CN114018502A - 一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置及方法，包括依次拼接以形成多接缝管片模型的第一管片模型、管片模型组和第二管片模型，管片模型组包括拼接的第三管片模型与第四管片模型，第一管片模型与管片模型组之间形成第一接缝，第三管片模型与第四管片模型之间形成第二接缝，第一接缝与第二接缝的延伸方向垂直且二者连通；还包括密封组件，以使得第一接缝处形成第一加压空间、第二接缝处形成第二加压空间，第一加压空间与第二加压空间连通并与外部压力水源连通；还包括加载组件，用于向多接缝管片模型加载。

Description

一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置及方法

技术领域

本发明属于隧道与地下结构工程技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

管片衬砌渗漏水是盾构隧道较常见的病害，隧道衬砌由管片通过接头拼装而成，在结构上形成纵横交错的环缝和纵缝。环缝与纵缝变形多样又相互连通，而压力水具有无处不渗的特征，这使管片衬砌上大量的接缝成为了隧道渗漏水发生的主要部位。由于管片衬砌的受力状态复杂，渗漏水机制难以探明，因此管片衬砌渗漏水问题一直是盾构隧道病害防治的难点，而管片接缝渗漏水实验是目前研究衬砌防水性和渗漏水机制最有效的方法。

发明人在先申请提出了一种盾构隧道管片接头渗漏水实验装置及方法，该实验装置模拟的接缝结构形式为单一接缝，多接缝渗漏水情况比单一接缝更加复杂，对封水系统及加载方法提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置及方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，包括依次拼接以形成多接缝管片模型的第一管片模型、管片模型组和第二管片模型，管片模型组包括拼接的第三管片模型与第四管片模型，第一管片模型与管片模型组之间形成第一接缝(环缝)，第三管片模型与第四管片模型之间形成第二接缝(纵缝)，第一接缝与第二接缝的延伸方向垂直且二者连通；

还包括密封组件，以使得第一接缝处形成第一加压空间、第二接缝处形成第二加压空间，第一加压空间与第二加压空间连通并与外部压力水源连通；还包括加载组件，用于向多接缝管片模型加载。

作为进一步的改进，所述密封组件包括设于第一接缝中并沿第一接缝延伸的第一密封垫，以及设于第二接缝中并沿第二接缝延伸的第二密封垫，第二密封垫一端与第一密封垫中部紧密贴合；

密封组件还包括封堵件，封堵件包括处于多接缝管片模型上侧的第一分段以及能够分别处于第一密封垫两端以及第二密封垫背离第一密封垫的一端的三个第二分段，多接缝管片模型水平布置，第一分段与多接缝管片模型上表面密封接触。

作为进一步的改进，所述第一分段背离第一和第二加压空间一侧设有反力钢罩，反力钢罩包覆设于第一分段外部。

作为进一步的改进，所述反力钢罩包括横跨于第一接缝上方的第一反力钢罩和横跨于第二接缝上方的第二反力钢罩。

作为进一步的改进，第一反力钢罩与第二反力钢罩均包括两个铰接的反力件，第一反力钢罩中部与第二反力钢罩一端贴合，在第一反力钢罩与第二反力钢罩的端部设有压板。

作为进一步的改进，还包括机架，机架上设置有能够向多接缝管片模型施加沿第二接缝方向拉压力的轴向加载件，以及能够向第四管片模型施加沿第一接缝方向拉压力的横向加载件；还包括竖向加载件，能沿垂直于多接缝管片模型的方向对第一管片模型和/或第三管片模型和/或第四管片模型施加拉压力。

作为进一步的改进，轴向加载件包括固设于第二管片模型端的机架沿第二接缝方向的轴向油缸，轴向油缸的活塞杆与轴向加载板固定，轴向加载板与第二管片模型连接。

作为进一步的改进，横向加载件包括固设于机架上沿第一接缝方向一端的横向油缸，横向油缸活塞杆与横向加载板固定，横向加载板与第四管片模型连接。

作为进一步的改进，竖向加载件包括通过横梁固定的两个竖向油缸，竖向油缸能够沿第二接缝的方向移动并固定，竖向油缸的活塞杆向上伸出并与竖向加载板固定。

本发明的一个或多个实施例还提供一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验方法，利用了所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，包括以下步骤：

利用加载件，向第一管片模型与管片模型组、第三管片模型与第四管片模型之间施加设定压力，以保证第一加压空间与第二加压空间在初始状态的密封；

利用外部压力水源向第一加压空间和第二加压空间中充入压力水；

通过加载件向第一管片模型和/或第二管片模型和/或第三管片模型和/或第四管片模型施加荷载，使得第一接缝与第二接缝处发生变形，观察荷载、变形与压力水渗漏之间的关系。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

采用四块管片模型拼装形成平板形状的多接缝接头，可真实模拟实际隧道管片衬砌接缝和密封垫的构造及安装形式。

通过在多接缝外侧加水压模拟管片衬砌受水压情况，通过改变油缸的加载力、加载位置以及加载油缸和固定座与管片的连接方式，可系统地模拟不同水压及不同受力状态下管片接头与管环接头受拉压、剪切、弯曲及耦合作用，揭示隧道纵缝与环缝的变形与渗漏水情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明一个或多个实施例中整体结构的轴测示意图；

图2为本发明一个或多个实施例中整体结构的俯视示意图；

图3为本发明一个或多个实施例中多个管片模型拼接成多接头的示意图；

图4为本发明一个或多个实施例中封堵件的结构示意图；

图5为本发明一个或多个实施例中反力钢罩的结构示意图；

图6为本发明一个或多个实施例中环缝处形成加水空间的示意图；

图7为本发明一个或多个实施例中整体结构主视图；

图8为本发明一个或多个实施例中多个管片模型与反力钢罩配合使用的示意图。

图中，1、第一管片模型；2、第三管片模型；3、第四管片模型；4、第二管片模型；5、螺栓；6、密封垫凹槽；7、密封垫；8、轴向固定座；9、横向固定座；10、横向加载板；11、轴向加载板；12、机架；13、轴向油缸；14、横向油缸；15、横梁；16、螺栓调节孔；17、竖向油缸；18、竖向加载板；19、封水系统；20、进水口；21、反力件；21A反力件；21B反力件；22、铰链；23、封堵件；24、压板；25、安装槽；26、高压稳流供水系统；27、耐高压水管；28、液压系统；29、电缆；30、操控柜。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，包括依次拼接以形成多接缝管片模型的第一管片模型、管片模型组和第二管片模型，管片模型组包括拼接的第三管片模型与第四管片模型，第一管片模型与管片模型组之间形成第一接缝，第三管片模型与第四管片模型之间形成第二接缝，第一接缝与第二接缝的延伸方向垂直且二者连通；还包括密封组件，以使得第一接缝处形成第一加压空间、第二接缝处形成第二加压空间，第一加压空间与第二加压空间连通并与外部压力水源连通；进一步的，还包括加载组件，用于向多接缝管片模型进行加载。

所述密封组件包括封堵件、设于第一接缝中并沿其延伸的第一密封垫、设于第二接缝中并沿其延伸的第二密封垫，第二密封垫一端与第一密封垫中部垂直且贴合；多接缝管片模型水平布置，封堵件包括处于多接缝管片模型上表面并与多接缝管片模型密封连接的第一分段，以及分别处于第一密封垫两端以及第二密封垫背离第一密封垫一端的三个第二分段。

所述第一分段背离第一和第二加压空间的一侧设有反力钢罩，反力钢罩包覆设于第一分段外部。所述反力钢罩包括横跨于第一接缝上方的第一反力钢罩和横跨于第二接缝上方的第二反力钢罩。第一反力钢罩与第二反力钢罩均包括两个铰接的反力件，第一反力钢罩中部与第二反力钢罩一端贴合；在第一反力钢罩与第二反力钢罩的侧面设有压板。

还包括机架，机架上设置有能够向多接缝管片模型施加沿第二接缝方向拉压力的轴向加载件，以及能够向第四管片模型施加沿第一接缝方向拉压力的横向加载件；还包括竖向加载件，能沿垂直于多接缝管片模型的方向对第一管片模型和/或第三管片模型和/或第四管片模型施加拉压力。轴向加载件包括固设于第二管片模型端的机架沿第二接缝方向的轴向油缸，轴向油缸的活塞杆与轴向加载板固定，轴向加载板与第二管片模型连接。横向加载件包括固设于机架上沿第一接缝方向一端的横向油缸，横向油缸活塞杆与横向加载板固定，横向加载板与第四管片模型连接。竖向加载件包括通过横梁固定的两个竖向油缸，竖向油缸能够沿第二接缝的方向移动并固定，竖向油缸的活塞杆向上伸出并与竖向加载板固定。

具体的，如图1-图8所示，本实施例提出的盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置包括第一管片模型1、第三管片模型2、第四管片模型3、第二管片模型4、螺栓5、密封垫凹槽6、密封垫7、轴向固定座8、横向固定座9、横向加载板10、轴向加载板11、机架12、轴向油缸13、横向油缸14、横梁15、螺栓调节孔16、竖向油缸17、竖向加载板18、封水系统19、进水口20、反力件21、铰链22、封堵件23、压板24、安装槽25、高压稳流供水系统26、耐高压水管27、液压系统28、电缆29、操控柜30；

所述第一管片模型1、第三管片模型2、第四管片模型3、第二管片模型4均为钢制管片，通过螺栓5拼接，第一管片模型1和第二管片模型4尺寸相同，第三管片模型2和第四管片模型3宽度为第一管片模型和第二管片模型宽度的一半，第三管片模型和第四管片模型拼装在第一管片模型1和第二管片模型4之间；如图2所示，第一管片模型1左端与第三管片模型2、第四管片模型3的右端形成竖向设置的第一缝隙，第三管片模型2、第四管片模型3之间形成了横向设置的第二缝隙，第一缝隙和第二缝隙相互垂直。所述密封垫凹槽6位于管片接缝处的管片模型上，密封垫7黏贴于密封垫凹槽6中，具体参见图6；所述第一管片模型1与轴向固定座8连接，第三管片模型2与横向固定座9连接，第四管片模型3与横向加载板10连接，第二管片模型4与轴向加载板11连接，均可实现铰连接和固定连接的切换；所述轴向固定座8和横向固定座9通过螺栓5固定于主机框架12上；所述轴向油缸13和横向油缸14固定于主机框架12上，并分别通过轴向加载板11和横向加载板10对管片进行轴向和横向加载；所述竖向加载横梁15通过螺栓5安装于主机框架12的下部，竖向加载横梁15上开有螺栓调节孔16，可满足竖向油缸17前后左右移动，该实验装置设置两个竖向油缸17，均安装在竖向加载横梁15上，并可通过螺栓调节孔16调节油缸位置；所述两个竖向油缸17分别与两个竖向加载板18通过螺栓5连接，给管片提供竖向拉压力。

进一步的，所述封水系统19包括进水口20、反力件21、铰链22、封堵件23、压板24；所述反力件21为薄壁高强材料，反力件21上设有铰链22以避免管片受力时拉坏；所述封堵件23安装于安装槽25中，反力件21罩在封堵件23上，与封堵件23通过螺栓5固定于第一管片模型、第三管片模型和第四管片模型形成的T型接缝处；所述进水口20位于反力件21和封堵件23上；所述压板24压于反力件21三端的外侧，并分别与第一管片模型1、第三管片模型2和第四管片模型3通过螺栓5固定；封堵件23与第二接缝处的密封垫7组合在一起形成第二加压空间；封堵件23与第一接缝处的密封垫7组合在一起形成第一加压空间；所述高压稳流供水系统26通过耐高压水管27与进水口20连接；所述液压系统28通过电缆29与四个油缸相连；所述操控柜30通过电缆29与高压稳流供水系统26和液压系统28相连，用于控制和采集水压力、加载力、位移量等数据。

其中上述的反力件21包括反力件21A和反力件21B，反力件21A和反力件21B连接在一起形成反力件21。

实施例2

本发明的一个或多个实施例还提供一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验方法，利用了所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，包括以下步骤：

步骤(1)黏贴密封垫7，并将管片拼装完成，固定在机架12中；

步骤(2)安装封水系统19，将封堵件23、反力件21、压板24依次安装在管片上；

步骤(3)将进水口20与耐高压水管27连接，通过高压稳流供水系统26使水压达到实验值；

步骤(4)调节竖向油缸17位置及固定座和加载板与管片的连接方式，通过液压系统28控制四个油缸对管片施加轴向、横向和竖向加载力，模拟管片接头与管环接头受拉压、剪切、弯曲及耦合作用，研究隧道纵缝与环缝的变形与渗漏水情况；

模拟管环接头受轴向拉压，环缝发生张开、压缩变形时，将轴向固定座8、轴向加载板11与第一管片模型、第二管片模型用螺栓5固定连接，此时只有轴向油缸13加载；

模拟管环接头受上下剪切、环缝发生错台变形时，将轴向固定座8与第一管片模型通过螺栓5连接，轴向油缸13与第二管片模型铰连接，使用一个竖向油缸17通过竖向加载板18加载于第三管片模型和第四管片模型的接缝上；

模拟管环接头受弯时，将轴向固定座8、轴向加载板11与第一管片模型、第二管片模型通过铰连接，使用一个竖向油缸17通过竖向加载板18加载于第三管片模型、第四管片模型与第一管片模型的接缝上；

模拟管片接头受轴向拉压，纵缝发生张开、压缩变形时，将横向固定座9、横向加载板10与第三管片模型、第四管片模型通过螺栓5连接，通过横向油缸14拉压第四管片模型，同时，轴向固定座8、轴向加载板11与第一管片模型、第二管片模型用螺栓5固定连接，轴向油缸13加载到设计轴力；

模拟管片接头受上下剪切、环缝与纵缝发生错台变形时，将横向固定座9、轴向固定座8、轴向加载板11与第三管片模型、第一管片模型、第二管片模型通过螺栓5连接，横向加载板10与第四管片模型铰连接，使用一个竖向油缸17通过竖向加载板18加载于第四管片模型上，同时，将横向油缸14与轴向油缸13加载到设计轴力；

模拟管片接头受弯时，横向固定座9、横向加载板10与第三管片模型、第四管片模型通过铰连接，轴向固定座8、轴向加载板11与第一管片模型、第二管片模型用螺栓5固定连接，将下侧的一个竖向油缸17通过竖向加载板18加载于第三管片模型与第四管片模型接缝处，轴向油缸13与横向油缸14加载到设计轴力；

模拟管片接头的轴力、剪切力与弯矩耦合作用，环缝与纵缝发生变形时，横向固定座9、横向加载板10与第三管片模型、第四管片模型通过铰连接，轴向固定座8、轴向加载板11与第一管片模型、第二管片模型通过螺栓5连接，此时通过横向油缸14对第三管片模型、第四管片模型施加横向拉压力，下侧的两个竖向油缸17分别通过竖向加载板18加载于第四管片模型和第四管片模型与第三管片模型的接缝处，轴向油缸13加载到设计轴力；

模拟管环接头的轴力、剪切力与弯矩耦合作用，环缝与纵缝发生变形时，轴向固定座8、轴向加载板11、横向固定座9、横向加载板10与四块管片均为铰连接，此时通过轴向油缸13对管片施加轴向拉压力，下侧的两个竖向油缸17分别通过竖向加载板18加载于第三管片模型、第四管片模型的接缝处以及第一管片模型、第三管片模型与第四管片模型的接缝处，横向油缸14加载到设计轴力；

模拟实际隧道工程中管片与管环接头在轴力、剪切力与弯矩耦合作用，环缝与纵缝发生张开、错台变形时，轴向固定座8、轴向加载板11、横向固定座9、横向加载板10与四块管片均为铰连接，此时轴向油缸13对管片施加轴向拉压力，横向油缸14对第三管片模型、第四管片模型施加横向拉压力，两个竖向油缸17分别通过竖向加载板18加载于第三管片模型、第四管片模型接缝处及第四管片模型上。

步骤(5)缓慢加载至管片接缝处密封垫7出现渗漏，停止加载；

步骤(6)通过操控柜30监测油压的方式检测油缸的拉力和压力，检测油缸的位移，并获得接缝压力、接缝张开、错台量等数据；

步骤(7)改变加载力，重复步骤(4)—(6)，得到管片与管环接头受力-张开量/错台量-渗漏水之间的关系。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，包括加载组件和试验模拟件，加载组件用于向试验模拟件加载，试验模拟件包括依次拼接的第一管片模型、管片模型组和第二管片模型，管片模型组包括拼接的第三管片模型与第四管片模型，第一管片模型与管片模型组之间形成第一接缝，第三管片模型与第四管片模型之间形成第二接缝，第一接缝与第二接缝垂直且连通；还包括密封组件，以使得第一接缝处形成第一加压空间、第二接缝处形成第二加压空间，第一加压空间与第二加压空间连通并与外部压力水源连通。

2.根据权利要求1所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，所述密封组件包括封堵件、设于第一接缝中并沿其延伸的第一密封垫、设于第二接缝中并沿其延伸的第二密封垫，第二密封垫一端与第一密封垫中部垂直且贴合；多接缝管片模型水平布置，封堵件包括处于多接缝管片模型上表面并与多接缝管片模型密封连接的第一分段，以及分别处于第一密封垫两端以及第二密封垫背离第一密封垫一端的三个第二分段。

3.根据权利要求2所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，所述第一分段背离第一和第二加压空间的一侧设有反力钢罩，反力钢罩包覆设于第一分段外部。

4.根据权利要求3所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，所述反力钢罩包括横跨于第一接缝上方的第一反力钢罩和横跨于第二接缝上方的第二反力钢罩。

5.根据权利要求4所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，第一反力钢罩与第二反力钢罩均包括两个铰接的反力件，第一反力钢罩中部与第二反力钢罩一端贴合，第一反力钢罩与第二反力钢罩通过压板固定。

6.根据权利要求1所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，还包括机架，机架上设置有能够向多接缝管片模型施加沿第二接缝方向拉压力的轴向加载件，以及能够向第四管片模型施加沿第一接缝方向拉压力的横向加载件；还包括竖向加载件，能沿垂直于多接缝管片模型的方向对第一管片模型和/或第三管片模型和/或第四管片模型施加拉压力。

7.根据权利要求6所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，轴向加载件包括固设于第二管片模型端的机架沿第二接缝方向的轴向油缸，轴向油缸的活塞杆与轴向加载板固定，轴向加载板与第二管片模型连接。

8.根据权利要求6所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，横向加载件包括固设于机架上沿第一接缝方向一端的横向油缸，横向油缸活塞杆与横向加载板固定，横向加载板与第四管片模型连接。

9.根据权利要求6所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，竖向加载件包括通过横梁固定的两个竖向油缸，竖向油缸能够沿第二接缝的方向移动并固定，竖向油缸的活塞杆向上伸出并与竖向加载板固定。

10.一种盾构隧道管片衬砌多接缝渗漏水试验方法，利用了权利要求1-9中任意一项所述的管片衬砌多接缝渗漏水试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

利用加载件，向第一管片模型与管片模型组、第三管片模型与第四管片模型之间施加设定压力，以保证第一加压空间与第二加压空间在初始状态的密封；

利用外部压力水源向第一加压空间和第二加压空间中充入压力水；

通过加载件向第一管片模型和/或第二管片模型和/或第三管片模型和/或第四管片模型施加荷载，使得第一接缝与第二接缝处发生变形，观察荷载、变形与压力水渗漏之间的关系。

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