CN110044529A - 一种盾构隧道外侧土压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道外侧土压力测量方法，所采用的测量装置包括油囊、硅胶O型密封圈、遇水膨胀橡胶套筒、缸筒、活塞、用于牵引活塞的钢丝绳、用于安装的活塞安装支撑部件、电控系统、供油单元，其中，所述的油囊用以感受土体变形和传递土压力，与缸筒之间通过螺纹啮合并且压紧硅胶O型密封圈实现液压油的密封；缸筒的下部设置有外螺纹和内螺纹，外螺纹与吊装注浆孔内螺纹相匹配，内螺纹与活塞安装支撑部件相连接；缸筒靠下位置设置有用于固定活塞的凸槽，缸筒底部和顶部螺纹方向相反，缸筒底部螺纹与吊装注浆孔内螺纹方向相同；活塞位于缸筒内，包括活塞“上”部分、制定对丝、加热棒、压力液位集合温度变送器、输油管、排气管和活塞“下”部分。

Description

一种盾构隧道外侧土压力测量方法

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，涉及一种盾构隧道外侧土压力测量装置。

背景技术

国家现代化进程的不断推进，要求城市容纳足够多的市区人口，城市基础设施的建设和完善保证了城市高速运转和就业容量。城市轨道交通的规划与发展致使大量地铁隧道需要修建，其中盾构法施工具有施工速度快、自动化程度高、对环境影响小，工业和技术成熟等诸多优点，是地铁隧道建设的首选方法。盾构隧道是由衬砌管片和接头结构拼装而成，衬砌结构通过注浆层直接或者间接与土体接触，因此外侧土压力直接影响着结构的内力和接头的变形，进而影响着结构正常使用中的耐久性和防水性能。从隧道建设项目的全寿命周期的角度进行考虑，土压力的精准监测是隧道建设的可行性、结构设计的合理性、施工和运营的安全性、隧道到达设计使用年限后的维护和加固的重要保障。

目前，土压力的监测主要采用预制测试管片的方法，该方法为在衬砌管片内埋设土压力盒且保持土压力盒外膜与管片外弧面相平齐，测试管片既要作为结构部件又要进行隧道外表面压力监测，但是使用该方法监测土压力存在以下不足：

1.受被测介质刚度的影响

当被测量介质刚度较小时，介质不会制约土压力盒的外膜的变形响应，与理想受力条件想接近，实际介质中的应力能够全部被土压力盒感应；当被测介质刚度较大时，介质的自承载能力较高变形小，制约了土压力盒的变形相应，同时土压力盒侧壁的存在加剧了这种影响，因此介质中的应力无法全部被感应到，实测应力小于介质中的实际应力。

2.受土压力盒尺寸的影响

为了保证土压力盒能够适应恶劣且复杂的测试环境，因此采用侧壁较厚的钢壳作为土压力盒的外壳，提高其整体刚度和稳定性。土压力盒的量程越大钢壳的厚度越大，实测值与实际值相差的越大。土压力通过作用在土压力盒外膜传递给相应的感应元件，因此外膜的面积也会对测量值产生影响，外膜的面积越大变形越明显，实测值与实际值相接近。

3.受土压力盒埋设状态影响

土压力盒预埋在预制管片，随着预制管片的制作过程共同经历养护阶段，导致土压力盒外膜压力分布不均进而导致测量误差；预制测试管片在施工安装到脱出盾尾与土体接触过程中，无法保证土压力盒外膜与测试土体接触良好。

4.受传感器自身因素的影响

土压力盒受到环境因素影响比较大，在室内要求空气湿度小于80％、无腐蚀性气体和通风条件下，搬运时要求轻拿轻放，对于一年未使用的土压力盒需要重新进行标定；在测试过程中，土压力盒的零点会随着时间进行漂移，因此不适用于土压力的长期监测。

针对以上问题，开发一种能够克服环境因素、安装因素和传感器自身因素的盾构隧道管片外侧土压力测量装置及方法，对提高土压力的测量精度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盾构隧道外侧土压力测量装置并给出测量方法，通过管片吊装注浆孔将实现与外界土体进行接触，通过土压力监测装置中的温度控制系统保障液压油的恒温状态，最终通过测量恒温油囊中的油压，实现对隧道外侧土压力的长期监测。为了实现上诉目的，本发明采用的技术方案如下：

1.一种盾构隧道外侧土压力测量方法，所采用的测量装置包括油囊1、硅胶O型密封圈7、遇水膨胀橡胶套筒5、缸筒4、活塞、用于安装的活塞安装支撑部件8、电控系统、供油单元，其中，

所述的油囊1用以感受土体变形和传递土压力，与缸筒4之间通过螺纹啮合并且压紧硅胶O型密封圈7实现液压油的密封；

缸筒4的下部设置有外螺纹和内螺纹，外螺纹与吊装注浆孔内螺纹相匹配，内螺纹用以与活塞安装支撑部件8相连接；缸筒4靠下位置设置有用于固定活塞的凸槽401，缸筒4底部和顶部螺纹方向相反，缸筒4底部螺纹与吊装注浆孔内螺纹方向相同；

遇水膨胀橡胶套筒5包裹在缸筒4的外部，用以防止水通过穿透的吊装注浆孔流入盾构隧道内部；

活塞位于缸筒4内，包括活塞“上”部分2、制定对丝3、加热棒301、压力液位集合温度变送器302、输油管303、排气管304和活塞“下”部分6；活塞“上”部分2的端部设置有与油囊1内壁相互贴合的尖形堵头，活塞“上”部分2的侧壁设置有孔201，用以实现液压油向油囊的传递，活塞“上”部分2和活塞“下”部分6通过制定对丝3进行螺纹啮合连接；在定制对丝3上开设有多个螺纹孔，定制对丝3通过螺纹孔分别与输油管303、排气管304、压力液位集合温度变送器302、加热棒301连接，定制对丝3与活塞“下”部分6螺纹连接处设置有O型密封圈以保证油缸内部的密封行；活塞“下”部分6与缸筒4之间形成往复式动密封，活塞“下”部分6外侧设置有缸筒4的橡胶凸槽401相匹配的凹槽601，活塞“下”部分6的底部与活塞安装支撑部件8相连接。

测量方法如下：

(1)组装所述的测量装置以保证活塞与油囊1之间贴合，将输油管303与供油单元进行连接，打开测量装置的排气管304并将组装后的测量装置油囊1竖直向下，将测量装置泵送液压油直到排气管304内有液压油流出，此时测量装置油腔内被液压油注满不存在空气，密封排气管304同时关闭输油阀门；

(2)在盾构隧道内使用钻通吊装注浆孔，保证钻孔直径大于油囊1直径；

(3)将活塞安装支撑部件8与活塞啮合连接，使用扳手将测量装置在吊装注浆孔旋拧到底，使用活动扳手将土压力测量装置安装支撑部件9旋拧入吊装注浆孔；

(4)卸载活塞安装支撑部件8并打开输油阀门，监控油泵上面的流量表，当注入液压油量达到油囊1标定容量时立即停止注油关闭输油阀门，密封输油管303；

(5)将土压力测量装置安装支撑部件9从吊装注浆孔使用扳手旋拧出来，连接好加热棒301、压力液位集合温度变送器302的导线，并将导线接头放置在吊装注浆孔的剩余空间内，对吊装注浆孔密封；

(6)电控系统通过测量的温度乘以温度系数与预设液压油油温度进行对比，控制加热管工作状态，当温度低于预设温度时加热液压油使其保持恒温状态，设定液压油压力即测点土压力的检测频率并且储存数据。

优选地，活塞“下”部分6的底部设有用来穿过牵引活塞的钢丝绳的线孔；牵引活塞的钢丝绳用以牵引活塞卡入不锈钢缸筒4的凸槽401。

附图说明

图1是土压力测量装置安装示意图

图2是土压力测量装置工作示意图

图3是活塞“上”部分示意图

图4是活塞“中”部分示意图

图5是活塞“下”部分示意图

图6是本发明的电路原理图

在图1～5中包括有：

1-TPU油囊；2-活塞“上”部分；3-制定对丝；301-加热棒；302-压力液位集合温度变送器；303-输油管；304-排气管；4-不锈钢缸筒；401-橡胶凸槽；5-遇水膨胀橡胶套筒；6-活塞“下”部分；601-固定位置凹槽；602-导向环；603-格莱圈；604-牵引线孔；7-密封O型圈；8-活塞安装支撑部件；9-土压力测量装置安装支撑部件

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。

现结合上述各附图，提出隧道外侧土压力测量装置的实施案例。

如图1所示，本发明盾构隧道外侧土压力测量装置，其包括TPU油囊1、活塞“上”部分2、制定对丝3、加热棒301、压力液位集合温度变送器302、输油管303、排气管304、不锈钢缸筒4、遇水膨胀橡胶套筒5、活塞“下”部分6、硅胶O型密封圈7、活塞安装支撑部件8、土压力测量装置安装支撑部件9。

TPU油囊1主要功能为感受土体变形和传递土压力，同时兼具有保温隔热的特点，可根据钻孔要求定制不同容量大小。

不锈钢缸筒4外表面套上遇水膨胀橡胶套筒5保证吊装注浆孔的防水性能，TPU油囊1与不锈钢缸筒4通过螺纹啮合连接，同时在螺纹的上下设置硅胶O型密封圈703和705实现液压油的密封。

图3-图5是活塞的“上”、“中”、“下”三部分示意图，活塞“上”部分2保证TPU油囊1在测量土体中的形状实现了土与液压油的等效替换，使测得的土压力更加真实。活塞“上”部分2的侧壁设置孔201实现液压油向油囊的传递；活塞“中”部分3对丝设置四个螺纹孔，分别为：与加热棒301匹配的螺纹孔3011、与压力液位集合温度变送器302匹配的螺纹孔3021、与输油管303匹配的螺纹孔3031、与排气管匹配的螺纹孔3041，每个螺纹的上下位置安装匹配硅胶O型密封圈；活塞“下”部分6外侧设置导向环602和格莱圈603实现往复式动密封，靠近底部设置固定位置凹槽601与橡胶凸槽401尺寸匹配，底部设置四个牵引线孔604和活塞安装支撑部件8匹配的顶位卡槽605。

活塞“上”、“中”、“下”三部分之间通过螺纹啮合连接，在螺纹的上下位置放置硅胶O型密封圈保证液压油的密封。TPU油囊1、活塞和不锈钢缸筒4共同组成了液压油密封腔。

在盾构隧道外侧土压力测量装置装入预先钻通的吊装注浆孔之前，将输油管303与供油单元连接，保持土压力测量装置竖直向下向油腔内供油，直到排气管304有液压油排出保证油腔内没有空气，密封排气管304，安装活塞支撑部件8。将盾构隧道外侧土压力测量装置安装如预先钻通的吊装注浆孔，使用土压力测量装置安装支撑部件9进行位置锁定，防止土压力测量装置跟随活塞支撑部件8拆卸时共同移动。

图2是土压力测量装置工作示意图即安装完成状态，在部件9将土压力测量装置锁定之后，拆卸活塞支撑部件8，启动供油单元向油腔内注入标定的液压油体积，同时拉动牵引绳使活塞向注油反方向移动，最终橡胶凹槽401卡如固定位置凹槽601固定活塞位置保证油腔内的油压与土压力相等。注油完成后密封输油管303，拆除土压力测量装置安装支撑部件9。加热棒301和压力液位集合温度变送器302的接线部位均可放置在吊装注浆孔中，并且使用环氧树脂进行填充，省除了外设接线盒的设备及需要的空间。

图6是本发明的电路原理图，其中包括了温度控制电路和油压测量电路两个部分，当所测量的温度信号和油压信号传输到PC或者PLC，首先将所得到的温度与设置的标准温度进行比较判断，若测量温度满足要求则输出所测量的压力；若测量温度不满足要求，PC或者PLC则控制加热棒301的工作状态进行油腔中液压油温度调整，保持温度恒定，保证监测的土压力与油压相等，提高测量的精确程度。

盾构隧道外侧土压力测量方法，具体包括以下几个步骤：

步骤1、组装测量装置和活塞安装支撑部件8以保证活塞与TPU油囊1之间贴合，将输油管303与供油单元进行连接，打开测量装置的排气管304并将组装后的测量装置TPU油囊1竖直向下，将测量装置泵送液压油直到排气管304内有液压油流出，此时测量装置油腔内被液压油注满不存在空气，密封排气管304同时关闭输油阀门。

步骤2、在盾构隧道内使用风钻钻通吊装注浆孔且超出衬砌外表面200mm，保证钻孔直径大于TPU油囊1直径1～2mm。

步骤3、通过活塞安装支撑部件8与测量装置之间的螺纹啮合连接，使用内六角扳手将测量装置在吊装注浆孔旋拧到底。使用活动扳手将土压力测量装置安装支撑部件9旋拧入吊装注浆孔，并且与测量装置接触起到锁定测量装置的目的。

步骤4、卸载活塞安装支撑部件8同时打开输油阀门，监控油泵上面的流量表，当注入液压油量达到TPU油囊1标定容量时立即停止注油关闭输油阀门，密封输油管303。

步骤5、将土压力测量装置安装支撑部件9从吊装注浆孔使用扳手旋拧出来，连接好加热棒301、压力液位集合温度变送器302的导线，并将导线接头放置在吊装注浆孔的剩余空间内，使用环氧树脂进行浇筑实现吊装注浆孔最终密封。

步骤6、PC或PLC通过测量的温度乘以温度系数与预设液压油油温度进行对比，控制加热管工作状态，当温度低于预设温度时加热液压油使其保持恒温状态。通过PC或者PLC设定液压油压力即测点土压力的检测频率并且储存数据。

Claims (2)

1.一种盾构隧道外侧土压力测量方法，所采用的测量装置包括油囊(1)、硅胶O型密封圈(7)、遇水膨胀橡胶套筒(5)、缸筒(4)、活塞、用于安装的活塞安装支撑部件(8)、电控系统、供油单元，其中，

所述的油囊(1)用以感受土体变形和传递土压力，与缸筒(4)之间通过螺纹啮合并且压紧硅胶O型密封圈(7)实现液压油的密封；

缸筒(4)的下部设置有外螺纹和内螺纹，外螺纹与吊装注浆孔内螺纹相匹配，内螺纹用以与活塞安装支撑部件(8)相连接；缸筒(4)靠下位置设置有用于固定活塞的凸槽(401)，缸筒(4)底部和顶部螺纹方向相反，缸筒(4)底部螺纹与吊装注浆孔内螺纹方向相同；

遇水膨胀橡胶套筒(5)包裹在缸筒(4)的外部，用以防止水通过穿透的吊装注浆孔流入盾构隧道内部；

活塞位于缸筒(4)内，包括活塞“上”部分(2)、制定对丝(3)、加热棒(301)、压力液位集合温度变送器(302)、输油管(303)、排气管(304)和活塞“下”部分(6)；活塞“上”部分(2)的端部设置有与油囊(1)内壁相互贴合的尖形堵头，活塞“上”部分(2)的侧壁设置有孔(201)，用以实现液压油向油囊的传递，活塞“上”部分(2)和活塞“下”部分(6)通过制定对丝(3)进行螺纹啮合连接；在定制对丝(3)上开设有多个螺纹孔，定制对丝(3)通过螺纹孔分别与输油管(303)、排气管(304)、压力液位集合温度变送器(302)、加热棒(301)连接，定制对丝(3)与活塞“下”部分(6)螺纹连接处设置有O型密封圈以保证油缸内部的密封行；活塞“下”部分(6)与缸筒(4)之间形成往复式动密封，活塞“下”部分(6)外侧设置有缸筒(4)的橡胶凸槽(401)相匹配的凹槽(601)，活塞“下”部分(6)的底部与活塞安装支撑部件(8)相连接。

测量方法如下：

(1)组装所述的测量装置以保证活塞与油囊(1)之间贴合，将输油管(303)与供油单元进行连接，打开测量装置的排气管(304)并将组装后的测量装置油囊(1)竖直向下，将测量装置泵送液压油直到排气管(304)内有液压油流出，此时测量装置油腔内被液压油注满不存在空气，密封排气管(304)同时关闭输油阀门；

(2)在盾构隧道内使用钻通吊装注浆孔，保证钻孔直径大于油囊(1)直径；

(3)将活塞安装支撑部件(8)与活塞啮合连接，使用扳手将测量装置在吊装注浆孔旋拧到底，使用活动扳手将土压力测量装置安装支撑部件(9)旋拧入吊装注浆孔；

(4)卸载活塞安装支撑部件(8)并打开输油阀门，监控油泵上面的流量表，当注入液压油量达到油囊(1)标定容量时立即停止注油关闭输油阀门，密封输油管(303)；

(5)将土压力测量装置安装支撑部件(9)从吊装注浆孔使用扳手旋拧出来，连接好加热棒(301)、压力液位集合温度变送器(302)的导线，并将导线接头放置在吊装注浆孔的剩余空间内，对吊装注浆孔密封；

(6)电控系统通过测量的温度乘以温度系数与预设液压油油温度进行对比，控制加热管工作状态，当温度低于预设温度时加热液压油使其保持恒温状态，设定液压油压力即测点土压力的检测频率并且储存数据。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，活塞“下”部分(6)的底部设有用来穿过牵引活塞的钢丝绳的线孔；牵引活塞的钢丝绳用以牵引活塞卡入不锈钢缸筒(4)的凸槽(401)。