CN113432769B - 隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置及测试方法，测试装置包括用于检测隧道衬砌与支撑结构之间荷载的检测装置，所述检测装置安装在隧道衬砌与支撑结构之间，所述检测装置包括荷载转换单元和接触状态调整单元，所述荷载转换单元位于接触状态调整单元的外部，荷载转换单元分别与隧道衬砌、支撑结构连接。本发明将接触区域的面荷载通过梁、柱转换为点荷载，通过对点荷载测试进而获得临时支撑结构所承受的总的接触荷载，测试结果参考价值高；在临时支撑结构和隧道衬砌与测试装置接触部位有内垫层和外垫层，并通过油压的调整保证接触效果，测试精度高；采用传感器进行荷载测试，便于实现实时监测、显示、预警。

Description

隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工监测技术领域，特别是指一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置及测试方法。

背景技术

在盾构隧道的某些特殊施工地段，例如联络通道施工时，需要对建设完成的管片进行破拆，这就会改变原有衬砌结构的荷载传递路径，使得与联络通道相接区域的盾构区间隧道衬砌结构处于受力不利状态，为保证隧道结构安全，常在盾构隧道内施作临时钢支撑结构。

临时钢支撑结构的安全状态与其承受的荷载大小有关，即盾构隧道管片衬砌与临时支撑结构之间的接触荷载。目前，接触荷载测试多采取埋设压力盒方法，例如对隧道初支-二衬接触压力测试时，在接触部位埋设钢弦式压力盒，这就需要对测点表面锤击平整，再用砂浆抹平；另外一种方法是在接触部位埋设轴力计。既有方法存在以下问题：（1）所测结果为接触区域的局部接触点的接触荷载，不能获得通过全部接触界面所传递的总荷载大小；（2）传感器的刚性外壳导致与隧道衬砌的接触常难以获得理想状态，导致埋设困难，且实际埋设状态可能影响测试结果精度；（3）难以实现连续测试；（4）埋设过程复杂，要求高。

因此，如何准确获得临时支撑结构承受的总体接触荷载、保证测试精度、降低传感器埋设难度是急需解决的技术难题。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置及测试方法，解决了现有接触荷载测试无法准确获取临时支撑结构承受的总体接触荷载，测量精度低，传感器埋设难度大的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，包括若干个用于检测隧道衬砌与支撑结构之间荷载的检测装置，所述检测装置安装在隧道衬砌与支撑结构之间，所述检测装置包括荷载转换单元和接触状态调整单元，所述荷载转换单元分别与隧道衬砌、支撑结构相接触，荷载转换单元内设有接触状态调整单元，接触状态调整单元内设有传感器。

优选地，所述荷载转换单元包括外垫层、外承载梁、外承载柱、内垫层、内承载梁和内承载柱，所述外垫层外侧与隧道衬砌相匹配，所述外垫层内侧连接外承载梁，所述外承载梁与外承载柱连接，所述外承载柱与内承载柱之间设有接触状态调整单元，所述内承载柱连接内承载梁，内承载梁连接内垫层，内垫层与支撑结构相匹配。

优选地，所述接触状态调整单元包括内油腔和外油腔，所述内油腔与外油腔之间设置有测量荷载值的传感器，所述外油腔连接外承载柱，所述内油腔连接内承载柱。

优选地，所述传感器连接用于显示荷载值的显示屏。

优选地，所述内油腔与外油腔均与输油管路相连通，输油管路连接油泵；所述输油管路上设有油压阀门。

优选地，所述外油腔包括外油腔顶板和外油腔底板，所述外油腔顶板与外油腔底板两侧均连接有油腔侧壁，所述油腔侧壁、外油腔顶板与外油腔底板之间形成了用于储存液压油的外油腔，所述外油腔顶板连接传感器，所述外油腔底板连接外承载柱；所述内油腔包括内油腔底板和内油腔顶板，所述内油腔底板与内油腔顶板两侧均连接有油腔侧壁，所述油腔侧壁、内油腔顶板和内油腔底板之间形成了用于储存液压油的内油腔，所述内油腔底板连接传感器，所述内油腔顶板连接内承载柱。

优选地，所述外油腔顶板和内油腔顶板的材质为高聚物柔性材料。

优选地，所述检测装置的数量为16个，16个检测装置沿隧道衬砌的周向均匀分布。

一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试方法，其步骤如下：

S1、选取测量位置，确定待测试的支撑结构和隧道衬砌的纵向宽度；

S2、加工载荷转换单元：依据隧道衬砌的纵向宽度，加工外承载梁和外垫层；依据支撑结构的纵向宽度，加工内承载梁和内垫层，将内垫层粘贴在内承载梁上，将外垫层粘贴在外承载梁上；将载荷转换单元和接触状态调整单元组装成检测装置；

S3、组装支撑结构：将隧道衬砌底部的检测装置就位，外垫层贴紧隧道衬砌，内垫层贴紧支撑结构，并在内垫层的上方拼装支撑结构；然后，按照顺序放置其余检测装置和拼装支撑结构；

S4、将各检测装置的输油管路串联后连接到油泵，开动油泵对检测装置进行加压，同时，观测每个检测装置的显示屏，直至接触荷载达到预定初始荷载值为止，关闭输油管路上的油压阀门；

S5、接触荷载的测试和计算：在隧道衬砌破拆时，通过检测装置连接的显示屏实时显示支撑结构的各点位的荷载值，各荷载值累加即为支撑结构的总的接触荷载。

优选地，所述外承载梁和内承载梁均为长条形结构，外承载梁和内承载梁的长度均为支撑结构承担的隧道的纵向长度。

本发明具有如下有益效果：

（1）将接触区域的面荷载通过梁、柱转换为点荷载，通过对点荷载测试进而获得临时支撑结构所承受的总的接触荷载，测试结果参考价值高；

（2）实施难度较小，在临时支撑结构和隧道衬砌与检测装置接触部位有柔性的内垫层和外垫层，并通过油压的调整作用保证接触效果，测试结果可靠，测试精度高；

（3）采用传感器进行荷载测试，便于实现实时监测、显示、预警；

（4）检测装置可重复利用，且采用模块化设计，适用于城市盾构隧道、水下隧道、水工隧道、山岭隧道等多种类型隧道的临时支撑结构测试；

（5）埋设过程简便，无需打孔、焊接、反复调平等步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的检测装置的结构示意图。

图中：1—外垫层，2—外承载梁，3—外承载柱，4—外油腔底板，5—油腔侧壁，6—外油腔，7—外油腔顶板，8—传感器，9—传输线，10—内油腔底板，11—内油腔，12—内油腔顶板，13—内承载柱，14—内承载梁，15—内垫层，17—输油管路，18—检测装置，19—显示屏，20—油泵，21—支撑结构，22—隧道衬砌，23—油压阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，包括若干个用于检测隧道衬砌22与支撑结构21之间荷载的检测装置18，检测装置18安装在隧道衬砌22与支撑结构21之间，用于测量支撑结构和隧道衬砌之间的荷载值。隧道衬砌与支撑结构之间不直接接触，待测试支撑结构与邻近支撑结构无连接。

具体地，检测装置18的数量为16个，均匀布置在隧道衬砌与支撑结构之间，16个检测装置18沿隧道衬砌22的周向均匀分布。在现场测试时，每个支撑结构外侧布置16个检测装置18，隧道衬砌22将外荷载传递给16个检测装置18，再由检测装置18将荷载传递给支撑结构21。

检测装置18包括荷载转换单元和接触状态调整单元。荷载转换单元位于接触状态调整单元的外部，荷载转换单元分别与隧道衬砌22和支撑结构21连接，用于将从隧道衬砌22与支撑结构21接收到的力传递给接触状态调整单元。接触状态调整单元内设有传感器8，接触状态调整单元用于将力传递给用于检测荷载值的传感器8，并控制荷载转换单元与两侧的接触状态。荷载转换单元、接触状态调整单元和传感器组成检测装置18的主体。接触状态调整单元和传感器组成一体式结构，方便传感器实时测量接触状态调整单元的状态，也方便安装在荷载转换单元内。

荷载转换单元包括外垫层1、外承载梁2、外承载柱3、内垫层15、内承载梁14、内承载柱13。外垫层1的外侧连接隧道衬砌22，内侧连接外承载梁2。外承载柱3设置在外承载梁2的内侧，且与外承载梁2连接，外承载柱3与内承载柱13均连接接触状态调整单元，内承载柱13的内侧连接内承载梁14，内承载梁14的内侧连接内垫层15，内垫层15的内侧连接支撑结构21。外垫层粘贴于外承载梁，内垫层粘贴于内承载梁，测试时，外垫层外表面与隧道衬砌接触，内垫层外表面与支撑结构相连接。荷载转换单元为可拆式结构，方便再次利用。外承载柱、内承载柱均为短圆柱体，方便将荷载传送至接触状态调整单元。

外垫层1和内垫层15由高聚物柔性材料制成。内承载梁2与外承载梁14均成长条状，长度为单个支撑结构21承担的隧道纵向长度。

接触状态调整单元包括内油腔11和外油腔6，内油腔11与外油腔6之间设置有传感器8。内油腔、外油腔充满液压油。内油腔11将从内承载柱13接收到的内垫层15与支撑结构21之间的接触力传递给传感器8。外油腔6将从外承载柱3接收到的外垫层1与隧道衬砌22之间的接触力传递给传感器8。

传感器8呈短圆柱形，类型为称重传感器，传感器8用于测量支撑结构21与隧道衬砌22之间的力。传感器8的上下两端分别连接内油腔11和外油腔6。接触状态转换单元将荷载转换单元受到的外力转换成了能被传感器8测量的点荷载。荷载转换单元的外垫层1与隧道衬砌22接触，外垫层1能够将外垫层1与隧道衬砌22之间的接触力传递给与外垫层1连接的外承载梁2，外承载梁2将外垫层1与隧道衬砌22之间的接触力传递给外承载柱3，外承载柱3将外垫层1与隧道衬砌22之间的接触力传递给外油腔6，外油腔6将外垫层1与隧道衬砌22之间的接触力传递给传感器8；荷载转换单元的内垫层15将内垫层15与支撑结构21之间的接触力传递给内承载梁14，内承载梁14将内垫层15与支撑结构21之间的接触力传递给内承载柱13，内承载柱13将内垫层15与支撑结构21之间的接触力传递给内油腔11，内油腔11将内垫层15与支撑结构21之间的接触力传递给传感器8，因此，传感器8通过内油腔11与外油腔6测量隧道衬砌22与支撑结构21之间的接触力，将面荷载转化为点荷载。

内油腔11与外油腔6上均设有油管接口16，油管接口16与输油管路17相连通。输油管路17连接油泵20。输油管路17上设有油压阀门23。通过关闭油压阀门23，能够关闭输油管路17与油泵20之间的输油通道。通过输油管路控制向内油腔11与外油腔6输送的液压油的量，从而控制对隧道衬砌22与支撑结构21的作用力。

外油腔6包括外油腔底板4和外油腔顶板7。外油腔顶板7与外油腔底板4两侧均连接两个油腔侧壁5，油腔侧壁5、外油腔顶板7和外油腔底板4之间形成了用于储存液压油的空腔。外油腔顶板7连接传感器8。外油腔底板4连接荷载转换单元的外承载柱3。内油腔6包括内油腔底板10和内油腔顶板12。内油腔底板10和内油腔顶板12两侧也分别连接两个油腔侧壁5。油腔侧壁5、内油腔底板10和内油腔顶板12之间形成了用于储存液压油的空腔。内油腔底板10连接传感器8，内油腔顶板12连接内承载柱13。外油腔底板4和外油腔顶板7均为圆形板状结构。内油腔底板10和内油腔顶板12均为圆形板状结构。

传感器8通过传输线9连接显示屏19。显示屏19用于显示传感器8承受的荷载。

实施例2，一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试方法，其步骤如下：

步骤S1：分别确定隧道衬砌22与支撑结构21的纵向宽度。

测试方案设计：选取测试位置，对支撑结构尺寸适当调整；确定待测试的支撑结构对应的隧道衬砌的纵向宽度，并确定支撑结构的纵向宽度；

步骤S2：加工荷载转换单元：依据隧道衬砌的纵向宽度加工外承载梁和外垫层，依据支撑结构的纵向宽度加工内承载梁和内垫层。将外承载梁2和外垫层1的长度等于隧道衬砌22的纵向宽度，将内承载梁14和内垫层15的长度等于支撑结构21的纵向宽度，将内垫层15粘贴在内承载梁14上，将外垫层1粘贴在外承载梁2上，并和接触状态调整单元组装成测试装置18。

步骤S3：组装支撑结构：将隧道衬砌22底部的检测装置18就位，外垫层1贴紧隧道衬砌22，内垫层15贴紧支撑结构21，即将外垫层1和外承载梁2的长度方向沿着隧道衬砌22的走向放置于隧道衬砌22上面，内垫层15和内承载梁14的长度方向垂直于支撑结构21的横平面，从而在其上方拼装支撑结构21，然后，按照顺序放置其余检测装置18和拼装支撑结构21，直至16个检测装置18全部就位，支撑结构21全部拼装完成，并将输油油管17均通过油管接口16连接。

步骤S4：接触状态调整：将16个检测装置18的输油管路17串联后，连接到油泵20，开动油泵20对检测装置18加压，同时，观测每个检测装置18的显示屏19，直至各接触荷载均达到预定初始荷载值为止，关闭输油管路17上的阀门23，移除油泵20。

步骤S5：接触荷载正式测试和计算：在盾构隧道管片破拆时，对盾构隧道管片和支撑结构的受力和安全状态进行监测，通过检测装置18连接的显示屏19实时显示支撑结构21的16个点位的荷载值，各荷载值累加即为支撑结构21的总的接触荷载。

其他结构与实施例1相同。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，其特征在于：包括若干个用于检测隧道衬砌（22）与支撑结构（21）之间荷载的检测装置（18），所述检测装置（18）安装在隧道衬砌（22）与支撑结构（21）之间，所述检测装置（18）包括荷载转换单元和接触状态调整单元，所述荷载转换单元分别与隧道衬砌（22）、支撑结构（21）相接触，荷载转换单元内设有接触状态调整单元，接触状态调整单元内设有传感器（8）；

所述荷载转换单元包括外垫层（1）、外承载梁（2）、外承载柱（3）、内垫层（15）、内承载梁（14）和内承载柱（13），所述外垫层（1）外侧与隧道衬砌（22）相匹配，所述外垫层（1）内侧连接外承载梁（2），所述外承载梁（2）与外承载柱（3）连接，所述外承载柱（3）与内承载柱（13）之间设有接触状态调整单元，所述内承载柱（13）连接内承载梁（14），内承载梁（14）连接内垫层（15），内垫层（15）与支撑结构（21）相匹配；

所述接触状态调整单元包括内油腔（11）和外油腔（6），所述内油腔（11）与外油腔（6）之间设置有测量荷载值的传感器（8），所述外油腔（6）连接外承载柱（3），所述内油腔（11）连接内承载柱（13）；

所述内油腔（11）与外油腔（6）均与输油管路（17）相连通，输油管路（17）连接油泵（20）；

所述外油腔（6）包括外油腔顶板（7）和外油腔底板（4），所述外油腔顶板（7）与外油腔底板（4）两侧均连接有油腔侧壁（5），所述油腔侧壁（5）、外油腔顶板（7）与外油腔底板（4）之间形成了用于储存液压油的外油腔（6），所述外油腔顶板（7）连接传感器（8），所述外油腔底板（4）连接外承载柱（3）；所述内油腔（11）包括内油腔底板（10）和内油腔顶板（12），所述内油腔底板（10）与内油腔顶板（12）两侧均连接有油腔侧壁（5），所述油腔侧壁（5）、内油腔顶板（12）和内油腔底板（10）之间形成了用于储存液压油的内油腔（11），所述内油腔底板（10）连接传感器（8），所述内油腔顶板（12）连接内承载柱（13）。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，其特征在于：所述传感器（8）连接用于显示荷载值的显示屏（19）。

3.根据权利要求2所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，其特征在于：所述输油管路（17）上设有油压阀门（23）。

4.根据权利要求3所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，其特征在于：所述外油腔顶板（7）和内油腔顶板（12）的材质为高聚物柔性材料。

5.根据权利要求1或4所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置，其特征在于：所述检测装置（18）的数量为16个，16个检测装置（18）沿隧道衬砌（22）的周向均匀分布。

6.根据权利要求1-4任一项所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试装置的荷载测试方法，其特征在于：其步骤如下：

S1、选取测量位置，确定待测试的支撑结构（21）和隧道衬砌（22）的纵向宽度；

S2、加工载荷转换单元：依据隧道衬砌（22）的纵向宽度，加工外承载梁（2）和外垫层（1）；依据支撑结构的纵向宽度，加工内承载梁（14）和内垫层（15），将内垫层（15）粘贴在内承载梁（14）上，将外垫层（1）粘贴在外承载梁（2）上；将载荷转换单元和接触状态调整单元组装成检测装置（18）；

S3、组装支撑结构：将隧道衬砌（22）底部的检测装置（18）就位，外垫层（1）贴紧隧道衬砌（22），内垫层（15）贴紧支撑结构（21），并在内垫层（15）的上方拼装支撑结构（21）；然后，按照顺序放置其余检测装置（18）和拼装支撑结构（21）；

S4、将各检测装置（18）的输油管路（17）串联后连接到油泵（20），开动油泵（20）对检测装置（18）进行加压，同时，观测每个检测装置（18）的显示屏（19），直至接触荷载达到预定初始荷载值为止，关闭输油管路（17）上的油压阀门（23）；

S5、接触荷载的测试和计算：在隧道衬砌（22）破拆时，通过检测装置（18）连接的显示屏（19）实时显示支撑结构（21）的各点位的荷载值，各荷载值累加即为支撑结构（21）的总的接触荷载。

7.根据权利要求6所述的隧道衬砌与支撑结构的接触荷载测试方法，其特征在于：所述外承载梁（2）和内承载梁（14）均为长条形结构，外承载梁（2）和内承载梁（14）的长度均为支撑结构承担的隧道的纵向长度。

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