CN112378600A - 一种顶管管节密封性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及顶管密封性试验技术领域，公开了一种顶管管节密封性能测试装置，包括第一测试管节、第二测试管节、反力墙、底板、反力支架、动力加载装置、第一承台和第二承台，反力墙、底板和反力支架安装在地面上，第一测试管节和第二测试管节连接且位于反力墙和反力支架之间，第一测试管节和第二测试管节的端面分别与反力墙、反力支架相对，动力加载装置连接在反力支架上且用于顶压第二测试管节，第一测试管节连接在第一承台上，第一承台连接有支脚，支脚与底板固定连接，第二测试管节连接在第二承台，第二承台与底板之间设有用于顶升第二承台的顶升装置，可模拟管件偏转和剪切的工况。本发明还提供一种顶管管节密封性能测试方法。

Description

一种顶管管节密封性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及顶管密封性试验技术领域，特别是涉及一种顶管管节密封性能测试装置及方法。

背景技术

顶管施工作为一种重要的非开挖技术在国内已经非常普遍，已经广泛的用于给水排水、电力通信、油气等市政和能源管线施工中，由于顶管施工具有速度快，对周围环境不影响或者影响较小，施工场地小，噪音小，而且能够深入地下作业等优势，在未来数十年必将有很好的发展前景。顶管管节的密封性能对顶管工程的成败具有重要影响。如果管节密封性能不佳，也会导致管内会出现涌水、涌浆，引起周围地层水土流失，严重时出现顶管轨迹发生较大偏移，甚至导致地面塌陷。

现有的顶管密封性能试验都是模拟测试不同泥水压力下的密封性能。但是在顶管施工过程中，管节会发生偏转和受到剪切，这些工况对管节的性能具有重大影响。因此，有必要获取管节不同位置状态下接头的密封性效果，为工程提供借鉴，存在风险时及时采取措施，防患于未然。

中国发明专利CN104568329B(公开日为2015年10月14日)公开了一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法和装置，在接收舱的两端安装密封圈并连接稳压舱构成顶管接收装置，在顶管接收装置后端安装套管，套管后端安装始发洞口止水密封装置，将管节组向前依次顶进至其前端进入接收舱、后端位于套管外，使得套管与管节组之间以及顶管接收装置与管节组之间形成两个密封腔，向两个密封腔中注满泥浆模拟泥浆套；向管节组顶进施压，随后向两个密封腔中充气加压至气压等于试验验证的地层水压力，观察始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出。该专利公开的试验方法和装置仅能，不能测试管节在偏转和剪切条件下的密封性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现模拟管节的偏转和剪切工况的顶管管节密封性能测试装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种顶管管节密封性能测试装置，包括第一测试管节、第二测试管节、反力墙、底板、反力支架、动力加载装置、第一承台和第二承台，所述反力墙、所述底板和所述反力支架安装在地面上，所述第一测试管节和第二测试管节连接且位于所述反力墙和所述反力支架之间，所述第一测试管节和所述第二测试管节的端面分别与所述反力墙、所述反力支架相对，所述动力加载装置连接在所述反力支架上且用于顶压所述第二测试管节，所述第一测试管节连接在所述第一承台上，所述第一承台连接有支脚，所述支脚与所述底板固定连接，所述第二测试管节连接在所述第二承台上，所述第二承台与所述底板之间设有用于顶升所述第二承台的顶升装置。

作为优选方案，所述顶升装置包括多个第一千斤顶，多个所述第一千斤顶沿所述第二测试管节的轴向间隔均匀设置，所述第一千斤顶连接在所述底板上且其活塞伸出端与所述第二承台连接。

作为优选方案，所述顶升装置包括2N个所述第一千斤顶，其中，N≥1；2N个所述第一千斤顶以所述第二测试管节的轴线为对称轴两两对称设置。

作为优选方案，所述动力加载装置包括两个第二千斤顶，两个所述第二千斤顶均位于所述第二测试管节的轴线所在的水平面上，两个所述第二千斤顶以所述第二测试管节的轴线为对称轴对称设置，所述第二千斤顶连接在所述反力支架上且其活塞伸出端与所述第二测试管节的端面相抵。

作为优选方案，所述第一承台和所述第二承台均为矩形块体且分别设有槽壁与所述第一测试管节、所述第二测试管节的侧面相贴的凹槽，所述凹槽为贯通槽，所述第一承台和所述第二承台上设有管箍。

作为优选方案，所述第一测试管节和所述第二测试管节的连接处设有模拟地下水压力的加压装置。

作为优选方案，所述加压装置包括加压套、空气压缩机、水泵、储水罐和压力表，所述加压套套装于所述第一测试管节与所述第二测试管节的连接处，且所述加压套的两端分别通过卡箍与所述第一测试管节、所述第二测试管节连接，使所述加压套与所述第一测试管节、所述第二测试管节之间形成加压腔，所述空气压缩机通过管道与所述加压腔连通，所述储水罐、所述水泵和所述加压腔通过管道依次连接，所述压力表与所述加压腔连通以测试所述加压腔内部的压力。

作为优选方案，所述加压套为橡胶套，且所述加压套的轴截面中部为弧形。

作为优选方案，所述加压套的两端部的轴截面为矩形，所述加压套的两端部的内壁设有一圈密封槽，所述密封槽内安装有止水橡胶圈。

本发明还提供一种顶管管节密封性能测试方法，包括：

装置设置：

(1)在地面上安装反力墙、反力支架和底板，所述底板安装在反力墙和反力支架之间，将第一测试管节和第二测试管节连接，且分别将所述第一测试管节和所述第二测试管节分别固定在第一承台和第二承台上，将所述第一承台通过支脚固定在所述底板上，在所述第二承台和所述底板之间设置用于顶升所述第二测试管节的顶升装置，在所述反力支架上连接用于顶压所述第二测试管节端面的动力加载装置，在第一测试管节和第二测试管节的连接处套装加压套，且所述加压套的两端分别通过卡箍与所述第一测试管节和所述第二测试管节连接，使所述第一加压套与所述第一测试管节、所述第二测试管节之间形成可灌入泥水的加压腔；

(2)将所述加压腔内的气体抽出，然后在所述加压腔内注满水，再在所述加压腔内充入气体使之达到预定压力并保压；

偏转工况模拟：

(1)在所述第二测试管节上设置多个沿其轴向间隔分布的顶升点，通过所述顶升装置对各所述顶升点进行顶升，所述顶升点被顶升的高度沿远离所述第一测试管节的方向梯度增大，模拟管节偏转；并保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在无顶力时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(2)增大所述顶升点的顶升高度梯度，模拟管节偏转角的增大，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(3)保持各所述顶升点的顶升高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持各所述顶升点的顶升高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在偏转条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在该顶力条件时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升点的顶升高度梯度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力条件及特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(6)保持各所述顶升点的顶升高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力及偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持各所述顶升点的顶升高度和所述加压腔的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定偏转角和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围；

剪切工况模拟：

(1)通过所述顶升装置对所述第二测试管节整体抬升一定的高度，模拟所述第一测试管节和所述第二测试管节的剪切位移，保持该工况至少半个小时，若管节内无液体渗出，说明在无顶力时，该剪切条件下管间密封性好；

(2)增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大高度差；

(3)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在剪切条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若无液体渗出，说明在该顶力及剪切条件下，管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和剪切条件下，管节间密封允许的最大高度差；

(6)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述加压腔内的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定剪切和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过在第二测试管节的下方设置顶升装置，通过顶升装置顶升第二测试管节且顶升的高度向远离第一测试管节的方向轴向梯度增大，实现管节的偏转，通过顶升装置整体抬升第二测试管节一定的高度，实现管节的剪切；在偏转和剪切的条件下，观察第一测试管节和第二测试管节是否有泄漏，实现管节在偏转和剪切条件下的密封性能测试。

附图说明

图1是本发明实施例的顶管管节密封性能测试装置的正视图。

图2是本发明实施例的顶管管节密封性能测试装置的俯视图。

图3是本发明实施例的第一测试管节、第二测试管节、第一承台、第二承台和底板连接的左视图。

图4是本发明实施例的第一承台的第一视角结构示意图。

图5是本发明实施例的第一承台的第二视角结构示意图。

图6是图5A处的放大图。

图7是图5B处的放大图。

图8是本发明实施例的加压装置的结构示意图。

图9是图8C处的截面示意图。

图10是本发明实施例的止水橡胶圈的截面示意图。

图中，1-第一测试管节；2-第二测试管节；3-反力墙；4-底板；5-反力支架；6-第一承台；601-支脚；7-第二承台；8-第一千斤顶；9-第二千斤顶；10-凹槽；11-管箍；1101-上箍体；1102-下箍体；12-加压套；13-空气压缩机；14-水泵；15-储水罐；16-压力表；17-卡箍；18-止水橡胶圈；19-加载梁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

请参阅图1至图10，本发明优选实施例的一种顶管管节密封性能测试装置，包括第一测试管节1、第二测试管节2、反力墙3、底板4、反力支架5、动力加载装置、第一承台6和第二承台7，反力墙3、底板4和反力支架5安装在地面上，第一测试管节1和第二测试管节2连接且位于反力墙3和反力支架5之间，第一测试管节1和第二测试管节2的端面分别与反力墙3、反力支架4相对，动力加载装置连接在反力支架5上且用于顶压第二测试管节2，第一测试管节1连接在第一承台6上，第一承台6连接有支脚601，支脚601与底板4固定连接，第二测试管节2连接在第二承台7上，第二承台7与底板4之间设有用于顶升第二承台7的顶升装置。本实施例通过在第二测试管节2的下方设置顶升装置，通过顶升装置顶升第二测试管节2且顶升的高度向远离第一测试管节1的方向轴向梯度增大，实现管节的偏转，通过顶升装置整体抬升第二测试管节2一定的高度，实现管节的剪切；在偏转和剪切的条件下，观察第一测试管节1和第二测试管节2是否有泄漏，实现管节在偏转和剪切条件下的密封性能测试。本实施例将第一测试管节1和第二测试管节2相背的两端封闭，向第一测试管节1和第二测试管节2内充入液体，再通过控制顶升装置模拟偏转和剪切工况，通过观测第一测试管节1和第二测试管节2在偏转和剪切条件下是否泄漏来判断密封性能；或是通过背景技术发明专利CN104568329B中的方式，在第一测试管节1和第二测试管节2外设置接收舱，在接收舱内充入液体以进行观测。本实施例通过控制顶升装置的顶升高度来改变第一测试管节1和第二测试管节2之间的相对位置，实现管节间的剪切或偏转。

进一步地，本实施的顶升装置包括多个第一千斤顶8，多个第一千斤顶8沿第二测试管节2的轴向间隔均匀设置，第一千斤顶8连接在底板4上且其活塞伸出端与第二承台7连接，使第二测试管节2具有多个顶升点，且多个顶升点的被顶升高度可自由控制，方便操作，便于偏转工况模拟和剪切工况模拟的快速转换。进一步地，顶升装置包括2N个第一千斤顶8，其中，N≥1；2N个第一千斤顶8以第二测试管节2的轴线为对称轴两两对称设置，第一千斤顶8对称设于第二测试管节2的轴线的两侧，在顶升时，对称的两个第一千斤顶8顶升的高度是相同的，可使第二测试管节2均匀受力。本实施例的第一千斤顶8设置为6个。本实施例的第一千斤顶8为数控千斤顶，实现偏转工况时，使用三套一拖二的同步控制系统，对称设置的两个第一千斤顶8为一套，最靠近第一测试管节1的一套第一千斤顶8保持原位，其他套第一千斤顶8通过系统控制同时向上抬升或下降，控制两套第一千斤顶8的高差以控制偏转角度；实现剪切工况时，使用一套一拖六的同步控制系统，直接控制所有第一千斤顶8同时抬升或下降。

可选地，本实施例的动力加载装置包括两个第二千斤顶9，两个第二千斤顶9均位于第二测试管节2的轴线所在的水平面上，两个第二千斤顶9以第二测试管节2的轴线为对称轴对称设置，第二千斤顶9连接在反力支架5上且其活塞伸出端与第二测试管节2的端面相抵，可不封闭第二测试管节2即可对管节施加顶压力，本实施例的第二测试管节2的端面连接有加载梁19，第二千斤顶9与加载梁19接触进行顶压。

在本实施例中，第一承台6和第二承台7均为矩形块体且分别设有槽壁与第一测试管节、第二测试管节的侧面相贴的凹槽10，凹槽10为贯通槽，第一承台6和第二承台7上设有管箍11，通过设置凹槽10，可使第一测试管节1和第二测试管节2固定牢固，避免在顶升时移动，避免在顶升过程中所引起的管节大幅度转动或滑移，能够极大减小误差，准确实现预设工况，同时保证试验安全。本实施例的管箍11包括一个截面为半圆形的上箍体1101和两个截面为弧形的下箍体1102，上箍体1101和下箍体1102与凹槽10的圆心相同且内径相等，两个下箍体1102分别连接在其所在的第一承台6或第二承台7的两侧，上箍体1101的一侧与一个下箍体1102铰接、另一侧与另一个下箍体1102通过螺栓连接。

进一步地，本实施例的第一测试管节1和第二测试管节2的连接处设有模拟地下水压力的加压装置，可测试在不同的地下水压力下管节偏转和剪切的密封性能。本实施例的加压装置包括加压套12、空气压缩机13、水泵14、储水罐15和压力表16，加压套12套装于第一测试管节1与第二测试管节2的连接处，且加压套12的两端分别通过卡箍17与第一测试管节1、第二测试管节2连接，使加压套12与第一测试管节1、第二测试管节2之间形成加压腔，空气压缩机13通过管道与加压腔连通，储水罐15、水泵14和加压腔通过管道依次连接，压力表16与加压腔连通以测试加压腔内部的压力。通过在加压套12与第一测试管节1和第二测试管节2之间形成的加压腔充入液体，再模拟偏转和剪切，可通过观测加压腔内的液体是否泄漏来判断密封性。并且还可通过空气压缩机13对注满液体的加压腔进行充气加压，可测试管节间密封允许的最大流体压力，压力表16用于观察空气压缩机13充入的空气是否使加压腔内达到预定压力。本实施例的加压套12仅设置在第一测试管节1和第二测试管节2的连接处，不必在第一测试管节1和第二测试管节2整节充满液体，缩短测试时间，提高效率，且可防止在进行偏转和剪切时导致管节其他位置泄漏而带来的结果偏差。本实施例的加压套12上设有气体阀1201，空气压缩机13与气体阀1201连接。

进一步地，本实施例的加压套12为橡胶套，且加压套12的轴截面中部为弧形，使加压腔内注满液体后还可充入空气，并且具有较大的充入空气余量。本实施例的加压套12的两端部的轴截面为矩形，加压套12的两端部的内壁设有一圈密封槽，密封槽内安装有止水橡胶圈18，可防止漏水。本实施例的止水橡胶圈18截面为梯形且设有内壁设有一圈止水槽。

本实施例还提供一种一种顶管管节密封性能测试方法，包括：

装置设置：

(1)在地面上安装反力墙、反力支架和底板，所述底板安装在反力墙和反力支架之间，将第一测试管节和第二测试管节连接，且分别将所述第一测试管节和所述第二测试管节分别固定在第一承台和第二承台上，将所述第一承台通过支脚固定在所述底板上，在所述第二承台和所述底板之间设置用于顶升所述第二测试管节的顶升装置，在所述反力支架上连接用于顶压所述第二测试管节端面的动力加载装置，在第一测试管节和第二测试管节的连接处套装加压套，且所述加压套的两端分别通过卡箍与所述第一测试管节和所述第二测试管节连接，使所述第一加压套与所述第一测试管节、所述第二测试管节之间形成可灌入泥水的加压腔；

(2)将所述加压腔内的气体抽出，然后在所述加压腔内注满水，再在所述加压腔内充入气体使之达到预定压力并保压；

偏转工况模拟：

(1)在所述第二测试管节上设置多个沿其轴向间隔分布的顶升点，通过所述顶升装置对各所述顶升点进行顶升，所述顶升点被顶升的高度沿远离所述第一测试管节的方向梯度增大，模拟管节偏转；并保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在无顶力时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(2)增大所述顶升点的顶升高度梯度，模拟管节偏转角的增大，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(3)保持各所述顶升点的顶升高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持各所述顶升点的顶升高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在偏转条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在该顶力条件时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升点的顶升高度梯度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力条件及特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(6)保持各所述顶升点的顶升高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力及偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持各所述顶升点的顶升高度和所述加压腔的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定偏转角和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围；

剪切工况模拟：

(1)通过所述顶升装置对所述第二测试管节整体抬升一定的高度，模拟所述第一测试管节和所述第二测试管节的剪切位移，保持该工况至少半个小时，若管节内无液体渗出，说明在无顶力时，该剪切条件下管间密封性好；

(2)增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大高度差；

(3)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在剪切条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若无液体渗出，说明在该顶力及剪切条件下，管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和剪切条件下，管节间密封允许的最大高度差；

(6)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述加压腔内的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定剪切和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围。

通过上述方法，可模拟不同顶力、流体压力、偏转和剪切条件下的工况，获取管节在不同工况下的密封效果，为工程提供借鉴。

本发明的工作过程为：(1)打开空气压缩机13和气体阀1201，将加压套12与第一测试管节1、第二测试管节2形成的加压腔内的空气抽出；关闭气体阀1201和空气压缩机13；打开水泵14对加压腔进行注水；待水注满后打开空气压缩机向加压腔内充气加压，通过压力表16观察加压腔内的压力，使之达到预定压力并保压；

偏转工况的模拟：

(2)使用三套一拖二的千斤顶同步控制系统，使六个第一千斤顶8进行顶升，并且位于第二测试管节2不同轴向位置的第一千斤顶8的顶升高度不同，沿第二测试管节2的轴线对称设置的两个第一千斤顶8的顶升高度相同，靠近第一测试管节1的第一千斤顶8的顶升高度最小且离第一测试管节1越远的第一千斤顶8的顶升高度越大，各第一千斤顶8的顶升高度沿第二测试管节2的轴向梯度增加，即在第二测试管节2的轴向上相邻的两个第一千斤顶8的高度差均相等；控制各第一千斤顶8的相对高度，以调整第一测试管节1和第二测试管节2的偏转角度，并维持半小时，若管节内无液体渗出，说明无顶力时，该偏转角下管间密封性好；

(3)增加第一千斤顶8的顶升高度，重复步骤(2)，可以测出无顶力时，在步骤(2)的泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(4)保持步骤(2)的第一千斤顶8的顶升高度不变，通过空气压缩机13对加压腔内充入气体以逐步增大加压腔的压力，并在每次改变压力时保压至少半小时，可以测出在无顶力及步骤(2)的偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(5)保持步骤(2)的第一千斤顶8的顶升高度不变，启动第二千斤顶9并调节其活塞伸出端的伸出长度，对管节施加一定推力，维持半小时，若管节内无液体渗出，说明在该顶力条件及步骤(2)的偏转角条件下，管间密封性好；

(6)回退第二千斤顶9，增加第一千斤顶8的顶升高度，即逐步增大偏转角，重复步骤(5)，可以测出该步骤(5)的顶力及泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(7)保持步骤(5)的第一千斤顶8的顶升高度不变，通过空气压缩机13对加压腔内充入气体以逐步增大加压腔的压力，并在每次改变压力时保压至少半小时，可以测出在步骤(5)的顶力及偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(8)保持步骤(5)的第一千斤顶8的顶升高度及加压腔内的压力不变，调节其活塞伸出端的伸出长度以改变顶力，并在每次改变顶力时保持该工况至少半个小时，可以测出在步骤(5)的偏转角和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围。

剪切工况模拟：

(9)通过步骤(1)装配好测试装置，使用一套一拖六的千斤顶同步控制系统，使六个第一千斤顶8同时进行顶升，并且六个第一千斤顶8的顶升高度相同，维持半小时，若管节内无液体渗出，说明无顶力时，该剪切条件下管间密封性好；

(10)逐步增大六个第一千斤顶8的顶升高度，并在每次改变顶升高度时维持半个小时，直至有液体渗出，可以测出无顶力时，在步骤(9)的泥浆压力下，管节间密封允许的最大高度差；

(11)保持步骤(9)的第一千斤顶8的顶升高度不变，通过空气压缩机13对加压腔内充入气体以逐步增大加压腔的压力，并在每次改变压力时保压至少半小时，可以测出在无顶力及步骤(9)的高度差条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(12)在实施步骤(9)后，启动第二千斤顶9并调节其活塞伸出端的伸出长度，对管节施加一定推力，维持半小时，若管节内无液体渗出，说明在该顶力及剪切条件下管间密封性好；

(13)逐步增大六个第一千斤顶8的顶升高度，重复步骤(12)，可以测出在该步骤(12)的顶力及泥浆压力下，管节间密封允许的最大高度差；

(14)保持步骤(12)的第一千斤顶8的顶升高度不变，通过空气压缩机13对加压腔内充入气体以逐步增大加压腔的压力，并在每次改变压力时保压至少半小时，可以测出在该步骤(12)的顶力和高度差条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(15)保持步骤(12)的第一千斤顶8的顶升高度及加压腔内的压力不变，调节其活塞伸出端的伸出长度以改变顶力，并在每次改变顶力时保持该工况至少半个小时，可以测出在步骤(12)的高度差和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围。

综上，本发明实施例提供一种顶管管节密封性能测试装置，其通过在第二测试管节2的下方设置顶升装置，通过顶升装置顶升第二测试管节2且顶升的高度向远离第一测试管节1的方向轴向梯度增大，实现管节的偏转，通过顶升装置整体抬升第二测试管节2一定的高度，实现管节的剪切；在偏转和剪切的条件下，观察第一测试管节1和第二测试管节2是否有泄漏，实现管节在偏转和剪切条件下的密封性能测试。本发明还提供了一种顶管管节密封性能测试方法，可模拟不同顶力、流体压力、偏转和剪切条件下的工况，获取管节在不同工况下的密封效果，为工程提供借鉴。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，包括第一测试管节(1)、第二测试管节(2)、反力墙(3)、底板(4)、反力支架(5)、动力加载装置、第一承台(6)和第二承台(7)，所述反力墙(3)、所述底板(4)和所述反力支架(5)安装在地面上，所述第一测试管节(1)和第二测试管节(2)连接且位于所述反力墙(3)和所述反力支架(5)之间，所述第一测试管节(1)和所述第二测试管节(2)的端面分别与所述反力墙(3)、所述反力支架(5)相对，所述动力加载装置连接在所述反力支架(5)上且用于顶压所述第二测试管节(2)，所述第一测试管节(1)连接在所述第一承台(6)上，所述第一承台(6)连接有支脚(601)，所述支脚(601)与所述底板(4)固定连接，所述第二测试管节(2)连接在所述第二承台(7)上，所述第二承台(7)与所述底板(4)之间设有用于顶升所述第二承台(7)的顶升装置。

2.根据权利要求1所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述顶升装置包括多个第一千斤顶(8)，多个所述第一千斤顶(8)沿所述第二测试管节(2)的轴向间隔均匀设置，所述第一千斤顶(8)连接在所述底板(4)上且其活塞伸出端与所述第二承台(7)连接。

3.根据权利要求2所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述顶升装置包括2N个所述第一千斤顶(8)，其中，N≥1；2N个所述第一千斤顶(8)以所述第二测试管节(2)的轴线为对称轴两两对称设置。

4.根据权利要求1所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述动力加载装置包括两个第二千斤顶(9)，两个所述第二千斤顶(9)均位于所述第二测试管节(2)的轴线所在的水平面上，两个所述第二千斤顶(9)以所述第二测试管节(2)的轴线为对称轴对称设置，所述第二千斤顶(9)连接在所述反力支架(5)上且其活塞伸出端与所述第二测试管节(2)的端面相抵。

5.根据权利要求1所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述第一承台(6)和所述第二承台(7)均为矩形块体且分别设有槽壁与所述第一测试管节(1)、所述第二测试管节(2)的侧面相贴的凹槽(10)，所述凹槽(10)为贯通槽，所述第一承台(6)和所述第二承台(7)上设有管箍(11)。

6.根据权利要求1所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述第一测试管节(1)和所述第二测试管节(2)的连接处设有模拟地下水压力的加压装置。

7.根据权利要求6所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在在于，所述加压装置包括加压套(12)、空气压缩机(13)、水泵(14)、储水罐(15)和压力表(16)，所述加压套(12)套装于所述第一测试管节(1)与所述第二测试管节(2)的连接处，且所述加压套(12)的两端分别通过卡箍(17)与所述第一测试管节(1)、所述第二测试管节(2)连接，使所述加压套(12)与所述第一测试管节(1)、所述第二测试管节(2)之间形成加压腔，所述空气压缩机(13)通过管道与所述加压腔连通，所述储水罐(15)、所述水泵(14)和所述加压腔通过管道依次连接，所述压力表(16)与所述加压腔连通以测试所述加压腔内部的压力。

8.根据权利要求7所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述加压套(12)为橡胶套，且所述加压套(12)的轴截面中部为弧形。

9.根据权利要求8所述的顶管管节密封性能测试装置，其特征在于，所述加压套(12)的两端部的轴截面为矩形，所述加压套(12)的两端部的内壁设有一圈密封槽，所述密封槽内安装有止水橡胶圈(18)。

10.一种顶管管节密封性能测试方法，其特征在于，包括：

装置设置：

(1)在地面上安装反力墙、反力支架和底板，所述底板安装在反力墙和反力支架之间，将第一测试管节和第二测试管节连接，且分别将所述第一测试管节和所述第二测试管节分别固定在第一承台和第二承台上，将所述第一承台通过支脚固定在所述底板上，在所述第二承台和所述底板之间设置用于顶升所述第二测试管节的顶升装置，在所述反力支架上连接用于顶压所述第二测试管节端面的动力加载装置，在第一测试管节和第二测试管节的连接处套装加压套，且所述加压套的两端分别通过卡箍与所述第一测试管节和所述第二测试管节连接，使所述第一加压套与所述第一测试管节、所述第二测试管节之间形成可灌入泥水的加压腔；

(2)将所述加压腔内的气体抽出，然后在所述加压腔内注满水，再在所述加压腔内充入气体使之达到预定压力并保压；

偏转工况模拟：

(1)在所述第二测试管节上设置多个沿其轴向间隔分布的顶升点，通过所述顶升装置对各所述顶升点进行顶升，所述顶升点被顶升的高度沿远离所述第一测试管节的方向梯度增大，模拟管节偏转；并保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在无顶力时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(2)增大所述顶升点的顶升高度梯度，模拟管节偏转角的增大，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(3)保持各所述顶升点的顶升高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出无顶力时，在特定偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持各所述顶升点的顶升高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在偏转条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若所述加压腔内无液体渗出，说明在该顶力条件时，管节在该偏转角下的管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升点的顶升高度梯度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变顶升高度的梯度时，至少保持该工况半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力条件及特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大偏转角；

(6)保持各所述顶升点的顶升高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可测出在该顶力及偏转角条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持各所述顶升点的顶升高度和所述加压腔的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定偏转角和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围；

剪切工况模拟：

(1)通过所述顶升装置对所述第二测试管节整体抬升一定的高度，模拟所述第一测试管节和所述第二测试管节的剪切位移，保持该工况至少半个小时，若管节内无液体渗出，说明在无顶力时，该剪切条件下管间密封性好；

(2)增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定泥浆压力下，管节间密封允许的最大高度差；

(3)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在无顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(4)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度不变，通过所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，施加一定的顶推力，模拟管节在剪切条件下受顶力的工况，保持至少半个小时，若无液体渗出，说明在该顶力及剪切条件下，管间密封性好；

(5)回退所述动力加载装置，增大所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度，再启动所述动力加载装置对所述第二测试管节的端面进行顶压，并在每次改变抬升高度时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和剪切条件下，管节间密封允许的最大高度差；

(6)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述动力加载装置施加的顶推力不变，对所述加压腔继续充入气体，并在每次充入一定量气体时至少保压半小时，直至有液体渗出，可以测出在该顶力和特定高度差的条件下，管节间密封允许的最大流体压力；

(7)保持所述顶升装置抬升所述第二测试管节整体的高度和所述加压腔内的压力不变，逐步增加所述动力加载装置施加的顶推力，并在每次改变顶推力时至少保持该工况半个小时，直至有液体渗出，可以测出在特定剪切和流体压力条件下，管节间密封的允许顶力范围。

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