CN109632514B - 一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，包括附着于盾构管片的油压活塞单元以及与该油压活塞单元对接的油压控制单元，所述油压活塞单元包括油压仓(14)、套设于该油压仓(14)内的活塞(16)、预留进油管(11)和预留出油管(12)，所述油压控制单元包括进油管(5)、出油管(6)，以及设于该进油管(5)、出油管(6)一端的油压控制系统(1)。本发明还公开了一种土体测试方法。本发明的测试装置，一部分附着于盾构管片结构，并随管片预埋近洞周土体内，另一部分通过油压控制系统施加油压对管片外土体进行加载测试，测量精度高，效果好，解决了传统盾构隧道空间限制，难以实现对洞周围岩力学性能的实时测量等问题。

Description

一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置及方法

技术领域

本发明属于盾构隧道原位土体应力测试与监测设备技术领域，更具体地，涉及一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置及使用方法。

背景技术

在我国盾构隧道快速发展的今天，既有水下盾构隧道已暴露出了许多衬砌结构问题。从应用效果方面来看，已建或在建水下盾构隧道经常会出现管片错台、拼装接缝开裂，继而产生局部渗漏水，导致隧道结构整体稳定性降低、加剧地面建筑物的不均匀沉降、影响周围水环境变化、严重者将造成大量涌水和隧道被淹事故发生，造成了诸如盾构隧道衬砌外荷载的设计值计算不合理、洞周注浆改良土体力学性质评价困难等等一系列问题。

管片安装后盾尾脱空阶段对附着在管片上的监测测试装置破坏最大，因此测试装置需具备一定的刚度和耐久性，且应与管片紧密接触；由于管片是预制加工而成，因此在测试装置的结构设计上不能影响或改变管片的结构。

而目前使用的监测测试装置，或预埋在管片内与洞周土体接触，或通过钻孔设置在离管片一定距离的位置，都存在许多应用问题，不能够满足使用需求。同时由于盾构隧道施工的特点，使得目前一般常用的围岩测试装置难以进入，且空间受到限制，预埋在洞周的各类监测传感器又极易受施工影响而破坏，无法发挥提供准确洞周信息，保障施工过程高效安全的作用。因此，研制便携小巧同时又不易被破坏的围岩测试装置，对保障盾构隧道的安全施工和运营具有重要的工程意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置及使用方法，针对盾构隧道管片注浆孔的使用环境特点，制备一种通过螺纹与注浆孔紧密接触的油压设备，由于该设备附着于管片，只要管片安装完成，就可以进行盾构隧道施工期和运营期全过程的围岩力学性状测试。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，包括附着于盾构管片的油压活塞单元以及与该油压活塞单元对接的油压控制单元；其中，

所述油压活塞单元包括油压仓和套设于该油压仓内的活塞，所述油压仓与管片上预留的注浆孔通过中空管轴的端部螺纹紧密连接，活塞在洞周土体压力的作用下沿所述中空管轴移动；且，

所述油压活塞单元还包括预留进油管和预留出油管，二者分别与所述油压仓上的输油孔通过密封螺栓连接；

所述油压控制单元包括进油管、出油管，以及设于该进油管、出油管一端的油压控制系统，所述进油管、出油管通过油管接头分别与所述预留进油管和预留出油管对接，所述油压控制系统通过所述进油管和出油管施加油压对管片外土体进行加载测试。

进一步地，所述进油管、出油管上分别设有进油管阀门和出油管阀门，用于控制该进油管、出油管与所述油压仓内的油液流通。

进一步地，所述进油管阀门和出油管阀门与油管接头之间的进油管、出油管上，分别设有油压表。

进一步地，所述进油管、出油管的端部，对应设有进油油量表、出油油量表，用于实时测量所述进油管和出油管的油液流量。

进一步地，所述预留进油管和预留出油管上下排列设于所述油压仓的一端，且与所述管片内的两主筋绑扎牢固。

进一步地，所述预留进油管和预留出油管均采用为不锈钢金属材质制备而成。

进一步地，所述中空管轴一端设有密封塞，其靠近洞周土体一侧端部为平面结构，该平面结构的直径大于所述中空管轴的直径。

进一步地，所述密封塞为橡胶材质。

进一步地，所述油压控制单元包括加载控制面板。

按照本发明的另一个方面，提供一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试方法，应用所述的附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置完成，包括如下步骤：

S1：将油压仓、活塞通过中空管轴预先安装在选定的管片上，并用密封塞封闭中空管轴，待管片安装完毕后，将进油管、出油管连接到预留进油管和预留出油管上，将油管接头拧紧，打开进油管阀门与出油管阀门，打开排气孔，注油排空油压仓内空气，之后关闭出油管阀门；

S2：加载测试之前先用一长杆通过注浆孔和中空管轴将密封塞推开；利用加载控制面板增加油压仓内油压，读取并记录进油油量表、出油油量表与油压表的数值，测试完成后打开出油管阀门卸油压至稳定值；

S3：通过油量增加量推算活塞的位移，结合油压值计算扰动土体初始土压力、弹性模量与抗压强度并记录数据；

S4：如果洞周土体力学性质较差，则通过注浆孔和中空管轴进行二次注浆，当注浆完成后，可再次连接油压控制系统和进油管、出油管，加压测试改良土体的力学性状，如改良土体达到设计要求，可暂时封闭注浆孔；

S5：测试工作完成后，可将油管接头拆开，临时移除油压控制系统，待下次使用时可再次安装拼接，通过实时测试，可实现对盾构隧道周围改良土体强度的长期观测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的测试装置，一部分附着于盾构管片结构，并随管片预埋近洞周土体内，另一部分通过油压控制系统施加油压对管片外土体进行加载测试，测量精度高，效果好，解决了传统盾构隧道空间限制，难以实现对洞周围岩力学性能的实时测量等问题。

2.本发明的测试装置，本测试装置通过油压控制系统施加油压对管片外土体进行加载测试，通过监测油压以及进出油量可以反映管片外受扰动土体或注浆改良土体的力学性状，为盾构机掘进时提供更及时准确的洞周信息，也可多次连接预留输油管，实现隧道洞周土体力学性状的长期监测。

3.本发明的测试装置，进油管、出油管分别与油压仓联通，洞周土体压力推动活塞沿中空管轴运动，从而挤压油压仓内油液，改变进油管、出油管内的油压，并被油压表测量，从而获得洞周土体的力学性能参数。

4.本发明的测试装置，活塞恰好套设于中空管轴上，同时，该活塞的外周与油压仓的内壁接触密封，实现对油液的封堵，并可在洞周土体压力作用下，沿着中空管轴运动。

5.本发明的测试装置，附着于盾构管片结构的一部分可根据测量需要布置多个，另一部油压控制系统则可循环与每一个附着于盾构管片结构的部分连接，实现一对多或者多对多的测量，可大大提高围岩力学形状测试效率。

6.本发明的测试方法，利用附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置实现，由于该设备附着于管片，只要管片安装完成，就可以进行盾构隧道施工期和运营期全过程的围岩力学性状测试。

附图说明

图1为本发明实施例一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例油压仓的立剖面示意图；

图3为本发明实施例油压仓的平面剖视图；

图4为本发明实施例油压仓的左视图；

图5为本发明实施例油压仓的仰视图；

图6为本发明实施例活塞的结构示意图；

图7为本发明实施例密封塞的结构示意图；

图8为本发明实施例密封塞的仰视图；

图9为本发明实施例盾构隧道洞周土体应力—位移曲线图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-油压控制系统、2-加载控制面板、3-进油油量表、4-出油油量表、5-进油管、6-出油管、7-进油管阀门、8-出油管阀门、9-油压表、10-油管接头、11-预留进油管、12-预留出油管、13-密封螺栓、14-油压仓、15-中空管轴、16-活塞、17-密封塞、18-管片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置的结构示意图。如图1所示，该测试装置包括油压控制系统1、加载控制面板2、进油油量表3、出油油量表4、进油管5、出油管6、进油管阀门7、出油管阀门8、油压表9、油管接头10、预留进油管11、预留出油管12、密封螺栓13、油压仓14、中空管轴15、活塞16、密封塞17以及管片18。其中，油压仓14安装在管片18外，中空管轴15端部螺纹与管片18的注浆孔螺纹相匹配；油压控制系统1和加载控制面板2设于进油管5、出油管6的一端，并与电脑用数据线连接，保证油压数据的上传与存储，油压控制系统上的排气孔可在设备投入使用时将油压仓及输油管内的空气排出，以便监测油压仓内真实油压。本发明测试装置，一部分附着于盾构管片结构，并随管片预埋近洞周土体内，另一部分通过油压控制系统施加油压对管片外土体进行加载测试，测量精度高，效果好，解决了传统盾构隧道空间限制，难以实现对洞周围岩力学性能的实时测量等问题。

如图1所示，进油管5、出油管6上分别设有进油管阀门7和出油管阀门8，用于控制该进油管5、出油管6内的油液流通。进油管5、出油管6的端部，对应设有进油油量表3、出油油量表4，用于实时测量进油管5和出油管6的油液流量。通过监测油压以及进出油量可以反映管片外受扰动土体或注浆改良土体的力学性状，为盾构机掘进时提供更及时准确的洞周信息，也可多次连接预留输油管，实现隧道洞周土体力学性状的长期监测。

如图2～图5所示，预留进油管11、预留出油管12为不锈钢金属材质，与管片18内的两主筋绑扎牢固，预留进油管11、预留出油管12上下排列，与油压仓14上的输油孔通过密封螺栓13连接，且与进出油管5、6之间用油管接头10连接，在设备安装时活塞16由密封塞17限制于中空管轴15上。此外，在进油管阀门7和出油管阀门8与油管接头10之间的进油管5、出油管6上，分别设有油压表9。进油管5、出油管6分别与油压仓14联通，洞周土体压力推动活塞16沿中空管轴15运动，从而挤压油压仓14内油液，改变进油管5、出油管6内的油压，并被油压表9测量，从而获得洞周土体的力学性能参数。

如图6所示，油压仓14与管片18上预留的注浆孔通过中空管轴15的端部螺纹紧密连接，活塞可以在油压仓14中沿中空管轴15移动，在管片18拼装时用密封塞17将活塞16限制于油压仓14端头，在管片18拼装完成后通过注浆孔将密封塞17顶开。活塞16恰好套设于中空管轴15上，同时，该活塞16的外周与油压仓14的内壁接触密封，实现对油液的封堵，并可在洞周土体压力作用下，沿着中空管轴15运动。

如图7和图8所示，密封塞17为橡胶材质，其靠近洞周土体一侧端部为平面结构，该平面结构的直径大于中空管轴15的直径，从而实现中空管轴15密封，避免洞周水土通过中空管轴15进入管片。优选地，在需要对洞周土体进行注浆时，可采用长杆将密封塞17顶开，实现二次注浆，改善洞周土体力学性能。

图9中：横轴表示活塞位移值，纵轴表示与之对应的油压表读数值，图像中第一个明显拐点表示洞周土体的初始压力值，直线段斜率表示洞周土体的弹性模量，峰值点表示洞周土体极限强度值。

本发明实施例一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试方法，包括如下步骤：

步骤1：将油压仓14、活塞16通过中空管轴15预先安装在选定的管片18上，并用密封塞17封闭中空管轴15。待管片18安装完毕后，将进出油管5、6连接到预留进出油管11、12上，将油管接头10拧紧，打开油压控制系统进油管阀门7与出油管阀门8，打开排气孔，注油排空油压仓14内空气，之后关闭出油管阀门8；

步骤2：加载测试之前先用一长杆通过注浆孔和中空管轴将密封塞17推开；利用加载控制面板2增加油压仓14内油压，读取并记录油量表3、4与油压表9的数值，测试完成后打开出油管阀门8卸油压至稳定值；

步骤3：通过油量增加量推算活塞位移，结合油压值计算扰动土体初始土压力、弹性模量与抗压强度并记录数据，数据处理原理图见图4；

步骤4：如果洞周土体力学性质较差，则通过注浆孔和中空管轴15进行二次注浆，当注浆完成后，可再次连接油压控制系统1和进出油管5、6，加压测试改良土体的力学性状，如改良土体达到设计要求，可暂时封闭注浆孔；

步骤5：测试工作完成后，可将油管接头10拆开，临时移除油压控制系统，待下次使用时可再次安装拼接。通过实时测试，可实现对盾构隧道周围改良土体强度的长期观测。

本发明的测试方法，利用附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置实现，由于该设备附着于管片，只要管片安装完成，就可以进行盾构隧道施工期和运营期全过程的围岩力学性状测试。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，包括附着于盾构管片的油压活塞单元以及与该油压活塞单元对接的油压控制单元；其中，

所述油压活塞单元包括油压仓（14）和套设于该油压仓（14）内的活塞（16），所述油压仓（14）与管片（18）上预留的注浆孔通过中空管轴（15）的端部螺纹紧密连接，活塞（16）在洞周土体压力的作用下沿所述中空管轴（15）移动；且，

所述油压活塞单元还包括预留进油管（11）和预留出油管（12），二者分别与所述油压仓（14）上的输油孔通过密封螺栓（13）连接；

所述油压控制单元包括进油管（5）、出油管（6），以及设于该进油管（5）、出油管（6）一端的油压控制系统（1），所述进油管（5）、出油管（6）通过油管接头（10）分别与所述预留进油管（11）和预留出油管（12）对接，所述油压控制系统（1）通过所述进油管（5）和出油管（6）施加油压对管片（18）外土体进行加载测试。

2.根据权利要求1所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述进油管（5）、出油管（6）上分别设有进油管阀门（7）和出油管阀门（8），用于控制该进油管（5）、出油管（6）与所述油压仓（14）内的油液流通。

3.根据权利要求2所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述进油管阀门（7）和出油管阀门（8）与油管接头（10）之间的进油管（5）、出油管（6）上，分别设有油压表（9）。

4.根据权利要求1所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述进油管（5）、出油管（6）的端部，对应设有进油油量表（3）、出油油量表（4），用于实时测量所述进油管（5）和出油管（6）的油液流量。

5.根据权利要求1所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述预留进油管（11）和预留出油管（12）上下排列设于所述油压仓（14）的一端，且与所述管片（18）内的两主筋绑扎牢固。

6.根据权利要求5所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述预留进油管（11）和预留出油管（12）均采用为不锈钢金属材质制备而成。

7.根据权利要求1所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述中空管轴（15）一端设有密封塞（17），其靠近洞周土体一侧端部为平面结构，该平面结构的直径大于所述中空管轴（15）的直径。

8.根据权利要求7所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述密封塞（17）为橡胶材质。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置，其特征在于，所述油压控制单元包括加载控制面板（2）。

10.一种附着于盾构管片的油压加载原位土体测试方法，应用如权利要求1-9中任一项所述的附着于盾构管片的油压加载原位土体测试装置完成，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将油压仓（14）、活塞（16）通过中空管轴（15）预先安装在选定的管片（18）上，并用密封塞（17）封闭中空管轴（15），待管片（18）安装完毕后，将进油管（5）、出油管（6）连接到预留进油管（11）和预留出油管（12）上，将油管接头（10）拧紧，打开进油管阀门（7）与出油管阀门（8），打开排气孔，注油排空油压仓（14）内空气，之后关闭出油管阀门（8）；

S2：加载测试之前先用一长杆通过注浆孔和中空管轴（15）将密封塞（17）推开；利用加载控制面板（2）增加油压仓（14）内油压，读取并记录进油油量表（3）、出油油量表（4）与油压表（9）的数值，测试完成后打开出油管阀门（8）卸油压至稳定值；

S3：通过油量增加量推算活塞（16）的位移，结合油压值计算扰动土体初始土压力、弹性模量与抗压强度并记录数据；

S4：如果洞周土体力学性质较差，则通过注浆孔和中空管轴（15）进行二次注浆，当注浆完成后，可再次连接油压控制系统（1）和进油管（5）、出油管（6），加压测试改良土体的力学性状，如改良土体达到设计要求，可暂时封闭注浆孔；

S5：测试工作完成后，可将油管接头（10）拆开，临时移除油压控制系统（1），待下次使用时可再次安装拼接，通过实时测试，可实现对盾构隧道周围改良土体强度的长期观测。