CN113125066A - 一种单环管片上浮力试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种单环管片上浮力试验装置，包括箱体和管片上浮模型，所述箱体的顶部开口，所述管片上浮模型包括外筒和内铁筒模型，所述内铁筒装满砂子以满足模型相似比要求，所述内铁筒模型位于外筒内腔，所述外筒内腔的上部设有注浆口，所述外筒位于箱体内，所述注浆管与注浆管连接，所述注浆管穿过所述箱体侧壁与储浆罐连通，所述内铁筒模型顶部设置连接管，所述连接管穿过所述外筒的顶面与测力计连接，所述测力计与反力架连接，所述反力架安装在机架上。以及提供一种单环管片上浮力试验方法。本发明可在实验室模拟单环管片同步注浆的全过程，以便于研究管片上浮的作用机理。

Description

一种单环管片上浮力试验装置及其方法

技术领域

本发明属于盾构施工领域，涉及一种单环管片上浮力试验装置及其方法。

背景技术

由于地上空间的大量使用，交通运行已出现早、晚工作日；节假日严重堵车的现状。目前我国已开始大量投入资金向地下空间的开发当中，地铁、隧道在如火如荼地建设。在地铁施工中，施工机具以盾构为主。盾构分为泥水平衡、土压平衡以及泥气压平衡几种原理的种类。

采用盾构施工具有施工速度快、噪音小、受外界环境影响小、可有效的保证施工的工期以及掘进的准确问题等优点。但是，由于地下土层情况的突变，盾构推进需要适当调整盾构机施工参数，这仅仅靠的是盾构机司机的经验而来，并未有准确的理论指导。

盾构机推进过程中，由于盾构机直径比管片大，故管片脱离盾尾时，地层与管片之间会产生建筑空隙。由于开挖，土体也会发生应力重分布从而产生隆起效应。工程中，为防止空隙导致地层发生位移变形、地表发生沉降，故采用同步注浆技术填满建筑空隙。考虑浆液会对管片产生浮力，当管片自重小于管片上浮力时，管片则会发生上浮从而会导致管片规律性错台破坏发生渗水事故。但目前从室内研究的角度研究管片上浮少之又少，大量采用数值模拟的方法进行模拟，无法了解浆液在建筑空隙中真实的力学特性作用。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种单环管片上浮力试验装置及其方法，可在实验室模拟单环管片同步注浆的全过程，以便于研究管片上浮的作用机理，。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单环管片上浮力试验装置，包括箱体和管片上浮模型，所述箱体的顶部开口，所述管片上浮模型包括外筒和内铁筒模型，所述内铁筒装满砂子以满足模型相似比要求，所述内铁筒模型位于外筒内腔，所述外筒内腔的上部设有注浆口，所述外筒位于箱体内，所述注浆管与注浆管连接，所述注浆管穿过所述箱体侧壁与储浆罐连通，所述内铁筒模型顶部设置连接管，所述连接管穿过所述外筒的顶面与测力计连接，所述测力计与反力架连接，所述反力架安装在机架上。

进一步，所述机架包括位于箱体相对的两侧的钢架，两个钢架分别连接至顶部的反力架。

所述储浆罐与空气压力机连接，所述空气压力机与储浆罐的连通管道上设置压力表。采用空气加压原理加压注浆，由空压机加压，调整压力表值，将储浆罐中的浆液注入建筑空隙中。

优选的，所述外筒的顶部设有备用注浆口，备用注浆口内安装密封盖。若因浆液黏度太大，空压机无法注入，装置设置设有备用注浆口，利用重力将浆液流入空隙中，填满后将此密封盖盖住；

所述连接管为钢管，设置两根钢管将外筒与内铁筒悬空挂住。考虑边界效应，外筒与模型箱内壁留一定的距离。

所述装置包括上浮力测量组件，所述上浮力测量组件包括一个测力计和6个压力传感器，其中3个压力传感器均匀埋设在内铁筒模型的顶部外边缘，其他3个压力传感器均匀埋设在内铁筒模型的底部外边缘。

所述内铁筒模型的顶部外边缘和底部外边缘设有埋置口。

优选的，所述箱体采用钢化玻璃制成，所述模型箱侧面钢化玻璃表面每隔10cm设置标记带。目的便于观察浆液填充规律以及管片上浮量。

本发明中，反力架用于控制管片与土体处于四周不接触状态。土体开挖面采用有机玻璃制成，直径根据工程概况利用相似比得到。当利用注浆管注浆时，备用注浆口不打开保持气密性，所述备用注浆口由密封盖密封。

考虑装置密封性以及管片上浮运动可能使钢管出现拉力，故在内铁筒模型与外筒之间的钢管外设置可伸缩尼龙管，可伸缩尼龙管上端与外筒的内壁连接，可伸缩尼龙管的下端与内铁筒模型的顶面连接；既能保证密封又可以使钢管随管片运动而运动，不产生多余的力。

所述外筒的顶面设置环片，所述环片固定在外筒的顶面，所述连接管穿过所述环片。

所述压力传感器的传感线通过可伸缩尼龙管穿出外筒，穿出的孔由玻璃胶密封，所述压力传感器连接数据采集仪，由电脑设置自动采集数据，从而得到浆液从注入到浆液凝固状态的压力数据，计算得到压力差并与反力架处的测力计读数进行对比论证，得到在整个注入过程中管片模型的上浮规律。

一种单环管片上浮力试验方法，包括以下步骤：

步骤1，将内铁筒模型装满砂子并密封作为管片模型；

步骤2，根据设计的建筑空隙大小，架设设定高度的反力架；

步骤3，截好距离的连接管焊接在内铁筒模型的上顶部，分别布置在上部左右侧设定位置；

步骤4，预先在外筒对应内铁筒模型焊接的位置开设钢管同样大小的孔口并制作完成内径等大、外径比孔口大的环片，并在孔口左右侧开设螺栓口，通过拧紧螺栓将环片固定在外筒顶部，至此完成管片上浮模型；

步骤5，上部连接管通过测力计连接至反力架；

步骤6，在外筒右侧上端开设孔口作为注浆口，连接注浆管、储浆罐和空气压力机，在空气压力机出口处设置压力表；

步骤7，在外筒上部右端开设备用注浆口，所述备用注浆口的孔口大小可以提供浆液靠重力流入；

步骤8，在内铁筒模型与外筒之间的连接管外设置可伸缩尼龙管，可伸缩尼龙管上端与外筒的内壁连接，可伸缩尼龙管的下端与内铁筒模型的顶面连接，用玻璃胶将其固定；

步骤9，在内铁筒模型顶部和底部埋设压力传感器，将传感线通过可伸缩尼龙套管内部引出外筒外，至数据采集仪并最终连接至电脑；

步骤10，打开空气压力机，调整压力表至浆液可泵出，观察浆液注入情况，设置数据采集仪为自动监测，并在注入界面读取上方测力计的读数并记录时间，最终与数据采集仪对应时间的数据进行对比论证，从而得到在整个注入过程中管片模型的上浮规律。

本发明的有益效果主要表现在：

1、试验装置结构简单，造价低廉，方便好用。

2、利用装置实施所述的试验方法，可在实验室模拟浆液注入过程，以便了解单环管片浆液注入规律以及管片上浮规律。

3、本发明利用可伸缩尼龙套管解决了密封性问题以及由于管片上浮运动导致钢管增加多余应力问题，可随着运动尼龙套管上下运动，保证测力计数据更加精确。

附图说明

图1是单环管片上浮力试验装置的正视图。

图2是单环管片上浮力试验装置的侧视图。

图3是压力传感器的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种单环管片上浮力试验装置，包括箱体17和管片上浮模型，所述管片上浮模型包括外筒8和内铁筒模型7，连接内铁筒模型7的连接管(钢管3)，其中内铁筒模型7装满砂子以满足模型相似比要求；

所述箱体17的顶端设有用于放入模型的开口及反力架1，所述箱体相对的两侧均设钢架19、20分别连接至顶部的反力架1，所述箱体右侧设开口用于注浆管13的埋设。

所述注浆装置设有空气压力机装置16，采用空气加压原理加压注浆，由空压机16加压，调整压力表15，将储浆罐14中的浆液注入建筑空隙中。若因浆液黏度太大，空压机16无法注入，装置设置设有备用注浆口12，利用重力将浆液流入空隙中，填满后将此开口密封盖盖住。

所述开挖面土体模型装置则在内铁筒模型7外，外设两根连接管(钢管3)将外筒8与内铁筒模型7悬空挂住，考虑边界效应，外筒8与箱体17内壁留一定的距离。外筒8顶部设开口作为备用注浆口12并配置密封盖。

所述装置包括上浮力测量组件，所述上浮力测量组件包括一个测力计2，六个压力传感器6，测力计2连接固定于箱体17上部的反力架1上，下部连接两根连接管(钢管3)悬挂管片土体模型。六个压力传感器6分别三个均匀埋设在内铁筒模型7的顶部外边缘，三个均匀埋设在内铁筒模型7的底部外边缘。

所述箱体17侧面钢化玻璃表面每隔10cm设置标记带18，目的便于观察浆液填充规律以及管片上浮量。

所述备用注浆口12，开设在外筒8的右上部，当利用注浆管13注浆时，此备用注浆口12不打开，保持气密性。备用注浆口由密封盖密封。

两根连接管(钢管3)连接内铁筒模型7以及反力架1，穿过外筒8；考虑装置密封性以及管片上浮运动可能使连接管(钢管3)出现拉力，故在内铁筒模型7与外筒8空隙部分设置可伸缩尼龙管4，既能保证密封又可以使钢管3随内铁筒7运动而运动，不产生多余的力。

所述压力传感器6的传感线5通过可伸缩尼龙管4穿出模型箱17，穿出的孔由玻璃胶密封。

所述的数据采集过程，由电脑11连接数据采集仪10设置自动采集数据，从而得到浆液从注入到浆液凝固状态的压力数据，计算得到压力差并与反力架1处的测力计2读数相论证。

一种单环管片上浮力试验方法，包括以下步骤：

步骤1，将内铁筒模型7装满砂子并密封作为管片模型；

步骤2，根据设计的建筑空隙大小，架设设定高度的反力架1；

步骤3，截好距离的连接管(钢管3)焊接在内环铁筒7的上顶部，分别布置在上部左右侧设计位置；

步骤4，预先在外筒8有机玻璃对应内铁筒模型7焊接的位置开设钢管3同样大小的孔口并制作完成内径等大、外径稍大的环片，并在孔口左右测开设螺栓口，拧紧螺栓9固定环片，至此完成管片上浮模型；

步骤5，上部连接管(钢管3)通过测力计2连接至反力架1；

步骤6，在外筒8右侧上端开设孔口作为注浆口，连接注浆管13、储浆罐14和空气压力机16，在空气压力机16出口处设置压力表15；

步骤7，在外筒8上部右端开设备用注浆口12，孔口大小方便浆液靠重力流入；

步骤8，在内铁筒模型7与外筒8之间的连接管3外设置可伸缩尼龙管4，可伸缩尼龙管4上端与外筒8的内壁连接，可伸缩尼龙管4的下端与内铁筒模型7的顶面连接，用玻璃胶将其固定；

步骤9，在内铁筒模型7顶部和底部的设计位置开孔，埋设压力传感器6，将传感线5通过可伸缩尼龙套管4内部引出箱体17外，至数据采集仪10，采用全桥方式连接，并最终连接至电脑11；

步骤10，打开空气压力机16，调整压力表15至浆液可泵出，观察浆液注入情况，设置数据采集仪10为自动监测，并在典型的注入界面读取上方测力计2的读数并记录时间，最终与数据采集仪10对应时间的数据进行对比论证，从而得到在整个注入过程中管片模型的上浮规律。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述装置包括箱体和管片上浮模型，所述箱体的顶部开口，所述管片上浮模型包括外筒和内铁筒模型，所述内铁筒装满砂子以满足模型相似比要求，所述内铁筒模型位于外筒内腔，所述外筒内腔的上部设有注浆口，所述外筒位于箱体内，所述注浆管与注浆管连接，所述注浆管穿过所述箱体侧壁与储浆罐连通，所述内铁筒模型顶部设置连接管，所述连接管穿过所述外筒的顶面与测力计连接，所述测力计与反力架连接，所述反力架安装在机架上。

2.如权利要求1所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述机架包括位于箱体相对的两侧的钢架，两个钢架分别连接至顶部的反力架。

3.如权利要求1或2所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述储浆罐与空气压力机连接，所述空气压力机与储浆罐的连通管道上设置压力表。

4.如权利要求3所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述外筒的顶部设有备用注浆口，备用注浆口内安装密封盖。

5.如权利要求1或2所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述连接管为钢管，设置两根钢管将外筒与内铁筒悬空挂住。

6.如权利要求1或2所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述装置包括上浮力测量组件，所述上浮力测量组件包括一个测力计和6个压力传感器，其中3个压力传感器均匀埋设在内铁筒模型的顶部外边缘，其他3个压力传感器均匀埋设在内铁筒模型的底部外边缘。

7.如权利要求1或2所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述箱体采用钢化玻璃制成，所述模型箱侧面钢化玻璃表面每隔10cm设置标记带。

8.如权利要求1或2所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，在内铁筒模型与外筒之间的钢管外设置可伸缩尼龙管，可伸缩尼龙管上端与外筒的内壁连接，可伸缩尼龙管的下端与内铁筒模型的顶面连接。

9.如权利要求8所述的一种单环管片上浮力试验装置，其特征在于，所述压力传感器的传感线通过可伸缩尼龙管穿出外筒，穿出的孔由玻璃胶密封，所述压力传感器连接数据采集仪，由电脑设置自动采集数据，从而得到浆液从注入到浆液凝固状态的压力数据，计算得到压力差并与反力架处的测力计读数进行对比论证，得到在整个注入过程中管片模型的上浮规律。

10.一种如权利要求1所述的单环管片上浮力试验装置实现的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将内铁筒模型装满砂子并密封作为管片模型；

步骤2，根据设计的建筑空隙大小，架设设定高度的反力架；

步骤3，截好距离的连接管焊接在内铁筒模型的上顶部，分别布置在上部左右侧设定位置；

步骤4，预先在外筒对应内铁筒模型焊接的位置开设钢管同样大小的孔口并制作完成内径等大、外径比孔口大的环片，并在孔口左右侧开设螺栓口，通过拧紧螺栓将环片固定在外筒顶部，至此完成管片上浮模型；

步骤5，上部连接管通过测力计连接至反力架；

步骤6，在外筒右侧上端开设孔口作为注浆口，连接注浆管、储浆罐和空气压力机，在空气压力机出口处设置压力表；

步骤7，在外筒上部右端开设备用注浆口，所述备用注浆口的孔口大小可以提供浆液靠重力流入；

步骤8，在内铁筒模型与外筒之间的连接管外设置可伸缩尼龙管，可伸缩尼龙管上端与外筒的内壁连接，可伸缩尼龙管的下端与内铁筒模型的顶面连接，用玻璃胶将其固定；

步骤9，在内铁筒模型顶部和底部埋设压力传感器，将传感线通过可伸缩尼龙套管内部引出外筒外，至数据采集仪并最终连接至电脑；

步骤10，打开空气压力机，调整压力表至浆液可泵出，观察浆液注入情况，设置数据采集仪为自动监测，并在注入界面读取上方测力计的读数并记录时间，最终与数据采集仪对应时间的数据进行对比论证，从而得到在整个注入过程中管片模型的上浮规律。

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