CN114509350A - 模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置及方法，该装置包括两块模拟管片、中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元，所述模拟管片包括固定装配的钢盖板和混凝土内衬板，所述两块混凝土内衬板的接缝面均开设有第一道密封槽和第二道密封槽；所述其中一块模拟管片开设有中心注水孔和内腔注水孔，所述中心注水孔与第一道密封槽围成的区域连通，所述内腔注水孔与第一道密封槽及第二道密封槽之间的区域连通，所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元分别与中心注水孔和内腔注水孔连通。采用本申请的试验装置及方法，能够定性且定量地分析出两道密封垫之间的水腔压力对双道密封垫防水性能的影响。

Description

模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置及方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道管片接缝防水性能测试技术领域，具体涉及一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置及方法。
背景技术
随着国家城市化的发展，地上空间趋于饱和，地下空间的开发正在不断推进，而城市地下轨道交通作为重要的出行方式也越来越受到重视。盾构法作为快速安全、环保便捷的施工建设技术已成为国家城市地铁的隧道修建工程中的主流方法。同时隧道建设向着高水压、大埋深的方向发展，这对接缝的防水提出了更高的要求。在管片接缝布设多道防水密封垫的构造，已在多条水下隧道中得到应用。常见的双道密封垫防水包括两道弹性橡胶密封垫、一道弹性橡胶密封垫加上一道遇水膨胀橡胶等多种布置形式。一般以第一道防水密封垫为主防水屏障，第二道密封垫作为辅助防水措施。
盾构隧道衬砌多为预制的钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼接而成。在盾构施工的过程中，管片拼装不规范、盾构机姿态控制不佳、管片端面与盾构掘进方向不垂直以及管片上浮等因素都会造成管片错台与大张开。管片过大的错台和张开不仅影响隧道的外观质量，还会严重影响密封垫的压密效果，容易造成管片接缝处渗漏水。对于盾构隧道而言，渗漏水会导致土体沉降和隧道纵向不均匀沉降影响管片受力，影响盾构隧道长期服役性能。渗漏水一直是困扰盾构隧道结构安全和正常营运的突出难题。研究表明，大多数渗漏水都发生于管片接缝处，根据管片接缝所在的位置将接缝分为一个衬砌环管片与管片间的纵缝和不同衬砌环管片与管片间的环缝，不论是纵缝还是环缝都靠着粘贴于管片侧面的弹性密封垫压紧来实现防水密封。因此对于管片接缝处密封垫的防水性能以及防水机理研究至关重要。
纵观国内外现有的盾构隧道管片接缝防水试验装置，无论是采用钢制试验模具还是混凝土试验模具，都集中于单道接缝密封垫防水性能研究，即通过设置不同的接缝变形状态，开展接缝密封垫的耐水压试验。总的来说，针对双道接缝密封垫防水的研究还很匮乏。专利“名称：一种盾构隧道管片接缝多道防水试验装置、申请号：201810186937.0”虽然公开了一种实现两道防水及三道防水的试验装置，但该装置未能考虑各道密封垫间的内腔水压对密封垫防水性能的影响，因此现有试验结果均存在一定的局限性，缺乏深入系统的双道密封垫防水性能研究。
综上所述，鉴于盾构隧道管片接缝复杂的受力状态和接触性态，考虑到实际工程中密封垫的可能状态，为了探究水腔压力对双道密封垫防水能力的影响，因此提出了一种模拟内腔水压作用的盾构隧道管片接缝双道密封垫防水性能试验装置与方法，对于推动盾构隧道抗渗性能研究的深入发展至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置及方法，以便能够定性且定量地分析出两道密封垫之间的水腔压力对双道密封垫防水性能的影响。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置，包括两块模拟管片、中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元，所述两块模拟管片在四角通过螺栓组件连接，所述模拟管片包括固定装配的钢盖板和混凝土内衬板，所述两块混凝土内衬板的接缝面均开设有分别用于安装第一道密封垫和第二道密封垫的第一道密封槽和第二道密封槽；所述其中一块模拟管片开设有中心注水孔和内腔注水孔，所述中心注水孔与第一道密封槽围成的区域连通，所述内腔注水孔与第一道密封槽及第二道密封槽之间的区域连通，所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元分别与中心注水孔和内腔注水孔连通。
进一步，所述钢盖板上开设有内衬槽，所述混凝土内衬板与内衬槽固定装配。
进一步，所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元均包括通过水管连通的储水箱、加压泵和压力水罐，所述水管上设置有水压表和阀门。
一种采用上述装置模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验方法，包括如下步骤：
S1：在第一道密封槽内固定安装第一道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S2：通过中心注水孔分级施加水压，得到第一道密封垫的耐水压能力；
S3：取下第一道密封垫，在第二道密封槽内固定安装第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S4：通过内腔注水孔分级施加水压，得到第二道密封垫耐水压能力；
S5：在第一道密封槽和第二道密封槽内分别固定安装第一道密封垫和第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S6：通过内腔注水孔在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不大于第一道密封垫与第二道密封垫耐水压能力的预设内腔水压；
S7：通过中心注水孔分级施加水压，先后击穿两道密封垫，得到预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
进一步，调整两块模拟管片的接缝张开量、错台量以及密封垫安装转角，重复步骤S1-S7，得到不同工况下、基于预设内腔水压作用的第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
进一步，所述S2中，得到第一道密封垫的耐水压能力具体指：测量第一道密封垫的防水阈值，记录第一道密封垫被击穿时的水压Pa；所述S4中，得到第二道密封垫的耐水压能力具体指：测量第二道密封垫的防水阈值，记录第二道密封垫被击穿时的水压Pb。
进一步，所述S2、S4和S7中，分级施加水压的梯度不大于0.02Mpa。
进一步，当Pa＞Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pb、2/5Pb、3/5Pb、4/5Pb,当Pa＜Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pa、2/5Pa、3/5Pa、4/5Pa；在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不同值的预设内腔水压，得到不同预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力，分别以Pa1-Pa4、Pb1-Pb4来表示在不同预设内腔水压下第一道密封垫和第二道密封垫被击穿时的水压。
本发明的有益效果：
本发明利用可替换的混凝土内衬板精准模拟管片接缝密封垫真实的接触状态以及不同的工况状态，包括不同接缝张开量、不同错台量、不同密封垫转角。再结合两套水压加载单元，能够定性、定量、准确地研究两道密封垫间内腔水压力对双道密封垫防水能力的影响，削弱了实验结果局限性的弊端，实现了更加深入系统的双道密封垫防水性能研究，推动了盾构隧道抗渗性能研究的深入发展。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明试验装置的结构示意图，其中模拟管片处于半剖状态；
图2为模拟管片的内部俯视结构示意图；
图3为中心注水孔水压加载单元或内腔注水孔水压加载单元的结构示意图；
图4为不同错台量、不同密封垫安装转角的混凝土内衬板的结构示意图。
图中：1--钢盖板、2--混凝土内衬板、3--第一道密封垫、4--第二道密封垫、5--中心注水孔、6--内腔注水孔、7--中心注水孔水压加载单元、8--内腔注水孔水压加载单元、9--第一道密封槽、10--第二道密封槽、11--储水箱、12--加压泵、13--阀门、14--压力水罐、15--水压表、16--水管。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1-3所示：本实施例提供了一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置，包括两块模拟管片、中心注水孔水压加载单元7和内腔注水孔水压加载单元8，所述两块模拟管片在四角通过螺栓组件连接，所述模拟管片包括固定装配的钢盖板1和混凝土内衬板2，所述两块混凝土内衬板的接缝面均开设有分别用于安装第一道密封垫3和第二道密封垫4的第一道密封槽9和第二道密封槽10；所述其中一块模拟管片开设有中心注水孔5和内腔注水孔6，所述中心注水孔5与第一道密封槽围成的区域连通，所述内腔注水孔6与第一道密封槽9及第二道密封槽10之间的区域连通，所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元分别与中心注水孔和内腔注水孔连通。
进一步，所述钢盖板1上开设有内衬槽，所述混凝土内衬板2与内衬槽固定装配；采用该种镶嵌式固定装配的形式，便于混凝土内衬板的更换。所述的钢盖板采用机床切割和铣槽等工艺精密加工内衬槽，并且对内衬槽底进行精细打磨处理。
进一步，所述中心注水孔水压加载单元7和内腔注水孔水压加载单元8均包括通过水管16连通的储水箱11、加压泵12和压力水罐14，所述水管上设置有水压表15和阀门13。具体工作时，打开阀门，启动加压泵，加压泵将储水箱内的水进行泵送，经压力水罐调压、稳压后输送至管片接缝处对应的加压区域，水压表测量水压。
本实施例还提供了一种采用上述装置模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验方法，包括如下步骤：
S1：在第一道密封槽内固定安装第一道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S2：通过中心注水孔分级施加水压，得到第一道密封垫的耐水压能力；
S3：取下第一道密封垫，在第二道密封槽内固定安装第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S4：通过内腔注水孔分级施加水压，得到第二道密封垫耐水压能力；
S5：在第一道密封槽和第二道密封槽内分别固定安装第一道密封垫和第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S6：通过内腔注水孔在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不大于第一道密封垫与第二道密封垫耐水压能力的预设内腔水压；
S7：通过中心注水孔分级施加水压，先后击穿两道密封垫，得到预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
进一步，调整两块模拟管片的接缝张开量、错台量以及密封垫安装转角，重复步骤S1-S7，得到不同工况下、基于预设内腔水压作用的第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
接缝张开量的调节通过竖向千斤顶调节两块模拟管片之间的间距实现，待接缝张开量调节好后，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接。错台量的调节可通过水平千斤顶向两块模拟管片施加水平错开力实现，也可以通过预设不同错台量的混凝土内衬板实现，试验时，匹配性选择不同的混凝土内衬板。密封垫安装转角的调节通过预设不同密封垫安装转角的混凝土内衬板实现，试验时，匹配性选择不同的混凝土内衬板；图4为不同错台量、不同密封垫安装转角的混凝土内衬板的结构示意图。在混凝土内衬板制造过程中，采用抗渗性好的混凝土充分养护下拆模，并打磨平整。
进一步，所述S2中，得到第一道密封垫的耐水压能力具体指：测量第一道密封垫的防水阈值，记录第一道密封垫被击穿时的水压Pa；所述S4中，得到第二道密封垫的耐水压能力具体指：测量第二道密封垫的防水阈值，记录第二道密封垫被击穿时的水压Pb。
进一步，所述S2、S4和S7中，分级施加水压的梯度不大于0.02Mpa。
进一步，当Pa＞Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pb、2/5Pb、3/5Pb、4/5Pb,当Pa＜Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pa、2/5Pa、3/5Pa、4/5Pa；在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不同值的预设内腔水压，得到不同预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力，分别以Pa1-Pa4、Pb1-Pb4来表示在不同预设内腔水压下第一道密封垫和第二道密封垫被击穿时的水压。
当Pa＜min{Pa1、Pa2、Pa3、Pa4}时，可知在第一道密封垫与第二道密封垫间的内腔注入预制水压能够增强第一道密封垫的防水能力，当Pa＞max{Pa1、Pa2、Pa3、Pa4}时可知在第一道密封垫与第二道密封垫间的腔体内注入水压会削弱第一道密封垫的防水能力，当Pb＜min{Pb1、Pb2、Pb3、Pb4}时，可知在第一道密封垫与第二道密封垫间的内腔注入预制水压能够增强第二道密封垫的防水能力，当Pb＞max{Pb1、Pb2、Pb3、Pb4}时可知在第一道密封垫与第二道密封垫间的内腔注入预制水压会削弱第二道密封垫的防水能力。
综上所述，本发明利用可替换的混凝土内衬板精准模拟管片接缝密封垫真实的接触状态以及不同的工况状态，包括不同接缝张开量、不同错台量、不同密封垫转角。再结合两套水压加载单元，能够定性、定量、准确地研究两道密封垫间内腔水压力对双道密封垫防水能力的影响，削弱了实验结果局限性的弊端，实现了更加深入系统的双道密封垫防水性能研究，推动了盾构隧道抗渗性能研究的深入发展。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置，其特征在于：包括两块模拟管片、中心注水孔水压加载单元(7)和内腔注水孔水压加载单元(8)，所述两块模拟管片在四角通过螺栓组件连接，所述模拟管片包括固定装配的钢盖板(1)和混凝土内衬板(2)，所述两块混凝土内衬板的接缝面均开设有分别用于安装第一道密封垫(3)和第二道密封垫(4)的第一道密封槽(9)和第二道密封(10)；所述其中一块模拟管片开设有中心注水孔(5)和内腔注水孔(6)，所述中心注水孔与第一道密封槽围成的区域连通，所述内腔注水孔与第一道密封槽及第二道密封槽之间的区域连通，所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元分别与中心注水孔和内腔注水孔连通。
2.根据权利要求1所述的模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置，其特征在于：所述钢盖板(1)上开设有内衬槽，所述混凝土内衬板(2)与内衬槽固定装配。
3.根据权利要求2所述的模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验装置，其特征在于：所述中心注水孔水压加载单元和内腔注水孔水压加载单元均包括通过水管(16)连通的储水箱(11)、加压泵(12)和压力水罐(14)，所述水管上设置有水压表(15)和阀门(13)。
4.一种采用如权利要求1所述的试验装置模拟内腔水压作用的管片接缝双道防水试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在第一道密封槽内固定安装第一道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S2：通过中心注水孔分级施加水压，得到第一道密封垫的耐水压能力；
S3：取下第一道密封垫，在第二道密封槽内固定安装第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S4：通过内腔注水孔分级施加水压，得到第二道密封垫耐水压能力；
S5：在第一道密封槽和第二道密封槽内分别固定安装第一道密封垫和第二道密封垫，通过螺栓组件将两块模拟管片固定连接；
S6：通过内腔注水孔在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不大于第一道密封垫与第二道密封垫耐水压能力的预设内腔水压；
S7：通过中心注水孔分级施加水压，先后击穿两道密封垫，得到预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：调整两块模拟管片的接缝张开量、错台量以及密封垫安装转角，重复步骤S1-S7，得到不同工况下、基于预设内腔水压作用的第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述S2中，得到第一道密封垫的耐水压能力具体指：测量第一道密封垫的防水阈值，记录第一道密封垫被击穿时的水压Pa；所述S4中，得到第二道密封垫的耐水压能力具体指：测量第二道密封垫的防水阈值，记录第二道密封垫被击穿时的水压Pb。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述S2、S4和S7中，分级施加水压的梯度不大于0.02Mpa。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当Pa＞Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pb、2/5Pb、3/5Pb、4/5Pb,当Pa＜Pb时，预设内腔水压分别为1/5Pa、2/5Pa、3/5Pa、4/5Pa；在第一道密封垫和第二道密封垫之间施加不同值的预设内腔水压，得到不同预设内腔水压作用下第一道密封垫耐水压能力和第二道密封垫耐水压能力，分别以Pa1-Pa4、Pb1-Pb4来表示在不同预设内腔水压下第一道密封垫和第二道密封垫被击穿时的水压。
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