CN115166142A - 一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，包括透明管体、测压表、应变片、注气结构和注水结构，透明管体的内壁上设置有模拟隧道结构的模拟段，模拟腔上设置有注气口、测压口、注水口、通气口和外排口，所述应变片设置在气囊上，并与测试仪连接，在模拟腔内设置有水位传感器，在气囊的外侧设置有位移传感器，本发明通过对气囊的形变状态、受力状态进行分析和检测，得出气囊初始状态至滑移失效的整个过程中的形状与内压随外压变化关系，不同水压和气压对气囊所能产生的实际推力、气囊不同内压在不同水压和气压下所能产生的正压力大小，进而分析气囊的滑移失效模式，指导气囊在工程上的实际应用提供理论指导。

Description

一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及隧道封堵技术领域，具体涉及一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置及试验方法。

背景技术

随着地下空间的开发利用，城市地下铁路建设和运营中的安全问题日益突出。一些潜在的威胁如地下水渗漏、突发洪水、有毒气体等一旦发生，不仅影响隧道的正常施工和运营，而且会导致生命财产的损失，若灾害发生后不能得到有效的隔离，灾害的蔓延无疑会引起更大的经济损失和人员伤亡。

有学者提出气囊可应用于隧道的分区中，模型试验主要致力于研究气囊的安装、膨胀以及阻挡流体的效果，尚未涉及气囊受侧压后的变形研究。如，Martinez等"针对隧道中突发的洪水或有毒气体，提出保护装置系统，该系统包含一个或数个气囊，安装固定在隧道顶部，险情一旦发生，便会触动开关机制，气囊可迅速膨胀，起到阻隔作用。Sosa等进行了干、湿状态下，气囊材料与混凝土面的摩擦系数试验，并进行小比尺模型试验，气囊在摩阻力不足的情况下会产生滑移，以上研究均未涉及气囊在隧道中受到侧压后的变形和受力，这是决定气囊能否正常工作的关键问题。因为气囊属于膜结构，其抵挡外压的大小不仅由摩阻力决定，也取决干其形状变化的特点，并且因气囊四周受隧道管壁正向力约束，其变形和失效模式也不同于常规的膜结构。尤其对于隧道中的大直径气囊，由内压产生的材料拉力和需要阻挡的侧向力远远大于普通小直径气囊，其滑移失效后的危害也更加严重，因此，研究气囊在外压作用下变形、滑移的控制条件十分必要和关键，是气囊在隧道中使用的先决条件。

同时现有的实验装置在进行气囊封堵隧道的模拟实验时功能有限，模拟场景有限，无法模拟气囊在受到不同荷载下的整体受力状况，无法获得不同内压的气囊在对应荷载下的实际受力大小所能获取的检测数据有限，为了进一步研究气囊在隧道内的实际受力、封堵强度和滑移失效的状态，研究一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置是必要的。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置及试验方法，有效的解决了现有的实验装置所能模拟的实验状态单一，获取检测数据有限的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，包括透明管体、测压表、应变片、注气结构和注水结构，所述透明管体的内壁上设置有模拟隧道结构的模拟段，透明管体的一侧开口，另一侧封闭，用于从开口端放入气囊，在气囊膨胀后紧贴模拟段的内壁，并与封闭端之间形成模拟腔；所述模拟腔上设置有注气口、测压口、注水口、通气口和外排口，所述注气口与注气结构连通，测压口上设置有测压表，所述注水口与注水结构连通，所述应变片设置在气囊上，并与测试仪连接，在模拟腔内设置有水位传感器，在气囊的外侧设置有位移传感器。

进一步的，所述模拟腔的侧壁上设置有三通阀，所述三通阀的两个支口作为注气口和注水口分别经阀门与注气结构和注水结构连通。

进一步的，所述应变片沿气囊的轴向设置有多组，每组应变片沿径向分布有多个。

进一步的，所述透明试管内壁上设置有容纳应变片线材的线槽。

进一步的，所述透明管体的开口侧向下设置有收集筒，所述收集筒的侧面设置有刻度，其底部设置有排水口。

进一步的，注水结构包括水泵、单向阀和增压缸，增压缸的上腔体经节流阀与液压泵连接，水泵经单向阀与增压缸的下腔体连通，下腔体经单向阀与供水口连通。

进一步的，所述透明管体的内壁上设置有环形嵌槽，在嵌槽内套装有透明的内管体，内管体的外壁与嵌槽之间设置有密封环，在内管体外端部与嵌槽之间设置有压力传感器。

进一步的，所述嵌槽的外端壁上设置有安装槽，所述压力传感器套装在安装槽内，所述内管体上设置有顶压头，顶压头适配顶靠在压力传感器上。

进一步的，所述透明试管包括内段和外段，所述内段的一侧开口，另一侧封闭，并在开口侧的内壁上嵌槽，外壁上设在有外螺纹，所述外段螺纹连在外螺纹上，并顶靠在嵌槽的侧面。

一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验方法，包括如下步骤，

步骤一，将应变片粘贴在气囊的表面，然后将气囊连同应变片一同放入透明试管内；

步骤二，气囊外侧的充气接头，充气接头上具有充气口和能检测气囊内部气压的气压表，将气泵连接充气口，使气囊膨胀并紧贴透明试管，并记录气压表的值，然后将通气口封闭，将注气结构连通注气口，向模拟腔内注入气体，使模拟腔内稳定保持气压，通过测压表记录模拟腔内的气压；

步骤三，观察气囊的表面变化情况，并记录，随后通过注气结构改变模拟腔内气压，并记录对应气压下的气囊变化情况，记录完毕后打开外排口，关闭注气结构；

步骤四，将外排口关闭，打开通气口，将注水结构连接注水口向模拟腔内注入对应的水量，记录水位高度，观察气囊表面的变化情况；改变水位高度后，并重复记录气囊表面变化情况；

步骤五，增大气囊内压使气囊内径大于透明试管，并重复步骤二至四。

步骤六，减小气囊内压使气囊内径小于透明试管，并重复步骤二至四。

上述技术方案的有益效果是：本发明主要用于研究充灌气囊在隧道内的封堵状态和各状态下的气囊受力情况，基于此目的，本发明设置了透明管体结构，其一端开口，另一端封闭用于模拟实际的隧道模型，在其内壁上布置有全段或者部分段的模拟段，将气囊嵌套在该模拟段上，并与封堵段之间形成模拟腔，在模拟腔内充入气压或者水压来模拟隧道内气体泄漏和水泄漏，模拟场景多样，且对应状态下的气压值和水位高度可测，且实验过程处于透明的透明管体内，气囊的变形过程肉眼可视，同时在气囊上设置有应变片，能够气囊的具体形变过程在应变仪上显示。

同时本发明在透明试块的开口侧布置了收集筒能够对水泄漏的量进行收集，采用特定内压的气囊来封堵隧道，研究不同的水位下的水泄漏量，模拟现实中气囊封堵隧道时可能出现的水渗漏状况，并对该状态下的应对方案进行指导，泵进行作业，如泵的功率和数量等信息。

本发明将气囊布置在内管体内，内管体通过密封环套装在透明管体的嵌槽内，并在内管体与嵌槽之间布置有压力传感器，水压或者气压产生的推力能够直接作用到内管体和气囊上，在稳定状态下内管体的实际受力和压力传感器的实测力可以作为气囊的实际受力，而气囊与内管体之间的摩擦力与气囊的内压和水压或气压有关，当气囊产生滑移失效的瞬间，利用压力传感器检测水压或气压对气囊的实际作用力，并根据气囊的内压之间建立理论模型，对研究气囊正压力与气囊的内压、水压或气压之间的关系具有一定的指导意义。

由此，本发明结合气囊在透明管体内的封堵状态，通过对气囊的形变状态、受力状态进行分析和检测，得出气囊初始状态至滑移失效的整个过程中的形状与内压随外压变化关系，不同水压和气压对气囊所能产生的实际推力、气囊不同内压在不同水压和气压下所能产生的正压力大小，进而分析气囊的滑移失效模式，为研究气囊能够抵抗多大的外压，在什么状况下失效，为指导气囊在工程上的实际应用提供理论指导。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为内管体测压结构示意图；

图3为支架以及收集筒的结构示意图；

图4为气囊以及应变片的结构示意图；

图5为内管体的结构示意图；

图6为图5的正视图；

图7为注水结构的示意图。

附图标记：1为透明试管，101为外段，102为内段，103为外螺纹，104为嵌槽，2为气囊，201为充气口，202为气压表，3为模拟腔，4为测压表，5为通气口，6为注水口，7为外排口以及注气口，8为内管体，81为密封槽，82为顶压头，9为密封环，10为压力传感器，11为收集筒，12为排水口，13为支架，14为三通阀，15为注水口，16为注气口，17为应变片，18为增压缸，19为单向阀，20为水泵， 21为节流阀，22为液压泵，23为水位传感器，24为位移传感器，25为压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1，本实施例旨在提供一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，主要用于研究气囊在隧道内封堵工作机理的试验，针对现有的结构中功能单一，无法对气囊在隧道内受到侧压后的变形和受力状况进行分析，而这正是气囊正常工作的关键，基于此，本实施例提供了一种用于研究不同内压的气囊在受到不同形式侧压时的工作机理实验装置。

具体结构中如图1中展示，一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，包括透明管体1、测压表4、应变片17、注气结构和注水结构，透明管体1为圆形结构，在其内壁上设置有模拟隧道结构的模拟段，该模拟段可以为部分段结构，也可以为全段结构，其用于模拟实际的隧道内壁状态，并将气囊嵌套在模拟段，以真实模拟气囊的实际受力状态。

为了便于观察气囊的实际受力形变状态，透明管体1为透明材质结构，且透明管体1的一侧开口，另一侧设置有封堵板，使该侧封闭，用于从开口端放入气囊2，在气囊2膨胀后紧贴模拟段的内壁，并与封闭端之间形成模拟腔3，如图1中展示，气囊2在充满状态下嵌套在模拟段，并与右侧的封堵板之间形成模拟测压的腔室。

为模拟不同的侧压模型，本实施例在模拟腔3上设置有注气口、测压口7、注水口6、通气口5和外排口，注气口与注气结构连通，测压口7上设置有测压表4，注水口6与注水结构连通，实施时，将测压口7、通气口5和注水口6布置在上方，外排口以及注气口7作为同一支口设置在模拟腔的下方，作为另一种实施方式也可以在模拟腔的侧壁上设置有三通阀14，三通阀的两个支口作为注气口15和注水口16分别经阀门与注气结构和注水结构连通，测压口、通气口和外排口单独布置在模拟腔上，注气结构包括气泵、储气罐和单向阀，气泵经单向阀与储气罐连接，储气罐经阀门与注气口连通，利用储气罐进行保压，并为模拟腔提供高压。

注水结构包括水泵20、单向阀19和增压缸18，增压缸18的上腔体181经节流阀21与液压泵24连接，使其上腔体182内处于高油压，水泵20经单向阀19与增压缸18的下腔体连通，下腔体182经单向阀19与供水口连通，利用增压缸18的上腔体提供高压。

为了研究气囊的形变状况，本实施例将应变片17设置在气囊2上，并与测试仪连接，具体的布置结构中将应变片17均布在气囊2上，如图4中展示，应变片17沿气囊2的轴向设置有多组，每组应变片沿径向分布有多个，为了避免应变片线材干扰试验，在透明试管内壁上设置有容纳应变片线材的线槽，另外在模拟段内还设置有均布有压力传感器26，管壁间压力传感器26用于获取气囊2各部分真实的受力状态以及气囊2各部分材料张力情况。

水量变化的转折点是判断气囊失稳的条件之一，本实施例在模拟腔内设置有水位传感器23（此为现有结构，具体原理不详述），水位传感器23用于获取注水模式下的模拟腔内水位高低变化，通过水位的变化判断是否发生水渗漏；在气囊的外侧设置有位移传感器24，位移传感器24用于获取气囊相对模拟段的滑移状况，并以此判断位移变化的转折点、变化的临界位置。

本实施例在使用时，包括如下步骤；

步骤一，预先对气囊冲压，使气囊保持一定的形状，将应变片按照图4中展示粘贴在气囊的表面，然后将气囊连同应变片一同放入透明试管内；

步骤二，气囊外侧的充气接头，充气接头上具有充气口201和能检测气囊内部气压的气压表202，将气泵连接充气口对气囊加压，使气囊膨胀并紧贴透明试管，并记录气压表的值，然后将通气口封闭，将注气结构连通注气口，向模拟腔内注入气体，使模拟腔内稳定保持气压，通过测压表记录模拟腔内的气压；

步骤三，观察气囊的表面变化情况，并记录，随后通过注气结构改变模拟腔内气压，并记录对应气压下的气囊变化情况，记录完毕后打开外排口，关闭注气结构；

步骤四，将外排口关闭，打开通气口，将注水结构连接注水口向模拟腔内注入对应的水量，记录水位高度，观察气囊表面的变化情况；改变水位高度后，并重复记录气囊表面变化情况；

步骤五，增大气囊内压使气囊内径大于透明试管，并重复步骤二至四。

步骤六，减小气囊内压使气囊内径小于透明试管，并重复步骤二至四。

实施例2，本实施例进一步对透明管体的结构进一步说明。

本实施例中透明管体1的开口侧向下设置有收集筒11，收集筒11的侧面设置有刻度，其底部设置有排水口12，在透明管体1的底部设置支架13。

本实施例中在透明试管1的开口侧设置有收集筒，收集筒11用于收集泄露的水量，采用特定内压的气囊来封堵隧道，研究不同的水位下的水泄漏量，模拟现实中气囊封堵隧道时可能出现的水泄漏状况，并对该状态下的应对方案进行指导，如设置对应的泵进行作业，如泵的功率和数量，进而获得渗漏的频率、程度、渗水水量与外侧水压力和时间的关系。

实施例3，本实施例进一步设置了用于检测气囊实际所受测压推力的压力传感器。

本实施例在透明管体1的内壁上设置有环形嵌槽104，在嵌槽104内套装有透明的内管体，内管体的外壁与嵌槽之间设置有密封环9，在内管体8外端部与嵌槽104之间设置有压力传感器10，在具体实施时，嵌槽104的外端壁上设置有安装槽，压力传感器104套装在安装槽内，内管体8上设置有顶压头82，顶压头82适配顶靠在压力传感器104上，多点位布置压力传感器。

透明试管1包括内段102和外段101，所述内段102的一侧开口，另一侧封闭，并在开口侧的内壁上嵌槽104，外壁上设在有外螺纹103，外段101螺纹连在外螺纹103上，并顶靠在嵌槽的侧面。

本实施例中内管体作为容纳气囊的结构，将模拟段布置在内管体的内壁上，当气囊充气后能够与内管体的内壁之间产生正压力N1，进而气囊与内管体之间能基本模拟气囊的隧道的实际状态，并具有最大摩擦力F1，内管体通过密封环密封套装在透明管体内，该密封结构与活塞的密封结构类似，能够确保内管体与透明管体之间的密封性，内管体能够受压向开口侧移动，并顶压压力传感器，从而能够实时检测不同水压和气压对内管体和透明管体产生的推力。

在初始状态下，压力传感器的初始检测值为0，随着气压的增大，模拟腔内气压能够推动内管体和气囊结构，并在保压状态下，记录压力传感器的值，即得到一定的气压下，所能给气囊和内管体提供的推力），而当气囊被推动产生滑移失效的瞬间，压力传感器所测的压力可以等效为气囊所受到的实际推力，且气囊的内压和模拟腔的侧压均可测，从而能够得出内压、侧压、气囊所有推力之间的关系，为研究气囊能够抵抗多大的外压，在什么状况下失效，为指导气囊在工程上的实际应用提供理论指导。

同时本实施例通过对气囊充入对应的内压，对于特定材质的气囊，在其内部充入多大内压能够具有最大的抗滑移能力，为实际工程使用中，提高气囊的封堵能力提供理论指导。

作用1 设置泵数量

2 水量变化的转折点是判断气囊失稳的条件之一。

Claims (10)

1.一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于，包括透明管体、测压表、应变片、注气结构和注水结构，所述透明管体的内壁上设置有模拟隧道结构的模拟段，透明管体的一侧开口，另一侧封闭，用于从开口端放入气囊，在气囊膨胀后紧贴模拟段的内壁，并与封闭端之间形成模拟腔；所述模拟腔上设置有注气口、测压口、注水口、通气口和外排口，所述注气口与注气结构连通，测压口上设置有测压表，所述注水口与注水结构连通，所述应变片设置在气囊上，并与测试仪连接，在模拟腔内设置有水位传感器，在气囊的外侧设置有位移传感器。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述模拟腔的侧壁上设置有三通阀，所述三通阀的两个支口作为注气口和注水口分别经阀门与注气结构和注水结构连通。

3.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述应变片沿气囊的轴向设置有多组，每组应变片沿径向分布有多个。

4.根据权利要求3所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述透明试管内壁上设置有容纳应变片线材的线槽。

5.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述透明管体的开口侧向下设置有收集筒，所述收集筒的侧面设置有刻度，其底部设置有排水口。

6.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：注水结构包括水泵、单向阀和增压缸，增压缸的上腔体经节流阀与液压泵连接，水泵经单向阀与增压缸的下腔体连通，下腔体经单向阀与供水口连通。

7.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述透明管体的内壁上设置有环形嵌槽，在嵌槽内套装有透明的内管体，内管体的外壁与嵌槽之间设置有密封环，在内管体外端部与嵌槽之间设置有压力传感器。

8.根据权利要求7所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述嵌槽的外端壁上设置有安装槽，所述压力传感器套装在安装槽内，所述内管体上设置有顶压头，顶压头适配顶靠在压力传感器上。

9.根据权利要求1所述的模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验装置，其特征在于：所述透明试管包括内段和外段，所述内段的一侧开口，另一侧封闭，并在开口侧的内壁上嵌槽，外壁上设在有外螺纹，所述外段螺纹连在外螺纹上，并顶靠在嵌槽的侧面。

10.一种模拟隧道充灌气囊封堵工作机理的试验方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一，将应变片粘贴在气囊的表面，然后将气囊连同应变片一同放入透明试管内；

步骤二，气囊外侧的充气接头，充气接头上具有充气口和能检测气囊内部气压的气压表，将气泵连接充气口，使气囊膨胀并紧贴适配透明试管，并记录气压表的值；然后将通气口封闭，将注气结构连通注气口，向模拟腔内注入气体，使模拟腔内稳定保持气压，通过测压表记录模拟腔内的气压；

步骤三，观察气囊的表面变化情况，并记录，随后通过注气结构改变模拟腔内气压，并记录对应气压下的气囊变化情况，记录完毕后打开外排口，关闭注气结构；

步骤四，将外排口关闭，打开通气口，将注水结构连接注水口向模拟腔内注入对应的水量，记录水位高度，观察气囊表面的变化情况；改变水位高度后，并重复记录气囊表面变化情况；

步骤五，增大气囊内压使气囊内径大于透明试管，并重复步骤二至四；

步骤六，减小气囊内压使气囊内径小于透明试管，并重复步骤二至四。

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