CN110702372B - 盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒、与内筒形成间隙的外筒、固定并密封外筒的两端挡板、测定内筒浮力的力传感器、顶板、调节装置和定位装置，内筒两端为密闭结构，外筒套设在内筒上，且内筒与外筒总体上同轴。本发明通过内筒模拟管片、外筒模拟地层，在外筒内注入浆液从而模拟管片的上浮过程，本装置结构简单，管片与浆液的动态变化过程与实际工程相符，从而为分析管片上浮机理提供便利，可以通过旋转调节螺母控制内筒的上浮过程和位置，拉力传感器或压力传感器可以做到实时测量，从而更为方便地研究管片上浮过程中浮力变化规律。

Description

盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置

技术领域

本发明属于盾构施工工程技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置。

背景技术

盾构法施工具有多方面优势，在城市地铁隧道修建中获得了广泛应用。盾构法施工时，在盾壳内将管片拼装完成，随着盾构机向前推进，管片脱离盾尾，在管片和地层间形成环形间隙，为了控制地层位移需要向环状间隙内进行同步注浆，注入浆液为水、水泥、粉煤灰、添加剂等拌合物。在浆液凝固前，浆液处于可流动状态，根据阿基米德浮力原理，浆液会对管片产生浮力，导致管片上浮。管片上浮后会出现管片错台，形成错台裂缝，降低管片密封质量，产生管片漏水等现象，因此对于管片上浮问题的研究显得尤为重要。

实际工程中管片被浆液包围，在浆液浮力作用下，管片上浮排开上部浆液，浆液沿着环形间隙向下流动，管片和浆液都处于运动状态。经过查阅相关文献，中国专利CN108872297A公开了“一种盾尾注浆浆液凝结及管片上浮过程模型试验装置”，利用该装置试验时，将模型土置于模型箱中，模型土内预埋压力盒等位移传感器，将固结压缩板置于模型土的上侧，通过压实机构对固结压缩板施压，将模型土压实，以此模拟真实的土层密实度；然后将固结压缩板取出，通过螺栓将钢管片模型固定于模型箱的上端，通过模型箱侧壁和钢管片模型上的注浆口向钢管片模型与模型土之间注浆，施压机构通过加载板对模型土施压，以模拟地层压力，当浆液在凝固过程中，控制加载板的压力模拟管片上浮的过程。

上述专利的实验装置中，钢管片模型是固定不动的，不能模拟管片的上浮过程，也不能模拟浆液沿环状间隙的流动过程，因此并不能模拟实际工程中管片的上浮过程，无法测量管片浮力，研究管片上浮过程中浮力变化规律。

发明内容

基于背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置，在装置内部的管片模型被浆液包围，管片上浮时浆液向下流动，管片与浆液的动态变化过程与实际工程相符，从而测量管片浮力，研究管片上浮过程中浮力变化规律，为研究管片上浮的控制技术打下基础。

为了达到目的，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒、与内筒形成间隙的外筒、固定并密封外筒的两端挡板、测定内筒浮力的力传感器、顶板、调节装置和定位装置，内筒两端为密闭结构，外筒套设在内筒上，且内筒与外筒总体上同轴；顶板处于外筒上方，所述的内筒顶部通过定位装置与顶板连接，定位装置穿过外筒处上方设有定位螺母；外筒顶部通过调节装置与顶板连接，调节装置穿过顶板处上方设有调节螺母；所述的力传感器安装在顶板与外筒之间的调节装置或顶板与外筒之间的定位装置上；挡板侧部安装有注浆装置，注浆装置与内外筒之间的间隙连通。

优选地，所述的力传感器为拉力传感器，拉力传感器安装在顶板与外筒之间的调节装置上

优选地，所述的调节装置对称设置在顶板中心的左右两侧，调节装置包括调节螺杆、调节螺母和固定杆，所述的固定杆下端通过内嵌在外筒顶部的固端螺母与外筒固定连接，调节螺杆上端穿过顶板，并且通过调节螺母将顶板与调节螺杆连接，所述的拉力传感器为中空结构，拉力传感器的中间孔壁上设有内螺纹，拉力传感器分别与上方的调节螺杆、下方的固定杆螺纹连接。所述的拉力传感器为中空结构，拉力传感器的的中间孔壁上设有内螺纹，拉力传感器分别与上方的调节螺杆、下方的固定杆螺纹连接。

优选地，所述的定位装置包括定位螺杆、定位螺母和固定螺母，定位螺杆设置在调节装置的外侧，所述的外筒顶部设有两个第二孔洞，定位螺杆穿过第二孔洞，定位螺杆下端通过内嵌在内筒顶部的固端螺母与内筒固定连接，定位螺杆中部通过定位螺母与外筒顶部连接，所述的固定螺母连接在定位螺杆上部，定位螺杆的顶部穿过顶板使得顶板压在固定螺母上。

优选地，所述的力传感器为压力传感器，压力传感器安装在顶板与外筒之间的定位装置上。

优选地，所述的调节装置对称设置在顶板中心的左右两侧，调节装置包括调节螺杆和调节螺母，所述的调节螺杆下端通过内嵌在外筒顶部的固端螺母与外筒固定连接，调节螺杆上端穿过顶板，并且通过调节螺母将顶板与调节螺杆连接。

优选地，所述的定位装置包括定位螺杆和定位螺母，定位螺杆设置在调节装置的外侧，所述的外筒顶部设有两个第二孔洞，定位螺杆穿过第二孔洞，定位螺杆下端通过内嵌在内筒顶部的固端螺母与内筒固定连接，定位螺杆中部通过定位螺母与外筒顶部连接，述的压力传感器设于定位螺母与顶板之间的定位螺杆上。

优选地，所述的注浆装置包括注浆管、流量调节阀和漏斗，所述的注浆管下端穿过挡板与外筒的内部空间连通，漏斗安装在注浆管上端，流量调节阀安装在注浆管上。

优选地，所述的挡板四个边角处分别设有第一孔洞，连接杆穿过第一孔洞将挡板与外筒的两侧连接，连接杆的两端通过连接螺母固定。在四个第一孔洞中分别穿过连接杆，将挡板与外筒的两端固定密封，结构稳固。

优选地，所述的内筒和外筒为透明材质，外筒的两端为敞口结构，外筒上设有出气孔。在注浆的时候，外筒中的气体可以从出气孔中排出。

优选地，所述的内筒外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆，可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过内筒模拟管片、外筒模拟地层，在外筒内注入浆液从而模拟管片的上浮过程，本装置结构简单，管片与浆液的动态变化过程与实际工程相符，从而为分析管片上浮机理提供便利。

2、本发明可以通过旋转调节螺母控制内筒的上浮过程和位置，拉力传感器或压力传感器可以做到实时测量。从而更为方便地研究管片上浮过程中浮力变化规律。

3、本发明将将浮力转换成拉力测量或压力测量，解决了内筒在浆液中难以测量浮力的问题，而且转换成拉力测量或压力测量后更加准确方便。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的侧视图；

图3是本发明实施例1的俯视图；

图4是本发明中拉力传感器的连接结构示意图；

图5是本发明实施例2中的结构示意图；

图6是本发明实施例2的侧视图；

图7是本发明实施例2的俯视图；

图8是本发明中挡板的结构示意图。

示意图中的标注说明：

1-内筒；2-外筒；3-挡板；4-拉力传感器；5-调节装置；6-定位装置；7- 顶板；8-注浆装置；9-连接杆；10-连接螺母；11-固端螺母；12-压力传感器； 21-第二孔洞；22-出气孔；31-第一孔洞；51-调节螺杆；52-调节螺母；53-固定杆；61-定位螺杆；62-定位螺母；63-固定螺母；81-注浆管；82-流量调节阀；83- 漏斗。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例涉及一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒1、与内筒1形成间隙的外筒2、固定并密封外筒2的两端挡板3、测量内筒1浮力的拉力传感器4、顶板7、调节装置5 和定位装置6，内筒1两端为密闭结构，外筒2套设在内筒1上，且内筒1与外筒2总体上同轴；顶板7处于外筒2上方，所述的内筒1顶部通过定位装置6 与顶板7连接，定位装置6穿过外筒2处上方设有定位螺母62；外筒2顶部通过调节装置5与顶板7连接，调节装置5穿过顶板7处上方设有调节螺母52；所述的拉力传感器4安装在顶板7与外筒2之间的调节装置5上；挡板3侧部安装有注浆装置8，注浆装置8与内外筒之间的间隙连通。

所述的注浆装置8包括注浆管81、流量调节阀82和漏斗83，所述的注浆管 81下端穿过挡板3与外筒2的内部空间连通，漏斗83安装在注浆管81上端，流量调节阀82安装在注浆管81上用于控制注浆。

如图2和图8所示，所述的挡板3四个边角处分别设有第一孔洞31，连接杆9 穿过第一孔洞31将挡板3与外筒2的两侧连接，连接杆9的两端通过连接螺母 10固定。在四个第一孔洞31中分别穿过连接杆9，将挡板3与外筒2的两端固定密封，结构稳固。

如图1和图4所示，所述的调节装置5对称设置在内筒1中心的左右两侧，调节装置5包括调节螺杆51、调节螺母52和固定杆53，所述的固定杆53下端通过内嵌在外筒顶部2的固端螺母11与外筒2固定连接，调节螺杆51上端穿过顶板7，并且通过调节螺母52将顶板7与调节螺杆51连接，所述的拉力传感器 4为中空结构，拉力传感器4的的中间孔壁上设有内螺纹，拉力传感器4分别与上方的调节螺杆51、下方的固定杆53螺纹连接。

所述的定位装置6包括定位螺杆61、定位螺母62和固定螺母63，定位螺杆 61设置在调节装置5的外侧，所述的外筒2顶部设有两个第二孔洞21，定位螺杆61穿过第二孔洞21，定位螺杆61下端通过内嵌在内筒1顶部的固端螺母11 与内筒1固定连接，定位螺杆61中部通过定位螺母62与外筒2顶部连接，所述的固定螺母63连接在定位螺杆61上部，定位螺杆61的顶部穿过顶板7使得顶板7压在固定螺母62上。调节螺母52和固定螺母62将顶板夹杂两者之间。

如图1所示，所述的内筒1和外筒2为透明材质，外筒2的两端为敞口结构，外筒2上设有出气孔22，在注浆的时候，外筒2中的气体可以从出气孔22中排出。外筒2上的出气孔22用于在相外筒2中注浆时排出外筒2中的空气。所述的内筒1外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆。可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒1外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

本实施例具体安装过程如下：

步骤一：内筒1顶部嵌设固端螺母11，将内筒1装入外筒2内部，内筒1 的两个固端螺母11与外筒两个第二孔洞21对齐，定位螺杆61穿过第二孔洞21 并拧紧在内筒1顶部固端螺母11上；在定位螺杆61上旋入定位螺母62，定位螺母62位于外筒2上方，调整定位螺母62的位置使内筒1与外筒2总体上同轴，定位螺杆61上旋入固定螺母63，固定螺母63位于定位螺母62上方。

步骤二：在外筒2端面涂抹少量凡士林，两侧挡板3压住外筒2，在两侧挡板3四角处的第一孔洞31穿入连接杆9，旋紧连接螺母10，使两侧挡板3与外筒2之间压紧密封。

步骤三：将固定杆53安装于外筒2顶部嵌入的固端螺母11中，固定杆53 的顶部和调节螺杆51的底部连接到拉力传感器4上，两个定位螺杆61和两个调节螺杆51分别穿过顶板7，使得顶板7压在固定螺母63的上方，然后在顶板7 上侧旋入调节螺母52，将注浆管81安装到挡板3上。

本实施例使用原理：

步骤一：实验装置调试完毕，拌合充足的浆液，浆液通过注浆管81注入内筒1和外筒2之间的间隙中，外筒2内空气体由出气孔22排出，直至浆液充满整个间隙时，关闭调节阀82。

步骤二：内筒1在浆液的浮力作用下上浮，定位螺杆61随之上移，通过固定螺母63将顶板7顶起，顶板7上部顶在调节螺母52上，调节螺母52带动调节螺杆51上拉，调节螺杆51使拉力传感器4受拉，根据顶板7的受力平衡分析，可知两个拉力传感器4拉力之和等于内筒1的浮力，通过拉力传感器7可测得内筒1的浮力。

步骤三：实验过程中，可松开两只调节螺母52，在浮力作用下内筒1上浮，内筒1带动定位装置6上移，定位装置6带动顶板7上移，当上浮停止时，拉力传感器4的拉力达到稳定，再次通过拉力传感器4测量内筒1浮力，以此类推可以测得内筒1浮到不同位置时的浮力，直至内筒1达到平衡位置。试验完成后拆除挡板3，取出内筒1，清洗实验装置。

实施例2

如图5至图7所示，本实施例涉及一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒1、与内筒1形成间隙的外筒2、固定并密封外筒2的两端挡板3、测量内筒1浮力的压力传感器12、顶板7、调节装置 5和定位装置6，内筒1两端为密闭结构，外筒2套设在内筒1上，且内筒1与外筒2总体上同轴；顶板7处于外筒2上方，所述的内筒1顶部通过定位装置6 与顶板7连接，定位装置6穿过外筒2处上方设有定位螺母62；外筒2顶部通过调节装置5与顶板7连接，调节装置5穿过顶板7处上方设有调节螺母52；所述的压力传感器12安装在顶板7与外筒2之间的定位装置6上；挡板3侧部安装有注浆装置8，注浆装置8与内外筒之间的间隙连通。

所述的注浆装置8包括注浆管81、流量调节阀82和漏斗83，所述的注浆管 81下端穿过挡板3与外筒2的内部空间连通，漏斗83安装在注浆管81上端，流量调节阀82安装在注浆管81上用于控制注浆。

如图6和图8所示，所述的挡板3四个边角处分别设有第一孔洞31，连接杆9穿过第一孔洞31将挡板3与外筒2的两侧连接，连接杆9的两端通过连接螺母10固定。在四个第一孔洞31中分别穿过连接杆9，将挡板3与外筒2的两端固定密封，结构稳固。

如图5所示，所述的调节装置5对称设置在内筒1中心的左右两侧，调节装置5包括调节螺杆51和调节螺母52，所述的调节螺杆51下端通过内嵌在外筒顶部2的固端螺母11与外筒2固定连接，调节螺杆51上端穿过顶板7，并且通过调节螺母52将顶板7与调节螺杆51连接。所述的定位装置6包括定位螺杆 61和定位螺母62，定位螺杆61设置在调节装置5的外侧，所述的外筒2顶部设有两个第二孔洞21，定位螺杆61穿过第二孔洞21，定位螺杆61下端通过内嵌在内筒1顶部的固端螺母11与内筒1固定连接，定位螺杆61中部通过定位螺母 62与外筒2顶部连接，所述的压力传感器12分别设置在两个定位螺母62上方，定位螺杆61穿过顶板7使得顶板7位于压力传感器12上。

如图5所示，所述的内筒1和外筒2为透明材质，外筒2的两端为敞口结构，外筒2上设有出气孔22，在注浆的时候，外筒2中的气体可以从出气孔22中排出。外筒2上的出气孔22用于在相外筒2中注浆时排出外筒2中的空气。所述的内筒1外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆。可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒1外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

本发明具体安装过程如下：

步骤一：内筒1顶部嵌设固端螺母11，将内筒1装入外筒2内部，内筒1 的两个固端螺母11与外筒两个第二孔洞21对齐，定位螺杆61穿过第二孔洞21 并拧紧在内筒1顶部固端螺母11上；在定位螺杆61上旋入定位螺母62，定位螺母62位于外筒2上方，调整定位螺母62的位置使内筒1与外筒2总体上同轴。

步骤二：将压力传感器12穿入定位螺杆61，压在定位螺母62上，压力传感器12与数据采集仪(图中未画出)连接。

步骤三：在外筒2端面涂抹少量凡士林，两侧挡板3压住外筒2，在两侧挡板3四角处的第一孔洞31穿入连接杆9，旋紧连接螺母10，使两侧挡板3与外筒2之间压紧密封。

步骤四：将调节螺杆51安装于外筒2顶部嵌入的固端螺母11中，两个定位螺杆61和两个调节螺杆51分别穿过顶板7，使得顶板7压在压力传感器12的上方，然后在顶板7上侧旋入调节螺母52，将注浆管81安装到挡板3上。

本发明使用原理：

步骤一：实验装置调试完毕，拌合充足的浆液，浆液通过注浆管81注入内筒1和外筒2之间的间隙中，外筒2内空气体由出气孔22排出，直至浆液充满整个间隙时，关闭调节阀82。

步骤二：内筒1在浆液的浮力作用下上浮，通过定位螺母62给压力传感器 12施加压力，两个压力传感器12压力之和等于内筒1的浮力，通过压力传感器 12可测得内筒1的浮力。

步骤三：实验过程中，可松开两只调节螺母52，在浮力作用下内筒1上浮，内筒1带动定位装置6上移，定位装置6带动顶板7上移，当上浮停止时，压力传感器12的压力达到稳定，再次通过压力传感器12测量内筒1浮力，以此类推可以测得内筒1浮到不同位置时的浮力，直至内筒1达到平衡位置。试验完成后拆除挡板3，取出内筒1，清洗实验装置。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案，实际的结构并不局限于此。所以本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种盾构隧道管片所受浆液浮力测量模型实验装置的实验方法，其特征在于，所述的实验装置包括模拟隧道管片的内筒、与内筒形成间隙的外筒、固定并密封外筒的两端挡板、测定内筒浮力的力传感器、顶板、调节装置和定位装置，内筒两端为密闭结构，外筒套设在内筒上，且内筒与外筒总体上同轴；顶板处于外筒上方，所述的内筒顶部通过定位装置与顶板连接，定位装置穿过外筒处上方设有定位螺母；外筒顶部通过调节装置与顶板连接，调节装置穿过顶板处上方设有调节螺母；挡板侧部安装有注浆装置，注浆装置与内外筒之间的间隙连通；

所述的力传感器为压力传感器，压力传感器安装在顶板与外筒之间的定位装置上；

所述的调节装置对称设置在顶板中心的左右两侧，调节装置包括调节螺杆和调节螺母，所述的调节螺杆下端通过内嵌在外筒顶部的固端螺母与外筒固定连接，调节螺杆上端穿过顶板，并且通过调节螺母将顶板与调节螺杆连接；

所述的定位装置包括定位螺杆和定位螺母，定位螺杆设置在调节装置的外侧，所述的外筒顶部设有两个第二孔洞，定位螺杆穿过第二孔洞，定位螺杆下端通过内嵌在内筒顶部的固端螺母与内筒固定连接，定位螺杆中部通过定位螺母与外筒顶部连接，所述的压力传感器设于定位螺母与顶板之间的定位螺杆上；

所述的注浆装置包括注浆管、流量调节阀和漏斗，所述的注浆管下端穿过挡板与外筒的内部空间连通，漏斗安装在注浆管上端，流量调节阀安装在注浆管上；

所述的挡板四个边角处分别设有第一孔洞，连接杆穿过第一孔洞将挡板与外筒的两侧连接，连接杆的两端通过连接螺母固定；

所述外筒的两端为敞口结构，外筒上设有出气孔，所述的内筒外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆，内筒和外筒均采用透明材料制造；

所述的实验方法包括：

步骤一：拌合充足的浆液，浆液通过注浆管注入内筒和外筒之间的间隙中，外筒内空气体由出气孔排出，直至浆液充满整个间隙时，关闭流量调节阀；

步骤二：内筒在浆液的浮力作用下上浮，通过定位螺母给压力传感器施加压力，两个压力传感器压力之和等于内筒的浮力，通过压力传感器测得内筒的浮力；

步骤三：实验过程中，松开两只调节螺母，在浮力作用下内筒上浮，内筒带动定位装置上移，定位装置带动顶板上移，当上浮停止时，压力传感器的压力达到稳定，再次通过压力传感器测量内筒浮力，以此类推测得内筒浮到不同位置时的浮力，直至内筒达到平衡位置。

Images