CN117054071A - 一种盾构管片试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种盾构管片试验装置，包括：地基；承台，所述承台可移动的设置于所述地基上；支撑单元，对应设置于所述承台上，所述支撑单元包括用于承载盾构管片的支撑板；螺栓，用于连接相邻的所述盾构管片；控制单元，用于接收其它单元的数据信号并发出信号控制其它单元执行相应操作；监测单元，设置在若干所述螺栓上，所述监测单元和所述控制单元电性连接，用于监测螺栓的紧固状态；模拟单元，模拟单元和试验单元电性连接。本发明利用加载在盾构管片上荷载的变化，可以模拟地下水压力或地质条件的变化，以试验盾构管片在不同的负载下的结构强度，并分析出外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系，确保盾构管片可以承受设计的压力荷载。

Description

一种盾构管片试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及盾构管片压力试验技术领域，具体为一种盾构管片试验装置和试验方法。

背景技术

盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。

现有技术中有一申请公开号为CN114414385A的一种盾构管片试验装置及试验方法，该装置包括地基；多个承台，每个所述承台可移动的设置于所述地基上；多个支撑系统，对应设置于每个所述承台上，每个所述支撑系统包括用于承载盾构管片的支撑床；错台控制系统，用于控制每个所述支撑系统的升降以使不同的支撑系统所承载的盾构管片之间实现管片错台；张开控制系统，用于控制承台在地基上移动以使不同的支撑系统所承载的盾构管片之间实现管片张开；位移监测计，用于监测盾构管片之间的管片错台量和管片张开量；以及结构尺寸控制系统，用于扩展所述支撑床以使所述支撑系统能够承载不同管径的的盾构管片。

但是还存在如下不足：由上述的陈述可知，上述的装置在对盾构管片的压力试验时，是通过盾构管片张开与错台足尺试验，还原盾构管片受到的压力试验，但是盾构管片的压力试验效果并不好，没有真实反映出盾构管片受到的压力变化情况，因此上述缺少一种能够真实模拟地下水压力或地质条件的变化，来试验盾构管片的结构强度变化的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构管片试验装置和试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构管片试验装置，包括：

地基；

承台，所述承台可移动的设置于所述地基上；

支撑单元，对应设置于所述承台上，所述支撑单元包括用于承载盾构管片的支撑板；

螺栓，用于连接相邻的所述盾构管片；

控制单元，用于接收其它单元的数据信号并发出信号控制其它单元执行相应操作；

监测单元，设置在若干所述螺栓上，所述监测单元和所述控制单元电性连接，用于监测所述螺栓的紧固状态；

调节单元，所述调节单元和所述控制单元电性连接，用于调节所述螺栓的紧固程度；

模拟单元，所述模拟单元和试验单元电性连接，用于将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将模拟的数据传输到试验单元；

试验单元，所述试验单元和所述控制单元电性连接，用于将所述模拟单元模拟的外部压力荷载加载在所述盾构管片上，试验盾构管片的结构强度；

数据分析单元，所述数据分析单元和所述控制单元电性连接，用于分析外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。

优选的，所述地基设置有滑槽，所述滑槽内滑动连接有滑块，所述承台通过滑块与所述滑槽连接并沿滑槽移动。

优选的，所述支撑板的形状和所述盾构管片的形状对应设置。

优选的，所述支撑单元还包括若干支撑柱和支撑梁，所述支撑柱的一端和所述支撑板可拆卸连接，另一端插设于所述承台开设的安装孔中，所述支撑梁连接于所述支撑柱之间。

优选的，所述监测单元采用螺栓紧固力传感器。

优选的，所述调节单元包括连接板和开设于连接板内的第二螺纹槽，所述支撑板上开设有第一螺纹槽，所述盾构管片内开设有第三螺纹槽，所述第三螺纹槽、所述第一螺纹槽以及所述第二螺纹槽的位置对应，所述第三螺纹槽、所述第一螺纹槽以及所述第二螺纹槽均和所述螺栓螺纹连接，其中一个所述螺栓上设置有第一转盘，所述第一转盘通过第一传送带转动连接有第二转盘，所述第二转盘套设于微型电机的中心轴上，相邻所述螺栓之间通过第二传送带转动连接。

优选的，所述试验单元包括受力板和液压缸以及负荷传感器，所述受力板一侧和所述盾构管片接触，另一侧和所述液压缸固定连接，所述负荷传感器设置在所述盾构管片上。

优选的，所述受力板和所述盾构管片的形状相对应。

为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：

一种盾构管片试验方法，包括如上述中任一所述的一种盾构管片试验装置，具体如下：

S1.将支撑柱的一端和支撑板连接，另一端插设在安装孔中，相邻支撑柱通过支撑梁连接；

S2.将盾构管片放置在支撑板上部；

S3.利用第三螺纹槽41、第一螺纹槽34以及第二螺纹槽82和螺栓5螺纹连接，连接支撑板31和连接板81以及盾构管片4；

S4.利用螺栓紧固力传感器监测螺栓的紧固状态；

S5.驱动微型电机旋转，来驱动第二转盘旋转，继而驱动第一转盘旋转，利用第二传送带，驱动相邻的支撑板上的螺栓旋转，以调节所述螺栓的紧固程度；

S6.将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，并将外部压力荷载加载在盾构管片上；

S7.利用液压缸分别施加不同的外部压力荷载，通过受力板，施力在盾构管片上，负荷传感器检测不同荷载下盾构管片的结构强度；

S8.分析外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过监测单元和控制单元的电性连接，监测螺栓的紧固状态，调节单元和控制单元的电性连接，调节螺栓的紧固程度，模拟单元和试验单元电性连接，将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将多组外部压力荷载分别传输到试验单元；试验单元和控制单元的电性连接，根据加载在盾构管片上的不同荷载，试验盾构管片的结构强度，数据分析单元和所述控制单元电性连接，用于分析外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。因此利用加载在盾构管片上荷载的变化，可以模拟地下水压力或地质条件的变化，以试验盾构管片在不同的负载下的结构强度，并分析出外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系，确保盾构管片可以承受设计的压力荷载。

附图说明

图1为本发明整体结构的正视剖面图；

图2为本发明调节单元和试验单元的结构放大图之一；

图3为本发明调节单元和试验单元的结构放大图之二；

图4为本发明单元模块的组成框图；

图5为本发明的方法流程图。

图中：1地基、2承台、3支撑单元、31支撑板、32支撑柱、33支撑梁、34第一螺纹槽、4盾构管片、5螺栓、6控制单元、7监测单元、8调节单元、81连接板、82第二螺纹槽、83第一转盘、84第一传送带、85第二转盘、86微型电机、87第二传送带、9模拟单元、10试验单元、101受力板、102液压缸、103负荷传感器、11数据分析单元、12滑槽、13滑块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：

一种盾构管片试验装置，如图1、图2和图3以及图4所示，包括：

地基1；

承台2，承台2可移动的设置于地基1上；

支撑单元3，对应设置于承台2上，支撑单元3包括用于承载盾构管片4的支撑板31；

螺栓5，用于连接相邻的盾构管片4；

控制单元6，用于接收其它单元的数据信号并发出信号控制其它单元执行相应操作；

监测单元7，设置在若干螺栓5上，监测单元7和控制单元6电性连接，用于监测螺栓5的紧固状态；

调节单元8，调节单元8和控制单元6电性连接，用于调节螺栓5的紧固程度；

模拟单元9，模拟单元9和试验单元10电性连接，用于将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将模拟的数据传输到试验单元10；

试验单元10，试验单元10和控制单元6电性连接，用于将模拟单元9模拟的外部压力荷载加载在盾构管片4上，试验盾构管片4的结构强度；

数据分析单元11，数据分析单元11和控制单元6电性连接，用于分析外部荷载和盾构管片4的结构强度的对应关系。

在上述实施例的基础上，如图1所示，地基1设置有滑槽12，滑槽内滑动连接有滑块13，承台2通过滑块13与滑槽12连接并沿滑槽12移动，利用设置的滑槽12和滑块13，可以保证承台2在地基1上移动的稳定。

在上述实施例的基础上，如图1和图3所示，支撑板31、受力板101的形状和盾构管片4的形状对应设置，盾构管片4的形状优选为弧形结构，弧形结构具有以下多种好处：

抗推力能力强：盾构工作时，推进机械施加的推力通过盾构管片传递到土体周围，弧形结构可以有效地分散和承担这些推力。相比于平面结构，弧形结构具有更好的承载能力和抗推力能力，能够减小管片的变形和损坏风险；

适应土体变形：弧形结构的盾构管片能够更好地适应土体的变形和沉降，减小管片与土体之间的相互作用力。这样可以减小管片的侧推力，降低地表沉降和地面结构的影响，提高工程施工的安全性和土体的稳定性。

增强刚度和稳定性：弧形结构可以提供更好的刚度和稳定性，使得盾构管片能够更好地抵御外界的荷载和地下水的压力。

减小挖掘阻力：弧形结构的盾构管片在施工过程中，由于其弧形设计，可以减小挖掘阻力，降低推进机械能耗。这可以提高盾构机械的工作效率和经济性。

适应变化的地质条件：盾构工程经常面临各种地质条件的挑战，如硬岩、软土、淤泥等。弧形结构的盾构管片可以根据不同的地质条件进行适应和调整，提供更好的安全性和施工效果。

在上述实施例的基础上，如图1和图2以及图3所示，支撑单元3还包括若干支撑柱32和支撑梁33，支撑柱32的一端和支撑板31可拆卸连接，另一端插设于承台2开设的安装孔21中，支撑梁33连接于支撑柱32之间，在安装相邻盾构管片4时，利用支撑板31、支撑柱32以及支撑梁33的设置，可以支撑盾构管片4和支撑板31，在安装好盾构管片4后，可以将支撑柱32和支撑梁33拆卸下来，只保留支撑板31，如此设置为安装相邻盾构管片4提供临时支撑，确保了盾构管片4在安装时的稳定性和安全性，避免了由于没有足够的支撑而引起的变形或倾斜，且在相邻的盾构管片4安装好之后，支撑柱32和支撑梁33拆除，为隧道提供了空间优化，减小在盾构隧道内部的空间占用，便于后续施工作业的进行，同时预留的空间，可以加快盾构施工的进度。

在上述实施例的基础上，监测单元7采用螺栓紧固力传感器。螺栓紧固力传感器，螺栓紧固力传感器是一种专门测量螺栓紧固力的传感器，可准确测量螺栓受到的紧固力。传感器通常使用应变测量技术或压电技术来测量螺栓力的大小。这些传感器能够将螺栓的紧固力转化为电信号或其他形式的输出。

在上述实施例的基础上，如图1和图2以及图3所示，调节单元8包括连接板81和开设于连接板81内的第二螺纹槽82，支撑板31上开设有第一螺纹槽34，盾构管片4内开设有第三螺纹槽41，第三螺纹槽41、第一螺纹槽34以及第二螺纹槽82的位置对应，第三螺纹槽41、第一螺纹槽34以及第二螺纹槽82均和螺栓5螺纹连接，其中一个螺栓5上设置有第一转盘83，第一转盘83通过第一传送带84转动连接有第二转盘85，第二转盘85套设于微型电机86的中心轴上，相邻螺栓5之间通过第二传送带87转动连接，利用微型电机86可以驱动第二转盘85旋转，在第一传送带84的连接作用下，第一转盘83能够同方向转动，第一转盘83的转动可以驱动其中一个螺栓5转动，在第二传送带87的连接作用下，可以驱动相邻的另一个螺栓5转动，将连接板81和支撑板31连接在一起。

在上述实施例的基础上，如图1和图2所示，试验单元10包括受力板101和液压缸102以及负荷传感器103，受力板101一侧和盾构管片4接触，另一侧和液压缸102固定连接，负荷传感器103设置在盾构管片4上。液压缸102的设置，可以提供不同的负载作用于受力板101上，受力板101将所受的负载施力在盾构管片4上，从而模拟单元9可以将不同的压力荷载，模拟地下水压力或地质条件变化，来试验盾构管片4在不同的压力荷载下的结构强度。

在本实施中，监测单元7采用的螺栓紧固力传感器、调节单元8的微型电机86以及试验单元10的液压缸102和负荷传感器103均和控制单元6电性连接，控制单元6采用型号为80C51的单片机，螺栓紧固力传感器采用长沙博佳威力传感器有限公司生产的BPB300型传感器，螺栓紧固力传感器主要由弹性体、底座、应变片、电阻片、连接头以及附件组成，螺栓紧固力传感器的连接头连接于单片机的GPIO引脚上，实现将螺栓紧固力传感器的信号传输给单片机的功能，具体过程：当需要监测螺栓5的紧固状态时，螺栓紧固力传感器将螺栓5的紧固状态发送到单片机；微型电机86采用深圳曼联公司生产的ML-2020型电机，微型电机86主要由电动机、引线、连接器、轴承以及外壳，微型电机86的引线和连接器连接于单片机的GPIO引脚上，实现将单片机的控制信号传输给微型电机86的功能，具体过程：当螺栓5的紧固程度要改变时，控制单元6将数据信号发送到单片机，单片机控制微型电机86开启，驱动第二转盘85旋转，在第一传送带84的连接作用下，第一转盘83同方向转动，第一转盘83的转动驱动其中一个螺栓5转动，在第二传送带87的连接作用下，驱动相邻的另一个螺栓5转动，改变螺栓5的松紧程度（拧紧或拧松）；液压缸102采用大连万华液压设备有限公司生产的YH系列液压缸，液压缸102由缸筒、活塞、密封件以及活塞杆组成，液压缸102的控制端口连接于单片机的GPIO引脚上，实现将单片机的控制信号传输给液压缸102的功能，具体过程：当需要在盾构管片4上施加不同的负载时，控制单元6将数据信号发送到单片机，单片机控制液压缸102伸长带动受力板101移动，受力板101将负载传递到盾构管片4上；负荷传感器103采用深圳精莱公司生产的JL-5001型负荷传感器，负荷传感器103主要由传感器元件、前置放大电路、控制电路、信号接口组成，负荷传感器103的信号接口通过输出引脚连接到单片机的GPIO的输入引脚，实现将负荷传感器103的信号传输给单片机的功能，具体过程：当液压缸102将不同的外部荷载作用于盾构管片4上，模拟地下水压力或地质条件变化时，试验盾构管片4的结构强度，利用负荷传感器103检测盾构管片4在不同的荷载下的强度变化，并将变化情况发送到控制单元6，控制单元6将数据传输给数据分析单元11，分析荷载变化和盾构管片4强度的对应关系。

在本实施中，通过监测单元7和控制单元6的电性连接，监测螺栓5的紧固状态，调节单元8和控制单元6的电性连接，调节螺栓5的紧固程度，模拟单元9和试验单元10电性连接，将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将多组外部压力荷载分别传输到试验单元10；试验单元10和控制单元6的电性连接，根据加载在盾构管片4上的不同荷载，试验盾构管片4的结构强度，数据分析单元11和所述控制单元6电性连接，用于分析外部荷载和盾构管片4的结构强度的对应关系。因此利用加载在盾构管片4上荷载的变化，可以模拟地下水压力或地质条件的变化，以试验盾构管片4在不同的负载下的结构强度，并分析出外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。

一种盾构管片试验方法，如图5所示，包括如上述中任一所述的一种盾构管片试验装置，具体如下：

S1.将支撑柱32的一端和支撑板31连接，另一端插设在安装孔21中，相邻支撑柱32通过支撑梁33连接；

S2.将盾构管片4放置在支撑板31上部；

S3.利用第三螺纹槽41、第一螺纹槽34以及第二螺纹槽82和螺栓5螺纹连接，连接支撑板31和连接板81以及盾构管片4；

S4.利用螺栓紧固力传感器7监测螺栓5的紧固状态；

S5.驱动微型电机86旋转，来驱动第二转盘85旋转，继而驱动第一转盘83旋转，利用第二传送带87，驱动相邻的支撑板31上的螺栓5旋转，以调节所述螺栓5的紧固程度；

S6.将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，并将外部压力荷载加载在盾构管片4上；

S7.利用液压缸102分别施加不同的外部压力荷载，通过受力板101，施力在盾构管片4上，负荷传感器103检测不同荷载下盾构管片4的结构强度；

S8.分析外部荷载和盾构管片4的结构强度的对应关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种盾构管片试验装置，其特征在于，包括：

地基；

承台，所述承台可移动的设置于所述地基上；

支撑单元，对应设置于所述承台上，所述支撑单元包括用于承载盾构管片的支撑板；

螺栓，用于连接相邻的所述盾构管片；

控制单元，用于接收其它单元的数据信号并发出信号控制其它单元执行相应操作；

监测单元，设置在若干所述螺栓上，所述监测单元和所述控制单元电性连接，用于监测所述螺栓的紧固状态；

调节单元，所述调节单元和所述控制单元电性连接，用于调节所述螺栓的紧固程度；

模拟单元，所述模拟单元和试验单元电性连接，用于将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将模拟的数据传输到试验单元；

试验单元，所述试验单元和所述控制单元电性连接，用于将所述模拟单元模拟的外部压力荷载加载在所述盾构管片上，试验盾构管片的结构强度；以及

数据分析单元，所述数据分析单元和所述控制单元电性连接，用于分析外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。

2.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述地基设置有滑槽，所述滑槽内滑动连接有滑块，所述承台通过滑块与所述滑槽连接并沿滑槽移动。

3.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述支撑板的形状和所述盾构管片4的形状对应设置。

4.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述支撑单元还包括若干支撑柱和支撑梁，所述支撑柱的一端和所述支撑板可拆卸连接，另一端插设于所述承台开设的安装孔中，所述支撑梁连接于所述支撑柱之间。

5.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述监测单元采用螺栓紧固力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述调节单元包括连接板和开设于连接板内的第二螺纹槽，所述支撑板上开设有第一螺纹槽，所述盾构管片内开设有第三螺纹槽，所述第三螺纹槽、所述第一螺纹槽以及所述第二螺纹槽的位置对应，所述第三螺纹槽、所述第一螺纹槽以及所述第二螺纹槽均和所述螺栓螺纹连接，其中一个所述螺栓上设置有第一转盘，所述第一转盘通过第一传送带转动连接有第二转盘，所述第二转盘套设于微型电机的中心轴上，相邻所述螺栓之间通过第二传送带转动连接。

7.根据权利要求1所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述试验单元包括受力板和液压缸以及负荷传感器，所述受力板一侧和所述盾构管片接触，另一侧和所述液压缸固定连接，所述负荷传感器设置在所述盾构管片上。

8.根据权利要求7所述的一种盾构管片试验装置，其特征在于，所述受力板和所述盾构管片的形状相对应。

9.一种盾构管片试验方法，其特征在于，包括如上述权利要求1-8中任一所述的一种盾构管片试验装置，具体如下：

S1.将支撑柱的一端和支撑板连接，另一端插设在安装孔中，相邻支撑柱通过支撑梁连接；

S2.将盾构管片放置在支撑板上部；

S3.利用第三螺纹槽、第一螺纹槽以及第二螺纹槽和螺栓螺纹连接，连接支撑板和连接板以及盾构管片；

S4.利用螺栓紧固力传感器监测螺栓的紧固状态；

S5.驱动微型电机旋转，来驱动第二转盘旋转，继而驱动第一转盘旋转，利用第二传送带，驱动相邻的支撑板上的螺栓旋转，以调节所述螺栓的紧固程度；

S6.将地下水压力和地质条件模拟成外部压力荷载，并设置多组外部压力荷载，将外部压力荷载加载在盾构管片上；

S7.利用液压缸分别施加不同的外部压力荷载，通过受力板，施力在盾构管片上，负荷传感器检测不同荷载下盾构管片的结构强度；

S8.分析外部荷载和盾构管片的结构强度的对应关系。