CN113390628A - 一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置及方法，装置包括尺寸相同的第一拱形管片段单元和第二拱形管片段单元，第一拱形管片段单元包括管片试件A和管片试件B，管片试件A与管片试件B之间纵向连接；第二拱形管片段单元包括管片试件C和管片试件D，管片试件C与管片试件D之间纵向连接；管片试件A和管片试件B之间的纵向接缝内、所述管片试件C和管片试件D之间的纵向接缝内以及两个拱形管片段单元之间的环向接缝内均设有密封垫，不同管片试件所属密封垫的贴合面设有薄膜应变片，所述薄膜应变片通过屏蔽电缆线外接于采集分析仪；从而测试得到密封垫的防水性能。

Description

一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置 及方法

技术领域

本发明涉及盾构管片密封垫防水性能检测领域，是一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置。

背景技术

伴随轨道交通运营里程的不断扩大，区间盾构隧道的病害问题越来越多样化。其中，盾构隧道防水是埋入富水地层区段的关键问题。由于现有盾构隧道多为拼装式结构，故盾构隧道管片接缝处易发生漏水，在所有管片接缝防水的措施中，密封垫防水是防水的重点。

然而，随着盾构隧道服役年限的不断增加，密封垫的服役寿命是必须要关注的问题。而在实际工程中，盾构隧道一直深埋于地下，而密封垫又处于管片接缝之间非常狭小、紧密的空间内，因此对密封垫防水服役性能的现场监测较为困难。故现有研究大多数都是通过实验来检测密封垫的防水性能，例如CN107121245A通过简化模具对盾构隧道两道密封垫的防水性能进行测试。CN107817078A考虑了隧道错缝拼装形式，设计模具对“十字缝”状密封垫进行防水能力检测。

目前研究有如下几点缺陷:

1.较少采用足尺试验进行研究。目前研究大多是建立小型模具进行对密封垫-管片进行模拟，不能如实反映盾构隧道拼装即管片与管片之间连接的真实情况，导致接缝处的密封垫受力情况过于单一，所测出的防水能力可靠度不高。

2.不能检测循环荷载下密封垫的防水性能。密封垫的材料本质上是橡胶，而橡胶的相关性能及服役寿命受荷载疲劳老化影响较大，现有模具中对密封垫的加载方式多为单一应力下的挤压，未能体现长时间循环荷载对密封垫防水性能的影响。

发明内容

本发明的目的在于开发一种试验测试装置，克服既有措施的弊端，提供一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，包括：

尺寸相同的第一拱形管片段单元和第二拱形管片段单元，两个拱形管片段单元之间环向拼接形成测试用拱形管片段，其中，

所述第一拱形管片段单元包括管片试件A和管片试件B，管片试件A与管片试件B之间纵向连接；

所述第二拱形管片段单元包括管片试件C和管片试件D，管片试件C与管片试件D之间纵向连接；

所述管片试件A和管片试件B之间的纵向接缝内、所述管片试件C和管片试件D之间的纵向接缝内以及两个拱形管片段单元之间的环向接缝内均设有密封垫，不同管片试件所属密封垫的贴合面设有薄膜应变片，所述薄膜应变片通过屏蔽电缆线外接于采集分析仪；

所述测试用拱形管片段的环向两端设有环缝加载板；

所述测试用拱形管片段的纵向两端设有纵缝加载板；

所述环缝加载板和纵缝加载板外侧安装有千斤顶，千斤顶通过屏蔽电缆线外接于电子控制。

所述管片试件A、管片试件B、管片试件C和管片试件D的材料均为C50标号的钢筋混凝土。

所述环缝加载板形状为U型，将所述测试用拱形管片段的环向侧面紧密包裹，起到限位和荷载传递的双重作用，材料为钢。

所述纵缝加载板接口形状为L型，与测试用拱形管片段的纵向折角紧密贴合，起到限位和荷载传递的双重作用，材料为钢。

所述密封垫为盾构管片接缝处的防水层，截面为多孔结构，位于管片试件预设的密封垫沟槽内，与管片试件紧密贴合，

密封垫截面满足以下要求：

密封垫沟槽的截面积大于或等于密封垫截面的截面积，其关系符合：

A=（1~1.15）A₀

式中，A为密封垫沟槽的面积，A₀为密封垫的面积。此实例中，A=358.6mm²，A₀=351.2mm²。

所述密封垫材料为三元乙丙橡胶，邵尔硬度为55~65HA。

所述的薄膜应变片位于两块管片试件密封垫之间的界面处，为条状，与密封垫交界面紧密贴合，电阻值为120±1Ω，室温应变极限为20000

，供电电压为3~10V，灵敏系数为2.1±2%。

所述环缝加载板外侧的千斤顶数量包括多个，多个千斤顶在环缝加载板外侧均匀间隔布置，每个千斤顶分别通过屏蔽电缆线外接于电子控制器；

所述纵缝加载板外侧的千斤顶数量包括多个，多个千斤顶在纵缝加载板外侧均匀间隔布置，每个千斤顶分别通过屏蔽电缆线外接于电子控制器。

本发明进一步公开了一种基于所述盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置的测试方法，包括以下步骤：

将千斤顶分为2组，第一组为环缝加载板上的，其施加的力记为F1；第二组为纵缝加载板上的，其施加的力记为F2，在测试纵缝密封垫的性能时，要求纵缝加载板上的荷载为循环荷载，即

，环缝加载板上的荷载为恒定荷载

，通过电子控制器对千斤顶的加载模式进行控制，此时的加载模式F如下：

其中，A为盾构隧道设计荷载作用下的管片最不利截面轴力，在实验过程中取为850KN；

为加载角频率，依据加载频率f确定，两者关系为

，在实验过程中取f=5Hz；

为加载时间，与实验要求的疲劳次数有关，例如100万次循环加载的话，需加

秒；

实验加载完毕后，采集薄膜应变片上的数据，得到密封垫上的接触应力P₀，为判断此时密封垫是否还具有防水能力，记外部水压为P_w：

当接触压力与水压满足式（1），认为在经过循环荷载作用下，密封垫可以防水，

（1）

式（1）中，P _W 为设计水压，P ₀ 为密封垫接触压力。

有益效果：

与上述现有技术相比，本发明的测试对象为多块管片错缝拼装的足尺模型，与工程实际工况相符合。多个千斤顶在电子控制器的控制下，可实现对加载幅度、加载频率进行调节吗，实现循环荷载的加载模式。

环缝加载板、纵缝加载板起到将千斤顶的点荷载转换为均布荷载的施加方式，更符合实际工程情况，同时也有限位作用，防止加载过程中失稳情况的发生，使得试验结果更加合理有效。

采集分析仪可接收密封垫接触面的相关应力应变信息，实现对密封垫防水性能的评价。

附图说明

图1是本发明的装置整体示意图；

图2是本发明的环缝密封垫测试加载示意图；

图3是本发明的纵缝密封垫测试加载示意图；

图4为本发明密封垫上的接触应力P₀和外部水压为P_w的关系图；

其中，1、管片试件A，2、管片试件B，3、管片试件C，4、管片试件D，5、环缝加载板，6、纵缝加载板，7、千斤顶，8、密封垫，9、薄膜应变片，10、屏蔽电缆线，11、采集分析仪，12、电子控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

图1为本实施实例为一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置。包括管片试件1、管片试件2、管片试件3、环缝加载板4、纵缝加载板5、千斤顶6、密封垫7、薄膜应变片8、屏蔽电缆线9、采集分析仪10、电子控制器11。

图2是本发明的环缝密封垫测试加载示意图，位于管片试件A1、管片试件B2、管片试件C3环向两侧的环缝加载板4上的千斤顶6施加循环荷载，同时纵向两侧的千斤顶7施加恒定荷载。

图3是本发明的纵缝密封垫测试加载示意图，位于管片试件A1、管片试件B2、管片试件C3纵向两侧的纵缝加载板6上的千斤顶7施加循环荷载，同时环向两侧的千斤顶7施加恒定荷载。

本发明盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置的测试方法及如何判断是否漏水：

如图3纵缝密封垫测试加载为例进行说明。在测试过程中，将千斤顶分为2组，组（1）为环缝加载板上的，其施加的力记为F1。组（2）为纵缝加载板上的，其施加的力记为F2。在测试纵缝密封垫的性能时，要求纵缝加载板6上的荷载为循环荷载，即

，环缝加载板5上的荷载为恒定荷载

。在实际操作过程中，通过电子控制器12对千斤顶7的加载模式进行控制，此时的加载模式F如下：

其中，A为盾构隧道设计荷载作用下的管片最不利截面轴力，在实验过程中取为850KN。

为加载角频率，依据加载频率f确定，两者关系为

，在实验过程中取f=5Hz。

为加载时间，与实验要求的疲劳次数有关，例如100万次循环加载的话，需加

秒，约56小时。

在实验加载完毕后，采集薄膜应变片上的数据，得到密封垫上的接触应力P₀，为判断此时密封垫是否还具有防水能力，记外部水压为P_w，两者关系如图4所示。

当接触压力与水压满足式（1），可以认为在经过循环荷载作用下，密封垫可以防水。

（1）

式（1）中，P _W 为设计水压，P ₀ 为密封垫接触压力。

在此次实验过程中，得到P₀=0.95Mpa，P_w可如下确定：

以浅埋盾构隧道为例，浅埋盾构隧道底部的最大埋深约为20m，其静水压力为0.2MPa，由于弹性密封垫在设计年限内会受到老化的影响，因此防水压力设计值一般会在最大实际防水压力值的基础上乘以1个安全系数。根据《盾构法隧道防水技术规程》(DGTJ08-50-2012)规定:设计水压应为实际承受最大水压的2~3倍，本实验中安全系数取3，故设计水压取0.6MPa。即P_w=0.6Mpa，此时

，故密封垫还具有防水作用。

如图2进行环缝密封垫测试加载时，此时的加载模式F如下：

其余实验过程与纵缝密封垫测试一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，包括：

尺寸相同的第一拱形管片段单元和第二拱形管片段单元，两个拱形管片段单元之间环向拼接形成测试用拱形管片段，其中，

所述第一拱形管片段单元包括管片试件A和管片试件B，管片试件A与管片试件B之间纵向连接；

所述第二拱形管片段单元包括管片试件C和管片试件D，管片试件C与管片试件D之间纵向连接；

所述管片试件A和管片试件B之间的纵向接缝内、所述管片试件C和管片试件D之间的纵向接缝内以及两个拱形管片段单元之间的环向接缝内均设有密封垫7，不同管片试件所属密封垫7的贴合面设有薄膜应变片8，所述薄膜应变片8通过屏蔽电缆线9外接于采集分析仪10；

所述测试用拱形管片段的环向两端设有环缝加载板4；

所述测试用拱形管片段的纵向两端设有纵缝加载板5；

所述环缝加载板4和纵缝加载板5外侧安装有千斤顶6，千斤顶6通过屏蔽电缆线9外接于电子控制器11。

2.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述管片试件A、管片试件B、管片试件C和管片试件D的材料均为C50标号的钢筋混凝土。

3.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述环缝加载板4形状为U型，将所述测试用拱形管片段的环向侧面紧密包裹，起到限位和荷载传递的双重作用，材料为钢。

4.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述纵缝加载板5接口形状为L型，与测试用拱形管片段的纵向折角紧密贴合，起到限位和荷载传递的双重作用，材料为钢。

5.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述密封垫7为盾构管片接缝处的防水层，截面为多孔结构，位于管片试件预设的密封垫沟槽内，与管片试件紧密贴合，

密封垫截面满足以下要求：

密封垫沟槽的截面积大于或等于密封垫截面的截面积，其关系符合：

A=（1~1.15）A₀

式中，A为密封垫沟槽的面积，A₀为密封垫的面积。

6.此实例中，A=358.6mm²，A₀=351.2mm²。

7.根据权利要求5所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述密封垫材料为三元乙丙橡胶，邵尔硬度为55~65HA。

8.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述的薄膜应变片8位于两块管片试件密封垫之间的界面处，为条状，与密封垫交界面紧密贴合，电阻值为120±1Ω，室温应变极限为20000

，供电电压为3~10V，灵敏系数为2.1±2%。

9.根据权利要求1所述的盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置，其特征在于，所述环缝加载板外侧的千斤顶数量包括多个，多个千斤顶在环缝加载板外侧均匀间隔布置，每个千斤顶分别通过屏蔽电缆线外接于电子控制器；

所述纵缝加载板外侧的千斤顶数量包括多个，多个千斤顶在纵缝加载板外侧均匀间隔布置，每个千斤顶分别通过屏蔽电缆线外接于电子控制器。

10.一种基于权利要求1~8中任一所述盾构管片密封垫循环荷载作用下防水性能退化测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

将千斤顶分为2组，第一组为环缝加载板上的，其施加的力记为F1；第二组为纵缝加载板上的，其施加的力记为F2，在测试纵缝密封垫的性能时，要求纵缝加载板上的荷载为循环荷载，即

，环缝加载板上的荷载为恒定荷载

，通过电子控制器对千斤顶的加载模式进行控制，此时的加载模式F如下：

其中，A为盾构隧道设计荷载作用下的管片最不利截面轴力，在实验过程中取为850KN；

为加载角频率，依据加载频率f确定，两者关系为

，在实验过程中取f=5Hz；

为加载时间，与实验要求的疲劳次数有关，例如100万次循环加载的话，需加

秒；

实验加载完毕后，采集薄膜应变片上的数据，得到密封垫上的接触应力P₀，为判断此时密封垫是否还具有防水能力，记外部水压为P_w：

当接触压力与水压满足式（1），认为在经过循环荷载作用下，密封垫可以防水，

（1）

式（1）中，P _W 为设计水压，P ₀ 为密封垫接触压力。

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