CN110671127A - 一种新型隧道管片结构及其应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其技术方案要点包括可拼接为单元管的新型衬砌管片，设于管片交接处的密封垫与压力传感器。所述管片为十字型，侧边相间设置凹槽凸条，管片通过凹槽与凸条榫接连接形成隧道；所述管片侧壁上覆有橡胶沥青防水涂料，管片的接缝处设有硫化乙丙橡胶弹性密封垫；所述凸条上方设有压力传感器。本发明专利涉及隧道铺设以及隧道与地下工程技术领域。与现有技术相比，本专利通过十字形管片，增加了管片间的滑动摩擦，使管道结构更加稳定，榫接结构简化了施工过程；同时通过增加压力监测装置实时监测记录管片受压情况并进行风险预防，有利于进一步研究展开；此外，该防水体系对渗水问题具有一定参考价值。

Description

一种新型隧道管片结构及其应力监测装置

技术领域

本专利涉及管片铺设以及隧道与地下工程技术领域，具体为一种新型管片及拼接结构结构与智能监测装置及方法。

背景技术

随着我国城市化进程的快速发展，地铁、江河通道等隧道建设的需求量极大，为缩短工期以及方便施工，预制管片成为极其重要的手段。地下工程的防水问题一直为地下隧道研究者所讨论的热点问题，而且，管片间的接缝、管道间的接缝，是隧道最脆弱的地方，极易渗水、错位、产生开缝，有以下原因：由于渗水，导致连接管片的弯螺栓发生氧化，刚度降低，直接影响管片接缝连接的稳定程度，进而防水性能降低，管片的使用年限减小。管片用弯螺栓连接，当管片在受力不均或是地震的影响下易发生错位。而密封垫的密封原理是在一定的压力下，通过密封胶条内部孔的变形产生的内应力，使之在两个接触面产生巨大的应力而密封止水。而两种情况下都会导致密封垫的压力减小，密封效果减弱。

广泛使用的衬砌管片是普通形状钢筋混凝土管片，而由该管片拼装的环与环之间采用均匀规则的铺贴形式，当受力不均时，这两种拼接方式都容易在接缝处产生形变及裂缝，会大大降低隧洞的使用年限。同时，因为管片形状规则，导致缝隙对水还有很好的引流作用，易造成的缝隙处贯通渗水。

传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。而国内外对隧道管片的受力状态的的试验研究，仅有室内模型试验，而随着技术的发展，传感器的性能也越来越好。

发明内容

本发明专利的目的通过提供一种新型隧道管片结构及其压力监测装置，具有减少管片位移，增强盾构隧道衬砌结构的稳定性，并实时监测管片压力情况，起到风险预防作用，同时新型防水体系的设置能减少管片规则铺设造成的缝隙处贯通渗水，解决了管片在复杂地形条件下不稳定的问题。

为达到以上两个目的，本专利提供了一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，包括一种新型管片、弹性密封垫、压力监测系统。所述管片包括多个相拼接的衬砌拼接单元，所述衬砌拼接单元为十字型管片，该十字型管片区别于原始的矩形管片加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，且管片呈有一定的弧度，每七个十字型管片组合拼接预制成拱状带齿方条形衬砌拼接单元，拼接单元可根据实际情况组合成大小各异的隧道衬砌层;衬砌拼接单元的连接处，内侧壁上覆有一层橡胶沥青防水涂料，在相邻的管片衬砌块的接缝处设置硫化三元乙丙橡胶弹性密封垫。该管片的凸条上方装有压力传感器，信号通过光纤缆线传输，连接主机，进行数据的显示与分析处理，可用于分析管道在特殊情况下隧洞的应力变化以及不同地质对于隧洞应力变化的影响，以及预知管片的现状，做好预防措施。

优选的，该管片结构为十字型，避免通缝的出现，约束接缝变形。

优选的，多个相拼接的十字形管片衬砌拼接单元，每个管片相互贴合交错连接，让整个管道的拼接呈现错位互补的结构，多个管片拼接延伸，衬砌拼接单元的外侧凸起，都会有与凸起相匹配的凹槽，保持衬砌拼接单元凸起和凹槽的设置的统一性。

优选的，管片的拼接使用凹凸结构，取消了弯螺栓的使用，不仅方便施工、减少人力的使用，而且能避免因为螺栓被氧化后造成的问题。

优选的，相邻的管片衬砌块的接缝处设置硫化三元乙丙橡胶弹性密封垫，进行密封防水。

优选的，所述衬砌拼接单元的连接处侧壁上，覆盖有橡胶沥青防水涂料。

优选的，传感器安装孔为方形小孔，可以减小孔壁对压力传感器的影响，而且能正确的测出该处所受应力大小。

优选的，传感器安装孔位于管片凸条上，当管片受力不均，或是出现地震，都能很好的测出管片应力的变化，进而做好防护措施。

优选的，管片为十字型管片，相较于传统管片，十字型管片间交错拼接，不易出现错台以及接缝处不易出现大大的缝隙，在一定程度上减小了管片的位移量，为传感器的安装提供了相对稳定的环境。

优选的，报警装置与主机相连，当隧道的应力出现异常时，报警装置就会发出警报。

本专利提供了一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，本发明的有益效果是：

本发明的预制十字形结构所形成的类齿轮状结构增大管片间的滑动摩擦力以及黏性力，约束接缝变形与管片位移，使其不易发生活动或变形，大大减少管片规则铺设造成的缝隙处贯通渗水，阻断渗水移动的途径；本发明采用榫接结构，取消了管片连接处螺栓的使用，避免了螺栓氧化后带来的危害。此外，本发明设置的多道防水措施能共同作用，有效阻断隧道接缝内外水分的直接联系，实现接缝处的防水密封要求，控制隧道渗漏及其引起的长期变形，延长隧道使用寿命。

在管片的凸条上面方形小孔，用于安装压力传感器，各点传感器信号传出后在信号接收端进行转化、显示，通过同一传感器前后数据的对比分析，能得到管片随时间应力的变化，可以达到安全监测的效果，也为管片的研究提供真实可靠的数据。

附图说明

图1为本专利的整体的结构示意图；

图2为本专利的单个管片结构平面展开示意图；

图3为本专利的多个管片构成的管片结构单元结构平面展开示意图；

图4为本专利的管片接缝处细节结构示意图；

图5为本专利的传感器工作示意图。

图6为本专利压力传感器工作流程示意图

图中：1十字形管片；2凸起；3凹槽；4压力传感器；5硫化三元乙丙橡胶弹性密封垫；6橡胶沥青防水涂料；7光纤缆线；8监控主机；9报警装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例中：如图1-6是对于一种新型隧道管片结构及其应力监测装置

，包括若干管片拼接成的隧道、弹性密封垫、压力传感系统；所述管片通过管片侧面的凹槽3与凸起2榫接拼接，管片的侧部覆有一层橡胶沥青防水涂料，作为初步防水措施，在凹槽3里设有硫化三元乙丙橡胶弹性密封垫5，进行进一步防水。所述管片的凸条上设置有三个分布均匀的方形小孔，做为压力传感器4安装孔，光纤缆线7将压力传感器4监测的数据输送到监测主机8，根据数据间的比较，当数据不在正常值范围内时，所设报警装置9将会发出警报。该发明不仅能够提高管片的防水能力，还能够通过检测系统检测管片的应力情况，在提高管片的使用年限、减少人工的同时，可以监测隧道的安全，进行提前的预防处理，亦可以为隧洞研究提供真实可靠的数据。

如图2所示，凹槽3凸起2以顺时针方向交替设置，所述槽口位于非最外侧的边时，长度等于边长；若位于最外的四边，当为凸槽2时，长度为边长减两个槽口的深度，当为凹槽3时，长度为边长加两个槽口深度。管片弯曲弧度为0.6π，而且十字型具有高度对称性，所以在管片预制时就需要预制在两种分别在凸槽与凹槽方向上呈现弧度的管片1。

如图3所示，该十字型管片1区别于原始的矩形管片，拥有更多的对接缝，且管片呈一定的弧度，两种管片使用时紧密连接，以七个管片拼接预制成拱状带齿方条形衬砌拼接单元，多个拼接单元可根据实际情况组合成大小各异的圆筒状隧道衬砌层。

本实施例中每个管片使用时紧密连接，让整个管道的拼接呈现类齿轮状的错位互补结构，多个管片拼接延伸，衬砌拼接单元的外侧凸起，都会有与凸起相匹配的凹槽。从而保持衬砌拼接单元凸起和凹槽的设置的统一性。

如图4所示，管片的侧边涂有一层氯丁橡胶沥青防水涂料6，涂料具有弹性好、粘接力强、防水防腐的功能，使用时能够有效防止缝隙拼接处水腐蚀所导致的管片脱落现象。在凹槽3内安装有硫化三元乙丙弹性橡胶密封垫5，进行防水，硫化三元乙丙橡胶5具有热塑性弹性体的性质，能够有效防止水腐蚀之外，还能使隧洞具有一定弹性形变空间，从而使隧道可承受的隧洞围岩弹性应力与水应力更大，达到延长隧洞使用周期的目的。

如图4-6，管片的凸条2上有三个安装压力传感器的方形小孔均匀分布，位于小孔内的压力传感器4所采集的数据，通过光纤缆线7传输至监测主机8进行数据监测分析，据分析所得结果，对管片现状的防水能力预测与预警进而能对隧洞采取治理措施。

以上所述仅为本专利的优选实施例，并非因此限制本专利范围，凡是利用本专利说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，包括一种新型的隧道管片、弹性密封垫、压力监测系统，其特征在于：管片形状为十字型，管片侧面，以凹槽与凸条相间，管片由凹凸嵌合连接成隧道，以七个管片拼接而成的半圆管可以看成一个单元，每两个单元即可以通过错位互补拼接成一段管，管片接缝处涂有橡胶沥青防水涂料，且接缝处设置硫化三元乙丙橡胶弹性密封垫；所述管片的侧面凸条上安装有压力传感器，实时监测隧道内管片的受力情况。

2.根据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：所述十字形管片设置有凹槽和凸条，且管片的凹槽能与另一个管片的凸条进行榫接连接，使整个管道的拼接呈现类齿轮状的错位互补结构，最终形成圆筒状隧道衬砌层。

3.根据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：以七个管片拼接成一个基础单元，两个基础单元拼接成一个单元管段，进而拼接成隧道。

4.根据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：每个十字形管片弯曲弧度为0.6π，且凹槽与凸条为弧形时，弯曲程度相同。

5.根据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：管片上的凹槽与凸起在侧面相间，且长度不统一，因为十字型具有高度对称性，而管片呈现一定的弧度，所以所述的管片具有两种，仅仅表现在弧所在方向不同。

6.根据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：所述衬砌对接缝处，均涂有橡胶沥青防水涂料，铺涂在对接衬砌管片侧壁上，以起到初步防水作用。

7.据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：所述弹性密封垫由硫化三元乙丙橡胶材料构成，密封垫位于相邻两个管片交接处，密封垫呈弯折的形状并能够与管片两端的形状相适配，密封垫与管片的端面紧贴。

8.据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：所述压力传感器的安装孔管片凸条的上面，可以测量此处的应力变化，通过在主机上数据的显示，前后数据对比分析，可以推测此处隧道的变化，提前采取措施。

9.据权利要求1所述的一种新型隧道管片结构及其应力监测装置，其特征在于：所述传感器的线路通过凹槽处进入隧道的内侧，将光纤缆线埋在一衬与二衬间，再与主机连接，得到数据，进行数据的显示与分析。

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