一种盾构隧道管片内、外力联合测试装置及制作埋设方法与流程

本发明属于岩土工程测试领域，尤其是涉及一种盾构隧道管片内力及管片外土压力联合测试装置的制作和埋设方法。

背景技术：

盾构法是隧道施工最为普遍的施工方法，其工作机理是由盾构机刀盘切削、螺旋输送机出土、液压千斤顶推进、管片拼装系统将标准的预制钢筋混凝土管片进行整环连续拼装进，从而形成衬砌隧道结构体系，其中衬砌隧道每环由若干管片通过螺栓进行连接，每环管片与相邻环的管片也是通过螺栓进行连接，使得整条隧道密布了管片与管片螺栓连接点。由于螺栓连接点的存在，其环向及纵向刚度均较差，在隧道施工完成后往往出现因地层软弱或近接工程施工而引起隧道变形，甚至使得隧道的变形超限，从而可威胁到隧道的安全运营。当隧道变形较大时，设计、施工和隧道运营管理单位极亟需了解和掌握隧道，尤其是其重点断面周边的土压力及管片的内力情况，这就需要预先在管片上布设传感器。为了真实、准确地测试获得管片外的土压力及管片内力，施工前需要在管片外合理、可靠地布设土压力传感器及管片内布设应力计或应变计等，管片外的土压力可由土压力传感器直接测定，管片内力由应力计或应变计可间接测试计算获得。

目前，管片上的土压力及管片内力的传感器埋设主要包括钻孔埋设法和预埋设法两种，其中钻孔埋设法是隧道管片拼装完成后，在管片上钻孔，其直径稍大于埋入传感器的直径，再将传感器插入，使测试面(头)露出管片外表面；预埋设法是在管片钢筋笼焊接完成后，再将传感器安装在钢筋笼内，传感器线头引出钢筋笼外，最后混凝土与传感器和钢筋笼浇筑成一体。例如申请号为201510746205.9的《一种盾构隧道水土压力监测棒》发明了一种可同时测量土压力和孔隙水压力的盾构隧道水土压力监测棒。该发明克服了传统测量方法难以实现管片表面孔隙水压力测量的难题，该设备可将传感器送至隧道同步注浆层以外，测量不受注浆层影响的真实土压力和孔隙水压力，克服了在管片表面安装土压力传感器的传统测量方法无法测量真实土压力的缺陷，另外，发明利用管片上预制的注浆孔进行土压力监测棒的安装，无需在管片上专门钻孔，克服了传统方法钻孔安装传感器对管片造成的破坏。

申请号为201611031267.2的《一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置及方法》发明了一种应用光纤光栅测试管片外土压力的装置，该装置能有效降低土压力监测误差，安装成活率高，且具有抗电磁干扰、耐腐蚀、信号衰减小等特点，可长期、准确监测盾构隧道管片外土压力。另外，针对该装置还公开了一种盾构隧道管片外土压力的长期监测方法。

申请号为201710277542.7的《一种预制盾构管片土压力传感器埋设方法》发明了一种简便、有效、安全、适用性强的预制盾构管片土压力传感器埋设方法。该发明通过套管使土压力传感器安装装置高度可以根据不同的盾构管片类型进行调整，适用性很强，同时采用“先套后置”的安装方式在盾构管片浇筑前预留孔道，盾构管片浇筑完成后再置入土压力传感器，避免了以前安装土压力传感器时引线不易穿出，易被混凝土浇筑掩埋的问题。

考虑到管片生产的实际情况，在管片内传感器的埋设时，以下几个方面必须加以重视：

1、管片钢筋笼在管片模机内浇筑混凝土后需将表面抹平整，不允许有明显的肉眼可见的凸出或凹陷。这是因为管片吊装机是通过吸盘抽真空将管片表面吸住，从而实现起吊。如果管片表面有凸出，则吸盘无法紧贴，如果表面有凹陷，则吸盘会漏气无法实现抽真空。所以，只要管片的表面不平整，管片就无法从成模机中吊出。鉴于以上原因，现有的管片外土压力传感器的埋设方法均采用先埋设防护钢板，待管片吊出后再凿除表面混凝土，移除防护钢板，再安装土压力传感器，这种埋设方法可以称为传感器后埋法。

2、传感器线头不能长期浸水，否则水渗进传感器内部后将使传感器无效。鉴于以上原因，传感器线头在管片生产及养护的全过程中不能沾水。现有的传感器预埋法采用了内置的线缆保护盒，避免了传感器线头的浸水。

3、管片内传感器的埋设需要设置止水钢板，这样做的目的是防止因传感器的埋设而使得管片内外留出了渗水通道。否则，管片在隧道施工后期出现漏水，影响隧道运营的安全。现有的传感器预埋法可以通过安装止水钢板来解决管片漏水。

4、工厂管片生产是实行流水线生产，每环管片从钢筋笼制作、吊装注浆孔焊接、混凝土浇筑、蒸汽养护直至脱模都有严格的时间要求。若传感器安装时间过长，影响生产单位的效率，因此必须尽可能采取安装速度快捷的工艺和方法。

5、不管是管片内力测试还是管片外土压力测试，其目的是为了了解管片现有的状况是否安全以及预测未来的状况。管片内力测试可以了解管片的结构安全状况，管片外土压力测试可以了解管片所处的外界荷载状况。但要做到对管片安全状况的综合分析，管片内外力的测试均不可缺少，传感器的布设应同时综合考虑采用土压力传感器、钢筋计、应变计及光纤、光栅等测试元件。

综合以上分析，对现有盾构隧道管片测试传感器的埋设方法分析评价如下：

1、传感器后埋法有三个问题难以解决：一是埋设工艺复杂，埋设时间过长，且预先埋设的防护钢板在拆除阶段极易出现钢板拆卸困难或拆卸后损伤土压力传感器的安装底盘，致使土压力传感器无法放入管片内，如此时间过长且工艺复杂的埋设方法是管片生产单位所不允许的；二是传感器后埋法需要将线缆穿过管片，这样就必须在管片内提前留出穿线的管子，而这跟管子的存在很容易使管片漏水；三是传感器线头无法埋入管片内，外露的线头在管片水池养护阶段会因为浸水而使得传感器失效。

2、虽然监测棒的发明可以解决传感器后埋法遇到的上述三个问题，但因其采用的是应变片式的微型土压力传感器，测试精度受温度及线缆长度等多因素影响，测试结果的可靠度较振弦式传感器低。另外，在管片上打穿注浆孔埋设传感器对地层有严格的要求，若在透水性较高的地层实施，在注浆孔打穿后可能发生透水事故，对隧道的运营安全构成严重的威胁。

3、传感器预埋法可以避免线头浸水及管片漏水，但该方法有两个缺点：一是该方法将土压力传感器或钢筋计在钢筋笼内预埋均需要进行焊接，并且钢筋应力计焊接还需要切断主钢筋，这样的埋设会耗费很长的时间；二是该方法埋设的土压力传感器需要露出管片表面，而为了吊装管片的需要又必须将管片表面抹平，这样就必须在抹平后将土压力传感器表层的混凝土凿除，作业十分困难，且易损坏土压力传感器。

4、现有的传感器埋设装置的测试项目较为单一，无法对管片的状况进行风险评估。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能实现在管片生产工厂安装快捷、方便，防水性能好，且不影响管片起吊的管片内力及管片外土压力联合测试的装置及埋设方法。

盾构隧道管片内、外力联合测试装置，包括钢筋应变计、土压力传感器、止水钢板和线缆保护盒及连接螺杆，所述的钢筋应变计一端连接钢筋应变计线缆，并通过铅丝绑扎法与管片钢筋笼连接，所述的钢筋应变计线缆穿过线缆保护盒，所述的线缆保护盒通过连接螺杆与止水钢板相连接，并在连接螺杆与线缆保护盒之间设有调节螺帽和垫片，线缆保护盒的底面布有相应数量的穿线孔，其顶面设有线缆保护盒盖子和线缆保护盒底部防护海绵；所述的止水钢板的底面固定有土压力传感器出线端，顶面安放土压力传感器，所述的土压力传感器的土压力传感器线缆也通过穿线孔进入线缆保护盒，在各传感器的线缆穿入线缆保护盒后，对线缆保护盒底部施打线缆保护盒底部防水玻璃胶、顶部施打线缆保护盒顶部防水玻璃胶进行防水密封；所述的线缆保护盒顶部防水玻璃胶打施完成后，在土压力传感器的上部及线缆保护盒的下部各放置与土压力传感器及线缆保护盒盖子直径相同的土压力传感器防护海绵，所述的土压力传感器防护海绵上再铺设防护绒布和薄膜。

作为优选：钢筋应变计的分辨力为0.01～0.015％fs，综合误差1.5％fs，，测温范围-25℃～+60℃；土压力传感器的量程范围为0.02～0.4mpa，准确度级别为:0.2级，输出灵敏系数s为1000-30με/mpa，外形尺寸d为直径8～10cm，厚度2.0～2.5cm。

作为优选：钢筋应变计和土压力传感器的线缆长1.5～2m，在管片现场安装后再接长。

作为优选：止水钢板的厚度为3～4mm，切割成长宽均为12～15cm，钢板中心位置钻出一个直径32～36mm的孔。不锈钢的连接螺杆的直径为6～8mm，长度为管厚度减去4～6cm。

作为优选：线缆保护盒7的直径约8～10cm，高约6～8cm，底面四周钻直径4～6mm的小孔，底面其它部位均匀分布的钻若干个直径6～8mm的小孔。

盾构隧道管片内、外力联合测试装置的制作方法，包括以下步骤：

1)预先准备一块钢板，将该钢板切割成正方形，并在钢板中心位置钻孔，制作成止水钢板；

2)准备带盖线缆保护盒，将线缆保护盒底面四周钻四个小孔，在底面其它部位均匀分布的钻若干个小孔，数量等于土压力传感器和钢筋应变计的数量之和；

3)将不锈钢螺杆切割成若干小段，每段长度为管片厚度减去土压力传感器厚度，减去止水钢板厚度，减去线缆保护盒的高度，再加上螺杆安装长度。将4根螺杆用垫片及调节螺帽与线缆保护盒底部连接在一起，而根螺杆的另一端与止水钢板焊接在一起；

4)通过旋动调节螺帽使线缆保护盒的顶面与土压力传感器的顶面保持平行；

5)准备好中心出线的土压力传感器，将其线缆从止水钢板中心的小孔中引出；

6)在土压力传感器的出线一面涂抹金属胶，将土压力传感器黏贴在止水钢板上；

7)将土压力传感器的线头从线缆保护盒的底部穿出，在线头的端部用设定好颜色的电工胶布进行粘贴标记，然后将穿出后线头打结，防止线缆从线缆保护盒底部被拉出；

8)将每套钢筋应变计的线缆全部穿过线缆保护盒底部，在缆的端部用设定好颜色的电工胶布进行粘贴标记，同样在穿出后线头打结，防止线头从线缆保护盒底部被拉出；

9)盖上线缆保护盒的盖子，在盖子四周打玻璃胶，在线缆保护盒的罐底打玻璃胶；

10)在线缆保护盒的盖子上面和土压力传感器的上面放置海绵；

11)土压力传感器的海绵和线缆保护盒盖上的海绵分别用厚绒布和塑料膜包裹，包裹后均用橡皮筋固定。

盾构隧道管片内、外力联合测试装置的埋设方法，包括以下步骤：

1)将加工制作好的测试装置按土压力传感器朝上放入加工好的管片钢筋笼，利用铅丝绑扎钢筋应变计在钢筋笼的上下主钢筋上，记录钢筋应变计、土压力传感器在钢筋笼内的相对位置，并将其线头沿着钢筋笼的主钢筋进行绑扎固定，随后开始在管片模机底座上浇筑混凝土；在管片达到一定的强度后，利用吸盘起吊，将管片置于养护水槽进行养护；

2)在管片蒸汽养护完成脱模后，根据记录的相对位置，采用榔头敲击管片表面使水泥砂浆薄层碎裂，并将土压力传感器表面的水泥砂浆及海绵清理干净，再在管片内侧线缆保护盒的位置处用喷漆进行标注；

3)在施工现场确认管片是否为安装过传感器的管片后再进行拼装，在盾构机尾部台车即将脱出埋有传感器的管片时，将管片上的线缆保护盒位置的水泥硬壳敲开，打开线缆保护盒，接长线缆，引到隧道下部易测试位置，并进行固定。

作为优选：步骤1)中，钢筋应变计通过铅丝绑扎法与管片钢筋笼连接，土压力传感器预先安置在止水钢板上。

作为优选：步骤1)中，将各个传感器的线头穿入线缆保护盒，采用玻璃胶封堵。

作为优选：步骤1)中，在土压力传感器表面铺设有海绵、绒布和塑料膜并利用橡皮筋固定。

本发明的有益效果是:

1、本装置的钢筋应变计通过铅丝绑扎法与管片钢筋笼连接，从而省去切割钢筋笼、焊接钢筋应力计到连接杆工序，在管片预制厂的埋设时间大大缩短，对管片预制厂的生产生影响较小；

2、本装置的线缆保护措施严密，传感器成活率较高；

3、本装置的防水措施不会引起管片的渗漏水；

4、本装置实现了管片外土压力及管片内力的联合测定，可以综合评价管片的风险状况；

5、本装置制作成本较低，适合在隧道工程盾构管片监测领域推广。

附图说明

图1为装置倒放示意图(无盖)；

图2为装置倒放示意图(有盖)；

图3为装置正放示意图；

图4为装置正放示意图(罐底已做防水密封)；

图5为装置正放示意图(土压力传感器加垫海绵)；

图6为装置正放示意图(土压力传感器用厚绒布包封)；

图7为盖子防水密封示意图；

图8为罐体与螺杆的安装连接示意图；

图9为装置放进钢筋笼的埋设示意图(一个土压力测点，2个管片内力测试断面)；

图10为装置放进钢筋笼的埋设示意图(一个土压力测点，一个管片内力测试断面)；

图11装置放进钢筋笼的埋设示意图(2个土压力测点，2个管片内力测试断面)；

图12钢筋笼混凝土浇筑后示意图；

图13管片抽真空吊装示意图；

图14管片水池养护示意图；

图15联络通道地层示意图；

图16主隧道管片内力及外部土压力传感器埋设示意图；

图17管片内力及管片外土压力分布图；

1-钢筋应变计、2-止水钢板、3-钢筋应变计线缆、4-土压力传感器出线端、5-连接螺杆、6-土压力传感器线缆、7-线缆保护盒、8-线缆保护盒盖子、9-土压力传感器，10-穿线孔，11-调节螺帽，12-线缆保护盒底部防水玻璃胶，13-土压力传感器防护海绵，14-防护绒布，15-线缆保护盒顶部防水玻璃胶，16-垫片，17-盾构管片钢筋笼，18-混凝土，19-管片模机，20-线缆保护盒底部防护海绵，21-吸盘，22-养护水槽，23-联合测定装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

一种盾构隧道管片内、外力联合测试装置主要由钢筋应变计、土压力传感器、止水钢板和线缆保护盒及连接螺杆组合而成，所述的钢筋应变计1一端连接钢筋应变计线缆3，并通过铅丝绑扎法与盾构管片钢筋笼17连接，所述的钢筋应变计线缆3穿过线缆保护盒7，所述的线缆保护盒7通过连接螺杆5与止水钢板2相连接，并在连接螺杆5与线缆保护盒7之间设有调节螺帽11和垫片16，线缆保护盒7的底面布有相应数量的穿线孔10，其顶面设有线缆保护盒盖子8和线缆保护盒底部防护海绵20；所述的止水钢板2的底面固定有土压力传感器出线端4，顶面安放土压力传感器9，所述的土压力传感器9的土压力传感器线缆6也通过穿线孔10进入线缆保护盒7，在各传感器的线缆穿入线缆保护盒7后，对线缆保护盒底部施打线缆保护盒底部防水玻璃胶12、顶部施打线缆保护盒顶部防水玻璃胶15进行防水密封；所述的线缆保护盒顶部防水玻璃胶15打施完成后，在土压力传感器9的上部及线缆保护盒的下部各放置与土压力传感器9及线缆保护盒盖子8直径相同的土压力传感器防护海绵13，所述的土压力传感器防护海绵13上再铺设防护绒布14和薄膜。在联合测定装置23制作完成后，将其放置在盾构管片钢筋笼17内，并在管片模机19浇筑混凝土18，并利用吸盘21起吊，置于养护水槽22进行养护。

在此具体实施例中，钢筋应变计1的分辨力为0.01～0.015％fs，综合误差1.5％fs，，测温范围-25℃～+60℃。土压力传感器9的量程范围为0.02～0.4mpa，准确度级别(级)为:0.2，输出灵敏系数s(με/mpa)为1000-30，外形尺寸d(cm)为直径8～10cm，厚度2.0～2.5cm。钢筋应变计1、土压力传感器9的线缆长1.5～2m，在管片现场安装后再接长。

在此具体实施例中，止水钢板2的厚度为3～4mm，切割成长宽均为12～15cm，钢板中心位置钻出一个直径32～36mm的孔。不锈钢螺杆5的直径为6～8mm，长度为管厚度减去4～6cm。线缆保护盒7的直径约8～10cm，高约6～8cm，底面四周钻直径4～6mm的小孔，底面其它部位均匀分布的钻若干个直径6～8mm的小孔。

在此具体实施例中，土压力传感器算公式为：

式中：ft为土压力；kt为土压力传感器率定参数；ft1为土压力传感器的当次测试频率；ft0为土压力传感器的初始频率。

在此具体实施例中，管片弯矩计算公式为：

式中：m为管片单位长度的弯矩(以管片外侧受拉为正)；ec为管片混凝土弹性模量；h为管片厚度；d为钢筋应变计的中心距离；ε1为管片外侧钢筋应变计的应变，k1为管片外侧钢筋应变计的率定参数，f10为管片外侧钢筋应变计的初始频率，f11为管片外侧钢筋应变计的当次测试频率；ε2为管片内侧钢筋应变计的应变，k2为管片内侧钢筋应变计的率定参数，f20为管片内侧钢筋应变计的初始频率，f21为管片内侧钢筋应变计的当次测试频率。

在此具体实施例中，管片单位长度的轴力计算公式为：

n＝[(ε1+ε2)/2·es·as+(ε1+ε2)/2·ec·(a-as)]/l0(6)

式中：n管片单位长度的轴力；es为管片内钢筋弹性模量；as为管片截面的钢筋总面积；a为管片截面面积；l0为管片长度。

实施例2

盾构隧道管片内力及管片外土压力联合测定装置制作和埋设方法，步骤如下：

(1)预先准备一块钢板，将该钢板切割成正方形，并在钢板中心位置钻孔，制作成止水钢板2。准备直径约9cm高约7cm的带盖线缆保护盒7，将钢筋应变计线缆3保护盒底面四周钻直径6mm的四个穿线孔10，在底面其它部位均匀分布的钻若干个直径8mm的小孔，8mm小孔的数量等于土压力传感器9和钢筋应变计1的数量之和。利用直径6mm的连接螺杆5，将螺杆切割成若干小段，每段长度为管片厚度减去土压力传感器9厚度，减去止水钢板厚度，减去线缆保护盒7的高度，再加上连接螺杆5安装长度(约3cm)。将4段螺杆用垫片16及调节螺帽11与线缆保护盒7底部连接在一起，而4段螺杆的另一端与止水钢板2焊接在一起。通过旋动调节螺帽11使线缆保护盒7的顶面与土压力传感器9的顶面保持平行。准备好中心出线的土压力传感器9，将其线缆从止水钢板2中心的小孔中引出。在土压力传感器9的出线一面涂抹金属胶，将土压力传感器黏贴在止水钢板2上。将土压力传感器9的线头从线缆保护盒7的底部穿出，在线头的端部用设定好颜色的电工胶布进行粘贴标记，然后将穿出后线头打一个结，防止线头从线缆保护盒底部被拉出。采用线长2m的若干钢筋应变计1，将每套装置计划要安装的钢筋应变计1的线头全部穿过线缆保护盒7底部，在线头的端部用设定好颜色的电工胶布进行粘贴标记，同样在穿出后线头打一个结，防止线头从线缆保护盒底部被拉出。盖上线缆保护盒的盖子，在盖子四周打一圈玻璃胶，在线缆保护盒的罐底打一层玻璃胶。在线缆保护盒7的盖子上面和土压力传感器9的上面各放一块海绵。土压力传感器9的海绵和线缆保护盒7盖上的海绵分别用厚绒布和塑料膜包裹，包裹后均用橡皮筋固定，至此制作完成盾构隧道管片内力及管片外土压力联合测试装置。

(2)将加工制作好的联合测定装置23送到管片预制厂，按土压力传感器9朝上放入加工好的盾构管片钢筋笼17，利用铅丝绑扎钢筋应变计1在盾构管片钢筋笼17的上下主钢筋上，记录钢筋应变计1在钢筋笼内的相对位置，并将其线缆沿着钢筋笼的主钢筋进行绑扎固定，避免混凝土浇筑时浇捣损坏线缆。同时，记录测试装置上的土压力传感器9在钢筋笼上的相对位置，随后开始在管片模机19底座上浇筑混凝土18。在管片达到一定的强度后，利用吸盘21起吊，将管片置于养护水槽22进行养护。在养护完成、脱模后，根据记录的相对位置，采用榔头敲击管片表面使水泥砂浆薄层碎裂，并将土压力传感器9表面的水泥砂浆及海绵清理干净，再在管片内侧线缆保护盒7的位置处用喷漆进行标注，至此，联合测定装置23在管片预制厂的埋设工作完成。

(3)在管片运至隧道施工现场后，确认管片是否为安装过传感器的管片，确认无误后等盾构机将管片进行拼装。在盾构机尾部台车即将脱出埋有传感器的管片时，利用台车的框架爬上台车将管片上的线缆保护盒7位置的水泥硬壳砸开，打开线缆保护盒盖子8，采用相同的线缆将线缆保护盒7内的线缆逐个接长，将线缆沿着管片内壁引到隧道下部容易测试的位置，线缆在管壁上可以利用管片安装螺栓拉铁丝进行固定。

实施例3

试验场地位于宁波市轨道交通3号线高塘桥站～姜山站区间，该区间联络通道采用机械法施工，即采用小盾构施工，小盾构施工由主隧道盾构管片提供反力，所以在小盾构施工期间需要及时掌握主隧道盾构管片的内力及外部土压力情况。联络通道施工的周边地层情况及传感器埋设情况如图15、16所示。

隧道盾构管片埋设完成后对管片外的土压力及管片内力进行了测试，测试结果如图17所示，土压力单位为kpa，管片弯矩单位为kn·m。从测试结果看出，本发明能很好的测出管片外土压力及管片内力。