CN116337345B - 一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统及方法，包括外部高压容器、管片模型、端部密封装置、纵缝接头密封装置、自适应均匀加载系统和伺服加载控制系统；在外部高压容器内设置一圈管片模型，高压容器与管片模型顶部和底部通过端部密封装置密封，三者形成密封加压空间；管片模型包括多个管片，相邻的管片之间通过纵缝接头密封装置相连，在管片模型内部放置有自适应均匀加载系统，自适应均匀加载系统与伺服加载控制系统相连。

Description

一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统及方法

技术领域

本发明属于盾构隧道模拟领域，具体涉及一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统及方法。

背景技术

国内外现有的盾构隧道横向变形渗漏水试验技术尚不完善。在发明专利CN114813502A中公开了一种多环管片衬砌渗漏水试验装置及方法，包括加水压系统、衬砌模型和密封系统，实现了对隧道在高水压下的管片衬砌渗漏水的模拟，但该发明仍有如下不足：1.该试验装置没有加载装置，只能对盾构隧道管片在完美拼接下的情况下进行模拟，无法研究管片间不同错台及张开量状态下的渗漏水情况；2.该试验装置的纵缝密封槽尺寸固定，只能对某一种与之尺寸对应的密封条进行纵缝接头渗透水研究，无法满足现实工程中对多样各异的密封条渗漏水性能的研究需求。类似地，在发明专利CN104612710B与CN101899984B中分别提出了一种盾构管片纵缝接头与一种用于膨胀岩土地区的盾构隧道管片弹性纵缝装置，但两者也存在无法实现在不同错台量、张开量以及不同尺寸密封条下的纵缝接头渗漏水的研究的问题。

此外，在CN114813502A中公开的一种多环管片衬砌渗漏水试验装置中，其公开的载荷加载系统，没有设置轴向滑动槽和环向滑动槽，无法实现加载油缸位置的任意移动，加载位置有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种模拟盾构隧道横向变形下纵缝接头力学行为与渗漏水的试验系统，该装置模拟实际管片接头形式、外部水环境及施加横向荷载，再现不同错台、张开量的纵缝接头横向变形工况下的接缝力学行为与渗漏水，以揭示管片衬砌横向变形下纵缝接头力学行为与渗漏水机制，开展渗漏水原因分析，推动盾构隧道防水技术发展。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，包括外部高压容器、管片模型、端部密封装置、纵缝接头密封装置、自适应均匀加载系统和伺服加载控制系统；在外部高压容器内设置一圈管片模型，高压容器与管片模型顶部和底部通过端部密封装置密封，三者形成密封加压空间；所述的管片模型包括多个管片，相邻的管片之间通过可调节的纵缝接头密封装置相连，在管片模型内部放置有自适应均匀加载系统，所述的自适应均匀加载系统与搭载伺服加载控制系统的控制器相连。

作为进一步的技术方案，所述的端部密封装置为法兰盘。

作为进一步的技术方案，所述的纵缝接头密封装置由可动密封槽体和密封条组成；可动密封槽体包括四个，其中两个安装在第一管片模型的安装槽内，另外两个可动密封槽体安装在第二管片模型的安装槽内，四个可动密封槽体组合在一起，形成密封条的安装空间，密封条安装在该空间内。

作为进一步的技术方案，所述的可动密封槽体与第一管片模型、第二管片模型的安装槽之间通过密封圈密封。

作为进一步的技术方案，所述的自适应均匀加载系统，包括底座，在底座上设置固定支柱，在固定支柱的上部设置有第一双向加载油缸，中部设置第二双向加载油缸，且在固定支柱上竖直的设置有轴向滑动槽和环向滑动槽，使得第一双向加载油缸、第二双向加载油缸可沿着轴向滑动槽上下滑动，沿环向进行转动；通过沿环向滑动槽移动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，可实现管片不同的横向弯曲与剪切变形受力状态，模拟不同位置管片接缝的张开量、错台等变形；通过沿轴向滑动槽移动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，可实现模拟不同环间接缝的张开量、错台等变形；且所述的第一双向加载油缸、第二双向加载油缸均由伺服加载控制系统进行加载控制。

第二方面，基于上述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，还提出一种试验方法，包括以下步骤：

1)设备的组装：

1-1、根据所选的进行试验的密封条的尺寸，确定纵缝接头密封装置中可动密封槽体的具体位置，形成安装密封条的空间，在该空间放入密封条，进行环内管片拼接，调节可动密封槽体，达到所需密封效果，形成一环管片，重复操作，制成其他环管片，形成管环；

1-2、在外部高压容器的一端，通过端部密封装置将管片模型与外部高压容器进行连接，在外部高压容器的另一端，通过另一个端部密封装置将管片模型与外部高压容器进行连接；形成密封加压空间；

1-3、在管片模型内设置自适应均匀加载系统，同时将该加载系统连接搭载伺服加载控制系统的控制器；

1-4、将加水压系统与密封加压空间连接；

2)模拟试验

2-1对密封加压空间进行注水，直至密封加压空间注满水，然后，继续注水加压，模拟盾构隧道的外部水压环境，并观察管片模型的漏水情况；

2-2自适应均匀加载系统启动，对管片模型内侧施加推压荷载，使管片发生横向变形，以模拟横向变形下不同管片错台量、张开量，并观察管片模型的漏水情况，检验管片模型的防水性能，实验结束后通过注水排水孔将管环与高压容器的密封空间的水排出；

2-3调节自适应均匀加载系统对管片模型施加的荷载值，再重复上述步骤2-2，进行加压测试防水能力，检验在不同张开量、错台量下的管片模型的防水性能。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明的自适应均匀加载系统，能实现对管片的横向加载，符合实际工程的情况，能模拟管片在不同张开量、错台量下的管片纵缝接头渗漏水研究。

2.本发明中第一双向加载油缸、第二双向加载油缸可以沿着轴向滑动槽上下滑动，沿支撑杆的环向进行转动；通过沿环向滑动槽转动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，可实现管片不同的横向弯曲与剪切变形受力状态，模拟不同位置管片接缝的张开量、错台等变形；通过沿滑动槽移动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，可实现模拟不同环间接缝的张开量、错台等变形；且所述的第一双向加载油缸、第二双向加载油缸均由伺服加载控制系统进行加载控制。

3.本发明的纵缝接头密封装置，能根据工程实际的密封条尺寸及管片拼装情况，调整可动密封槽体位置，实现不同错台、张开量下的较好密封效果，并可以进行对不同材料、尺寸的密封条防水性能的研究。

附图说明

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

图1是本发明中的试验系统轴侧图；

图2是本发明中的试验系统纵剖图；

图3是本发明中的横剖图；

图4是本发明中的法兰示意图；

图5是本发明多功能密封槽示意图；

图6是本发明密封条形状示意图；

图中：1-管片模型、2-外部高压容器、3-法兰、4-螺栓孔、5-排气加压孔、6-注水排水孔、7-管环与高压容器的密封空间、8-螺栓、9-第二双向加载油缸、10-固定支柱、11-管片接头放大部位、12-球铰座，13-第一双向加载油缸、14-纵缝接头、15-伺服加载控制系统，16-第一管片、17-可动密封槽体、18-固定螺栓、19-O型橡胶条、20-放置密封条21-环向滑动槽、22-加载板、23-底座、24-第二管片、25-弧形加载板，26密封条。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可真实模拟再现盾构隧道横向变形渗漏水现场，并可开展渗漏水原因分析的试验系统，可模拟管环与管环之间不同张开量、管片与管片之间的错台等实际拼装现象；自适应均匀加载系统可模拟盾构隧道横向加载，模拟隧道结构横向变形下的渗漏水情况及渗流路径，通过改变加载点的位置、加载大小、加载速度等，可模拟不同受力状态不同环境下的盾构隧道横向变形情况；通过本系统的多功能纵缝接头密封系统，可调节管片之间密封的解决管片与密封垫之间挤压不紧实、存在空隙等问题。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3、图4、图6所示，本实施例公开的试验系统包括可承受5MPa的外部高压容器2、管片模型1、端部半自密封系统、多功能纵缝接头密封装置、自适应均匀加载系统和加载控制系统；在可承受5MPa的高压容器内设置一圈管片模型，可承受5MPa的高压容器与管片模型顶部和底部通过端部半自动密封系统密封，三者形成密封空间；所述的管片模型包括多个管片，相邻的管片之间通过多功能纵缝接头密封装置相连，在管片模型内部放置有自适应均匀加载系统，所述的自适应均匀加载系统与智能控制加载系统相连。

进一步的，上述的端部半自密封系统由上、下两个法兰3组成，上法兰3通过螺栓8与高压容器顶部、管片模型顶部相连；下法兰3通过螺栓8与高压容器底部、管片模型底部相连；法兰3上留有2圈螺纹孔，分别连接上述外部高压容器2和管片模型1；利用外部高压容器2在内侧水压作用下，直径变大，高度缩短向内拉两端法兰；内部管片模型1在外侧水压作用下，直径变小，高度变长外顶两端法兰的原理，对外筒采用密封法兰2固结，对内部管片模型1固接，并在管片模型1的顶部和底部靠近圆心侧设置密封防水槽，利用水压作用与构造受力变形特征简单实现端部的高压密封。

进一步的，上述的自适应均匀加载系统，由伺服加载控制系统15、环向滑动槽21、轴向滑动槽、固定支柱10、底座23、第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9、弧形加载板22、球铰及传力球铰座12等组成；

底座23设置在管片模型围成的圈内，在底座23上设置固定支柱10，在固定支柱10的上部设置有第一双向加载油缸13，中部设置第二双向加载油缸9，且在固定支柱10上竖直的设置有轴向滑动槽(未在图中示出)和环向滑动槽21，使得第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9可以沿着轴向滑动槽上下滑动，沿环向进行转动；通过沿环向滑动槽21移动，调整第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9位置，可实现管片不同的横向弯曲与剪切变形受力状态，模拟不同位置管片接缝的张开量、错台等变形；通过沿滑动槽移动，调整第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9位置，可实现模拟不同环间接缝的张开量、错台等变形；且所述的第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9均由伺服加载控制系统15进行加载控制。

需要进一步的说明的是，在固定支柱上设置有螺栓孔，当第一双向加载油缸、第二双向加载油缸滑动到指定位置时，可以通过螺栓连接件将第一双向加载油缸、第二双向加载油缸固定在指定位置，防止第一双向加载油缸、第二双向加载油缸移动。

进一步的，传力球铰座安装在第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9的活塞杆头部，传力球铰座通过球铰与弧形加载板相连，可实现随结构变形，自行调节姿态达到均匀加载。

进一步的，上述的智能控制加载系统：由位移监测系统及智能控制平台组成；智能控制平台是根据位移监测系统的位移，自动通过伺服加压控制器调节第一双向加载油缸13、第二双向加载油缸9的油压以精细调节加载大小、速度以及伸缩动作；通过本系统的上、下、左、右四点进行不同加载，可实现模拟隧道不同受力变形情况。

进一步的，上述的管片模型1的纵缝接头由可动密封槽体17、O型橡胶条19、固定螺栓18和密封条26组成；可动密封槽体17包括四个，其中两个通过固定螺栓安装在第一管片模型16的安装槽内，另外两个可动密封槽体17通过固定螺栓安装在第二管片模型24的安装槽内，四个可动密封槽体17组合在一起，形成密封条26的安装空间；本发明可以通过对四个可动密封槽体17的移动进行密封槽宽度自由调节，实现现场密封管片接缝密封实际物理条件。由于管片加工及拼装技术的限制，在管环拼装中不可避免存在拼装导致的错缝，上述的管片模型1的纵缝接头通过密封槽宽度自由调节，达到完好密封效果，并能实现兼容不同尺寸密封条的功能，能够满足现实工程中不同尺寸的密封条的试验需求。

进一步的，上述的可承受5MPa外部高压容器2为一个空心圆筒形容器，其与上、下两个法兰通过螺栓连接，管片模型1设置在空心圆筒形容器的内圈，空心圆筒形容器与法兰及管片模型1共同形成密闭空间，空心圆筒形容器上设有排气加压孔、注排水孔，可往密闭空间内注入水，管片模型外水土压力环境。

进一步的，上述的管片模型1由3环各5块管片错缝拼装而成。两端留有螺栓孔，便于与法兰连接。

基于上述的模拟盾构隧道横向变形下纵缝接头力学行为与渗漏水的试验系统，还提出一种试验方法，包括以下步骤：

(1)设备的组装：

a、根据所选的进行试验的密封条的尺寸，确定纵缝接头密封装置中可动密封槽体的具体位置，形成安装密封条的空间，在该空间放入密封条，进行环内管片拼接，调节可动密封槽体，达到所需密封效果，形成一环管片，重复操作，制成其他环管片，将3环管片错缝拼装，形成管片模型；

b、在外部高压容器的一端，通过端部密封装置(法兰盘)将管片模型与外部高压容器进行连接，在外部高压容器的另一端，通过另一个端部密封装置(法兰盘)将管片模型与外部高压容器进行连接；

c、在管片模型内放置底座，然后在底座上设置固定支柱，在固定支柱的上部设置有第一双向加载油缸，中部设置第二双向加载油缸，且在固定支柱上竖直的设置有轴向滑动槽和环向滑动槽，形成自适应均匀加载系统，同时将该加载系统连接搭载伺服加载控制系统的控制器；

d、将加水压系统与注水孔、加压排气阀之间连接；

(2)模拟试验

①打开排气加压孔，加水压系统通过注水排水孔对管环与高压容器的密封空间进行注水操作，直至管环与高压容器的密封空间注满水，关闭排气加压孔，再通过排气加压孔对管环与高压容器的密封空间继续注水加压，模拟盾构隧道的外部水压环境，并观察管片模型的漏水情况；

②自适应均匀加载系统启动，对管片模型内侧施加推压荷载，使管片发生横向变形，以模拟横向变形下不同管片错台量、张开量，并观察管片模型的漏水情况，检验管片模型的防水性能，实验结束后通过注水排水孔将管环与高压容器的密封空间的水排出；

③调节自适应均匀加载系统对管片模型施加的荷载值，再重复上述步骤②，进行加压测试防水能力，检验在不同张开量、错台量下的管片模型的防水性能；

④重复上述步骤②、③至少两次；

⑤更换密封条尺寸，重复上述步骤①、②、③、④。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于，包括外部高压容器、管片模型、端部密封装置、纵缝接头密封装置、自适应均匀加载系统和伺服加载控制系统；在外部高压容器内设置一圈管片模型，高压容器与管片模型顶部和底部通过端部密封装置密封，三者形成密封加压空间；所述的管片模型包括多个管片，相邻的管片模型之间通过可调节的纵缝接头密封装置相连，在管片模型内部放置有自适应均匀加载系统，所述的自适应均匀加载系统与搭载伺服加载控制系统的控制器相连；

所述的纵缝接头密封装置由可动密封槽体和密封条组成；所述的可动密封槽体安装在管片模型的安装槽内，密封条设置在两个相对安装槽形成的密封条的安装空间内；所述的可动密封槽体包括四个，其中两个安装在第一管片模型的安装槽内，另外两个可动密封槽体安装在第二管片模型的安装槽内，四个可动密封槽体组合在一起，形成密封条的安装空间；

所述的自适应均匀加载系统，包括底座，在底座上设置固定支柱，在固定支柱的上部设置有第一双向加载油缸，中部设置第二双向加载油缸，且在固定支柱上竖直的设置有轴向滑动槽和环向滑动槽，使得第一双向加载油缸、第二双向加载油缸可沿着轴向滑动槽上下滑动，沿环向进行转动；通过沿环向滑动槽移动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，实现管片不同的横向弯曲与剪切变形受力状态，模拟不同位置管片接缝的张开量、错台变形；通过沿滑动槽移动，调整第一双向加载油缸、第二双向加载油缸位置，实现模拟不同环间接缝的张开量、错台变形；所述的第一双向加载油缸、第二双向加载油缸均由伺服加载控制系统进行加载控制。

2.如权利要求1所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于：所述的可动密封槽体与第一管片模型、第二管片模型的安装槽之间通过密封圈密封。

3.如权利要求1所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于：所述的可动密封槽体通过螺钉固定在管片模型的安装槽内。

4.如权利要求1所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于：可动密封槽体与密封条配合的面为不规则面。

5.如权利要求1所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于：所述的端部密封装置为法兰盘。

6.如权利要求1所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统，其特征在于，在外部高压容器上设置注水孔、加压排气阀，加水压系统与注水孔、加压排气阀之间连接。

7.如权利要求1-6任一所述的模拟隧道横向变形渗漏水的试验系统的试验方法，其特征在于：

1)设备的组装：

1-1、根据所选的进行试验的密封条的尺寸，确定纵缝接头密封装置中可动密封槽体的具体位置，形成安装密封条的空间，在该空间放入密封条，进行环内管片拼接，调节可动密封槽体，达到所需密封效果，形成一环管片，重复操作，制成其他环管片，形成管环；

1-2、在外部高压容器的一端，通过端部密封装置将管片模型与外部高压容器进行连接，在外部高压容器的另一端，通过另一个端部密封装置将管片模型与外部高压容器进行连接；

1-3、在管片模型内设置自适应均匀加载系统，同时将该加载系统连接搭载伺服加载控制系统的控制器；

1-4、将加水压系统与密封加压空间连接；

2)模拟试验

2-1对密封加压空间进行注水，直至密封加压空间注满水，然后，继续注水加压，模拟盾构隧道的外部水压环境，并观察管片模型的漏水情况；

2-2自适应均匀加载系统启动，对管片模型内侧施加推压荷载，使管片发生横向变形，以模拟横向变形下不同管片错台量、张开量，并观察管片模型的漏水情况，检验管片模型的防水性能，实验结束后通过注水排水孔将管环与高压容器的密封空间的水排出；

2-3调节自适应均匀加载系统对管片模型施加的荷载值，再重复上述步骤2-2，进行加压测试防水能力，检验在不同张开量、错台量下的管片模型的防水性能。