CN105300601A - 盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统 - Google Patents

盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统 Download PDF

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丁文其
朱合华
闫治国
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Abstract

本发明提供一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,包括两个圆弧形的试验管片和水压加载系统,所述两个试验管片沿圆弧方向对接,并由连接螺栓连接在一起,其中一个试验管片上设有与水压加载系统相连接的注水孔道;对接在一起的两个试验管片呈拱形地支撑在两个支座上,其中至少一个支座与X向加载作动器相连接,在两个试验管片的上方还设有Y向加载作动器。通过X向加载作动器和Y向加载作动器可以对管片试件施加水平方向的载荷和竖直方向的载荷,使管片产生一定的错位量和变形量,以此模拟管片纵缝在实际工况下的渗水特性。

Description

盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统。
背景技术
[0002] 随着我国新一轮城镇化进程的稳步推进,城市轨道交通已成为扩展城市物理空 间,方便人民群众出行的重要方式。而作为城市轨交系统核心的区间隧道,大量采用盾构工 法。目前盾构隧道衬砌结构多为预制钢筋混凝土管片通过连接螺栓拼接而成,由于管片接 缝的构造特性,接缝刚度和承载力远低于管片本身的刚度和承载力,是隧道受力的薄弱环 节,尤其是处于淤泥质软土这类侧压力系数小的地层,在周边工程活动的影响下极易发生 较大的接缝转角变形、接缝张开变形和接缝错位变形。
[0003] 对于盾构隧道,渗漏水一直是困扰地铁结构安全和正常运营的突出难题。调查发 现,绝大多数渗漏水均发生于管片接缝部位,而接缝的防水密封一般采用粘贴在靠近管片 外弧面的弹性密封垫来实现。由此可见,隧道接缝的抗渗性能对于盾构隧道的可靠服役至 关重要。盾构隧道的接缝可划分为纵向接缝(管片-管片)和环向接缝(衬砌环-衬砌 环)。因此,为保证盾构隧道在横向和纵向两个维度上的防水密封,需要分别针对纵向接缝 和环向接缝进行抗渗机理研究。
[0004] 纵观国内外盾构隧道接缝防水相关试验装置,如同济大学已公开的发明专利一一 盾构隧道弹性密封垫"一字型"水密性检验装置(CN201010145789),中南大学已公开的实 用新型专利一一盾构管片接头抗渗性能试验装置(CN104075854A),提出了在上下两块钢制 盖板上各自开矩形槽,将弹性密封垫封闭成框型后采用胶粘接在沟槽内,用螺栓将密封垫 压紧,利用垫片模拟管片的不同张开量,同时在装置侧壁安装限位板,以模拟管片的错台情 况。上述专利均是小比例尺的室内模型试验,其本身就存在下述问题:
[0005] 1)前盾构隧道管片以预制钢筋混凝土管片型式为主,采用钢沟槽不能反映弹性密 封垫橡胶材料和混凝土沟槽的真实接触性态,因而试验结果与工程实际存在较大出入;
[0006] 2)大量工程案例表明,由于施工阶段管片拼装机的施工偏差,以及运营阶段软土 地层的差异沉降等多重因素的叠加,纵缝及环缝极易出现15mm的错台量,而限于盖板的尺 寸,无法开展接缝大错位工况试验;
[0007] 3)采用螺栓压紧模拟接缝张开量,垫片限位模拟接缝错台量,需手工调整测量,试 验精度较低;
[0008] 4)采用单道弹性密封垫防水的直径6m左右的地铁隧道,相应的盖板尺寸较小,无 法科学评价采用双道弹性密封垫防水的直径IOm以上的大直径越江隧道的防水能力;
[0009] 5)忽略了盾构隧道纵缝和环缝的连接及构造的差异性,笼统地将两种不同接缝的 抗渗性态混为一谈;
[0010] 6)不能模拟实际钢筋混凝土管片接缝在不同张开角下的防水能力。
[0011] 7)基于钢模夹具的防水试验,无法模拟钢筋混凝土管片接缝实际的受力机制和接 触状态。
[0012] 综上所述,鉴于盾构隧道管片接缝复杂的受力状态和接触性态,小比例尺的室内 模型试验难以准确反映其真实可靠的防水密封机理,因此研发一种基于足尺管片接头的盾 构隧道纵缝抗渗性能试验装置,对于推动盾构隧道防水技术领域的深入发展至关重要。
发明内容
[0013] 鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种盾构隧道管片纵缝抗 渗性能试验系统,能够模拟盾构隧道管片纵缝在受力情况下的接缝张开变形及其渗水特性 的试验装置,用于解决现有技术中试验装置模拟试验不符合实际情况的缺陷。
[0014] 为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试 验系统,采用如下技术方案:
[0015] -种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,包括两个圆弧形的试验管片和水压加 载系统,其特征是,所述两个试验管片沿圆弧方向对接,并由连接螺栓连接在一起,两个试 验管片的对接面之间形成纵缝,在纵缝中设有一圈弹性密封垫,所述弹性密封垫的内圈围 成一个水压腔,其中一个试验管片上设有注水孔道与水压腔相连通,所述注水孔道与水压 加载系统相连接;对接在一起的两个试验管片呈拱形地支撑在两个支座上,其中至少一个 支座与X向加载作动器相连接,在两个试验管片的上方还设有Y向加载作动器。
[0016] 进一步地,所述X向加载作动器和Y向加载作动器均由液压油缸提供加载力。
[0017] 进一步地,所述Y向加载作动器的上端固定,下端分别与两个荷载分配梁相连接, 当Y向加载作动器向下运动时,所述两个荷载分配梁分别对应与两个试验管片的顶部外弧 面相接触。
[0018] 进一步地,还包括一个刚性框架,所述支座、X向加载作动器和Y向加载作动器均 安装在刚性框架内。
[0019] 进一步地,其中一个支座为固定支座,并与刚性框架固定连接;另一个支座为活动 支座,并与X向加载作动器相连接。
[0020] 进一步地,所述连接螺栓从水压腔中穿过,连接螺栓的两端设有螺栓密封垫圈。
[0021] 进一步地,所述两个试验管片的对接面上均开有框形沟槽,所述弹性密封垫嵌在 框形沟槽中。
[0022] 进一步地,所述水压加载系统包括依次连接的水箱、加压栗、阀门和压力水罐,所 述压力水罐通过水管与所述注水孔道相连接。
[0023] 进一步地,所述压力水罐与注水孔道之间的水管上还设有水压表。
[0024] 如上所述的技术方案,本发明的一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,具有 以下有益效果:本发明提供一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其主要包括用于纵 缝抗渗性能试验的管片试件和水压加载系统。本试验系统能够准确模拟盾构隧道管片纵 缝在实际受力情况下的不同张开量、错位量以及张开角,配合水压加载系统能够模拟盾构 隧道管片纵缝在不同工况下的抗渗能力,为隧道工程接缝抗渗精细化设计提供定量参考依 据。
附图说明
[0025] 图1为盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统整体示意图;
[0026] 图2为管片加载装置结构示意图;
[0027] 图3为第一管片和第二管片连接结构示意图;
[0028] 图4为第一管片密封连接面结构示意图;
[0029] 图5为第二管片密封连接面结构示意图;
[0030] 图6为图4的A-A剖视图;
[0031] 图7为图5的B-B剖视图。
[0032] 零件标号说明
Figure CN105300601AD00051
具体实施方式
[0034] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0035] 如图1所示,本发明提供一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,包括两个圆 弧形的试验管片和水压加载系统2,两个试验管片沿圆弧方向对接,并由连接螺栓171连接 在一起,两个试验管片的对接面之间形成纵缝,在纵缝中设有一圈弹性密封垫18,在其中一 个试验管片上设置有与水压加载系统2连接的注水通道,所述弹性密封垫18的内圈围成一 个水压腔19,水压加载系统2向试验管片纵缝处的水压腔19提供试验用的具有一定压力的 水。本发明所涉及的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统还包括一个管片加载装置1,管片 加载装置1包括X向加载作动器14和Y向加载作动器15,用以向管片提供水平方向的加 载力和竖直方向的加载力,管片加载装置1包括一个刚性框架11,刚性框架11与地面固 定连接,在刚性框架11上安装有第一支座121和第二支座122,用以安装第一管片161和 第二管片162,第一管片161和第二管片162呈拱形地支撑在两个支座上,第一支座121和 第二支座122中至少有一个支座与X向加载作动器14连接,与X向加载作动器14连接的 支座与刚性框架11之间活动连接,可以在水平方向上朝另一支座运动。在本实施例中,第 一支座121在水平方向上与刚性框架11的左侧竖直边框固定连接,第一支座121的下端与 刚性框架11的底边框固定连接,第一支座122下端与刚性框架11的底边框活动连接,比如 可以在第二支座122下端设置滑座,在刚性框架11底边框上设置滑轨,使第二支座122可 以朝第一支座121水平移动,在第二支座122的右边设置有X向加载作动器14, X向加载作 动器14固定安装在刚性框架11的右侧竖直边框上,X向加载作动器14的加载部位抵接在 第二支座122上,X向加载作动器14可以推动第二支座122,使第二支座122沿水平方向朝 第一支座121相对运动,对第一管片161和第二管片162施加水平方向的加载力。当然,也 可以为第一支座121和第二支座122各设置一个固定在刚性框架11上的X向加载作动器 14,第一支座121和第二支座122均与刚性框架11活动连接,两个X向加载作动器14可以 分别推动第一支座121和第二支座122作相对运动,对管片试件施加水平方向的加载力。
[0036] 如图2所示,可以在刚性框架11底面上设置第一管片运输车131和第二管片运输 车132,第一管片运输车131和第二管片运输车132将管片运输至第一支座121处和第二 支座122处,将第一管片161和第二管片162从管片运输车上取下并分别安装在第一支座 121和第二支座122上,第一管片161和第二管片162均包括密封面和连接面,密封面和连 接面为管片圆弧方向的两个端面,第一支座121和第二支座122与管片连接的部位设置成 适应管片安放的形状,第一管片161和第二管片162的连接面分别与第一支座121和第二 支座122抵接,第一管片161和第二管片162的密封面相对接。
[0037] 如图2所示,在第一管片161和第二管片162的上方设置有Y向加载作动器15, Y 向加载作动器15的上端固定在刚性框架11的顶梁上,Y向加载作动器15可以向下运动并 对管片试件施加竖直方向的载荷,Y向加载作动器15的下端设置有第一载荷分配梁151和 第二载荷分配梁152,第一载荷分配梁151和第二载荷分配梁152分别处于第一管片161的 上方和第二管片162的上方,当Y向加载作动器15向下运动时,第一载荷分配梁151和第 二载荷分配梁152分别与两个试验管片的顶部外弧面相接触,对第一管片161和第二管片 162施加载荷。
[0038] 本试验系统的水压加载系统用于向管片试件提供试验用水压。如图1所示,水压 加载系统包括供水的水箱21、能够产生水压的加压栗22、可以打开和关闭的阀门23、带有 刻度的压力水罐24、检测水压的水压表25,水箱21、加压栗22、阀门23和压力水罐24依次 连接在水管26上,第一管片161上设置有注水孔道1611,水管26的出水口与第一管片161 的注水孔道1611连通,并且连接处密封连接,水压加载系统2通过第一管片161上的注水 孔道1611向管片试件的水压腔19提供测试所需的具有一定压力的水。在试验时,开启加 压栗22对管片试件的水压腔19加水压,然后关闭阀门23,通过压力水罐24上的刻度,能够 得知从纵缝渗漏的渗水量,阀门23与第一管片161的注水孔道1611之间可以设置一个水 压表25,以读取测试水压。
[0039] 如图3至图7所示,在本实施例中,第一管片161和第二管片162的密封面上均 设置有框形沟槽1612,在框形沟槽1612内嵌有首尾封闭连接的弹性密封垫18,在第一管 片161上还设置有一注水孔道1611,注水孔道1611的一端位于第一管片161的上圆弧表 面,注水孔道1611的另一端位于第一管片161上框形沟槽1612的内框所限定的区域内,第 一管片161和第二管片162之间通过连接螺栓171固定连接,使第一管片161与第二管片 162的密封连接面相互压紧,通过水压加载系统向管片试件的注水孔道1611注水打压,弹 性密封垫18的内圈与第一管片161、第二管片162的密封面所限定的空间构成水压腔19。 压紧第一管片161和第二管片162的连接螺栓171从水压腔19中穿过,连接螺栓171的两 个连接端设有螺栓密封垫圈172,以确保该处的防水密封。在本实施例中,在第一管片161 和第二管片162中均设置有螺栓孔道1613,螺栓孔道1613为圆弧形状的管状通道,螺栓孔 道1613的一端贯通至管片内圆弧面,螺栓孔道1613的另一端位于框形沟槽1612的内框所 限定的区域内,在第一管片161和第二管片162的密封面对接时,第一管片161和第二管片 162的螺栓孔道1613连通,在第一管片161和第二管片162中各有两个螺栓孔道1613,第 一管片161和第二管片162的螺栓孔道1613配对设置。
[0040] 本发明所涉及的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统中的X向加载作动器14和 Y向加载作动器15均由液压油缸提供加载动力,由液压马达3为油缸提供动力,控制系统4 包括电液加载控制器,控制系统4通过电液伺服阀来控制X向加载作动器14和Y向加载 作动器15的加载力、加载速度以及加载顺序。
[0041] 在本发明所涉及的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统中,管片试件可以选择采 用足尺寸的试验管片,管片的密封面用混凝土制成,达到更接近实际情况的试验效果。
[0042] 还可以为本发明所涉及的试验系统设置观测记录装置,主要包括激光位移传感器 和数字化近景摄影测量设备。在刚性框架11顶梁的下表面上设有用于监测管片的位移量、 张开量和张开角的激光位移传感器,激光位移传感器的信号输出端与数据采集系统的位移 信号输入端连接,加载控制器的控制输出端分别与X向加载作动器14的控制输入端和Y向 加载作动器15的控制输入端对应连接。激光位移传感器采用三角测量法测量位移,精度 高。数字化近景摄影测量设备由两台高像素数码单反相机、三脚架以及四只摄影灯箱组成, 采用高速数码照相技术记录渗水现象及渗水方位,高速数码照相采集不仅能够捕捉到渗漏 水发生的全过程,还能通过对比分析观察到肉眼不能观测到的细节,准确记录管片纵缝受 力变形张开渗水的破坏过程。
[0043] 以下对本发明所涉及的试验系统的试验流程进行说明:
[0044] 1、将第一管片161和第二管片162分别固定在第一支座121和第二支座122上;
[0045] 2、通过Y向加载作动器15向第一管片161和第二管片162施加竖直方向的载荷, 使得管片在纵缝处产生一个可知可控的弯矩,通过X向加载作动器14对管片纵缝施加水平 方向的载荷以模拟实际盾构隧道纵缝受到的内力;
[0046] 3、通过水压加载系统向管片纵缝注水加压,从而在纵缝接触面内形成密闭的水压 腔19,当带刻度尺的压力水罐24充满水时,记录此时的刻度值,作为初始读数,关闭阀门 23 ;
[0047] 4、通过Y向加载作动器15继续加载,使得在管片纵缝处产生一个新的弯矩,加载 过程中通过数码单反相机时时记录接缝情况;当发现渗漏水时,停止Y向加载作动器15的 加载并维持荷载一段时间,记录此时水压表25读数,即为渗水压力值;通过激光位移传感 器记录此时的管片纵缝张开量和错位量;记录Y向加载作动器15维持荷载期间的压力水罐 24刻度值,即可得知渗水量。
[0048] 结合激光位移传感器测量的接缝位移量、张开量和张开角的变化值,以及渗水压 力值和渗水量,就能够确定盾构隧道管片纵缝不同张开量、错位量以及张开角等工况下的 防水能力。
[0049] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因 此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1. 一种盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,包括两个圆弧形的试验管片(161 ;162) 和水压加载系统(2),其特征是,所述两个试验管片(161 ;162)沿圆弧方向对接,并由连接 螺栓(171)连接在一起,两个试验管片(161 ; 162)的对接面之间形成纵缝,在纵缝中设有一 圈弹性密封垫(18),所述弹性密封垫(18)的内圈围成一个水压腔(19),其中一个试验管片 上设有注水孔道(1611)与水压腔(19)相连通,所述注水孔道(1611)与水压加载系统(2) 相连接;对接在一起的两个试验管片(161 ; 162)呈拱形地支撑在两个支座(121 ; 122)上, 其中至少一个支座与X向加载作动器(14)相连接,在两个试验管片(161 ;162)的上方还设 有Y向加载作动器(15)。
2. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述X向加 载作动器(14)和Y向加载作动器(15)均由液压油缸提供加载力。
3. 根据权利要求1或2所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述Y 向加载作动器(15)的上端固定,下端连接有两个荷载分配梁(151 ;152),当Y向加载作动 器(15)向下运动时,所述两个荷载分配梁(151 ;152)分别对应与两个试验管片(161 ;162) 的顶部外弧面相接触。
4. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,还包括一 个刚性框架(11),所述支座(121 ;122)、X向加载作动器(14)和Y向加载作动器(15)均安 装在刚性框架(11)内。
5. 根据权利要求4所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,其中一个 支座为固定支座,并与刚性框架(11)固定连接;另一个支座为活动支座,并与X向加载作动 器(14)相连接。
6. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,还包括控 制系统(4),所述控制系统⑷与所述X向加载作动器(14)和Y向加载作动器(15)相连 接。
7. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述连接 螺栓(171)从水压腔(19)中穿过,连接螺栓(171)的两端设有螺栓密封垫圈(172)。
8. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述两个 试验管片(161 ;162)的对接面上均开有框形沟槽(1612),所述弹性密封垫(18)嵌在框形 沟槽(1612)中。
9. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述水压 加载系统(2)包括依次连接的水箱(21)、加压栗(22)、阀门(23)和压力水罐(24),所述压 力水罐(24)通过水管(26)与所述注水孔道(1611)相连接。
10. 根据权利要求9所述的盾构隧道管片纵缝抗渗性能试验系统,其特征是,所述压力 水罐(24)与注水孔道(1611)之间的水管(26)上还设有水压表(25)。
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