栓（42）、X向下层右侧调节垫块（45）和X向下层右侧调节螺栓（46）分别用螺栓固定位于右框架立柱（5）上。
5.根据权利要求3所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的Y向荷载与变形控制子系统包括两个Y向加载作动器（13）和试件底座（10）；两个Y向加载作动器（13）分别位于试件底座（10）中心线正上方，Y向加载作动器（13）用螺栓联接位于框架顶梁（2）上，试件底座（10）搁置位于框架底梁（3）上。
6.根据权利要求3所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的Z向荷载与变形控制子系统包括Z向加载框架前立柱（6）、Z向加载框架后立柱（7）、两个Z向加载上拉杆（8）、两个Z向加载下拉杆（9）、两个Z向加载作动器（12）、Z向加载上调节垫块（47）、第一Z向加载调节螺栓（48）、Z向加载下调节垫块（49）和第二Z向加载调节螺栓（50）；两个Z向加载上拉杆（8）和两个Z向加载下拉杆（9）分别固定位于Z向加载框架前立柱（6）和Z向加载框架后立柱（7）的四个角点上，两个Z向加载作动器（12）分别与Z向加载上调节垫块（47）和Z向加载下调节垫块（49）中心正对；Z向加载作动器（12）用螺栓固定位于Z向加载框架前立柱（6）上，Z向加载上调节垫块（47）、第一Z向加载调节螺栓（48）、Z向加载下调节垫块（49）和第二Z向加载调节螺栓（50）用螺栓固定位于Z向加载框架后立柱（7）上。
7.根据权利要求4、5或6任一所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的X向加载作动器（11）、Y向加载作动器（13）、Z向加载作动器（12）上均设置有负荷传感器和位移传感器；X向加载作动器（11）、Y向加载作动器（13）、Z向加载作动器（12）的加载头部设置有球铰。
8.根据权利要求1所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的试件运送子系统包括试件底座（10）、4个滚轮（15）、轨道（16）和高度调节油缸（14）；4个滚轮（15）安装位于试件底座（10）上，轨道（16）焊接在主框架（1）的框架底梁（3）上，高度调节油缸（14）固定位于地面的四个支座上。
9.根据权利要求1所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的操作子系统包括计算机和电液加载控制器（20），计算机和电液加载控制器（20）通过导线相连。
10.根据权利要求1所述的三向加载的盾构隧道管片接缝防水能力试验系统，其特征在于：所述的数据采集子系统包括上位计算机、数据采集器和传感器，上位计算机与数据采集器通过导线连接，数据采集器与传感器通过导线连接；传感器置于试验混凝土试件表面及千斤顶内部。
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