CN110987408A - 一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，包括下沉的实验坑，设于实验坑内的管片环，与管片环相接触的管片环拼装装置，设于管片环左侧的顶推装置，与管片环相连接的真空加载装置，设于管片环内部的加热装置和设于管片环内的数据采集装置；管片环与实验坑相连接。本发明具有如下有益效果：可实现对低真空磁悬浮隧道拼装管片结构及运行环境的全面模拟，实验结果可对在低真空运输环境下隧道管片结构整体及接缝的水密性、气密性以及结构力学性能进行验证与优化。

Description

一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置

技术领域

本发明涉及交通运输前沿技术领域中的低真空管道磁悬浮运输系统，尤其是涉及一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，适用于低真空盾构隧道的复杂工况室内模拟，以及多环管片结构、接缝处的力学行为和密封特性研究。

背景技术

真空管道运输系统作为一种新型交通系统，目标时速保守估计可达到600~1000km/h，后期目标速度将超过4000km/h。由于真空管道运输采用抽真空设备将密闭管道中的压强降低，创造了低密度介质运输环境，减小了列车的气动阻力，因此速度有了大幅度的提升。此外密闭管道形成的有效屏障隔绝了天气等因素对列车运行的影响，大幅度减小牵引能耗，有效降低列车行驶对周边环境造成的噪声污染，具有高速、稳定、节能、环保等优势。早在1904年，现代火箭之父罗伯特•戈达德（Robert Goddard）就提出过修建一条磁悬浮车专用的真空管道铁路线，其速度预计可达到1600km/h，后来由于技术、经济等因素的制约，真空管道技术仅停留在论证阶段。近年来随着磁悬浮列车的迅速发展，真空管道运输又再次在全球范围内掀起了热潮，各国都在积极参与真空管道交通项目研究。

目前各国研究机构正在对真空管道系统的设计进行不断设计和改良，管道作为列车运行的载体，对真空系统的可靠和安全运行有着至关重要的作用。隧道式管道结构可节约稀有的地面土地资源，高效利用地下空间，在满足使用要求的前提下，利用现有的盾构拼装式管片结构可节约管道建设成本，具有明显的经济效益，但拼装式隧道管片结构在低真空复杂环境下的密封性能和力学行为有待实验探索。

管道内部抽真空后形成负压，使得外部气体有向管道内扩散补充的趋势，因此管片结构及接缝处的气密性必须满足密封要求；隧道周围有地下水的情况下，真空负压会进一步提高将地下水吸入管道内的可能，因此管片结构及接缝处的水密性能是否可靠，也需要进行实验验证；对于内部处在低真空环境下的隧道结构，管片结接缝处的变形和受力性能的改变也是不容忽视的；低真空隧道中列车的高速运行会显著提高管片内侧的环境温度，隧道结构在内外温差下产生的温度应力也不可小觑。

发明内容

本发明为了克服现有技术中拼装式管道内部抽真空后密封性能不佳，真空负压导致的地下水吸入直接影响管道的可靠性，管道内列车运行引起的温度升高会影响管片及接缝处的受力，为了对如上提出的问题进行性能验证，提出了一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，包括下沉的实验坑，设于实验坑内的管片环，与管片环相接触的管片环拼装装置，设于管片环左侧的顶推装置，与管片环相连接的真空加载装置，设于管片环内部的加热装置和设于管片环内的数据采集装置；管片环与实验坑相连接。

作为优选，用于低真空隧道的多环管片原型实验装置还包括中央控制模块，顶推装置、真空加载装置、加热装置和数据采集装置分别与中央控制模块电连接。

作为优选，实验坑包括竖直的侧墙和与侧墙垂直连接的底墙；所述管片环包括与侧墙连接的首环管片和与首环管片相对应的末环管片；首环管片与末环管片之间设有若干个中间管片；首环管片和末环管片的侧端均设有若干个预埋件，首环管片、末环管片和各个中间管片间均设有密封垫和注浆孔，侧墙上设有植筋，植筋左侧设有过渡钢环，过渡钢环的一侧与植筋焊接连接；过渡钢环另一侧与已焊接成完整圆环的的预埋件连接；末环管片拼装完成后，各块管片的预埋件焊接成完整的圆环，末环管片左侧设有与末环管片连接的封堵钢板。

首环管片靠近实验坑侧墙，侧墙通过植筋与过渡钢环一侧焊接，结合处外漏的植筋通过挂网喷混凝土砂浆密封。首环管片的各块预埋件一侧焊接锚筋以加强与管片混凝土的整体性，该环拼装完毕后，各块预埋件通过现场焊接成整体。过渡钢环另一侧与首环管片侧端预埋件通过法兰螺栓及密封垫连接。末环管片与圆形封堵钢板通过法兰螺栓和密封垫相连。

作为优选，所述管片环拼装装置包括设于管片环下部的钢板托架导台和设于管片环内部的管片内部支撑装置；管片环拼装包括上半环拼装和下半环拼装。

作为优选，所述钢板托架导台包括半圆弧板、承力板、筋板和底板，半圆弧板、承力板、筋板和底板均焊接连接；半圆弧板包括底部圆弧钢板和设于底部圆弧钢板左右两侧的侧圆弧钢板，底部圆弧钢板分别与两个侧圆弧钢板焊接连接；钢板托架导台随管片环拼装逐环组装，全部管片环拼装完毕后，拆除侧边的两块侧圆弧钢板。

作为优选，所述管片内部支撑装置包括管片定位环，管片定位环下部设有与管片定位环焊接连接的钢支架，钢支架的底部设有可移动的滑轮；所述管片定位环呈向上拱起的弧形，管片定位环的弧度与管片环的弧度相适配；下一环管片下半环在钢板托架导台上拼装完毕后，可移动管片定位环至下一环位置进行上半环管片拼装。

作为优选，所述顶推装置包括呈矩形框架的反力架、与反力架连接的支撑板、位于反力架上的千斤顶油缸和与千斤顶油缸连接的圆弧钢板撑靴；反力架的底部边位于实验坑底板上，并通过底板上的预埋件固定，矩形框架与管片环侧面平行，千斤顶油缸位于与管片环侧面平行的矩形框架上；圆弧钢板撑靴的尺寸与管片环相匹配；千斤顶油缸通过圆弧钢板撑靴将顶推力施加于管片环侧面，顶紧前两环管片之间的密封垫后，在第二环管片两侧的注浆孔位置安装止退销，止退销与两侧止退三脚架连接为一体，待管片环全部拼装完毕依次顶紧后方可拆除。

作为优选，所述真空加载装置包括真空泵管路和真空泵，各个管片的注浆孔连接真空泵管路，通过真空泵进行多环管片内部的真空度加载。考虑到管片结构内部的加热工况，真空泵上设置水冷装置以保证设备的正常运行。

作为优选，所述加热装置包括若干个位于管片环内部的支架和若干个与支架相对应的短波孪管，各个短波孪管位于相应的支架上。对管片内侧进行红外加热，加热电源线通过注浆孔处的密封转换接头引出，并连接至中央控制模块进行控制。

作为优选，所述数据采集模块包括钢筋计、混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计、光纤光栅传感器、应变片、差动式位移计和数据采集仪，数据采集模块位于管片环内。管片环中预埋钢筋计，混凝土应变计，温度传感器，土压计等监测元件，管片连接螺栓内部以及管片接触面处预埋光纤光栅传感器，管片外贴应变片，接缝两侧安装差动式位移计，模拟土层中放置水压计，各监测元件数据通过数据采集仪实时采集存储。

管片环通过内外支撑拼装成环，通过顶推装置将管片环间密封垫压紧后，采用管片环止退三角架临时固定，管片环两端部通过特定的设计以保证端头密封，通过抽真空、加热系统模拟低真空隧道管片结构内侧的真空环境以及由于列车运行摩擦引起的温度升高，并在实验坑中营造真实的水土环境，对低真空磁悬浮隧道管片结构运行环境进行全面的模拟，在此基础上进行低真空复杂工况下隧道原型多环管片及接缝的水密性、气密性研究及结构的力学行为室内研究，对隧道管片结构在低真空磁悬浮运输领域的应用进行前期的可行性验证与优化。

因此，本发明具有如下有益效果：

本发明考虑隧道管片结构在低真空运输环境中的特殊工况，在多环管片结构实况拼装的基础上后，进行低真空隧道结构低真空、高温、水土压环境模拟。管片环通过内外支撑拼装成环，通过顶推装置将管片环间密封垫压紧后，采用管片环止退三角架临时固定，管片环两端部通过特定的设计以保证端头密封，利用真空加载装置对管片内侧抽真空，通过温度加热系统对管片内侧温度进行调整，模拟结构内侧的真空环境以及由于列车运行摩擦引起的温度升高，并在实验坑中营造真实的水土环境，这些措施可实现对低真空磁悬浮隧道拼装管片结构及运行环境的全面模拟，实验结果可对在低真空运输环境下隧道管片结构整体及接缝的水密性、气密性以及结构力学性能进行验证与优化。

附图说明

图1是本发明的一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置图；

图2是管片拼装的钢板托架导台的一种示意图；

图3是管片拼装的管片定位环示意图。

图中，侧墙1、植筋2、过渡钢环3、混凝土砂浆4、首环管片5、预埋件6、法兰螺栓7、末环管片8、封堵钢板9、钢板托架导台10、侧圆弧钢板11、底部圆弧钢板12、承力板13、底板14、管片定位环15、钢支架16、移动滑轮17、反力架18、支撑板19、千斤顶油缸20、钢板撑靴21、止退销22、止退三脚架23。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，包括下沉的实验坑，设于实验坑内的管片环，与管片环相接触的管片环拼装装置，设于管片环左侧的顶推装置，与管片环相连接的真空加载装置，设于管片环内部的加热装置和设于管片环结构内部的数据采集装置；管片环与实验坑相连接。实验装置还包括中央控制模块，顶推装置、真空加载装置、加热装置和数据采集装置分别与中央控制模块电连接。

实验拼装管片环内径3.5m，管片厚度250mm，环宽1200mm，管片设计为通用楔形环，K块错缝拼装于左右水平位置，共拼装10环管片。管片环内部加载的极限真空度为0.2atm，温度为60°C 。

实验坑包括竖直的侧墙1和与侧墙垂直连接的底板；所述管片环包括与侧墙连接的首环管片5和与首环管片相对应的末环管片8；首环管片与末环管片之间设有若干个中间管片；首环管片、末环管片的侧端均设有若干个预埋件6，首环管片、末环管片和各个中间管片间均设有密封垫和注浆孔，侧墙上设有植筋2，植筋左侧设有过渡钢环3，过渡钢环的一侧与植筋焊接连接；过渡钢环另一侧与首环管片侧端的预埋件连接；末环管片拼装完成后，各块管片的预埋件焊接成完整的圆环，末环管片左侧设有与末环管片连接的封堵钢板9。侧墙通过植筋与过渡钢环一侧焊接，结合处外漏的植筋通过挂网喷混凝土砂浆4密封，过渡钢环另一侧与首环管片侧端预埋件通过法兰螺栓7及密封垫连接；第十环管片8拼装完毕后，该环各块管片侧端预埋件焊接成整体圆环，并与圆形封堵钢板通过法兰螺栓和密封垫相连。

管片拼装在半圆弧的钢板托架导台10上，如图2所示，钢板托架导台由左、右两侧的侧圆弧钢板11和底部圆弧钢板12三块拼装而成，随管片环拼装逐环组装，全部管片环拼装完毕后，拆除侧边两块钢板，托架由半圆弧板、承力板13、筋板、底板14焊接而成。如图3所示，管片内部支撑装置包括管片定位环15、钢支架16以及底部滑轮17，下一环管片下半环在钢板托架导台上拼装完毕后，可移动管片定位环至下一环位置进行上半环管片拼装。

反力架18采用方钢管焊接成框架式结构，反力架的支撑板19通过地脚螺栓及预埋件固定。千斤顶油缸20共有4组，每组2根，缸筒通过卡板固定于反力架上，前两环管片拼装完毕后，通过圆环钢板撑靴21将顶推力施加于管片环侧面，顶紧前两环管片之间的密封垫后，在第二环管片两侧注浆孔位置安装止退销22，止退销与两侧止退三脚架23连接为一体，待管片环全部拼装完毕依次顶紧后拆除。

所述真空加载装置，为实现5min内10环管片内部由大气压降为0.2atm，真空泵抽气速率应达到S=1510.6L/s，考虑30%的富余量，气体抽气速率应达到为1964L/s，实验实施例中抽真空采用水环式真空泵与旋片式真空泵配合组成真空机组，并配置水冷设施降低抽出气体的温度，以保证真空设备的正常运行效率。

所述温度加热装置，采用透明短波孪管进行加热，每组3支短波孪管安装在支架上，沿圆周均匀分布。 加热短波孪管安装在三角形支架上，三角形支架分数节放置于管道内部， K型热电偶放置于管道内部采集内壁温度，电源线和传感器线缆通过管片注浆孔的转换接头连出。

所述中央控制模块，将千斤顶加载、真空负压加载、温度加热集成控制，通过PLC控制部分完成传感器反馈数据的采集与控制，通过触摸屏完成操作者与PLC控制的信息交互，实验指令发送、实验状态显示等。

数据采集模块，拼装管片环中间第五、六环管片内部进行传感器预埋，包括土压力盒、混凝土应变计、温度传感器，内外侧主筋焊接预埋钢筋计，连接直螺栓凿槽并布置光纤传感器，管片接触面凿槽放置光纤传感器。管片外表面贴应变片，管片接缝两侧安装差动式位移计，管片环外侧土层中布置水压计。各监测元件连接数据采集仪进行实验数据的实时采集存储。除管片内部预埋的传感器在管片制作阶段安装完毕，以及管片接触面的传感器在拼装过程中完成安装之外，其余管片内外壁传感器在管片拼装完毕，末环管片尚未封堵前安装。

传感器线路接至相应的数据采集仪，先后启动真空泵装置和加热装置，进行实验系统的试运行。调试完成后进行末环管片与端头封堵钢板的连接。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，包括下沉的实验坑，设于实验坑内的管片环，与管片环相接触的管片环拼装装置，设于管片环左侧的顶推装置，与管片环相连接的真空加载装置，设于管片环内部的加热装置和设于管片环内的数据采集装置；管片环与实验坑相连接。

2.根据权利要求1所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，

还包括中央控制模块，顶推装置、真空加载装置、加热装置和数据采集装置分别与中央控制模块电连接。

3.根据权利要求1所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，

实验坑包括竖直的侧墙（1）和与侧墙垂直连接的底墙；所述管片环包括与侧墙连接的首环管片（5）和与首环管片相对应的末环管片（8）；首环管片与末环管片之间设有若干个中间管片；首环管片和末环管片的侧端均设有若干个预埋件（6），首环管片、末环管片和各个中间管片间均设有密封垫和注浆孔，侧墙上设有植筋（2），植筋左侧设有过渡钢环（3），过渡钢环的一侧与植筋焊接连接；过渡钢环另一侧与已焊接成完整圆环的的预埋件连接；末环管片拼装完成后，各块管片的预埋件焊接成完整的圆环，末环管片左侧设有与末环管片连接的封堵钢板（9）。

4.根据权利要求3所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，所述管片环拼装装置包括设于管片环下部的钢板托架导台（10）和设于管片环内部的管片内部支撑装置；管片环拼装包括上半环拼装和下半环拼装。

5.根据权利要求4所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，

所述钢板托架导台包括半圆弧板、承力板（13）、筋板和底板（14），半圆弧板、承力板、筋板和底板均焊接连接；半圆弧板包括底部圆弧钢板（12）和设于底部圆弧钢板左右两侧的侧圆弧钢板（11），底部圆弧钢板分别与两个侧圆弧钢板焊接连接；钢板托架导台随管片环拼装逐环组装，全部管片环拼装完毕后，拆除侧边的两块侧圆弧钢板。

6.根据权利要求5所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，

所述管片内部支撑装置包括管片定位环（15），管片定位环下部设有与管片定位环焊接连接的钢支架（16），钢支架的底部设有可移动的滑轮（17）；所述管片定位环呈向上拱起的弧形，管片定位环的弧度与管片环的弧度相适配；下一环管片下半环在钢板托架导台上拼装完毕后，可移动管片定位环至下一环位置进行上半环管片拼装。

7.根据权利要求3所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，所述顶推装置包括呈矩形框架的反力架（18）、与反力架连接的支撑板（19）、位于反力架上的千斤顶油缸（20）和与千斤顶油缸连接的圆弧钢板撑靴（21）；反力架的底部边位于实验坑底板上，并通过底板上的预埋件固定，矩形框架与管片环侧面平行，千斤顶油缸位于与管片环侧面平行的矩形框架上；圆弧钢板撑靴的尺寸与管片环相匹配；千斤顶油缸通过圆弧钢板撑靴将顶推力施加于管片环侧面，顶紧前两环管片之间的密封垫后，在第二环管片两侧的注浆孔位置安装止退销（22），止退销与两侧止退三脚架（23）连接为一体，待管片环全部拼装完毕依次顶紧后方可拆除。

8.根据权利要求3所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，所述真空加载装置包括真空泵管路和真空泵，各个管片的注浆孔连接真空泵管路，通过真空泵进行多环管片内部的真空度加载。

9.根据权利要求1所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，

所述加热装置包括若干个位于管片环内部的支架和若干个与支架相对应的短波孪管，各个短波孪管位于相应的支架上。

10.根据权利要求2所述的用于低真空隧道的多环管片原型实验装置，其特征是，所述数据采集模块包括钢筋计、混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计、光纤光栅传感器、应变片和差动式位移计，数据采集模块位于管片环内。

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