CN110346075B - 一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下工程施工技术领域，公开了一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置及测试方法，所述试验装置包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，调压装置与空压机连接，盖板顶端设置有通孔；有机玻璃圆柱的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层、浆液层、地层与滤层；有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁设置有微细孔组，微细孔组包括若干并列设置的微细孔，孔压计组包括若干孔压计；本发明解决了现有技术存在的缺乏一种简单易用的盾尾浆液对拖出盾尾管片环上浮、错台的评价方法，无法实现根据地层条件合理选择适宜的浆液类型及配方，更无法保障管片拼装质量的问题。

Description

一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置及测试方法
技术领域
本发明属于地下工程施工技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片浆液上浮 力试验装置及测试方法。
背景技术
由于我国幅员辽阔、地质条件复杂，盾尾管片壁后注浆液对管片的浮力导 致管片上浮、错台引起的渗漏和破损时有发生，严重影响地铁隧道“百年大计” 工程实施，也将增加后期大幅度的维修成本；而目前盾构施工采用的浆液类型 很多，包括惰性浆液、双液浆、厚浆等，各种类型的浆液又可以配制出无数种浆 液；但是目前为止，缺乏一种简单易用的盾尾浆液对拖出盾尾管片环上浮、错 台的评价方法，无法实现根据地层条件合理选择适宜的浆液类型及配方，更无 法保障管片拼装质量。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种盾构隧道管 片浆液上浮力试验装置及测试方法，用于解决现有技术存在的缺乏一种简单易 用的盾尾浆液对拖出盾尾管片环上浮、错台的评价方法，无法实现根据地层条 件合理选择适宜的浆液类型及配方，更无法保障管片拼装质量的问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括主体、孔压计组、空压机以 及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，底盘与有机玻璃 圆柱的底端固定连接，盖板与有机玻璃圆柱的顶端可拆卸连接，调压装置与空 压机连接，盖板顶端设置有通孔，空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱的内部；
有机玻璃圆柱的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层、浆液层、地 层与滤层；
有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁设置有微细孔组，微细孔组包括若 干并列设置的微细孔，孔压计组包括若干孔压计，孔压计的数量与微细孔的数 量相同，每个孔压计对应设置于微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一 端与外部设备连接。
进一步地，盖板与有机玻璃圆柱顶端的接触部分设置有第一密封结构；
每个孔压计与对应微细孔的接触部分设置有第二密封结构。
进一步地，空气层与浆液层的接触部分设置有薄膜。
进一步地，孔压计组包括第一孔压计和第二孔压计，微细孔组包括并列设 置的第一微细孔和第二微细孔，第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻璃圆柱 与浆液层对应位置的内壁，第一孔压计设置于第一微细孔内部，其一端与浆液 层连接，且其另一端与外部设备连接，第二孔压计设置于第二微细孔内部，其 一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
进一步地，盖板为法兰盘结构，主体还包括螺栓和凸板，凸板与有机玻璃 圆柱的顶端固定连接，盖板、凸板以及底盘的对应部分设置有螺孔，螺栓依次 通过位于盖板、凸板以及底盘对应部分的螺孔。
进一步地，有机玻璃圆柱的内径为8.4cm，且其高度为80cm。
一种盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，基于盾构隧道管片浆液上浮力试 验装置，试验装置包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，主体包括中空 的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，孔压计组包括第一孔压计和第二孔压计，测 试方法包括如下步骤：
S1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置；
S2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
S3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
S4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
S5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
S6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力。
进一步地，步骤S1包括如下步骤：
A-1：构建试验装置的主体，将每个孔压计的一端与外部设备连接；
A-2：依次向有机玻璃圆柱中加入滤层、地层和浆液层；
A-3：在浆液层顶端与空气层接触部分设置薄膜；
A-4：合上盖板，并进行密封处理。
进一步地，步骤S5中，浆液的浮力重度的获取公式为：
Figure BDA0002110391680000031
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力 值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距。
进一步地，步骤S6中，浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位 长度管片环的体积。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种精确的一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置及测 试方法，可用于在不同土体、不同浆液、不同注浆压力等复杂工况下测试盾构 隧道管片的上浮力，从而为隧道管片所受到浮力提供可靠的测试数据，有助于 克服目前对管片拖出盾尾管片环上浮、错台计算时依赖于假设的上浮力；
(2)本发明为盾构管片壁后注浆液对管片影响提供了一个确实可行测试试 验的手段，也为管片壁后注浆的选择，减少拖出盾尾的管片环上浮、错台提供 了可靠的依据。
附图说明
图1是盾构隧道管片浆液上浮力试验装置结构示意图；
图2是盾构隧道管片浆液上浮力测试方法流程图；
图3是管片环所受到的浆液浮力随时间变化折线图。
其中，11、有机玻璃圆柱；12、底盘；13、盖板；21、第一孔压计；22、 第二孔压计；31、空气层；32、浆液层；33、地层；34、滤层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
如图1所示，一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括主体、孔压计 组、空压机以及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱11、底盘12以及盖板 13，底盘12与有机玻璃圆柱11的底端固定连接，盖板13与有机玻璃圆柱11 的顶端可拆卸连接，调压装置与空压机连接，用于设置和调节注浆压力，盖板 13顶端设置有通孔，空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱11的内部；
有机玻璃圆柱11的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层31、浆液层 32、地层33与滤层34，浆液层32厚度为盾构空隙厚度，空气层31与浆液层 32的接触部分设置有薄膜，以隔绝浆液和气压，保证对浆液层32施加的压力 为总压力；
有机玻璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁设置有微细孔组，微细孔组 包括若干并列设置的微细孔，孔压计组包括若干孔压计，孔压计的数量与微细 孔的数量相同，每个孔压计对应设置于微细孔内部，其一端与浆液层32连接， 且其另一端与外部设备连接；
试验装置最大可承受注浆压力1.0MPa。
作为优选，盖板13与有机玻璃圆柱11顶端的接触部分设置有第一密封结 构；
每个孔压计与对应微细孔的接触部分设置有第二密封结构。
作为优选，孔压计组包括第一孔压计21和第二孔压计22，微细孔组包括 并列设置的第一微细孔和第二微细孔，第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻 璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁，第一孔压计21设置于第一微细孔内部， 其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接，第二孔压计22设置于第二 微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
作为优选，盖板13为法兰盘结构，主体还包括螺栓和凸板，凸板与有机玻 璃圆柱11的顶端固定连接，盖板13、凸板以及底盘12的对应部分设置有螺孔， 螺栓依次通过位于盖板13、凸板以及底盘12对应部分的螺孔。
作为优选，有机玻璃圆柱11的内径为8.4cm，且其高度为80cm。
一种盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，如图2所示，基于盾构隧道管片 浆液上浮力试验装置，试验装置包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置， 主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，孔压计组包括第一孔压计和第 二孔压计，测试方法包括如下步骤：
S1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括如下步骤：
A-1：构建试验装置的主体，将每个孔压计的一端与外部设备连接；
A-2：依次向有机玻璃圆柱中加入滤层、地层和浆液层；
A-3：在浆液层顶端与空气层接触部分设置薄膜；
A-4：合上盖板，并进行密封处理；
S2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
S3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
S4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
S5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
浆液的浮力重度的获取公式为：
Figure BDA0002110391680000061
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力 值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距；
S6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力；
浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位 长度管片环的体积。
实施例2：
如图1所示，一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括主体、孔压计 组、空压机以及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱11、底盘12以及盖板 13，底盘12与有机玻璃圆柱11的底端固定连接，盖板13与有机玻璃圆柱11 的顶端可拆卸连接，调压装置与空压机连接，用于设置和调节注浆压力，盖板 13顶端设置有通孔，空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱11的内部；
有机玻璃圆柱11的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层31、浆液层 32、地层33与滤层34，浆液层32厚度为盾构空隙厚度，空气层31与浆液层 32的接触部分设置有薄膜，以隔绝浆液和气压，保证对浆液层32施加的压力 为总压力；
有机玻璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁设置有微细孔组，微细孔组 包括若干并列设置的微细孔，孔压计组包括若干孔压计，孔压计的数量与微细 孔的数量相同，每个孔压计对应设置于微细孔内部，其一端与浆液层32连接， 且其另一端与外部设备连接。
作为优选，盖板13与有机玻璃圆柱11顶端的接触部分设置有第一密封结 构；
每个孔压计与对应微细孔的接触部分设置有第二密封结构。
作为优选，孔压计组包括第一孔压计21和第二孔压计22，微细孔组包括 并列设置的第一微细孔和第二微细孔，第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻 璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁，第一孔压计21设置于第一微细孔内部， 其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接，第二孔压计22设置于第二 微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
作为优选，盖板13为法兰盘结构，主体还包括螺栓和凸板，凸板与有机玻 璃圆柱11的顶端固定连接，盖板13、凸板以及底盘12的对应部分设置有螺孔， 螺栓依次通过位于盖板13、凸板以及底盘12对应部分的螺孔。
一种盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，如图2所示，基于盾构隧道管片 浆液上浮力试验装置，试验装置包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置， 主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，孔压计组包括第一孔压计和第 二孔压计，测试方法包括如下步骤：
S1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括如下步骤：
A-1：构建试验装置的主体，将每个孔压计的一端与外部设备连接；
A-2：依次向有机玻璃圆柱中加入滤层、地层和浆液层；
A-3：在浆液层顶端与空气层接触部分设置薄膜；
A-4：合上盖板，并进行密封处理；
S2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
S3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
S4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
S5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
浆液的浮力重度的获取公式为：
Figure BDA0002110391680000091
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力 值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距；
S6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力；
浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位 长度管片环的体积。
试验数据：
以成都地铁17号线一期工程07标段壁后注浆浆液配比为基础配方，根据 不同的配比配制5组不同渗透性的浆液Y1-Y5，5组浆液的质量百分比如表1： 5组浆液质量百分比配比表所示。
表1
组别 水泥 砂 膨润土 粉煤灰 水
Y1 10.75％ 37.63％ 6.45％ 22.58％ 22.58％
Y2 11％ 38％ 5.5％ 22.75％ 22.75％
Y3 10.42％ 41.67％ 4.2％ 21.88％ 21.88％
Y4 10.2％ 40.8％ 6.1％ 21.4％ 21.40％
Y5 10.3％ 41.24％ 5.15％ 21.65％ 21.65％
依据规范所述试验方法测试砂浆的各项性能指标，如表2：5组浆液的各项 性能指标表所示：
表2
Figure BDA0002110391680000092
Figure BDA0002110391680000101
根据所述盾构隧道管片浆液上浮力试验装置及测试方法，本实施例中，管 片体积为58.8m3，管片环重量390.9kN，根据
Figure BDA0002110391680000102
计算浆液上浮重度，得 到试验结果，再根据F浮＝γV计算出管片产生的上浮力，如图3所示，根据上 浮力测试结果，分析得出：浆液注入管片壁后空隙中，浆液的浮力快速降低， 在十分钟左右即可降低至管片环重量，从而降低了拖出盾尾管片环的上浮、错 台，管片拼装质量得到大幅度提高。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出 其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限 制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于 解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，所述主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，所述底盘与有机玻璃圆柱的底端固定连接，所述盖板与有机玻璃圆柱的顶端可拆卸连接，所述调压装置与空压机连接，所述盖板顶端设置有通孔，所述空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱的内部；
所述有机玻璃圆柱的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层、浆液层、地层与滤层；
所述有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁设置有微细孔组，所述微细孔组包括若干并列设置的微细孔，所述孔压计组包括若干孔压计，所述孔压计的数量与微细孔的数量相同，每个孔压计对应设置于微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：所述盖板与有机玻璃圆柱顶端的接触部分设置有第一密封结构；
每个所述孔压计与对应微细孔的接触部分设置有第二密封结构。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：所述空气层与浆液层的接触部分设置有薄膜。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：所述孔压计组包括第一孔压计和第二孔压计，所述微细孔组包括并列设置的第一微细孔和第二微细孔，所述第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁，所述第一孔压计设置于第一微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接，所述第二孔压计设置于第二微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：所述盖板为法兰盘结构，所述主体还包括螺栓和凸板，所述凸板与有机玻璃圆柱的顶端固定连接，所述盖板、凸板以及底盘的对应部分设置有螺孔，所述螺栓依次通过位于盖板、凸板以及底盘对应部分的螺孔。
6.根据权利要求1所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：所述有机玻璃圆柱的内径为8.4cm，且其高度为80cm。
7.一种盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，其特征在于：基于权利要求4所述的盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，所述测试方法包括如下步骤：
S1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置；
S2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
S3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
S4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
S5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
S6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，其特征在于：所述步骤S1包括如下步骤：
A-1：构建试验装置的主体，将每个孔压计的一端与外部设备连接；
A-2：依次向有机玻璃圆柱中加入滤层、地层和浆液层；
A-3：在浆液层顶端与空气层接触部分设置薄膜；
A-4：合上盖板，并进行密封处理。
9.根据权利要求7所述的盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，其特征在于：所述步骤S5中，浆液的浮力重度的获取公式为：
Figure FDA0002718457150000031
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距。
10.根据权利要求7所述的盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，其特征在于：所述步骤S6中，浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位长度管片环的体积。
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