CN113418647B - 一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构试验技术领域，公开了一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法，上浮力试验装置包括透明外筒、钢内筒、注浆管、土压力盒和弹簧测力计，钢内筒设于透明外筒内且二者之间形成环形的建筑空隙；注浆管可移动地设于建筑空隙内，土压力盒嵌入安装在钢内筒的外侧壁上，弹簧测力计连接于钢内筒的内侧壁和压力传感器。本发明设置透明外筒模拟盾构开挖面，设置钢内筒模拟盾构管片，在二者形成的建筑空隙内注入浆液，可以直观的观察到浆液在建筑空隙内的流动情况，得到浆液时变性对盾构管片上浮的影响范围，从而解决了对于盾构管片的上浮力试验只能检测单点压力以及上浮力检测不准确的问题。

Description

一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及盾构试验技术领域，尤其涉及一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法。

背景技术

随着城市交通的迅速发展，地下空间的开发利用也日益增长。盾构法因其施工便利、噪声小、施工速度快的特点被广泛使用在地铁隧道工程建设中。工程实践中，盾构掘进过程会对周边土体产生扰动以及造成地表沉降隆起等问题，其主要原因是当盾尾脱出拼装好的盾构管片后，在施工断面和盾构管片外壁之间产生建筑空隙，若不及时填满该建筑空隙，产生的地层损失势必导致地层变形和隧道结构位移，进而对邻近建构筑物的安全产生危害。

同步注浆技术目前是填充该建筑空隙最好的方法，但是由于浆液凝固需要一定的时间，当浆液浮力大于盾构管片自重并且凝结时间较长时，盾构管片发生上浮，则会导致盾构管片螺栓发生剪切破坏以及盾构管片发生错台等工程危害。故控制同步注浆技术是控制管片破坏的关键程序。

目前测量盾构管片上浮力的方法中，很少测量多环盾构管片的整体受力影响，未能考虑浆液的时变性对盾构管片上浮力的影响，使用土压力盒检测的方法进行盾构管片上浮力测量，只能监测一个点的压力，这样的压力差相对浮力比较不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法，以解决对于盾构管片的上浮力试验只能检测单点压力和检测不准确的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明首先提供一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置，包括：

透明外筒，所述透明外筒的内侧壁设有固定护盾；

钢内筒，设于所述透明外筒内且所述钢内筒止抵在所述固定护盾上以限位，所述透明外筒和所述钢内筒之间形成环形的建筑空隙；

注浆管，所述注浆管可移动地设于所述建筑空隙内以向所述建筑空隙内注入浆液；

土压力盒，设有多个，多个所述土压力盒间隔设置且嵌入安装在所述钢内筒的外侧壁上，多个所述土压力盒的压力数据接入数据采集仪；

弹簧测力计，所述弹簧测力计的一端连接于所述钢内筒的内侧壁且与多个所述土压力盒的位置对应设置，所述弹簧测力计的另一端连接压力传感器，所述压力传感器连接所述数据采集仪。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括模型箱，所述模型箱的正面沿轴向间隔设置多个黑胶带作为标记以进行分环注浆；所述模型箱的一端设置法兰盘护盾，另一端为完全开口状态，所述透明外筒能够止抵在所述法兰盘护盾上并悬置于所述模型箱内。

可选地，多个所述土压力盒设有多组，多组所述土压力盒沿所述钢内筒的长轴方向间隔设置，每组多个所述土压力盒沿所述钢内筒的外侧壁的周向间隔设置。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括中心支架，所述中心支架的一端固定在所述钢内筒外侧的固定支架上，另一端穿设在所述钢内筒的内部且沿所述钢内筒的中心轴设置，所述压力传感器固定在所述中心支架上。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括移动护盾，所述移动护盾设于所述建筑空隙内，所述注浆管固定于所述移动护盾上。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括电拉车，所述电拉车通过线缆连接所述移动护盾以驱动所述移动护盾在所述建筑空隙内移动。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括加强筋，所述加强筋设于所述钢内筒的内侧且两端分别连接所述钢内筒的内侧壁和所述中心支架。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括反力支撑件，所述反力支撑件设于所述固定支架上，所述反力支撑件能够止抵在所述钢内筒的端盖上以固定所述钢内筒。

可选地，所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括储液罐和挤压泵，顺次连接于所述注浆管的入口，所述挤压泵被配置为将所述储液罐内的浆液泵入所述注浆管内以实现注浆。

本发明还提供一种围岩中盾构管片的上浮力试验方法，根据所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置，包括如下步骤：

S1，初始状态，注浆管的出口位于建筑空隙内朝向固定护盾的一端；

S2，通过所述注浆管向所述建筑空隙内注入浆液，所述注浆管在注浆过程中连续移动，移动方向为远离所述固定护盾的方向；

S3，数据采集仪实时采集土压力盒的第一压力数据、压力传感器的第二压力数据和弹簧测力计的弹力数据，并发送至上位机进行数据处理。

本发明的有益效果：

本发明的一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置，设置透明外筒模拟盾构开挖面，设置钢内筒模拟盾构管片，在二者形成的建筑空隙内注入浆液，可以直观的观察到浆液在建筑空隙内的流动情况；同时通过多个土压力盒测量浆液压力，并可以通过多个弹簧测力计测量钢内筒的侧壁受到的压力，再通过压力传感器实时采集该压力并上传至数据采集仪，因此该试验装置可以实现同步注浆的注入过程，模拟测量整个注浆过程中盾构管片的上浮力，得到浆液逐渐固化过程压力的时变性对盾构管片上浮的影响范围，检测数据丰富且结果准确，便于研究盾构管片上浮力，从而解决了对于盾构管片的上浮力试验只能检测单点压力以及上浮力检测不准确的问题。

本发明的一种围岩中盾构管片的上浮力试验方法，通过采用同步注浆的注入过程，利用整体弹簧测力与土压力盒测力相结合，考虑整个注浆过程中盾构管片的上浮力，将压力数据上传至上位机进行数据处理，可以得到浆液时变性对盾构管片上浮的影响范围，便于研究盾构管片上浮力，从而实现对盾构管片上浮的控制方法。

附图说明

图1是本发明的一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明的一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置的一个横截面结构示意图；

图3是图1中A区域放大示意图；

图4是图1总B区域放大示意图。

图中：

1.透明外筒；101.固定护盾；102.建筑空隙；2.钢内筒；3.注浆管；4.土压力盒；5.弹簧测力计；6.压力传感器；7.数据采集仪；71.上位机；8.模型箱；9.中心支架；10.固定支架；11.移动护盾；12.密封滑套；13.电拉车；14.加强筋；15.反力支撑件15；16.储液罐；17.挤压泵；18.压力调节阀；19.流量计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提供一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法，用以解决对于盾构管片的上浮力试验只能检测单点压力和检测不准确的问题。结合图1-图4，一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置包括透明外筒1、钢内筒2、注浆管3、土压力盒4和弹簧测力计5，其中，透明外筒1的内侧壁设有固定护盾101，钢内筒2设于透明外筒1内且钢内筒2止抵在固定护盾101上以限位，透明外筒1和钢内筒2之间设有环形的建筑空隙102；注浆管3可移动地设于建筑空隙102内以向建筑空隙102内注入浆液；土压力盒4设有多个，多个土压力盒4间隔设置且嵌入安装在钢内筒2的外侧壁上，多个土压力盒4的压力数据接入数据采集仪7；弹簧测力计5的一端连接于钢内筒2的内侧壁且与钢内筒2的外侧壁上的多个土压力盒4的位置对应设置，弹簧测力计5的另一端连接压力传感器6，压力传感器6连接数据采集仪7。

需要解释说明的是，设置透明外筒1，当注浆管3向建筑空隙102内注浆时，可以直观看到浆液的流动和扩散形式，便于控制注浆管3的移动注浆。土压力盒4的设置数量多于弹簧测力计5的数量，数据采集仪7获得相应压力和弹力数据后上传至上位机71进行数据处理，可以通过计算得到钢内筒2整体的压力差，并跟弹簧测力计5的弹力进行对比，以便于得到更精确的试验监测数据，已得到克服盾构管片上浮的注浆速度和注浆方法等。固定护盾101如图3所示，固定护盾101的侧面与钢内筒2的底面相抵以限定钢内筒2伸入透明外筒1内的深度，固定护盾101的端面与钢内筒2的侧壁相抵以限定钢内筒2在透明外筒1内的周向位置，使得钢内筒2能够悬置于透明外筒1内，二者之间形成建筑空隙102。

本实施例提供的一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置，设置透明外筒1模拟盾构开挖面，设置钢内筒2模拟盾构管片，在二者形成的建筑空隙102内注入浆液，可以直观的观察到浆液在建筑空隙102内的流动情况；同时通过多个土压力盒4测量浆液压力，并可以通过多个弹簧测力计5测量钢内筒2的侧壁受到的弹力，再通过压力传感器6实时采集钢内筒2的压力并上传至数据采集仪7，因此该试验装置可以实现同步注浆的注入过程，模拟测量整个注浆过程中盾构管片的上浮力，得到浆液逐渐固化过程压力的时变性对盾构管片上浮的影响范围，检测数据丰富且结果准确，便于研究盾构管片上浮力，从而解决了对于盾构管片的上浮力试验只能检测单点压力以及上浮力检测不准确的问题。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括模型箱8，模型箱8的正面沿轴向间隔设置多个黑胶带作为标记以进行分环注浆；模型箱8的一端设置法兰盘护盾，另一端为完全开口状态，透明外筒1能够止抵在法兰盘护盾上并悬置于模型箱1内。

模型箱8上法兰盘护盾的设置与透明外筒1上固定护盾101的设置形式相同，采用法兰盘护盾与透明外筒1的底部和侧壁相抵接的形式限位，实现透明外筒1悬置于模型箱8的结构。模型箱8的一个侧端面开口利于安装透明外筒1。黑胶带沿模型箱8的长轴方向间隔设置在模型箱8上，便于根据黑胶带的位置来进行分环浇筑，控制注浆管3的移动位置和移动速度，使得每个环段浇筑浆液满建筑空隙102后再移动到下一个环段进行注浆，优选设置黑胶带之间间隔150mm。

可选地，多个土压力盒4设有多组，多组土压力盒4沿钢内筒2的长轴方向间隔设置，每组多个土压力盒4沿钢内筒2的外侧壁的周向间隔设置。

结合图1和图2，土压力盒4从左到右间隔设置多组，每组的多个土压力盒4沿同一个圆周方向间隔且均匀设置，本实施例中同一个圆周上均匀设置了十二个土压力盒4，如图2，与土压力盒4相应的间隔位置设置多个弹簧测力计5，同一圆周上设置四个弹簧测力计5和四个压力传感器6，弹簧测力计5与压力传感器6的设置一一对应。便于采集多个土压力盒4的压力数据以及采集多个弹簧测力计5的弹力数据，以及采集压力传感器6的压力数据。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括中心支架9，中心支架9的一端固定在钢内筒2外侧的固定支架10上，另一端穿设在钢内筒2的内部且沿钢内筒2的中心轴设置，压力传感器6固定在中心支架9上。

结合图1，本实施例中，中心支架9采用工字钢，外侧设置环形支架，压力传感器6通过该环形支架固定在中心支架9上，中心支架9用于提供钢性支撑和固定，可以理解，中心支架9伸入钢内筒2内的前端部至少与最内侧的一组压力传感器6的位置相对齐，确保每一个弹簧测力计5的测力方向都能够沿钢内筒2的半径方向，且相对位置的两个弹簧测力计5的弹力作用方向与所在位置的钢内筒2的横截面的一个直径共线(即连线通过中心)，以便测得的数据准确。其中，弹簧测力计5和压力传感器6的传感线均从钢内筒2的内部向图1所示右侧引出并连接至数据采集仪7进行数据采集。固定支架10是设置在模型箱8外侧的固定结构，用于为中心支架9提供稳定的刚性支撑。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括移动护盾11，移动护盾11设于建筑空隙102内，注浆管3固定于移动护盾11上。

如图1所示，通过移动护盾11固定注浆管3，可以确保注浆管3的强度支撑，保证顺畅的进行注浆过程，防止注浆管3在移动过程中发生位置偏移或扭转弯曲等影响注浆效率和效果。在一些实施例中，采用移动护盾11支撑固定注浆管3，可以在移动护盾11上设置多个并列的注浆管3以便提高注浆效率。优选地实施例中，移动护盾11和钢内筒2的外侧壁之间设置密封滑套12，移动护盾11为柔性材质，固定在密封滑套12上，密封滑套12与钢内筒2的外侧壁之间能够滑动连接，以保护钢内筒2的外侧壁和确保注浆管3的移动注浆方向。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括电拉车13，电拉车13通过线缆连接移动护盾11以驱动移动护盾11在建筑空隙102内移动。

如图1，电拉车13与移动护盾11的驱动装置之间电连接，用于控制移动护盾11的移动速度和移动方向，电拉车13设置在模型箱8的外侧，便于控制。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括加强筋14，加强筋14设于钢内筒2的内侧且两端分别连接钢内筒2的内侧壁和中心支架9。

如图1和图2，本实施例中加强筋14设有多个，多个加强筋14绕中心支架9周向设置，加强筋14的两端粘接于钢内筒2的内侧壁和中心支架9，用以支撑钢内筒2。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括反力支撑件15，反力支撑件15设于固定支架10上，反力支撑件15能够止抵在钢内筒2的端盖上以固定钢内筒2。

可以理解，钢内筒2的端部设有端盖，端盖上设有中心通孔，中心支架9通过中心通孔穿设至钢内筒2的内部，反力支撑件15的一端绕中心通孔抵接于端盖上，另一端固定在固定支架10上。反力支撑件15能够与抵接在钢内筒2底部的固定护盾101之间形成一对作用力和反作用力，确保钢内筒2在浆液凝固过程中的稳定性，以便准确测量压力和弹力，进而得到钢内筒2受到的浮力。

可选地，围岩中盾构管片的上浮力试验装置还包括储液罐16和挤压泵17，顺次连接于注浆管3的入口，挤压泵17被配置为将储液罐16内的浆液泵入注浆管3内以实现注浆。

如图1所示，注浆管3的入口通过液体管路连接储液罐16和挤压泵17，储液罐16内储存浆液，在储液罐16和挤压泵17之间设置压力调节阀18，储液罐16和注浆管3的入口之间设置流量计19，通过对透明外筒1的观察和监测，可以根据浆液的流动和扩散情况调节17的功率，实现连续注浆的同时也要保证分段浇筑和流速控制，以便于调节或控制以及研究浆液时变性对盾构管片上浮的影响。

本发明还提供一种围岩中盾构管片的上浮力试验方法，根据围岩中盾构管片的上浮力试验装置，包括如下步骤：

S1，初始状态，注浆管3的出口位于建筑空隙102内朝向固定护盾101的一端；

S2，通过注浆管3向建筑空隙102内注入浆液，注浆管3在注浆过程中连续移动，移动方向为远离固定护盾101的方向；

S3，数据采集仪7实时采集土压力盒4的第一压力数据、压力传感器6的第二压力数据和弹簧测力计5的弹力数据，并发送至上位机71进行数据处理。

上述的围岩中盾构管片的上浮力试验方法中，通过采用同步注浆的注入过程，利用整体弹簧测力计5测力与土压力盒4测力相结合，考虑整个注浆过程中盾构管片(即钢内筒2)的上浮力，将第一压力数据和第二压力数据以及弹力数据上传至上位机71进行数据处理，包括计算第一压力数据和第二压力数据的压力差，通过将积分运算后的压力差和弹力进行比对，进而可以得到浆液时变性对钢内筒2(即盾构管片)上浮的影响范围，便于研究盾构管片上浮力，从而实现对盾构管片上浮的控制方法。

本发明提供的上述一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置和试验方法，利用整体弹簧测力计5测力和土压力盒4测力，并且考虑整个注浆过程中整条隧道管片(钢内筒2的长轴方向)的上浮力，试验可以得到浆液时变性对于钢内筒2上浮的影响范围，既有理论成果，又可与工程实际相对比验证，试验装置模拟效果好，便于研究同步浆液作用下盾构管片的上浮机理。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，包括：

透明外筒(1)，所述透明外筒(1)的内侧壁设有固定护盾(101)；

钢内筒(2)，设于所述透明外筒(1)内且所述钢内筒(2)止抵在所述固定护盾(101)上以限位，所述透明外筒(1)和所述钢内筒(2)之间形成环形的建筑空隙(102)；

注浆管(3)，所述注浆管(3)可移动地设于所述建筑空隙(102)内以向所述建筑空隙(102)内注入浆液；

土压力盒(4)，设有多个，多个所述土压力盒(4)间隔设置且嵌入安装在所述钢内筒(2)的外侧壁上，多个所述土压力盒(4)的压力数据接入数据采集仪(7)；多个所述土压力盒(4)设有多组，多组所述土压力盒(4)沿所述钢内筒(2)的长轴方向间隔设置，每组多个所述土压力盒(4)沿所述钢内筒(2)的外侧壁的周向间隔设置；

弹簧测力计(5)，所述弹簧测力计(5)设有多个，同一圆周上的多个所述弹簧测力计(5)与间隔位置的多个所述土压力盒(4)对应设置，所述弹簧测力计(5)的一端连接于所述钢内筒(2)的内侧壁且与一个所述土压力盒(4)的位置对应设置，所述弹簧测力计(5)的另一端连接一个压力传感器(6)，所述弹簧测力计(5)与所述压力传感器(6)的设置一一对应，所述压力传感器(6)连接所述数据采集仪(7)；

中心支架(9)，所述中心支架(9)的一端固定在所述钢内筒(2)外侧的固定支架(10)上，另一端穿设在所述钢内筒(2)的内部且沿所述钢内筒(2)的中心轴设置，所述压力传感器(6)固定在所述中心支架(9)上。

2.根据权利要求1所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括模型箱(8)，所述模型箱(8)的正面沿轴向间隔设置多个黑胶带作为标记以进行分环注浆；所述模型箱(8)的一端设置法兰盘护盾，另一端为完全开口状态，所述透明外筒(1)能够止抵在所述法兰盘护盾上并悬置于所述模型箱(8)内。

3.根据权利要求1所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括移动护盾(11)，所述移动护盾(11)设于所述建筑空隙(102)内，所述注浆管(3)固定于所述移动护盾(11)上。

4.根据权利要求3所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括电拉车(13)，所述电拉车(13)通过线缆连接所述移动护盾(11)以驱动所述移动护盾(11)在所述建筑空隙(102)内移动。

5.根据权利要求1所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括加强筋(14)，所述加强筋(14)设于所述钢内筒(2)的内侧且两端分别连接所述钢内筒(2)的内侧壁和所述中心支架(9)。

6.根据权利要求1所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括反力支撑件(15)，所述反力支撑件(15)设于所述固定支架(10)上，所述反力支撑件(15)能够止抵在所述钢内筒(2)的端盖上以固定所述钢内筒(2)。

7.根据权利要求1所述的围岩中盾构管片的上浮力试验装置，其特征在于，还包括储液罐(16)和挤压泵(17)，顺次连接于所述注浆管(3)的入口，所述挤压泵(17)被配置为将所述储液罐(16)内的浆液泵入所述注浆管(3)内以实现注浆。

8.一种围岩中盾构管片的上浮力试验方法，其特征在于，根据权利要求1-7中任意一项所述围岩中盾构管片的上浮力试验装置，包括如下步骤：

S1，初始状态，注浆管(3)的出口位于建筑空隙(102)内朝向固定护盾(101)的一端；

S2，通过所述注浆管(3)向所述建筑空隙(102)内注入浆液，所述注浆管(3)在注浆过程中连续移动，移动方向为远离所述固定护盾(101)的方向；

S3，数据采集仪(7)实时采集土压力盒(4)的第一压力数据、压力传感器(6)的第二压力数据和弹簧测力计(5)的弹力数据，并发送至上位机(71)进行数据处理。

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