CN109946027B - 一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法，包括：通过调节可移动管片支撑架上水平千斤顶支撑台上的千斤顶对管片施加推力，调节管片接缝错台量，以期达到试验预设错台量；将管片纵缝拼装自平衡加载装置安装完成后，通过油缸千斤顶施加拉力对拉两块管片，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片纵缝防水性能试验；安装管片环缝自平衡加载装置，通过施加推力使两块管片闭合，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片环缝防水性能试验；外水压试验，逐渐增加水压，每次增加水压后稳压一段时间，若管片接缝发生渗漏，则此时水压表显示水压值即为管片预设张开量、错台量所能承受的水压，否则继续加压直至管片接缝发生渗漏。本发明可实现管片拼装模拟，呈现出符合实际工程中的弹性橡胶密封垫复杂工作状态。

Description

一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法

技术领域

本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法。

背景技术

随着城市化建设进程的推进以及经济的高速发展，地下空间资源的利用能够有效解决城市面临的人口、环境、资源等危机，因此开发地下空间逐渐成为城市发展的主流趋势。自1984年上海市隧道工程公司在我国首次采用土压平衡式盾构发展至今，采用盾构法修建隧道已在我国逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系，但在盾构隧道防水方面的认识仍然存在不足，对隧道防水重视程度也相对欠缺。近年来，由隧道渗漏水引起的地下工程事故逐渐增多，同时渗漏水对隧道结构安全及隧道运营安全存在极大隐患，因此在隧道设计过程中防水设计应得到足够的重视。盾构隧道防水主要为衬砌管片结构自防水、螺栓孔防水、管片接缝处防水，其中管片接缝防水是防水设计重点。因此在隧道防水设计中应进行大量的管片接缝防水试验以测试管片接缝防水性能，为结构安全提供更多的保障。

在管片接缝防水试验中，主要验证接缝处弹性橡胶密封垫的防水性能。在目前国内接缝防水试验中多以密封垫在两块钢垫板作用下的试验为主流，即在钢垫板预制密封槽处粘贴橡胶密封垫，由两块钢垫板的相互挤压压缩橡胶密封垫，通过钢垫板上的水孔输入内水压进行橡胶密封垫的防水性能测试。但现有实验装置存在以下几点不足：

1.在管片接缝防水实际工作中，密封垫主要黏贴在混凝土密封槽内，上述试验装置中密封垫黏贴在钢制密封槽内，从而造成密封垫防水试验结构存在较大偏差；

2.上述试验仅为弹性橡胶密封垫局部防水性能测试，不能完全模拟在足尺衬砌管片接缝处的密封垫在实际工程中的复杂工作状态；

3.上述试验采用的是内水压，而隧道管片接缝多以承受外水压为主。

针对以上试验装置的不足，开发一种能够模拟足尺混凝土管片接缝防水测试试验的装置对盾构隧道衬砌管片接缝防水设计具有较高的工程实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述试验装置的不足，可进行大比例足尺混凝土管片接缝防水试验的装置，基于此装置，给出试验方法，可模拟足尺混凝土管片的实际拼装过程，在稳压状态下可进行外水压接缝防水试验，为盾构隧道防水设计提供理论依据。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法，所采用的设备包括作为承重装置的固定管片支撑架101及可移动管片支撑架102、管片纵缝拼装自平衡加载装置2、管片环缝拼装自平衡加载装置3、外水压施加装置4和混凝土衬砌管片模型5，

承重装置用以支撑混凝土衬砌管片模型5，固定管片支撑架101和可移动管片支撑架102相对布置，均包括组合钢架103、固定于组合钢架103上表面的弯曲钢板支撑面104、固定在组合钢架103底部的水平薄钢承台105以及下端承台106，此外，可移动管片支撑架102还设置有水平千斤顶支撑台和倾斜千斤顶支撑台；

所述的混凝土衬砌管片模型5包括4个管片，其中2个受固定管片支撑架101的支撑，另外两个受可移动管片支撑架102的支撑；

管片纵缝拼装自平衡加载装置2用以为管片纵缝拼装模拟提供拉力，包括油缸千斤顶底座201、油缸千斤顶对拉钢板202、联动钢板203，油缸千斤顶插销204、耳状钢板205、受力钢管206、凹槽207、联动钢板连接件208、挡板213和凸板214；油缸千斤顶固定在油缸千斤顶底座201上，油缸千斤顶另一端通过油缸千斤顶的耳帽由油缸千斤顶插销204与油缸千斤顶对拉钢板202连接，油缸千斤顶对拉钢板202上固定有带孔的耳状钢板205，油缸千斤顶的耳帽放在两块耳状钢板205之间，插销204插进耳状钢板205上的孔内；两块联动钢板203之间通过两端带螺纹的联动钢板连接件208连接，联动钢板连接件208两端分别插入联动钢板203的凸板214中间的螺纹孔内；受力钢管206贯穿混凝土管片上的预留孔501，受力钢管206分别放置油缸千斤顶底座201、油缸千斤顶对拉钢板202、两块联动钢板203的凹槽207内，凹槽207分别由钢板上侧边挡板213与凸板214或耳状钢板205形成，在挡板213上开有螺丝孔，用于通过紧固螺丝和紧固受力钢管206；

管片环缝拼装自平衡加载装置3用以为管片环缝拼装模拟提供推力，包括油缸千斤顶反力底座301、油缸千斤顶拖板302、固定底座303、下连接钢臂304、上连接钢臂305，下连接钢臂304和上连接钢臂305分别由两根工字钢组成，两个钢臂一端固定在固定底座303边缘上，另一端与油缸千斤顶反力底座301连接，在反力底座301上固定有用以支撑油缸千斤顶的拖板302，固定底座303与油缸千斤顶分别抵住两块管片外侧，通过油缸千斤顶施加推力推动管片闭合；

外水压施加装置4包括带弧度钢板，钢板弧度取决于管片模型管片弧度，连接到到管片模型的环缝和纵缝交界处，在钢板中间固定有凸起的水压腔盖板401，盖板401上开有进水孔402、出水孔403和外接水压表孔404，外接水压表用于记录腔内水压大小。

试验方法如下：

1)将待验证防水性能的橡胶密封垫粘贴到混凝土衬砌管片模型的各个管片的密封槽内；

2)通过调节可移动管片支撑架上水平千斤顶支撑台上的千斤顶对管片施加推力，调节管片接缝错台量，以期达到试验预设错台量；

3)将管片纵缝拼装自平衡加载装置安装完成后，通过油缸千斤顶施加拉力对拉两块管片，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片纵缝防水性能试验；

4)安装管片环缝自平衡加载装置，通过施加推力使两块管片闭合，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片环缝防水性能试验；

5)在管片稳压状态下，将外水压施加装置通过螺栓固定到管片预留孔上，拧紧螺栓以防水压不稳；

6)在外水压试验装置上的进水孔接上进水管，出水孔接上出水管，水压表孔拧上带螺纹水压表，通过水压表观测水压仓内水压值，打开进水管阀门施加水压，打开出水管阀门排出水压腔内空气直至出水管出水后关闭出水管阀门，逐渐增加水压，每次增加水压后稳压一段时间，若管片接缝发生渗漏，则此时水压表显示水压值即为管片预设张开量、错台量所能承受的水压，否则继续加压直至管片接缝发生渗漏；

7)观察渗漏发生位置以研究管片接缝防水失效机制，记录管片接缝渗漏时水压表读数，测试管片接缝防水性能。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.利用自平衡式加载装置可实现管片拼装模拟，呈现出符合实际工程中的弹性橡胶密封垫复杂工作状态；

2.可进行足尺混凝土管片防水性能测试试验，利用本发明试验装置得到的试验数据更加可靠；

3.充分利用自平衡原理设计加载装置，体现本发明简便性，提高大模型试验效率。

附图说明

图1为本发明足尺盾构隧道衬砌管片接缝防水性能试验装置示意图

图中标号说明：101-固定管片支撑架；102-可移动管片支撑架；103-组合钢架；104-弯曲钢板支撑面；105-水平薄钢承台；；106-下端承台；107-水平千斤顶支撑台；108-倾斜千斤顶支撑台；2-管片纵缝拼装自平衡加载装置；201-油缸千斤顶底座；202-油缸千斤顶对拉钢板；204-油缸千斤顶插销；3-管片环缝拼装自平衡加载装置；301-油缸千斤顶反力底座；303-固定底座；305-上连接钢臂；4-外水压施加装置；401-水压腔盖板；402-进水孔；405-可调节式螺栓孔；5-混凝土衬砌管片模型；501-预留孔；502-预留螺栓孔；503-预留螺栓孔。

图2为本发明试验装置支撑架示意图

图中标号说明：101-固定管片支撑架；102-可移动管片支撑架；103-组合钢架；104-弯曲钢板支撑面；105-水平薄钢承台；；106-下端承台；107-水平千斤顶支撑台；108-倾斜千斤顶支撑台。

图3为本发明试验装置管片环缝拼装自平衡加载装置示意图

图中标号说明：201-油缸千斤顶底座；202-油缸千斤顶对拉钢板；203-联动钢板；204-油缸千斤顶插销；205-耳状钢板；206-受力钢管；207-凹槽；208-联动钢板连接件；209-螺纹孔；210-紧固螺丝；211-螺丝孔；212-螺孔；213-挡板；214-凸板。

图4为本发明试验装置管片纵缝拼装自平衡加载装置示意图

图中标号说明：301-油缸千斤顶反力底座；302-油缸千斤顶拖板；303-固定底座；304-下连接钢臂；305-上连接钢臂；306-螺栓孔；307-螺栓孔。

图5位本发明试验装置外水压施加装置示意图

图中标号说明：401-水压腔盖板；402-进水孔；403-出水孔；404-外接水压表孔；405-可调节式螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明专利的保护范围不限于下述的实施例。

现结合上述各附图例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明盾构隧道管片接缝防水性能试验设备，主要用于足尺寸管片模型在接缝不同张开量、错台量组合工况下弹性橡胶密封垫防水性能试验，本试验设备包括：固定管片支撑架101；可移动管片支撑架102；组合钢架103；弯曲钢板支撑面104；水平薄钢承台105；下端承台106；水平千斤顶支撑台107；倾斜千斤顶支撑台108；管片纵缝拼装自平衡加载装置2；油缸千斤顶底座201；油缸千斤顶对拉钢板202；油缸千斤顶插销204；管片环缝拼装自平衡加载装置3；油缸千斤顶反力底座；固定底座303；上连接钢臂305；外水压施加装置4；水压腔盖板401；进水孔402；可调节式螺栓孔405；混凝土衬砌管片模型5；预留孔501；预留螺栓孔502；预留螺栓孔503。

固定管片支撑架101、可移动管片支撑架102支撑承担加载装置、水压装置、管片全部重量；管片纵缝拼装自平衡加载装置2为管片纵缝闭合施力拉力；管片环缝拼装自平衡加载装置3为管片环缝闭合施加推力；外水压施加装置4位试验模型接缝提供水压力；混凝土衬砌管片模型5为预制的足尺混凝土管片模型，预留孔501贯穿管片内外环面，可将管片纵缝拼装自平衡加载装置2上的受力钢管206(见图3)插入预留孔501，加载装置施力后可通过受力钢管206带动管片闭合，预留螺栓孔502用于环缝防水试验时固定外水压施加装置4，预留螺栓孔503用于纵缝防水试验时固定外水压施加装置4。

通过图2～图5详细介绍设备承重装置、加载装置、水压装置。

图2为试验设备的承重装置，包括固定管片支撑架101；可移动管片支撑架102；组合钢架103；弯曲钢板支撑面104；水平薄钢承台105；下端承台106；水平千斤顶支撑台107；倾斜千斤顶支撑台108。水平薄钢承台105固定在地面，组合钢架103由工字钢和槽钢焊接形成，其组合形式可根据管片及加载装置重量进行设计调整，组合钢架103焊接在两块平行水平薄钢承台105上，在组合钢架上焊接两块弯曲钢板支撑面104，该支撑面将承受混凝土衬砌管片模型5大部分体积，为防止管片滑落以及管片下端面损坏，在水平薄钢承台105外端焊接倾斜的下端承台106。固定管片支撑架101和可移动管片支撑架102基本为对称结构，唯一不同在于可移动管片支撑架102在组合钢架上焊接带有5°的水平千斤顶支撑台107，水平千斤顶支撑台107和倾斜千斤顶支撑台108上放置小千斤顶，通过小千斤顶对管片模型施加推力，抬高管片模型形成管片错台。固定管片支撑架101和可移动管片支撑架102共同组合成设备承重装置1，制作生产一组可进行管片“一”字缝试验，制作两组可同时进行“一”字缝试验和“十”字缝试验。

如图3所示，为本发明管片纵缝拼装自平衡加载装置2，包括：油缸千斤顶底座201；油缸千斤顶对拉钢板202；联动钢板203；油缸千斤顶插销204；耳状钢板205；受力钢管206；凹槽207；联动钢板连接件208；螺纹孔209；紧固螺丝210；螺丝孔211；螺孔212；挡板213；凸板214。通过本发明管片纵缝拼装自平衡加载装置2上的油缸千斤顶提供的拉力以使管片纵缝闭合，油缸千斤顶通过螺栓及螺孔212固定在油缸千斤顶底座201上，油缸千斤顶另一端通过油缸千斤顶的耳帽由油缸千斤顶插销204与油缸千斤顶对拉钢板202连接，油缸千斤顶对拉钢板202上焊接带孔的耳状钢板205，油缸千斤顶的耳帽放在两块耳状钢板205之间，插销204插进耳状钢板205上的孔内。两块联动钢板203之间通过两端带螺纹的联动钢板连接件208连接，联动钢板连接件208两端分别插入联动钢板203上凸板214中间的螺纹孔209内。受力钢管206贯穿混凝土管片预留孔501(见图1)，将受力钢管206分别放置油缸千斤顶底座201、油缸千斤顶对拉钢板202、两块联动钢板203上的凹槽207内，凹槽207分别由钢板上侧边挡板213与凸板214或耳状钢板205形成，在挡板213上开有螺丝孔211，将紧固螺丝210拧入螺丝孔211内即可紧固受力钢管206，防止受力钢管206滑落。本装置的受力流程为：油缸千斤顶施加拉力带动油缸千斤顶底座201与油缸千斤顶对拉钢板202相对运动，两块钢板对受力钢管206施力，进而带动管片闭合，两块联动钢板203通过联动钢板连接件208连接可避免受力钢管206下端张开过大损坏预留孔边缘混凝土。

见图4，管片环缝拼装自平衡加载装置3由油缸千斤顶反力底座301、油缸千斤顶拖板302、固定底座303、下连接钢臂304、上连接钢臂305组成。连接钢臂304、305分别由两根工字钢组成，钢臂一端焊接在固定底座303边缘上，试验时，将下连接钢臂304从侧面贯穿插入组合钢架103内(见图1)，上连接钢臂在管片模型外环面上，钢臂另一端用螺栓通过螺栓孔307与油缸千斤顶反力底座301连接。通过螺栓孔306可固定油缸千斤顶，在使用时油缸水平放置，为避免螺栓受力过大，在底座301上焊接一块拖板302支撑油缸千斤顶。固定底座303与油缸千斤顶分别抵住两块管片外侧，通过油缸千斤顶施加推力推动管片闭合。控制千斤顶推力大小可控制管片接缝张开量大小。

参见图5，外水压施加装置4为带弧度钢板，钢板弧度可根据试验管片弧度单独设计。为满足螺栓孔位置的可调节性，在钢板两侧设置可调节式螺栓孔405，在可调节式螺栓孔405上放置一块带孔钢块并将孔对准管片预留孔502、503(见图1)，拧紧螺栓即可将该装置固定到管片上。在钢板中间为一块凸起的水压腔盖板401，盖板401上开有进水孔402、出水孔403、外接水压表孔404，盖板上3个孔的功能可进行调节交换，进水孔输入带压水，出水孔排除水压腔内空气，水压表可记录腔内水压大小。

在将试验装置布置完毕后，试验方法如下：

1)将待验证防水性能的橡胶密封垫粘贴到预制混凝土管片密封槽内，静置24小时等待密封胶凝固后进行试验；

2)通过吊车将混凝土管片吊至支撑架上，通过调节可移动管片支撑架上水平千斤顶支撑台上的小千斤顶对管片施加推力，调节管片接缝错台量，以期达到试验预设错台量；

3)通过吊车将管片纵缝拼装自平衡加载装置各部件分别吊起并在管片纵缝预留孔处进行安装，安装完成后，通过油缸千斤顶施加拉力对拉两块管片，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片纵缝防水性能试验；

4)将管片环缝自平衡加载装置的油缸千斤顶反力底座卸下，通过吊车将管片环缝自平衡加载装置剩余部分吊起，将下连接钢臂穿入组合钢架内，上连接钢臂附在管片外环面上，将油缸固定到油缸千斤顶反力底座上，将反力底座吊起并通过螺栓与连接钢臂固定，通过油缸施加推力使两块管片闭合，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片环缝防水性能试验；

5)在管片稳压状态下，沿管片接缝方向粘贴自粘防水卷材，将外水压施加装置安装处的防水卷材预留一些孔洞，以方便水压可以施加到管片接缝里，在防水卷材上再贴一层硅胶板起找平作用，并在硅胶板上开孔使水压可以施加到管片接缝内，将外水压施加装置通过螺栓固定到管片预留孔上，拧紧螺栓以防水压不稳；

6)在外水压试验装置上的进水孔接上进水管，出水孔接上出水管，水压表孔拧上带螺纹水压表，通过水压表观测水压仓内水压值，打开进水管阀门施加水压，打开出水管阀门排出水压腔内空气直至出水管出水后关闭出水管阀门，以0.1MPa量级增加水压，每增加0.1MPa水压盖板进水管阀门，稳压60分钟以上，若管片接缝发生渗漏，则此时水压表显示水压值即为管片预设张开量、错台量所能承受的水压，否则继续加压直至管片接缝发生渗漏；

7)卸载所有加载装置，观察渗漏发生位置以研究管片接缝防水失效机制，记录管片接缝渗漏时水压表读数，测试管片接缝防水性能。

Claims (1)

1.一种盾构隧道管片接缝防水性能试验方法，所采用的设备包括作为承重装置的固定管片支撑架（101）及可移动管片支撑架（102）、管片纵缝拼装自平衡加载装置（2）、管片环缝拼装自平衡加载装置（3）、外水压施加装置（4）和混凝土衬砌管片模型（5），

承重装置用以支撑混凝土衬砌管片模型（5），固定管片支撑架（101）和可移动管片支撑架（102）相对布置，均包括组合钢架（103）、固定于组合钢架（103）上表面的弯曲钢板支撑面（104）、固定在组合钢架（103）底部的水平薄钢承台（105）以及下端承台（106），此外，可移动管片支撑架（102）还设置有水平千斤顶支撑台和倾斜千斤顶支撑台；

所述的混凝土衬砌管片模型（5）包括4个管片，其中2个受固定管片支撑架（101）的支撑，另外两个受可移动管片支撑架（102）的支撑；

管片纵缝拼装自平衡加载装置（2）用以为管片纵缝拼装模拟提供拉力，包括油缸千斤顶底座（201）、油缸千斤顶对拉钢板（202）、联动钢板（203），油缸千斤顶插销（204）、耳状钢板（205）、受力钢管（206）、凹槽（207）、联动钢板连接件（208）、挡板（213）和凸板（214）；油缸千斤顶固定在油缸千斤顶底座（201）上，油缸千斤顶另一端通过油缸千斤顶的耳帽由油缸千斤顶插销（204）与油缸千斤顶对拉钢板（202）连接，油缸千斤顶对拉钢板（202）上固定有带孔的耳状钢板（205），油缸千斤顶的耳帽放在两块耳状钢板（205）之间，插销（204）插进耳状钢板（205）上的孔内；两块联动钢板（203）之间通过两端带螺纹的联动钢板连接件（208）连接，联动钢板连接件（208）两端分别插入联动钢板（203）的凸板（214）中间的螺纹孔内；受力钢管（206）贯穿混凝土管片上的预留孔（501），受力钢管（206）分别放置油缸千斤顶底座（201）、油缸千斤顶对拉钢板（202）、两块联动钢板（203）的凹槽（207）内，凹槽（207）分别由钢板上侧边挡板（213）与凸板（214）或耳状钢板（205）形成，在挡板（213）上开有螺丝孔，用于通过紧固螺丝和紧固受力钢管（206）；

管片环缝拼装自平衡加载装置（3）用以为管片环缝拼装模拟提供推力，包括油缸千斤顶反力底座（301）、油缸千斤顶拖板（302）、固定底座（303）、下连接钢臂（304）、上连接钢臂（305），下连接钢臂（304）和上连接钢臂（305）分别由两根工字钢组成，两个钢臂一端固定在固定底座（303）边缘上，另一端与油缸千斤顶反力底座（301）连接，在反力底座（301）上固定有用以支撑油缸千斤顶的拖板（302），固定底座（303）与油缸千斤顶分别抵住两块管片外侧，通过油缸千斤顶施加推力推动管片闭合；

外水压施加装置（4）包括带弧度钢板，钢板弧度取决于管片模型管片弧度，连接到管片模型的环缝和纵缝交界处，在钢板中间固定有凸起的水压腔盖板（401），盖板（401）上开有进水孔（402）、出水孔（403）和外接水压表孔（404），外接水压表用于记录腔内水压大小；

试验方法如下：

1）将待验证防水性能的橡胶密封垫粘贴到混凝土衬砌管片模型的各个管片的密封槽内；

2）通过调节可移动管片支撑架上水平千斤顶支撑台上的千斤顶对管片施加推力，调节管片接缝错台量，以期达到试验预设错台量；

3）将管片纵缝拼装自平衡加载装置安装完成后，通过油缸千斤顶施加拉力对拉两块管片，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片纵缝防水性能试验；

4）安装管片环缝自平衡加载装置，通过施加推力使两块管片闭合，直至达到预设接缝张开量时停止加载，在稳压情况下进行后续管片环缝防水性能试验；

5）在管片稳压状态下，将外水压施加装置通过螺栓固定到管片预留孔上，拧紧螺栓以防水压不稳；

6）在外水压试验装置上的进水孔接上进水管，出水孔接上出水管，水压表孔拧上带螺纹水压表，通过水压表观测水压仓内水压值，打开进水管阀门施加水压，打开出水管阀门排出水压腔内空气直至出水管出水后关闭出水管阀门，逐渐增加水压，每次增加水压后稳压一段时间，若管片接缝发生渗漏，则此时水压表显示水压值即为管片预设张开量、错台量所能承受的水压，否则继续加压直至管片接缝发生渗漏；

7）观察渗漏发生位置以研究管片接缝防水失效机制，记录管片接缝渗漏时水压表读数，测试管片接缝防水性能。

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