CN107036763B - 盾构管片接头渗漏水的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明盾构管片接头渗漏水的试验方法，如下步骤实施：(1)进水管制作；(2)管片切割；(3)开回型密封垫槽；(4)回型密封垫制作；(5)槽面涂抹防水胶；(6)管片拼装，模型制作完成；(7)自动控制渗透仪的选用；(8)加载；(9)变水头法或定水头法进行隧道渗漏水试验；(10)改变加载等级，重复步骤(8)、(9)，得到接头受力‑张开量‑渗漏水之前的关系。本发明通过在管片接头处开回型密封垫槽，利用变水头或定水头法进行盾构隧道接头渗漏水试验，解决了利用盾构管片进行隧道渗漏水试验的技术问题，更加准确的反映了管片渗漏水与其影响因素之间的关系，可以同时得到管片受力‑接头渗漏水、接头张开量‑接头渗漏水的关系曲线。

Description

盾构管片接头渗漏水的试验方法

技术领域

本发明属盾构隧道管片接头模型试验领域。

背景技术

采用装配式衬砌的盾构隧道拥有大量的接缝，这些纵横交错的接缝影响了隧道结构的整体性，使隧道结构出现众多耐久性问题。其中，管片接头渗漏水问题是盾构隧道病害防治的重点和难点。管片接头渗漏水试验是研究结构抗渗性能、探究接头渗漏水机理的最有效、直接的方法。

现有的管片接头渗漏水试验按模型试验所采用的材料和加载方式不同大致可以分为两种：(1)采用不锈钢钢板模拟接头混凝土，通过控制螺栓应力进行加载；(2)采用两块混凝土块来模拟接头，通过控制千斤顶进行加载试验。

第一种方法的特点在于，采用易于加工和制作的钢板代替混凝土管片，简化了试验模型，同时通过设计水流路径，可以准确测量渗漏水速度。不足之处在于两种材料的力学性能和接触面特性不同，利用钢板模拟混凝土管片，改变了密封垫和沟槽之间的接触界面，会对试验结果的可信度产生影响。

第二种方法在试验材料方面做了改进，采用上下混凝土块对接的方式模拟管片接头，不足之处在于，一方面采用了混凝土块，模拟的是直管片，与实际采用的具有一定曲率的管片在变形和受力方面存在差异，不能很好的反应接头张开—荷载—渗漏水的关系。另一方面，未考虑螺栓预紧力对密封垫初始接触应力的影响。两种试验方法都存在相应不足，不能准确反应隧道受力—接头张开量—渗漏水之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于通过提出一种可模拟隧道接头渗漏水的试验模型和方法，能够比较真实的反映接头变形、渗漏水的基本过程，为隧道渗漏水防治提供技术支持。

本发明提出的可模拟盾构隧道管片接头渗漏水试验方法，概括为：在地铁盾构隧道管片的标准块中预埋进水管，对管片接头表面沿密封垫槽、垂直于密封垫槽进行切割，以形成回型止水槽，辅以回型密封垫，并采用标准的直螺栓连接，进行管片接头渗漏水试验。本发明采用管片的标准块和特制的回型密封垫槽进行管片接头渗漏水试验，解决了利用混凝土管片进行接头渗漏水试验的问题，真实的反映了回型密封垫与材料间的接触特性，可以综合考虑螺栓预紧力、接头张开量、结构受力与渗漏水间的关系。

本发明技术方案：

一种盾构管片接头渗漏水的试验方法，具体步骤包括：

(1)输水管制作、预埋，包括输水管尺寸、埋置方式、材料等的确定；

(2)管片切割。主要考虑到加载系统的限制，需要对管片尺寸进行控制；

(3)回型密封垫槽制作。原密封垫槽不变，在接头表面分别沿平行于密封垫槽和垂直于密封垫槽两个方向开槽，使之成为回字形并打磨平整；

(4)确定回型密封垫尺寸。根据所开回型密封垫槽尺寸，确定所需回型密封垫尺寸，为防止新槽漏水，建议新槽对应的回型密封垫尺寸比正常尺寸大1mm；

(5)槽面涂抹防水胶；

(6)管片拼装，模型制作完成；

(7)确定自动控制渗透仪；

(8)加载：通过控制模型竖向和水平向液压千斤顶顶力，模拟隧道受力和接头张开；

(9)变水头法或定水头法进行隧道渗漏水试验：某一加载等级下，通过自动控制渗透仪，缓慢增大水压至接头回型密封垫出现渗漏，记录加载等级、接头张开量和水压，其中加载等级根据具体尺寸计算决定；

(10)改变加载等级，重复步骤(8)、(9)，得到接头受力-张开量-渗漏水之前的关系。

本发明涉及模拟接头渗漏水试验的试验模型的制作方法和试验方案。该方法通过对管片接头表面进行切割，在模型表面形成回型的密封垫槽，解决了利用混凝土管片进行接头渗漏水试验的问题，具有原理简单、结果可信等特点。

附图说明

图1输水管设计

图2输水管埋置方式及与回型密封垫槽设计

图3弹性密封垫设计截面

图4接头受力分析示意图

图5接头加载试验模型示意

具体实施方式

回型密封垫槽管片接头渗漏水试验方法核心是对混凝土管片表面进行切割，形成回型的密封垫槽，并利用预埋的输水管，在一定荷载条件或者接头张开条件下进行接头渗漏水试验。

本发明预埋的输水管是管片接头渗漏水试验的进水通道。为了防止输水管在试验过程中被破坏、移动，需对输水管的尺寸、材质和埋置方式等进行特殊设计。其中，输水管选用钢管，尺寸主要由管片尺寸、最小焊接要求等确定，详见图1。输水管埋置方式要求A端从接头断面引出，B端从管片外弧面引出，且B端设置内螺纹，通过转换接头与自动渗漏仪连接。同时要求输水管焊接与管片主筋。

管片切割。由于加载系统所限，试验中，截取部分管片拼装成所需的模型，如图4所示。模型整体呈圆弧状，角度约为48°，试件总长度约为2.24m，安装于试验台支座上，支承装置为支滚，模拟简支边界条件。

回型密封垫槽的制作是试验模型的核心。开槽方式有两种：利用定位槽切割和未利用定位槽切割。接头回型密封垫槽设计如图2所示。

利用定位槽：为使拼装过程中准确定位管片，实际制作的管片标准块在纵缝接头中部设有定位槽，在制作回型密封垫槽时，可以利用该定位槽作为回型密封垫槽的一个边，在适当位置垂直于密封垫槽开两条相同规格的混凝土槽，即形成试验所需的回型密封垫槽。此种开槽方式特点是较为简单，但不利于后期回型密封垫的制作。未利用定位槽切割，即在原有密封垫槽基础上，加开三条尺寸相同的新槽形成回型结构，三条新槽的深度、宽度应与原有的密封垫槽相同。

对于以上的两种方法，采用后一种方法得到的结果较为精确，若有条件推荐采用该方法。当然，也可以先用第一种方法得到所需回型密封垫槽，这样有利于减少模型试验中切割精度对试验结果的影响。

回型密封槽制作完成后，为满足防水要求、减少切割对渗漏水的影响，新槽需加工、打磨。在敷设回型密封垫前，还需要涂抹防水胶。

弹性密封垫的设计。管片接头的抗渗能力，主要取决于弹性密封垫的设计，包括弹性密封垫的尺寸和构造。本发明采用的弹性密封垫为EPDM(三元乙丙橡胶)，尺寸和构造如图3所示。同时若加工条件允许，为防止新槽漏水，建议新槽对应的密封垫比新槽大1mm。

管片拼装。现有管片结构变形理论及接头渗漏水研究表明，腰部接头为渗漏水病害发生的关键部位。本发明针对腰部接头渗漏水展开，管片接头试验按负弯矩形式加载，管片间用直螺栓连接，螺栓预紧力的取值参考实际拼装施工的预紧力。拼装完成后的模型如图5所示。

自动控制渗透仪的确定，关系到本试验最终结果的可靠程度。本发明所需自动控制渗透仪选用原则主要有：(1)仪器的精度满足要求，主要控制参数有渗透压力、渗流速度；(2)仪器出水管与预埋输水管合理搭配。

本发明的接头张开通过对模型进行加载得到，以便得到准确的隧道受力-接头张开-渗漏水之间的关系。具体的加载方式如图5所示，通过控制试验模型水平方向和竖直方向千斤顶的轴力，模拟实际隧道受力，通过Datataker等软件得到荷载与接头张开量的关系。水平和竖向千斤顶的顶力即加载等级，需通过受力分析、计算得到。对试件接头位置进行受力分析，如图4所示，得到竖向荷载P与水平轴力N的关系，其中，W为管片自重，H、L、L₁为力作用点的位置，e为偏心距。

渗漏水试验。管片接头渗漏水与接头张开、隧道受力的关系可以通过以下两种方式得到：(1)定水头法；(2)变水头法。

定水头法：通过自动控制渗透仪，保持回型密封垫内的水头恒定。同时，对试验模型逐级加载，使接头张开量不断增大，当接头开始出现渗漏水时，停止试验，记录相关数据。改变水头压力，重复试验，即可得到反应接头渗漏水特性的隧道受力-接头张开量-渗透压力的关系曲线。

变水头法：对试验模型进行加载，当接头张开量达到某一设定值时，停止加载。通过自动控制渗透仪，逐步增大回型密封垫内水头压力。当回型密封垫处出现渗漏水时，停止试验，记录相关数据。通过控制加载等级，改变接头张开量，重复试验，亦可得到反应接头渗漏水特性的隧道受力-接头张开量-渗透压力的关系曲线。

第一种方法可以用来评估地下水位不变，而隧道所受荷载变化(堆载等)时隧道渗漏水情况。第二种情况模拟隧道受力比较稳定，而地下水位发生较大变化(回灌等)时的接头渗漏水。现有研究认为，管片接头渗漏水主要与弹性密封垫间的接触应力有关，故两种试验方法本质相同。由于第二种方法性价比更高，即可以根据需要，设置不同的接头张开量，得到多组渗透压力-接头张开量的试验数据，本发明推荐使用第二种方法。当试验条件允许时，可以两种方法齐用，以相互对比，使试验结果更趋准确。

本发明通过在管片表面开槽，解决了利用管片进行接头渗漏水试验的问题，避免了利用其它材料进行相似试验带来的接触面特性不同等问题，只要管片等材料的加工精度满足要求，可以得到更加准确的隧道受力-接头张开-渗漏水关系。

Claims (5)

1.一种盾构管片接头渗漏水的试验方法，其特征是，按如下步骤实施：

(1)进水管制作：确定进水管的材料、尺寸和埋置方式；

(2)管片切割：受限于加载系统尺寸要求，通过切割控制管片尺寸；

(3)开回型密封垫槽：原密封垫槽不变，在接头表面分别沿平行于密封垫槽和垂直于密封垫槽两个方向开槽，使之成为回型密封垫槽，槽面打磨平整；

(4)回型密封垫制作；

(5)槽面涂抹防水胶；

(6)管片拼装，模型制作完成；

操作过程：在管片接头表面开回型密封垫槽，槽内安装回型密封垫，利用螺栓拼装，完成模型制作；

(7)自动控制渗透仪的选用；

(8)加载：通过控制模型竖向和水平向液压千斤顶顶力，模拟隧道受力和接头张开；

(9)变水头法或定水头法进行隧道渗漏水试验：某一加载等级下，通过自动控制渗透仪，缓慢增大水压至接头的回型密封垫出现渗漏，记录加载等级、接头张开量和水压，其中加载等级根据具体尺寸计算决定；

(10)改变加载等级，重复步骤(8)、(9)，得到接头受力-张开量-渗漏水之间的关系；

操作过程：通过控制施加在模型上的水平和竖向力，模拟隧道受力和接头张开，同时利用预埋进水管加注水压，利用变水头法或定水头法进行接头渗漏水试验，最终得到渗漏水-接头张开量-隧道受力的关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤(3)，其开槽方式有两种：利用定位槽切割和未利用定位槽切割；

利用定位槽：为使拼装过程中准确定位管片，实际制作的管片标准块在纵缝接头中部设有定位槽，在制作回型密封垫槽时，利用该定位槽作为回型密封垫槽的一个边，在适当位置垂直于密封垫槽开两条相同规格的混凝土槽，即形成试验所需的回型密封垫槽；

未利用定位槽切割，即在原有密封垫槽基础上，沿密封垫槽、垂直于密封垫槽进行切割，加开三条新槽形成回型密封垫槽。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述步骤(4)，为防止新槽漏水，建议新槽对应的回型密封垫尺寸比新槽大1mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤(6)的模型，管片接头表面沿密封垫槽、垂直于密封垫槽进行切割，以形成回型密封垫槽，辅以回型密封垫。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤(10)，采用变水头法进行接头渗漏水试验和定水头法进行接头渗漏水试验，具体试验方法如下：

变水头法：对试验模型进行加载，当接头张开量达到某一设定值时，停止加载；通过自动控制渗透仪，逐步增大回型密封垫内水头压力；当回型密封垫处出现渗漏水时，停止试验，记录相关数据；通过控制加载等级，改变接头张开量，重复试验，得到反映接头渗漏水特性的隧道受力-接头张开量-渗透压力的关系曲线；

定水头法：通过自动控制渗透仪，保持回型密封垫内的水头恒定；同时，对试验模型逐级加载，使接头张开量不断增大，当接头开始出现渗漏水时，停止试验，记录相关数据；改变水头压力，重复试验，即可得到反应接头渗漏水特性的隧道受力-接头张开量-渗透压力的关系曲线。