CN114720641B - 地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置及测试方法，其特征在于：试验机架的上部安装有数据采集及控制系统，一侧竖向固定有滚珠丝杆升降机构，丝杆与步进电机相连，横连接杆的一端与升降螺母固定连接，另一端与悬臂梁传感器固定连接，悬臂梁传感器的自由端与连接筒固定连接；竖连接杆上端插入连接筒内，下端与浮力体固定连接；浮力体位于浆液桶中。该装置能简单、方便、快速的测出同步注浆料的浮力—时间曲线，得到注浆料的浮力随着浆料的凝固而逐渐减小直至消失的消散特性；为盾构隧道的管片抗浮设计与施工的同步注浆料的选择，提供有效、可靠的测试数据，同时为探究和分析同步注浆浆料浮力消散的机理、规律，提供有力的测试手段和依据。
Description
技术领域
本发明属于地铁盾构隧道工程同步注浆材料性能测试技术领域。
背景技术
地铁隧道的修建方法中，由于盾构法具有施工安全性高、对周围环境影响小及掘进速度快等特点，已成为地铁隧道修建的首选方法。盾构法在用盾构机掘进隧道的过程中，由脱离盾构机盾尾的管片，环向拼接形成管片环；管片环再纵向(隧道掘进方向)拼接形成隧道衬砌结构。因管片的外径小于盾构机的刀盘直径(盾壳的外径)，在管片脱出盾尾后，管片外侧(管片环外周)与地层之间存在一环形空隙，该环形空隙如果不能及时有效地填充，上方的土体及管片本身会因没有支撑，产生下沉、变形，导致沉降超限，隧道结构受到破坏；因此，需要在盾构机推进过程中，不间断地从盾尾直接向后注浆，以填充盾构间隙；边推进边注浆，且盾构机的推进速度与注浆速度匹配，推进一环就同时完成一环的注浆(盾构间隙实际上并未出现)，故叫同步注浆。
目前，地铁盾构隧道同步注浆浆料为单浆液和双浆液两种，其中单浆液的物理胶凝(完全固化成固结体)时间普遍在8-10小时左右，双浆液的物理胶凝时间在两小时以上。对于小直径的地铁盾构管片脱出盾尾仅需1小时左右，而大直径的盾构管片脱出盾尾时间略长。但脱出盾尾的管片外周充满的同步注浆料均未完成物理胶凝(尤其是单浆液浆料更是远未完成)；加之，浆料的密度大于管片的密度，管片初期受到的浮力大于管片重力，脱出盾尾的管片可能会上浮，而注浆料会下沉。
脱离盾壳后的管片在同步注浆的浆液的上浮现象，不仅会使隧道偏离设计路线，还会造成管片的局部损伤和接头渗漏等问题，严重时甚至导致管片错台、开裂及渗漏水等问题，从而使隧道结构的安全性和使用性能下降，大大影响盾构隧道的工程质量。
但管片的上浮现象并不一定会发生，这是因为：注浆液浆料在物理凝胶过程中，浆料逐渐由液态转化为固态，浆料的浮力逐渐减小直至消失，即浆料具有浮力消散特性；且浆料浮力消散的速度大于物理凝胶的速度，管片上浮时还需要克服摩擦力等阻力，其上浮过程较为缓慢。如浮力消散时间短、速度快，则管片的上浮现象可以忽略，或者可以通过管片预先下沉一小段距离，抵消管片的上浮。
总之，注浆料的浮力消散特性直接影响管片的上浮，进而影响盾构隧道结构的工程质量。因此，亟需开发出地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置及测试方法，以快速、准确的测出注浆料的浮力消散特性，进而减小甚至避免管片在同步注浆浆料中的上浮现象，保证盾构隧道的工程质量。
发明内容
本发明的第一发明目的是提供一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，该装置能简单、方便、快速的测出同步注浆的浆料的浮力—时间曲线，得到注浆料的浮力随着浆料的凝固而逐渐减小直至消失的消散特性；为盾构隧道的管片抗浮设计与施工的同步注浆浆料的选择，提供有效、可靠的测试数据，以保证盾构隧道的工程质量；同时为探究和分析同步注浆浆料浮力消散的机理、规律，提供有力的测试手段和依据，促进浮力消散好的同步注浆浆料的研发和应用。
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，其特征在于：
试验机架的上部安装有数据采集及控制系统，试验机架的一侧竖向固定有滚珠丝杆升降机构，滚珠丝杆升降机构的丝杆上端与步进电机相连，滚珠丝杆升降机构的升降螺母上固定有横向的横连接杆，横连接杆与悬臂梁传感器的固定端连接，悬臂梁传感器的自由端与连接筒的上端固定连接；刚性的竖连接杆的上端插入连接筒的内腔中，竖连接杆的下端与浮力体固定连接；浮力体位于浆液桶中；
所述的步进电机、悬臂梁传感器均与数据采集及控制系统电连接。
本发明的第二目的是提供一种使用上述的地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置进行同步注浆料消散特性测试的方法，该方法能简单、方便、精确的测出同步注浆的浆料在凝固过程中各个时间间隙的浮力值，进而得到注浆料的浮力消散特性。
本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种使用上述的地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置进行同步注浆料消散特性测试的方法，其步骤为：
A、测试准备
数据采集及控制系统控制步进电机反转，驱动滚珠丝杆升降机构的升降螺母向下移动，并经横连接杆、悬臂梁传感器、连接筒、竖连接杆带动浮力体下降至浆液桶的底部；随后，步进电机待机，再将待测的地铁盾构同步注浆料装入浆液桶内；
B、浮力测试
数据采集及控制系统控制步进电机正转，驱动滚珠丝杆升降机构的升降螺母向上带动悬臂梁传感器及连接筒向上移动设定的单次上浮距离；竖连接杆因自重不随连接筒上移，其上端不再抵紧连接筒及悬臂梁传感器；
然后，在设定的单次停留时间内，步进电机停止转动，在此过程中，浮力体在同步注浆料的浮力作用下，向上浮动并带动竖连接杆沿连接筒内腔向上移动，直至竖连接杆向上顶紧连接筒及悬臂梁传感器的自由端；悬臂梁传感器通过连接筒、竖连接杆对浮力体产生下压力，使浮力体停止上浮，保持静止；步进电机停止转动的时间，达到设定的单次停留时间时，完成本次浮力测试；同时，数据采集及控制系统采集并记录本次浮力测试过程中悬臂梁传感器的最大的下压力值和对应的时间；
C、循环
重复步骤B的操作，直至连续三次采集记录的悬臂梁传感器的下压力值均为零，测试结束；
D、数据输出
数据采集及控制系统根据采集记录的各次浮力测试的下压力值数据、对应的时间数据、浮力体及竖连接杆的重力和体积，计算绘制出单位体积的浮力体在同步注浆料中的“浮力—时间”曲线，即测出地铁盾构同步注浆料的浮力消散特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本装置在单次浮力测试过程中，通过步进电机来驱动并控制滚珠丝杠升降机构的上升，从而驱动并控制升降螺母、横连接杆、传感器和连接筒精确同步上移，但竖连接杆和浮力体并不立即随之上移，而处于不受传感器下压力控制的自由状态；
随后，在单次停留时间内，浮力体在同步注浆料的浮力作用下，克服其重力向上浮动，直至竖连接杆重新接触传感器并受到传感器的下压力，直至传感器的下压力等于浮力体的浮力与重力之差时，浮力体静止；此时，传感器测出本次测试时稳定的、也是最大的下压力值。如不及时重启下次测试，静止状态的浮力体与浆料间存在强大的静压力、静摩擦力，表面张力以及浆料凝固过程产生的应变凝固作用等，会导致传感器的下压力值并不会随着注浆料的浮力消散而精确同步变化。
及时启动下次测试，浮力体的下压力消失，重新处于不受传感器下压力控制的自由状态；并在同步注浆料的浮力作用下、由静止状态重新变成向上浮动状态，直至竖连接杆重新接触传感器并受到传感器的下压力，进行下一次的浮力测试。从而巧妙地消除了连接筒不逐次上提带来的浮力体长期静止态，而无法精确同步跟踪浮力变化的缺陷；将各次浮力测试得到的浮力计算得到“浮力——时间”曲线，即得到注浆料的浮力随着浆料的凝固而逐渐减小直至消失的浮力消散特性。
二、通过连接筒的逐次抬升-静止，竖连接杆的相应逐次自由上移-顶挤，巧妙地精确同步跟踪浮力体的浮力变化，进而简单、方便、快速的绘出同步注浆的浆料的时间——浮力曲线，得到待测注浆料的浮力消散特性；为盾构隧道的管片抗浮设计与施工的同步注浆浆料的选择，提供有效、可靠的测试数据，以保证盾构隧道的工程质量。
三、更换不同种类及配比的同步注浆料，即可测出不同的同步注浆料的浮力消散特性。能为探究和分析同步注浆浆料浮力消散的机理、规律及注浆料中各成分对浮力消散的作用、相互关系，提供有力的测试手段和依据，进而大力促进浮力消散特性好、且强度等性能也好的高性能同步注浆浆料的研发和应用。
进一步，本发明的浮力体为轻质材料制成的封闭的空心体。
这样的浮力体质量轻，单位体积的浮力大，更能精确、可靠的测试出同步注浆料的浮力消散特性。
再进一步，本发明的浆液桶的材质是透明的钢化有机玻璃。
这样，可以透过透明的浆液桶，直观的观察到浆液桶中同步注浆料的凝胶过程及浮力体的上浮情况。更有利于对同步注浆浆料浮力消散的机理、规律的分析和探究。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明装置在浮力测试过程中，竖连接杆上端未抵紧连接筒时的主视结构示意图。
图2为图1的局部A的放大图。
图3为本发明装置在浮力测试过程中，竖连接杆上端抵紧连接筒时的主视结构示意图。
图4为图3的局部B的放大图。
图5为本发明实施例的测试试验得到的某同步注浆浆料的“浮力——时间”曲线图。
具体实施方式
实施例
图1-4示出，本发明的一种具体实施方式是，一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，其特征在于：
试验机架1的上部安装有数据采集及控制系统2，试验机架1的一侧竖向固定有滚珠丝杆升降机构3，滚珠丝杆升降机构3的丝杆3b上端与步进电机4相连，滚珠丝杆升降机构3的升降螺母3a与横连接杆5的一端固定连接，横连接杆5的另一端与悬臂梁传感器6的固定端连接，悬臂梁传感器6的自由端与连接筒7的上端固定连接；刚性的竖连接杆8的上端插入连接筒7的内腔7a中，竖连接杆8的下端与浮力体9固定连接；浮力体9位于浆液桶10中；
所述的步进电机4、悬臂梁传感器6均与数据采集及控制系统2电连接。
本例的浮力体9为轻质材料制成的封闭的空心体。
本例的浆液桶10的材质是透明的钢化有机玻璃。
使用本例的地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置进行同步注浆料消散特性测试的方法，其步骤为：
A、测试准备
数据采集及控制系统2控制步进电机4反转，驱动滚珠丝杆升降机构3的升降螺母3a向下移动，并经横连接杆5、悬臂梁传感器6、连接筒7、竖连接杆8带动浮力体9下降至浆液桶10的底部；随后，步进电机4待机，再将待测的地铁盾构同步注浆料11装入浆液桶10内；
B、浮力测试
数据采集及控制系统2控制步进电机4正转，驱动滚珠丝杆升降机构3的升降螺母3a向上带动悬臂梁传感器6及连接筒7向上移动设定的单次上浮距离；竖连接杆8因自重不随连接筒7上移，其上端不再抵紧连接筒7及悬臂梁传感器6；见图1和图2。
然后，在设定的单次停留时间内，步进电机4停止转动，在此过程中，浮力体9在同步注浆料11的浮力作用下，向上浮动并带动竖连接杆8沿连接筒7内腔7a向上移动，直至竖连接杆8向上顶紧连接筒7及悬臂梁传感器6的自由端；悬臂梁传感器6通过连接筒7、竖连接杆8对浮力体9产生下压力，使浮力体9停止上浮，保持静止；步进电机4停止转动的时间，达到设定的单次停留时间时，完成本次浮力测试；见图3和图4。同时，数据采集及控制系统2采集并记录本次浮力测试过程中悬臂梁传感器6的最大的下压力值和对应的时间。
C、循环
重复步骤B的操作，直至连续三次采集记录的悬臂梁传感器6的下压力值均为零，测试结束；
D、数据输出
数据采集及控制系统2根据采集记录的各次浮力测试的下压力值数据、对应的时间数据、浮力体9及竖连接杆8的重力和体积，计算绘制出单位体积的浮力体9在同步注浆料11中的“浮力—时间”曲线，即测出地铁盾构同步注浆料11的浮力消散特性。
用本例的装置及方法对一同步注浆浆料进行了测试试验：
测试试验时装置的具体参数为：滚珠丝杆升降机构3的行程为300mm，悬臂梁传感器6的量程3000g，误差±1.5g；竖连接杆8为尺寸φ6mm，壁厚0.8mm的不锈钢管；浮力体9的材质为PE，尺寸为φ50×3.7×160mm的空心封闭管，外体积(排水量)314cm3；浆液桶10的高度450mm，底径φ250mm(容积21L)。被测同步注浆料的胶凝时间为8h。
测试试验时，单次浮力测试的时间为20分钟；滚珠丝杆升降机构3的单次抬升距离为10mm。各个单次浮力测试得到的下压力值逐渐下滑，到第20-22次共连续三次单次浮力测试得到的下压力值均为零，完成测试；所用时间为6小时20分钟。
测试时，本发明单次浮力测试的抬升距离和单次停留时间，通常为5-15mm，单次浮力测试的停留时间通常为10-25分钟。
数据采集及控制系统2根据采集记录的各次浮力测试的下压力值数据、对应的时间数据、浮力体9及竖连接杆8的重力和体积，计算绘制出单位体积的浮力体9在同步注浆料11中的“浮力—时间”曲线，见图5。由图5可知，该同步注浆料在5小时后，浮力消散50％，5小时40分钟后浮力消散60％，6小时后浮力消散87％，6小时20分钟后浮力完全消失。
本发明测试时，对不同的同步注浆料，其单次浮力测试的抬升距离和单次停留时间有所不同，抬升距离通常为5-15mm，停留时间通常为10-25分钟。其具体值根据经验或多次初测确定。
Claims (4)
1.一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，其特征在于：
试验机架(1)的上部安装有数据采集及控制系统(2)，试验机架(1)的一侧竖向固定有滚珠丝杆升降机构(3)，滚珠丝杆升降机构(3)的丝杆(3b)上端与步进电机(4)相连，滚珠丝杆升降机构(3)的升降螺母(3a)与横连接杆(5)的一端固定连接，横连接杆(5)的另一端与悬臂梁传感器(6)的固定端连接，悬臂梁传感器(6)的自由端与连接筒(7)的上端固定连接；刚性的竖连接杆(8)的上端插入连接筒(7)的内腔(7a)中，竖连接杆(8)的下端与浮力体(9)固定连接；浮力体(9)位于浆液桶(10)中；
所述的步进电机(4)、悬臂梁传感器(6)均与数据采集及控制系统(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，其特征在于：所述的浮力体(9)为轻质材料制成的封闭的空心体。
3.根据权利要求1所述的一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，其特征在于：所述的浆液桶(10)的材质是透明的钢化有机玻璃。
4.使用权利要求1所述的一种地铁盾构同步注浆料浮力消散特性的测试装置，进行同步注浆料消散特性测试的方法，其步骤为：
A、测试准备
数据采集及控制系统(2)控制步进电机(4)反转，驱动滚珠丝杆升降机构(3)的升降螺母(3a)向下移动，并经横连接杆(5)、悬臂梁传感器(6)、连接筒(7)、竖连接杆(8)带动浮力体(9)下降至浆液桶(10)的底部；随后，步进电机(4)待机，再将待测的地铁盾构同步注浆料(11)装入浆液桶(10)内；
B、浮力测试
数据采集及控制系统(2)控制步进电机(4)正转，驱动滚珠丝杆升降机构(3)的升降螺母(3a)向上带动悬臂梁传感器(6)及连接筒(7)向上移动设定的单次上浮距离；竖连接杆(8)因自重不随连接筒(7)上移，其上端不再抵紧连接筒(7)及悬臂梁传感器(6)；
然后，在设定的单次停留时间内，步进电机(4)停止转动；在此过程中，浮力体(9)在同步注浆料(11)的浮力作用下向上浮动，并带动竖连接杆(8)沿连接筒(7)的内腔(7a)向上移动，直至竖连接杆(8)向上顶紧连接筒(7)及悬臂梁传感器(6)的自由端；悬臂梁传感器(6)通过连接筒(7)、竖连接杆(8)对浮力体(9)产生下压力，使浮力体(9)停止上浮，保持静止；步进电机(4)停止转动的时间，达到设定的单次停留时间时，完成本次浮力测试；同时，数据采集及控制系统(2)采集并记录本次浮力测试过程中悬臂梁传感器(6)的最大的下压力值和对应的时间；
C、循环
重复步骤B的操作，直至连续三次采集记录的悬臂梁传感器(6)的下压力值均为零，测试结束；
D、数据输出
数据采集及控制系统(2)根据采集记录的各次浮力测试的下压力值数据、对应的时间数据、浮力体(9)及竖连接杆(8)的重力和体积，计算绘制出单位体积的浮力体(9)在同步注浆料(11)中的“浮力—时间”曲线，即测出地铁盾构同步注浆料(11)的浮力消散特性。
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