CN109974924B - 盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法，所述测量装置包括：一上部开口的容器，所述容器内容纳有浆液；通过一支架支设于所述容器上方的拉力计；以及一完全浸没于所述浆液内的管片模型，所述管片模型的两端覆有密封膜，且所述管片模型连接于所述拉力计的下端。本发明在容器上方搭设横杆来装设拉力计，通过分别测量管片模型在无浆液和浸于浆液内两种状态下的重力，从而得到管片模型的上浮力，解决现有技术无法准确地测出管片模型所受上浮力的问题。

Description

盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特指一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法。

背景技术

随着国内外地下轨道交通和快速路开发的高速发展，盾构法隧道工程逐渐向大直径和浅覆土方向发展，其施工难度和风险越来越大，如何控制盾构隧道工程中的施工风险成为国内外关注的热点。盾构盾尾与盾构管片之间存在间隙，需要同步注浆浆液进行充填。处于同步注浆浆液中的管片，受浮力和卸载作用在施工期即产生客观的上浮。根据以往的软弱地层盾构法施工经验，施工期的隧道上浮问题严重，南京地铁隧道施工期隧道上浮量超过7cm，上海的大直径盾构法公路隧道建设中，施工期隧道上浮问题更为突出，最大甚至超过20cm，造成管片破碎、螺栓剪断、轴线偏差过大等一系列工程问题。

鉴于问题的严重性，业内专家很早就开始关注施工期隧道上浮问题，但是对于隧道上浮的机理及各因素的贡献并未形成共识。目前，盾构隧道的上浮控制依然以既有施工经验为指导依据，尚无科学的手段进行预测或测试。由于不同盾构隧道工程所使用的同步注浆浆液不同，工程情况也不尽相同，需要利用模型试验针对不同浆液性质、不同工程情况进行模拟分析。室内模型试验具有成本低、试验实施难度小等特点，被广泛运用在隧道工程领域的模拟分析研究中。

经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号CN200820152007.5，专利名称：隧道上浮模型试验装置，公开号：CN201241707，该专利自述为：一种隧道上浮模型试验装置，包括有模拟隧道衬砌管片和位移计，其特征在于：该装置还包括有模拟土箱和隔舱，所述模拟土箱为一能够加压的中空密封容器，其内部能够容置土体和水，所述位移计固定于模拟土箱的内部，所述隔舱放置于模拟土箱内，其上部和下部敞口且内部能够容置浆液，所述模拟隧道衬砌管片放置于隔舱内，其能够改变重量以模拟不同的隧道实体。中国专利申请号CN201510076184.4，专利名称：盾构隧道上浮机理的模型试验装置，公开号：CN104677664A，该专利自述为：一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，包括：用于盛放试验土体的主体土箱，隧道模型管片，用于密封和连接隧道模型管片的乳胶膜，用于测量隧道上浮量的位移计，用于固定位移计的位移计支架，用于模拟开挖土体的隧道内部重物，用于固定乳胶膜的乳胶膜固定板，用于箍住乳胶膜的橡皮圈。可见，目前研究隧道上浮的室内试验装置主要功能是测量隧道管片模型在浆液或土体中的浮动位移情况，并以此来定性研究隧道上浮规律。这类模型试验旨在对现象进行规律性研究，无法准确反映管片所受的上浮力及其随时间变化规律，也就无法对实际工程施工期管片上浮情况进行预测。只有在明确浆液对盾构管片上浮力的情况下，才能有效地利用数值模拟、解析理论等对施工期盾构管片的力学特性和位移进行评估。因此，发明一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法，可以解决现有的隧道上浮模型试验装置无法准确地测出管片模型所受上浮力的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置，包括：

一上部开口的容器，所述容器内容纳有浆液；

通过一支架支设于所述容器上方的拉力计；以及

一完全浸没于所述浆液内的管片模型，所述管片模型的两端覆有密封膜，且所述管片模型连接于所述拉力计的下端。

本发明的有益效果是，在容器上方搭设横杆来装设拉力计，通过分别测量管片模型在无浆液和浸于浆液内两种状态下的重力，从而得到管片模型的上浮力。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置的进一步改进在于，所述管片模型的表面粘设有一软管，所述软管的端部伸出所述浆液的液面。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置的进一步改进在于，所述拉力计与所述管片模型之间通过一连接杆连接，且所述拉力计和连接杆的数量大于等于两个，所述连接杆与所述管片模型连接处沿所述管片模型的长度方向分布。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置的进一步改进在于，所述连接杆之间通过一横杆固定连接。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置的进一步改进在于，还包括固设于所述容器的顶部的支撑梁，所述支撑梁上对应所述连接杆装设有定向轴承，所述连接杆穿设于所述定向轴承内。

本发明还提供了一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法，以下步骤：

提供一上部开口的容器；

提供支架和拉力计，利用所述支架支撑所述拉力计并使所述拉力计设置在所述容器的上方；

提供管片模型和密封膜，将所述密封膜覆于所述管片模型两端，并将所述管片模型与所述拉力计的下端连接，然后将所述管片模型放入所述容器内，读取所述拉力计的第一数值；

提供浆液，将所述浆液注入所述容器直至所述浆液浸没过所述管片模型，读取所述拉力计的第二数值，所述第一数值减去所述第二数值即得到所述管片模型受到的浮力。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法的进一步改进在于，还包括：

提供软管，将所述软管粘于所述管片模型的表面，且使所述软管的端部伸出所述浆液的液面。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法的进一步改进在于，将所述管片模型与所述拉力计的下端连接进一步包括：

提供连接杆，将所述连接杆连接于所述拉力计与所述管片模型之间，且所述拉力计和连接杆的数量大于等于两个，使所述连接杆与所述管片模型连接处沿所述管片模型的长度方向分布。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法的进一步改进在于，还包括：

提供一横杆，利用所述横杆将所述连接杆之间固定连接。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法的进一步改进在于，还包括：

提供支撑梁和定向轴承，将所述定向轴承装设于所述支撑梁上，并将所述支撑梁固设于所述容器的顶部，在将所述连接杆连接于所述拉力计与所述管片模型之间时，使所述连接杆穿于所述定向轴承内。

附图说明

图1为本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置的侧剖视图。

图2为本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置另一方向的侧剖视图。

附图标记说明：

11-容器；12-浆液；13-球阀；14-支撑梁；141-螺栓；15-管片模型；16-软管；20-支架；21-立柱；22-横梁；31-拉力计；32-连接杆；33-定向轴承；34-横杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置，可测得隧道模型的上浮力，进而利用数值模拟、解析理论等对施工期盾构管片的力学特性和位移进行评估，解决了现有的隧道上浮模型试验装置无法准确地测出管片模型所受上浮力的问题。下面结合附图对本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置进行说明。

如图1和图2所示，本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置包括：上部开口且容纳有浆液12的容器11、两端覆有密封膜且完全浸没于浆液12内的管片模型15、设于容器上方的拉力计31以及供支撑拉力计31的支架20。管片模型15的底部位于容器11底部的上方且互不接触，浆液12的液面高于管片模型15的顶部，且较佳地，浆液12液面高出管片模型15的顶部5cm。利用拉力计31分别测量管片模型15在无浆液和完全浸没于浆液内两种状态下的重力，从而得到管片模型15的上浮力。其中，管片模型15为中空的管状结构，较佳地，密封膜为乳胶膜，密封膜覆于管片模型15的两端并利用橡皮筋箍紧固定，达到密封管片模型15的效果。

容器11的侧壁靠近底部处开设有供注入浆液12的注浆孔，容器11在该注浆孔处设有一供开启封闭注浆孔的球阀13。管片模型15长度适配于容器11的长度，使得管片模型15两端的密封膜贴于容器11的内表面。较佳地，密封膜的表面涂覆有润滑层，减小密封膜表面与容器表面11内表面的摩擦力，以便管片模型15受到浮力时自由上浮，该润滑层为凡士林层。

支架20包括立设于容器11两侧的立柱21和固设于立柱21顶部的横梁22，该横梁22水平设置且位于容器11的上方。拉力计31的上端固设有挂钩，拉力计31通过该挂钩挂于横梁22上。管片模型15通过连接杆32连接于拉力计31的下端。在本实施例中，拉力计31的下端固设有钩子，管片模型15的顶部固设有挂环，而连接杆32上端固设有挂于所述钩子的连接环、下端固设有勾住所述挂环的连接钩。这样的结构易于进行管片模型的更换，研究不同管片直径下浆液浮力的变化情况。

由于管片模型15在浆液12浮力作用下会产生上浮位移，会使模型底部浆液产生负的孔隙水压，进而造成浆液浮力作用减弱，测量的浮力值偏小。通过在管片模型15的表面粘设软管16，且软管16的端部伸出浆液15的液面，使软管16联通管片模型底部的浆液和外界大气，达到对负的孔隙水压进行疏导的效果，使所测得的浮力值偏保守和安全。优选地，软管16的端部粘设在管片模型15的底部，且软管16数量为两个。

作为一较佳的实施例，拉力计31和连接杆32的数量大于等于两个，连接杆32与管片模型15的连接处沿管片模型15的长度方向均匀分布，使拉力计31对管片模型15施加的拉力均匀作用在管片模型15上，且确保管片模型15在试验中不会倾斜或转动。

进一步地，容器11的顶部设有一支撑梁14，该支撑梁14的长度适配于容器11的长度，支撑梁14的两端通过螺栓141固定于容器11顶部的两侧，且支撑梁14上对应连接杆32开设有通孔且装设有定向轴承33，连接杆32穿设于定向轴承33内。定向轴承33的设置起到使连接杆32产生定向位移的作用，确保管片模型在受到浆液浮力后沿竖直方向产生上浮位移，进而体现出管片模型与周围浆液摩擦力对浮力值的影响，更接近现场实际情况。

进一步地，连接杆32之间通过一横杆34固定连接，横杆34平行于横梁22设置且位于支撑梁14的上方。横杆34与每个连接杆32固定，使两个或多个连接杆32的位移量一致，防止因管片模型10纵向不均匀上浮造成的测量误差。此外，配合支撑梁14的通孔对连接杆32的限位，还确保连接杆32处于竖直位置并沿竖直方向移动。

下面结合附图对本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法进行说明。

如图1和图2所示，本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法包括以下步骤：

提供一上部开口的容器11，于容器11的侧壁靠近底部处开设供注入浆液12的注浆孔，且在该注浆孔处设置一供开启封闭注浆孔的球阀13。

提供立柱21、横梁22和拉力计31，将立柱21立设于容器11两侧，再将横梁22固设于立柱21顶部，形成支架20。然后将拉力计31挂于横梁20上。

提供管片模型15和密封膜，密封膜优选为乳胶膜，将密封膜覆于管片模型两端并利用橡皮筋箍紧固定，从而密封管片模型15。进一步地，在密封膜表面涂抹凡士林形成润滑层，以减小密封膜表面与容器表面11内表面的摩擦力，以便管片模型15受到浮力时自由上浮。

提供软管16，将软管16粘于管片模型15的底部，且使软管的端部在注入浆液15后伸出浆液15的液面。

将管片模型15与拉力计的下端连接，具体地，提供连接杆32，将连接杆32连接于拉力计31与管片模型15之间。作为一优选的实施方式，拉力计31和连接杆32的数量大于等于两个，且使连接杆32与管片模型15连接处沿管片模型15的长度方向分布，使管片模型15受力均匀。

进一步地，提供支撑梁14和定向轴承33，将定向轴承33装设于支撑梁14上，并将支撑梁14通过螺栓141固设于容器11的顶部。在将连接杆32连接于拉力计31与管片模型15之间时，使连接杆32穿于定向轴承33内。

进一步地，提供一横杆34，将横杆34与每个连接杆32固定，且使横杆34平行于横梁22设置，从而使得两个或多个连接杆32之间固定连接进而使其位移量一致。

将管片模型15放入容器内，读取拉力计31的第一数值；提供浆液15，将浆液15通过容器底部的注浆口注入容器11直至浆液15浸没过管片模型15，即浆液15的液面高于管片模型15底部，读取拉力计的第二数值，第一数值减去第二数值即得到管片模型15所受到的浮力。

本发明盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置及其测量方法具备以下

有益效果：

(1)可以通过对比加入浆液前后拉力计的读数得到管片所受的上浮力；

(2)通过在管片模型顶部设置的挂环，可以进行管片模型更换，研究不同管片直径下浆液浮力的变化情况；

(3)管片模型底部设有用于疏通负孔压的软管，使所测得的浮力值偏保守和安全。

(4)由于连接杆可在定向轴承中移动，管片模型在受到浆液浮力后可以产生上浮位移，进而体现出管片模型与周围浆液摩擦力对浮力值的影响，更接近现场实际情况。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置，其特征在于，包括：

一上部开口的容器，所述容器内容纳有浆液；

通过一支架支设于所述容器上方的拉力计；以及

一完全浸没于所述浆液内的管片模型，所述管片模型的两端覆有密封膜，且所述管片模型连接于所述拉力计的下端；

所述管片模型的表面粘设有一软管，所述软管的端部伸出所述浆液的液面，所述软管的另一端部设置在所述管片模型的底部以通过所述软管连通管片模型底部的浆液和外界大气；

所述拉力计与所述管片模型之间通过一连接杆连接，且所述拉力计和连接杆的数量大于等于两个，所述连接杆与所述管片模型连接处沿所述管片模型的长度方向分布；

所述管片模型的顶部固设有挂环，所述连接杆的下端固设有勾住所述挂环的连接钩。

2.如权利要求1所述的盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置，其特征在于，所述连接杆之间通过一横杆固定连接。

3.如权利要求1所述的盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量装置，其特征在于，还包括固设于所述容器的顶部的支撑梁，所述支撑梁上对应所述连接杆装设有定向轴承，所述连接杆穿设于所述定向轴承内。

4.一种盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一上部开口的容器；

提供支架和拉力计，利用所述支架支撑所述拉力计并使所述拉力计设置在所述容器的上方；

提供管片模型和密封膜，将所述密封膜覆于所述管片模型两端，并将所述管片模型与所述拉力计的下端连接，然后将所述管片模型放入所述容器内，读取所述拉力计的第一数值；

提供浆液，将所述浆液注入所述容器直至所述浆液浸没过所述管片模型，读取所述拉力计的第二数值，所述第一数值减去所述第二数值即得到所述管片模型受到的浮力；还包括：

提供软管，将所述软管粘于所述管片模型的表面，且使所述软管的端部伸出所述浆液的液面，让所述软管的另一端部设置在所述管片模型的底部以通过所述软管连通管片模型底部的浆液和外界大气；

将所述管片模型与所述拉力计的下端连接进一步包括：

提供连接杆，将所述连接杆连接于所述拉力计与所述管片模型之间，且所述拉力计和连接杆的数量大于等于两个，使所述连接杆与所述管片模型连接处沿所述管片模型的长度方向分布；

在所述管片模型的顶部固设挂环，所述连接杆的下端固设勾住所述挂环的连接钩。

5.如权利要求4所述的盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法，其特征在于，还包括：

提供一横杆，利用所述横杆将所述连接杆之间固定连接。

6.如权利要求4所述的盾构盾尾同步注浆浆液浮力测量方法，其特征在于，还包括：

提供支撑梁和定向轴承，将所述定向轴承装设于所述支撑梁上，并将所述支撑梁固设于所述容器的顶部，在将所述连接杆连接于所述拉力计与所述管片模型之间时，使所述连接杆穿于所述定向轴承内。

Images