CN110174225B - 一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，包括气泵、气密性箱体、测试管片单元、两个加力单元、气压计和终端设备，测试管片单元设置在气密性箱体内，将气密性箱体分割为外部气压室和内部气压室，气泵连接外部气压室，气压计安装在内部气压室内，终端设备连接气压计；测试管片单元包括两个旋转管片，每个旋转管片竖直安装，一端通过旋转密封机构连接气密性箱体的内壁，另一端通过管片接头连接另一个旋转管片；每个加力单元斜向设置。与现有技术相比，本发明具可用于采用室内模型试验方法测试盾构隧道管片接缝模型在外界高压气体作用下，管片接头在不同张角条件下的气体渗漏数据。

Description

一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置

技术领域

本发明涉及盾构隧道管片测试和设计领域，尤其是涉及一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置。

背景技术

地铁隧道、地下管廊建设越来越成为城市现代化建设的重要一环。隧道工程广泛开展于各种复杂地形和地质条件，对隧道工程的质量提出了更高的要求。高气压地下环境作为一种常见的危险性工程条件，对隧道管片的影响不容忽视。管片接头作为隧道管片结构的薄弱部位部分，测试其与气密性的关系尤为必要。由于全尺寸研究试验造价高、不易操作，目前缺少一种有效的装置用以研究高压环境下管片接头张角与气密性的关系。

申请号为201210421333.2的中国专利公开了一种盾构隧道接头变形分析方法，通过对相邻隧道管片上检测点M的实际弦长和原始弦长的换算，得到接头张角的变化。这种方法通过图纸计算原始弦长，没有考虑管片制作误差或施工误差影响，若应用在接头张角对气密性影响的试验中，操作繁琐，会导致试验效率低。

申请号为201510289427.2的中国专利公开了一种盾构隧道管片接头力学性能试验装置，提供了一种盾构隧道管片接头力学性能试验装置，其中通过在管片接头处设置垂直的千斤顶模拟管片接头的受力，实现管片的变形。但这种方法圆弧管片在接头处发生挤压变形，不能准确控制管片接头张角的大小，若应用在接头张角对气密性影响的试验中，不能精确控制管片接头张角大小。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，包括气泵、气密性箱体、测试管片单元、两个加力单元、气压计和终端设备，所述测试管片单元设置在气密性箱体内，将气密性箱体分割为外部气压室和内部气压室，所述气泵连接外部气压室，所述气压计安装在内部气压室内，所述终端设备连接气压计；所述的测试管片单元包括两个旋转管片，每个旋转管片竖直安装，一端通过旋转密封机构连接气密性箱体的内壁，另一端通过管片接头连接另一个旋转管片；每个加力单元斜向设置，一端连接气密性箱体的内壁，另一端连接旋转管片的侧壁。

进一步地，所述的管片接头包括橡胶密封垫和多个螺栓，两个旋转管片的一端通过多个并排设置的螺栓连接，在并排螺栓的一侧设置橡胶密封垫。

进一步地，所述的气密性箱体内壁设有两条第一安装槽，所述的旋转管片一端设有和第一安装槽对应的第二安装槽，所述密封条夹持在第一安装槽和第二安装槽之间。

进一步地，所述的旋转密封机构包括两条密封条和一根旋转轴，旋转轴夹在气密性箱体内壁和旋转管片的一端之间，所述两条密封条分别设置在旋转轴的两侧，并且夹在气密性箱体内壁和旋转管片的一端之间。

进一步地，所述的密封条与气密性箱体内壁和旋转管片的连接处填充有密封软胶。

进一步地，所述的加力单元包括气缸伸缩杆和两个铰链，气缸伸缩杆的一端通过铰链连接一个旋转管片的侧壁，另一端通过铰链连接气密性箱体的顶板或底板内壁。

进一步地，所述的加力单元均安装在外部气压室内。

进一步地，还包括一个连接终端设备的计时器。

进一步地，所述加力单元推动旋转管片沿着旋转密封机构转动，在加力单元的推动下使两个旋转管片形成斜角连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可用于在已有现场实测或数值预测的盾构隧道管片张角数据情况下，采用室内模型试验方法测试盾构隧道管片接缝模型在外界高压气体作用下，管片接头部在不同张角条件下的气体渗漏数据，帮助优化盾构隧道的设计。

2、旋转管片在加力单元的推动下实现张开角度的调节，同时，旋转管片在旋转过程中密封条在旋转管片和气密性箱体内壁件受压并且限制位移，因此可以保证良好的密封性，从而有效控制气压变化以旋转管片接头张角为单一变量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为加力单元的结构示意图。

图3为图1的局部放大图。

图4为旋转轴的结构示意图。

图5a为加力单元与旋转管片接头初始标定角的原理简图。

图5b为加力单元伸缩值与旋转管片接头内张角的原理简图。

图5c为加力单元伸缩值与旋转管片接头外张角的原理简图。

附图标记：1、测试管片单元，101、旋转管片，2、加力单元，21、气缸伸缩杆，22、铰链，4、旋转密封机构，41、旋转轴，42、密封条，43、第一安装槽，44、第二安装槽，5、管片接头，51、橡胶密封垫，52、螺栓，6、气泵，7、外部气压室，8、内部气压室，9、气密性箱体，10、气压计，11、计时器，12、终端设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，包括气泵6、气密性箱体9、测试管片单元1、两个加力单元2、气压计10、计时器11和终端设备12。测试管片单元1设置在气密性箱体9内，将气密性箱体9分割为外部气压室7和内部气压室8，气泵6连接外部气压室7，气压计10安装在内部气压室8内。终端设备12采用现有的计算机，计时器11和气压计10局内连接终端设备12。

测试管片单元1包括两个旋转管片101，旋转管片101为两个侧面连接于气密性箱体9侧壁的直壁管片缩尺模型。每个旋转管片101竖直安装，一端通过旋转密封机构4连接气密性箱体9的内壁，另一端通过管片接头5连接另一个旋转管片101。测试管片单元1的两侧侧壁和气密性箱体9侧壁通过密封凝胶和橡胶垫填充，使得测试管片单元1能够沿着侧壁移动的同时保持与两侧侧壁的密封。

每个加力单元2均在外部气压室7内斜向设置，一端连接气密性箱体9的内壁，另一端连接旋转管片101的侧壁。加力单元2推动旋转管片101沿着旋转密封机构4转动，在加力单元2的推动下使两个旋转管片101形成斜角连接。

如图2所示，管片接头5包括橡胶密封垫51和多个螺栓52，两个旋转管片101的一端通过多个并排设置的螺栓52连接，在并排螺栓52的一侧设置橡胶密封垫51。管片接头5还可以采用工程中常用的其他形式的管片接头5。螺栓52虽然固定，但不是完全刚性，可以发生拉压变形，螺栓52的这种布置与实际管片相同，使得模拟的管片张角工况更加符合实际。

旋转密封机构4包括两条密封条42和一根旋转轴41(如图4所示)，旋转轴41夹在气密性箱体9内壁和旋转管片101的一端之间。两条密封条42分别设置在旋转轴41的两侧，并且夹在气密性箱体9内壁和旋转管片101的一端之间。气密性箱体9内壁设有两条第一安装槽43，旋转管片101一端设有和第一安装槽43对应的第二安装槽44，密封条42夹持在第一安装槽43和第二安装槽44之间。在旋转管片101旋转过程中密封条42在卡槽内受压且限制位移，因此可以保证良好的密封性，从而有效控制气压变化以旋转管片101接头张角为单一变量。密封条42与气密性箱体9内壁和旋转管片101的连接处还填充有密封软胶，进一步提升气密性。

如图3所示，加力单元2包括气缸伸缩杆21和两个铰链22，气缸伸缩杆21的一端通过铰链22连接一个旋转管片101的侧壁，另一端通过铰链22连接气密性箱体9的顶板或底板内壁。加力单元2通过伸缩气缸伸缩杆21调节两个管片间的接头张角，旋转轴41两侧的密封条42在压力下紧密贴合，使旋转管片101能绕着旋转轴41向内侧或外侧旋转。气缸伸缩杆21采用高精度千斤顶，通过伸缩控制旋转管片101向内侧或外侧两侧张开的角度，可以有效模拟盾构管片接头5在高气压环境下的变形形态，同时通过余弦定理换算容易实现对旋转管片101接头张角的精确控制。

如图5a～图5c所示，a表示加力单元伸缩后的长度，b表示加力单元下端铰接中心与旋转轴中心的长度，c表示加力单元的上端铰接中心与旋转轴中心的长度。w表示旋转管片的接头张角，通过余弦定理对a、b、c进行换算可以控制外张角和内张角，计算公式如下：

在装置操作的准备阶段需要：

(1)选择旋转管片接头形式、外部气压室的内气压P0与旋转管片接头张角w；

(2)按图1所示安装各部件；

(3)对加力单元进行率定，使得(如图3所示)管片单元101垂直于气密性

箱体9的侧壁；

(4)测量(如图5a所示)旋转管片的厚度b₀，侧壁到管片上铰链连接处的距离c₀，并按下式确定初始标定角w₀：

在装置操作的使用阶段需要：

(1)由气泵向外部气压室内加压，使内部气压室内气压稳定为P0；

(2)伸(或缩)加力单元，使得旋转管片接头张角为w；

(3)终端设备开始记录内部气压室内气压计与计时器的实时数据(气压P与时间T)；

(4)观察内部气压室内的气压值，当气压值小于P0时，继续观察；当气压值等于P0时，记录终端设备中的P-T曲线；

(5)由气泵释放气密性箱体内的气压，操作加力单元，使旋转管片归位。

通过装置可以模拟盾构隧道管片所选择的管片接头形式，在隧道外部高气压P0作用下，在管片接头张角为w的条件下，隧道内部气压随时间的变化曲线P-T。多次操作可得到多组曲线。由此本发明可用于在已有现场实测或数值预测的盾构隧道管片张角数据情况下，采用室内模型试验方法测试盾构隧道管片接缝模型在外界高压气体作用下，管片接头部在不同张角条件下的气体渗漏数据，经过体积换算和考虑尺寸效应，对装置模拟的气密性结果作出适当修正。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，包括气泵(6)、气密性箱体(9)、测试管片单元(1)、两个加力单元(2)、气压计(10)和终端设备(12)，所述测试管片单元(1)设置在气密性箱体(9)内，将气密性箱体(9)分割为外部气压室(7)和内部气压室(8)，所述气泵(6)连接外部气压室(7)，所述气压计(10)安装在内部气压室(8)内，所述终端设备(12)连接气压计(10)；所述的测试管片单元(1)包括两个旋转管片(101)，每个旋转管片(101)竖直安装，一端通过旋转密封机构(4)连接气密性箱体(9)的内壁，另一端通过管片接头(5)连接另一个旋转管片(101)；每个加力单元(2)斜向设置，一端连接气密性箱体(9)的内壁，另一端连接旋转管片(101)的侧壁；

所述的旋转密封机构(4)包括两条密封条(42)和一根旋转轴(41)，旋转轴(41)夹在气密性箱体(9)内壁和旋转管片(101)的一端之间，所述两条密封条(42)分别设置在旋转轴(41)的两侧，并且夹在气密性箱体(9)内壁和旋转管片(101)的一端之间；

所述的加力单元(2)包括气缸伸缩杆(21)和两个铰链(22)，气缸伸缩杆(21)的一端通过铰链(22)连接一个旋转管片(101)的侧壁，另一端通过铰链(22)连接气密性箱体(9)的顶板或底板内壁。

2.根据权利要求1所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，所述的管片接头(5)包括橡胶密封垫(51)和多个螺栓(52)，两个旋转管片(101)的一端通过多个并排设置的螺栓(52)连接，在并排螺栓(52)的一侧设置橡胶密封垫(51)。

3.根据权利要求1所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，所述的气密性箱体(9)内壁设有两条第一安装槽(43)，所述的旋转管片(101)一端设有和第一安装槽(43)对应的第二安装槽(44)，所述密封条(42)夹持在第一安装槽(43)和第二安装槽(44)之间。

4.根据权利要求1或3所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，所述的密封条(42)与气密性箱体(9)内壁和旋转管片(101)的连接处填充有密封软胶。

5.根据权利要求1所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，所述的加力单元(2)均安装在外部气压室(7)内。

6.根据权利要求1所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，还包括一个连接终端设备(12)的计时器(11)。

7.根据权利要求1所述的可调节张开角度的盾构隧道管片接头气密性模拟装置，其特征在于，所述加力单元(2)推动旋转管片(101)沿着旋转密封机构(4)转动，在加力单元(2)的推动下使两个旋转管片(101)形成斜角连接。

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