CN215374306U - 一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，包括受测的复合式衬砌结构、传感器组，所述传感器组包括土压力盒、渗压计、钢筋应力计、混凝土应变计；所述受测的复合式衬砌结构包括初期支护与设置于初期支护内侧的二次衬砌；所述土压力盒和渗压计设置于初期支护内，所述钢筋应力计设置于二次衬砌的环向主筋上，所述混凝土应变计设置于二次衬砌的混凝土中；所述传感器组设置于受测的复合式衬砌结构的拱顶、两侧拱肩、两侧拱腰和仰拱位置。本实用新型安装、读取数据操作简单，对现场施工的干扰小，不影响隧道施工进度，且价格合理，成本低，经济效益高；可实现对海底隧道复合式衬砌的结构受力特性进行长期实时地、准确地监测。

Description

一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置

技术领域

本实用新型属于隧道施工监测技术，特别涉及一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置。

背景技术

随着我国基础设施建设有序推进，出现了大量的海底隧道工程。海底隧道承受较高的恒定水头作用，水压力在隧道受力体系中的地位非常重要，但现有规范没有给出明确的衬砌外水压力计算方法，因此，确定衬砌结构外水压力，以及衬砌结构内力对于海底隧道建设是至关重要的。

目前，海底隧道复合式衬砌受力的研究方法主要有：1.理论分析及数值计算方法，通过理论解析解或数值计算软件分析海底衬砌结构受力，但是实际工程情况非常复杂，为简化计算，以上两种方法需要作大量假设，可以得到基本规律，却很难得到准确的结果；2.应变片法，在结构表面粘贴应变片监测结构应变，进而通过计算得到应力，应变片具有分辨率高、误差小和价格低廉等优点，但是操作复杂繁琐，并且应变片易损坏，现场试验使用有较大困难；3.光纤传感器监测法，光纤传感器具有灵敏度高，数据传输损耗小，抗电磁干扰强的优点，但价格昂贵，经济效益低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，实用新型提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，能够实时、准确地衬砌结构所受水、土压力及关键部位内力，进而明晰衬砌的工作状态，能有效的指导现场施工，保证施工安全；仪器结构简单、稳定性好、数据可靠等优点，并且安装简单，对现场施工的干扰小，且价格合理，成本低，经济效益高。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，包括受测的复合式衬砌结构、传感器组，所述传感器组包括土压力盒、渗压计、钢筋应力计、混凝土应变计；所述受测的复合式衬砌结构包括初期支护与设置于所述初期支护内侧的二次衬砌；所述土压力盒和渗压计设置于所述初期支护内，所述钢筋应力计设置于所述二次衬砌的环向主筋上，所述混凝土应变计设置于所述二次衬砌的混凝土中；所述传感器组设置于所述受测的复合式衬砌结构的拱顶、两侧拱肩、两侧拱腰和仰拱位置。

可选的，所述传感器组包括一个土压力盒、一个渗压计、两个钢筋应力计、两个混凝土应变计。

可选的，所述土压力盒为振弦式双膜压力盒，可监测所述初期支护与所述二次衬砌的接触压力；所述渗压计为振弦式孔隙水压力传感器，可监测所述初期支护外水压力；所述钢筋应力计为振弦式应力计，可监测所述二次衬砌的环向主筋应力；所述混凝土应变计为振弦式应变计，可监测所述二次衬砌的混凝土应变。

可选的，所述土压力盒埋设于所述初期支护内，所述土压力盒的感应面与所述初期支护内表面相平；所述渗压计安装于所述初期支护内，所述渗压计感应面超出所述初期支护外表面；所述钢筋应力计焊接在所述二次衬砌的内侧、外侧的所述环向主筋上，所述钢筋应力计感应方向与所述环向主筋受力方向一致；所述混凝土应变计绑扎于所述二次衬砌的钢筋笼内部的内侧和外侧，所述混凝土应变计感应方向与所述钢筋应力计的感应方向一致。

可选的，所述土压力盒埋设于所述初期支护内表面上的圆形空槽中，所述土压力盒前方设有一个装砂布袋，所述圆形空槽内土压力盒四周空隙填充有水泥砂浆。

可选的，所述渗压计埋设于所述初期支护上的贯穿孔中，所述渗压计前方设有一个装砂布袋，所述贯穿孔内所述渗压计四周空隙填充有水泥砂浆。

可选的，所述混凝土应变计通过扎丝绑扎于所述二次衬砌的钢筋笼上。

可选的，所述二次衬砌两侧拱脚位置预留有电缆孔，所述土压力盒和渗压计的传输电缆一成束紧贴所述初期支护环向布设，并经所述电缆孔引出；所述钢筋应力计及混凝土应变计的传输电缆二沿所述环向主筋布设，并经所述电缆孔引出，引出的所述传输电缆一和传输电缆二放于保护箱内。

第二方面，本实用新型还提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，选定监测断面：地质条件变化明显处及不良地质处均布设，断面间距根据围岩情况选取；

步骤S2，前期准备：检查土压力盒、渗压计、钢筋应力计、混凝土应变计性能，对其进行编号，并对记录其标定系数及初始频率；

步骤S3，埋设土压力盒和渗压计并做好标记，将传输电缆成束紧贴初期支护整理完成；土压力盒采用挖孔方法安装在初期支护内，其感应面与初期支护内表面相平；渗压计采用挖孔方法安装在初期支护内，渗压计感应面略超出初期支护外表面；

步骤S4，二次衬砌钢筋笼制作安装；二次衬砌环向主筋、箍筋等加工完成，运至现场进行绑扎，制作过程中在二次衬砌拱脚位置预留电缆孔；

步骤S5，安装钢筋应力计和混凝土应变计，记录内外侧钢筋应力计间距离和内外侧混凝土应变计间距离，将传输电缆沿环向主筋整理完成；钢筋应力计采用焊接方法安装在二次衬砌内侧和外侧环向主筋上，其感应方向与环向主筋受力方向一致；混凝土应变计采用绑扎方法安装在二次衬砌钢筋笼内部的内侧和外侧，其感应方向与钢筋应力计的感应方向一致。

步骤S6，二次衬砌混凝土浇筑、振捣及拆模；

步骤S7，仪器安装完成后及二次衬砌施作完成后，及时量测土压力盒、渗压计、钢筋应力计、混凝土应变计性能频率值，检查各仪器是否损坏；

步骤S8，长期监测传感器组：二次衬砌拆摸后一个月内，每天读取一次数据，一个月后，可逐渐降低监测频率，直至数据稳定。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所提供的一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，使用土压力盒、渗压计、钢筋应力计和混凝土应变计四种振弦式传感器，形成一套完整的衬砌受力监测体系。本实用新型能够实时、准确地监测衬砌所受水、土压力及关键部位内力，可实现对海底隧道复合式衬砌的结构受力特性进行长期实时地、准确地监测，能有效的指导现场施工，保证施工安全对于海底隧道复合式衬砌的结构受力测试技术的发展具有重要意义。采用振弦式传感器，此类仪器具有结构简单、稳定性好、数据可靠等优点，仪器安装、读取数据等操作简单，对现场施工的干扰小，不影响隧道施工进度，且价格合理，成本低，经济效益高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置中土压力盒布置图；

图2为本实用新型海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置中渗压计布置图；

图3为本实用新型海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置中钢筋应力计布置图；

图4为本实用新型海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置中混凝土应变计布置图。

附图标记说明：

1.二次衬砌；2.初期支护；3.土压力盒；4.渗压计；5.环向主筋；6.钢筋应力计；7.混凝土应变计。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作详细说明。

本实施例提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，如图1至图4所示，包括受测的复合式衬砌结构、传感器组，所述传感器组包括土压力盒3、渗压计4、钢筋应力计6、混凝土应变计7；所述受测的复合式衬砌结构包括初期支护2与设置于所述初期支护2内侧的二次衬砌1；所述土压力盒3和渗压计4设置于所述初期支护2内，所述钢筋应力计6设置于所述二次衬砌1的环向主筋5上，所述混凝土应变计7设置于所述二次衬砌1的混凝土中；所述传感器组设置于所述受测的复合式衬砌结构的拱顶、两侧拱肩、两侧拱腰和仰拱位置。

所述传感器组包括一个土压力盒3、一个渗压计4、两个钢筋应力计6、两个混凝土应变计7。所述土压力盒3为振弦式双膜压力盒，可监测所述初期支护2与所述二次衬砌1的接触压力；所述渗压计4为振弦式孔隙水压力传感器，可监测所述初期支护2外水压力；所述钢筋应力计6为振弦式应力计，可监测所述二次衬砌1的环向主筋5应力；所述混凝土应变计7为振弦式应变计，可监测所述二次衬砌1的混凝土应变。

所述土压力盒3埋设于所述初期支护2内，所述土压力盒3的感应面与所述初期支护2内表面相平；所述渗压计4安装于所述初期支护2内，所述渗压计4感应面超出所述初期支护2外表面；所述钢筋应力计6焊接在所述二次衬砌1的内侧、外侧的所述环向主筋5上，所述钢筋应力计6感应方向与所述环向主筋5受力方向一致；所述混凝土应变计7绑扎于所述二次衬砌1的钢筋笼内部的内侧和外侧，所述混凝土应变计7感应方向与所述钢筋应力计6的感应方向一致。

所述土压力盒3埋设于所述初期支护2内表面上的圆形空槽中，所述土压力盒前方设有一个装砂布袋进行保护，所述圆形空槽内土压力盒3四周空隙填充有水泥砂浆。

所述渗压计4埋设于所述初期支护2上的贯穿孔中，所述渗压计4前方设有一个装砂布袋，所述贯穿孔内所述渗压计4四周空隙填充有水泥砂浆。

所述钢筋应力计6牢固地焊接在待测的环向主筋5上，焊接前应将待测的环向主筋5断开，断开的长度稍大于钢筋应力计传感器长度，焊接时将钢筋应力计传感器用湿毛巾包裹并浇水方法进行降温，并尽量缩短焊接时间，使钢筋应力计传感器处温度应低于60℃，以免损坏传感器。

所述混凝土应变计7通过扎丝绑扎于所述二次衬砌1的钢筋笼上，所述混凝土应变计7与所述环向主筋5处于近同一高度处，绑扎牢固，避免在注浆和振捣过程中混凝土应变计7发生位移。

所述二次衬砌1两侧拱脚位置预留有电缆孔，所述土压力盒3和渗压计4的传输电缆一成束紧贴所述初期支护2环向布设，并经所述电缆孔引出；所述钢筋应力计6及混凝土应变计7的传输电缆二沿所述环向主筋5布设，并经所述电缆孔引出，引出的所述传输电缆一和传输电缆二放于保护箱内。

本实施例还提供了一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，选定监测断面：地质条件变化明显处及不良地质处均布设，断面间距根据围岩情况选取。

步骤S2，前期准备：检查土压力盒3、渗压计4、钢筋应力计6、混凝土应变计7性能，对其进行编号，并对记录其标定系数及初始频率。

步骤S3，埋设土压力盒3和渗压计4并做好标记，将传输电缆成束紧贴初期支护2整理完成；土压力盒3采用挖孔方法安装在初期支护2内，其感应面与初期支护2内表面相平；渗压计4采用挖孔方法安装在初期支护2内，渗压计4感应面略超出初期支护2外表面。

步骤S4，二次衬砌1钢筋笼制作安装；二次衬砌1的环向主筋5、箍筋等加工完成，运至现场进行绑扎，制作过程中在二次衬砌1拱脚位置预留电缆孔。

步骤S5，安装钢筋应力计6和混凝土应变计7，记录内外侧钢筋应力计6间距离和内外侧混凝土应变计7间距离，将传输电缆二沿环向主筋5整理完成；钢筋应力计6采用焊接方法安装在二次衬砌1内侧和外侧环向主筋5上，其感应方向与环向主筋5受力方向一致；混凝土应变计7采用绑扎方法安装在二次衬砌1的钢筋笼内部的内侧和外侧，其感应方向与钢筋应力计6的感应方向一致。

步骤S6，二次衬砌1混凝土浇筑、振捣及拆模。

步骤S7，仪器安装完成后及二次衬砌施作完成后，及时量测土压力盒3、渗压计4、钢筋应力计6、混凝土应变计7性能频率值，检查各仪器是否损坏。

步骤S8，长期监测传感器组：二次衬砌1拆摸后一个月内，每天读取一次数据，一个月后，可逐渐降低监测频率，直至数据稳定。

进一步地，所述土压力盒3为振弦式双膜压力盒，可监测所述初期支护2与所述二次衬砌1的接触压力；所述土压力盒3埋设于所述初期支护2内，二次衬砌1施作前埋设土压力盒3，每个测点布置一个土压力盒3，采用挖孔方法埋设在初期支护2内；二次衬砌1施作前埋设渗压计4，每个测点布置一个渗压计4，采用挖孔方法埋设于初期支护2内；二次衬砌1的钢筋笼制作完成后安装钢筋应力计6，每个测点布置两个钢筋应力计6，所述钢筋应力计6焊接在所述二次衬砌1的内侧、外侧的所述环向主筋5上，所述钢筋应力计6感应方向与所述环向主筋5受力方向一致；二次衬砌1混凝土浇筑前安装混凝土应变计7，每个测点布置两个混凝土应变计7，所述混凝土应变计7绑扎于所述二次衬砌1钢筋笼内部的内侧和外侧，所述混凝土应变计7感应方向与所述二次衬砌1环向切线一致。

进一步地，所述土压力盒3埋设时，在初期支护2内表面上挖出略大于土压力盒3的圆形空槽，所述土压力盒3埋设于所述初期支护2内表面上的所述空槽中，所述空槽内先放入一个装砂布袋，再放入所述土压力盒3，再用水泥砂浆将所述土压力盒3四周空隙填充密实，表面砂浆平整。

进一步地，所述渗压计4为振弦式孔隙水压力传感器，可监测所述初期支护2外水压力，埋设时先在初期支护上打一个贯穿孔，所述渗压计4埋设于所述初期支护2上的贯穿孔中，在所述渗压计4前方设置一个装砂布袋进行保护，再用水泥砂浆将所述渗压计4四周空隙填充密实。

进一步地，所述土压力盒3和渗压计4的传输电缆一成束紧贴所述初期支护2环向布设，并经所述电缆孔引出；所述钢筋应力计6及混凝土应变计7的传输电缆二沿所述环向主筋5布设，并经所述电缆孔引出，引出的所述传输电缆一和传输电缆二放于保护箱内。

由以上技术方案可以看出，本实施例提供的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，使用土压力盒、渗压计、钢筋应力计和混凝土应变计四种振弦式传感器，形成一套完整的衬砌受力监测体系，并提供了监测断面及测点布置，土压力盒、渗压计，钢筋应力计及混凝土应变计的埋设方法，以及海底隧道复合式衬砌的结构受力测试方法。本实施例能够实时、准确地监测衬砌所受水、土压力及关键部位内力，可实现对海底隧道复合式衬砌的结构受力特性进行长期实时地、准确地监测，能有效的指导现场施工，保证施工安全对于海底隧道复合式衬砌的结构受力测试技术的发展具有重要意义。采用振弦式传感器，此类仪器具有结构简单、稳定性好、数据可靠等优点，仪器安装、读取数据等操作简单，对现场施工的干扰小，不影响隧道施工进度，且价格合理，成本低，经济效益高。

以上通过实施例对本实用新型实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本实用新型实施例的实施范围。本实用新型实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本实用新型实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型实施例技术方案的启发下，在本实用新型实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型实施例的专利涵盖保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，包括受测的复合式衬砌结构、传感器组，所述传感器组包括土压力盒(3)、渗压计(4)、钢筋应力计(6)、混凝土应变计(7)；所述受测的复合式衬砌结构包括初期支护(2)与设置于所述初期支护(2)内侧的二次衬砌(1)；所述土压力盒(3)和渗压计(4)设置于所述初期支护(2)内，所述钢筋应力计(6)设置于所述二次衬砌(1)的环向主筋(5)上，所述混凝土应变计(7)设置于所述二次衬砌(1)的混凝土中；所述传感器组设置于所述受测的复合式衬砌结构的拱顶、两侧拱肩、两侧拱腰和仰拱位置。

2.根据权利要求1所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述传感器组包括一个土压力盒(3)、一个渗压计(4)、两个钢筋应力计(6)、两个混凝土应变计(7)。

3.根据权利要求2所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述土压力盒(3)为振弦式双膜压力盒，可监测所述初期支护(2)与所述二次衬砌(1)的接触压力；所述渗压计(4)为振弦式孔隙水压力传感器，可监测所述初期支护(2)外水压力；所述钢筋应力计(6)为振弦式应力计，可监测所述二次衬砌(1)的环向主筋(5)应力；所述混凝土应变计(7)为振弦式应变计，可监测所述二次衬砌(1)的混凝土应变。

4.根据权利要求3所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述土压力盒(3)埋设于所述初期支护(2)内，所述土压力盒(3)的感应面与所述初期支护(2)内表面相平；所述渗压计(4)安装于所述初期支护(2)内，所述渗压计(4)感应面超出所述初期支护(2)外表面；所述钢筋应力计(6)焊接在所述二次衬砌(1)的内侧、外侧的所述环向主筋(5)上，所述钢筋应力计(6)感应方向与所述环向主筋(5)受力方向一致；所述混凝土应变计(7)绑扎于所述二次衬砌(1)的钢筋笼内部的内侧和外侧，所述混凝土应变计(7)感应方向与所述钢筋应力计(6)的感应方向一致。

5.根据权利要求4所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述土压力盒(3)埋设于所述初期支护(2)内表面上的圆形空槽中，所述土压力盒前方设有一个装砂布袋，所述圆形空槽内土压力盒(3)四周空隙填充有水泥砂浆。

6.根据权利要求4所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述渗压计(4)埋设于所述初期支护(2)上的贯穿孔中，所述渗压计(4)前方设有一个装砂布袋，所述贯穿孔内所述渗压计(4)四周空隙填充有水泥砂浆。

7.根据权利要求4所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述混凝土应变计(7)通过扎丝绑扎于所述二次衬砌(1)的钢筋笼上。

8.根据权利要求1所述的海底隧道复合式衬砌的结构受力测试装置，其特征在于，所述二次衬砌(1)两侧拱脚位置预留有电缆孔，所述土压力盒(3)和渗压计(4)的传输电缆一成束紧贴所述初期支护(2)环向布设，并经所述电缆孔引出；所述钢筋应力计(6)及混凝土应变计(7)的传输电缆二沿所述环向主筋(5)布设，并经所述电缆孔引出，引出的所述传输电缆一和传输电缆二放于保护箱内。

Images