盾构隧道管片浮力测量模型实验装置的制作方法

本发明属于盾构施工工程技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片浮力测量模型实验装置。

背景技术：

盾构法施工具有多方面优势，在城市地铁隧道修建中获得了广泛应用。盾构法施工时，在盾壳内将管片拼装完成，随着盾构机向前推进，管片脱离盾尾，在管片和地层间形成环形间隙，为了控制地层位移需要向环状间隙内进行同步注浆，注入浆液为水、水泥、粉煤灰、添加剂等拌合物。在浆液凝固前，浆液处于可流动状态，根据阿基米德浮力原理，浆液会对管片产生浮力，导致管片上浮。管片上浮后会出现管片错台，形成错台裂缝，降低管片密封质量，产生管片漏水等现象，因此对于管片上浮问题的研究显得尤为重要。

实际工程中管片被浆液包围，在浆液浮力作用下，管片上浮排开上部浆液，浆液沿着环形间隙向下流动，管片和浆液都处于运动状态。经过查阅相关文献，中国专利cn108872297a公开了“一种盾尾注浆浆液凝结及管片上浮过程模型试验装置”，利用该装置试验时，将模型土置于模型箱中，模型土内预埋压力盒等位移传感器，将固结压缩板置于模型土的上侧，通过压实机构对固结压缩板施压，将模型土压实，以此模拟真实的土层密实度；然后将固结压缩板取出，通过螺栓将钢管片模型固定于模型箱的上端，通过模型箱侧壁和钢管片模型上的注浆口向钢管片模型与模型土之间注浆，施压机构通过加载板对模型土施压，以模拟地层压力，当浆液在凝固过程中，控制加载板的压力模拟管片上浮的过程。

上述专利的实验装置中，钢管片模型是固定不动的，不能模拟管片的上浮过程，也不能模拟浆液沿环状间隙的流动过程，因此并不能模拟实际工程中管片的上浮过程，无法测量管片浮力，研究管片上浮过程中浮力变化规律。

技术实现要素：

基于背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种盾构隧道管片浮力测量模型实验装置，在装置内部的管片模型被浆液包围，管片上浮时浆液向下流动，管片与浆液的动态变化过程与实际工程相符，从而测量管片浮力，研究管片上浮过程中浮力变化规律，为研究管片上浮的控制技术打下基础。

为了达到目的，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种盾构隧道管片浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒、与内筒形成环状间隙的外筒、固定并密封外筒的两侧挡板、测定浮力的力传感器和横梁；所述的横梁穿过两挡板和内筒，横梁两端位置固定；内筒的两端通过密封圈紧贴在两侧挡板上，横梁通过调节装置与内筒连接，所述的力传感器安装在调节装置上，挡板的侧部安装有注浆装置，所述的注浆装置与内外筒之间的环状间隙连通。

优选地，所述的力传感器为拉力传感器，所述的调节装置对称设置在内筒中心的左右两侧，调节装置包括调节螺杆、调节螺母、固端螺母和固定杆，所述的固端螺母内嵌在内筒的内壁，固定杆的顶部与固端螺母连接，调节螺杆的下部穿过横梁，所述的调节螺母连接在横梁下方的调节螺杆上；所述的拉力传感器为中空结构，拉力传感器的中间孔壁上设有内螺纹，拉力传感器分别与上方的固定杆、下方的调节螺杆螺纹连接。

优选地，所述的力传感器为压力传感器，所述的调节装置对称设置在内筒中心的左右两侧，调节装置包括调节螺杆、调节螺母和固端螺母，所述的固端螺母内嵌在内筒的内壁，调节螺杆的顶部与固端螺母连接，调节螺杆的下部穿过横梁，调节螺母连接在调节螺杆的下部，所述的压力传感器套设在调节螺杆上且压在调节螺母上，横梁压在压力传感器上。

优选地，所述的注浆装置包括注浆管、流量调节阀和漏斗，所述的注浆管下端穿过挡板与环状间隙连通，漏斗安装在注浆管上端，流量调节阀安装在注浆管上。

优选地，所述的挡板四个边角处分别设有孔洞，连接杆穿过孔洞将挡板与外筒的两侧连接，连接杆的两端通过连接螺母固定。在四个孔洞中分别穿过连接杆，将挡板与外筒的两端固定密封，结构稳固，在两个挡板与外筒的接触面处涂抹少量凡士林，所述挡板采用聚四氟乙烯薄板，表面摩擦系数极小，可以减小内筒上浮过程中与两侧挡板的摩擦力。

优选地，所述的挡板上设有圆孔，圆孔的孔径小于内筒的筒径，横梁穿过圆孔。圆孔方便横梁的安装，且为实验过程提供操作的便利。

优选地，所述内筒的两端和外筒的两端均为敞口结构，外筒上设有出气孔。外筒上的出气孔用于在向外筒中注浆时排出外筒中的空气。

优选地，所述的内筒外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆，可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

优选地，所述的挡板内侧设有第一环形定位块和第二环形定位块；所述的内筒下端位于第一环形定位块上，外筒下端位于第二环形定位块上。第一环形定位块和第二环形定位块用于确定内筒和外筒安装位置。

优选地，所述的横梁上设有两个u型卡槽，调节螺杆卡在u型卡槽内。

优选地，密封圈与挡板的接触面为光滑面。密封圈采用u型橡胶密封圈或u型海绵密封圈，可以紧密贴合在挡板上，防止浆液漏到内筒中，密封圈表面喷涂凡士林，可以减小内筒上浮过程中与两侧挡板的摩擦力。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过内筒模拟管片、外筒模拟地层，在外筒内注入浆液从而模拟管片的上浮过程，本装置结构简单，管片与浆液的动态变化过程与实际工程相符，从而为分析管片上浮机理提供便利。

2、本发明将浮力转换成拉力测量或压力测量，解决了内筒在浆液中难以测量浮力的问题，而且转换成拉力测量或压力测量后更加准确方便。

3、本发明可以通过旋转调节螺母控制内筒的上浮过程和位置，力传感器可以做到实时测量。从而更为方便地研究管片上浮过程中浮力变化规律。

附图说明

图1是本发明中实施例1的结构示意图；

图2是本发明中实施例1的剖视图；

图3是本发明中拉力传感器的连接结构示意图；

图4是本发明中横梁的结构示意图；

图5是本发明中挡板的结构示意图；

图6是本发明中实施例2的结构示意图；

图7是本发明中实施例2的剖视图。

示意图中的标注说明：

1-内筒；2-外筒；3-挡板；4-拉力传感器；5-调节装置；6-横梁；7-密封圈；8-注浆装置；9-连接杆；10-连接螺母；11-第一环形定位块；12-第二环形定位块；13-压力传感器，21-出气孔；31-孔洞；32-圆孔；51-调节螺杆；52-调节螺母；53-固端螺母；54-固定杆；61-u型卡槽；81-注浆管；82-流量调节阀；83-漏斗。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例涉及一种盾构隧道管片浮力测量模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒1、与内筒1形成环状间隙的外筒2、固定并密封外筒2的两侧挡板3、测定内筒1浮力的拉力传感器4和横梁6；所述的横梁6穿过两挡板3和内筒1，横梁6两端位置固定；内筒1的两端通过密封圈7紧贴在两侧挡板3上，横梁6通过调节装置5与内筒1连接，所述的拉力传感器4安装在调节装置5上，挡板3的侧部安装有注浆装置8，所述的注浆装置8与内外筒之间的环状间隙连通。

如图1、图3和图4所示，所述的调节装置5对称设置在内筒1中心的两侧，调节装置5包括调节螺杆51、调节螺母52、固端螺母53和固定杆54，所述的固端螺母53内嵌在内筒1的内壁，固定杆54的顶部与固端螺母53连接，所述的拉力传感器4为中空结构，拉力传感器4的中间孔壁上设有内螺纹，固定杆54的下端与拉力传感器4螺纹连接，调节螺杆51的下部卡在横梁6的u型卡槽61内，调节螺杆51上端与拉力传感器4螺纹连接，所述的调节螺母52连接在横梁6下方的调节螺杆51上，使得横梁6压在调节螺母52上。

如图1所示，所述的注浆装置8包括注浆管81、流量调节阀82和漏斗83，所述的注浆管81下端穿过挡板3与环状间隙连通，漏斗83安装在注浆管81上端，流量调节阀82安装在注浆管81上用于控制注浆。

如图2和图5所示，所述的挡板3四个边角处分别设有孔洞31，连接杆9穿过孔洞31将挡板3与外筒2的两侧连接，连接杆9的两端通过连接螺母10固定。在四个孔洞31中分别穿过连接杆9，将挡板3与外筒2的两端固定密封，结构稳固，在两个挡板3与外筒2的接触面处涂抹少量凡士林，所述挡板3采用聚四氟乙烯薄板，表面摩擦系数极小，可以减小内筒1上浮过程中与两侧挡板3的摩擦力。

所述的挡板3上设有圆孔32，圆孔32的孔径小于内筒1的筒径，内筒1在上浮时，内筒1始终处于圆孔32的外围，横梁6穿过圆孔32。圆孔32方便横梁6的安装，且为实验过程提供操作的便利。

如图1所示，所述内筒1的两端和外筒2的两端均为敞口结构，外筒2上设有出气孔21。外筒2上的出气孔21用于在向外筒2中注浆时排出外筒2中的空气。所述的内筒1外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆，可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒1外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

所述的挡板3内侧设有第一环形定位块11和第二环形定位块12；所述的内筒1下端位于第一环形定位块11上，外筒2下端位于第二环形定位块12上。第一环形定位块11和第二环形定位块12用于确定内筒1和外筒2安装位置。

所述的密封圈7与挡板3的接触面为光滑面。密封圈7采用u型橡胶密封圈或u型海绵密封圈，可以紧密贴合在挡板3上，防止浆液漏到内筒中，密封圈7表面喷涂聚凡士林，可以减小内筒1上浮过程中与两侧挡板3的摩擦力。

本实施例具体安装过程如下：

步骤一：内筒1内壁嵌设固端螺母53，内筒1两端套入密封圈7，此时，密封圈7与内筒1两端面之间留有缝隙，并且密封圈7的两端面间距略大于外筒1长度。固定杆54的上端旋入固端螺母53，拉力传感器4分别与固定杆54的下端和调节螺杆51的上端连接，并在调节螺杆51的下部旋入调节螺母52，将内筒1装入外筒2中。

步骤二：挡板3放置在内筒1、外筒2的外侧，内筒3放置在第一环形定位块11上，外筒2放置在第二环形定位块12上，旋转外筒2，保证出气孔21位于正上方。在两侧挡板3四角处孔洞31穿入连接杆9，旋紧连接螺母10，使两侧挡板3与外筒2压紧密封，同时密封圈7沿内筒1滑动，两侧挡板3与密封圈7紧密贴合。

步骤三：将横梁6穿过圆孔32插入内筒1，并将两只调节螺杆51卡入u型槽61内。将横梁6两侧固定，保证横梁6不发生移动。旋转调节螺母52使之与横梁6接触，调试拉力传感器4并接入数据采集仪(图中未画出)。安装注浆管81。

本实施例使用原理：

步骤一：实验装置调试完毕，拌合充足的浆液，浆液通过注浆管81注入内筒1和外筒2之间的间隙中，外筒2内空气体由出气孔21排出，直至浆液充满整个环形间隙时，关闭调节阀82。

步骤二：内筒1在浆液的浮力作用下上浮，内筒1带动固定杆54上移，拉力传感器4的两端分别受到固定杆54和调节螺杆51的拉力，两个拉力传感器4的拉力之和等于内筒1的浮力，从而通过拉力传感器4可测得内筒1的浮力。

步骤三：试验时，可将两只调节螺母52向下旋转一定距离，在浮力作用下内筒1上浮同样的距离，拉力传感器4测得此位置的浮力，以此类推可以测得内筒1浮到不同位置时的浮力，直至内筒1上浮到平衡位置。试验完成后拆除挡板3，取出内筒1，清洗试验装置。

实施例2

如图6和图7所示，本实施例涉及一种压力式测量盾构隧道管片浮力模型实验装置，其包括模拟隧道管片的内筒1、与内筒1形成环状间隙的外筒2、固定并密封外筒2的两侧挡板3、测定内筒1浮力的压力传感器13和横梁6；所述的横梁6穿过两挡板3和内筒1，横梁6两端位置固定；内筒1的两端通过密封圈7紧贴在两侧挡板3上，横梁6通过调节装置5与内筒1连接，所述的压力传感器13安装在调节装置5上，挡板3的侧部安装有注浆装置8，所述的注浆装置8与内外筒之间的环状间隙连通。

如图4和图6所示，所述的调节装置5对称设置在内筒1中心的左右两侧，调节装置5包括调节螺杆51、调节螺母52和固端螺母53，所述的固端螺母53内嵌在内筒1的内壁，调节螺杆51的顶部与固端螺母53连接，所述的横梁6上设有两个u型卡槽61，调节螺杆51下部卡在u型卡槽61内，所述的压力传感器13套设在调节螺杆51上，在压力传感器13下方旋入调节螺母52，使得在横梁6压在压力传感器13上，压力传感器13压在调节螺母52上。

如图6所示，所述的注浆装置8包括注浆管81、流量调节阀82和漏斗83，所述的注浆管81下端穿过挡板3与环状间隙连通，漏斗83安装在注浆管81上端，流量调节阀82安装在注浆管81上用于控制注浆。

如图5和图7所示，所述的挡板3四个边角处分别设有孔洞31，连接杆9穿过孔洞31将挡板3与外筒2的两侧连接，连接杆9的两端通过连接螺母10固定。在四个孔洞31中分别穿过连接杆9，将挡板3与外筒2的两端固定密封，结构稳固，在两个挡板3与外筒2的接触面处涂抹少量凡士林，所述挡板3采用聚四氟乙烯薄板，表面摩擦系数极小，可以减小内筒1上浮过程中与两侧挡板3的摩擦力。

所述的挡板3上设有圆孔32，圆孔32的孔径小于内筒1的筒径，内筒1在上浮时，内筒1始终处于圆孔32的外围，横梁6穿过圆孔32。圆孔32方便横梁6的安装，且为实验过程提供操作的便利。

如图6所示，所述内筒1的两端和外筒2的两端均为敞口结构，外筒2上设有出气孔21。外筒2上的出气孔21用于在向外筒2中注浆时排出外筒2中的空气。

所述的内筒1外表面包裹金属网，金属网外表面涂抹水泥浆，可以模拟钢筋混凝土管片表面情况。处理方式包括将内筒1外表面打磨粗糙后用涂刷水泥浆，或者包裹金属网、布料等材料后涂抹水泥浆。

如图6和图7所示，所述的挡板3内侧设有第一环形定位块11和第二环形定位块12；所述的内筒1下端位于第一环形定位块11上，外筒2下端位于第二环形定位块12上。第一环形定位块11和第二环形定位块12用于确定内筒1和外筒2安装位置。

所述的密封圈7与挡板3的接触面为光滑面。密封圈7采用u型橡胶密封圈或u型海绵密封圈，可以紧密贴合在挡板3上，防止浆液漏到内筒中，密封圈7表面喷涂聚凡士林，可以减小内筒1上浮过程中与两侧挡板3的摩擦力。

本实施例具体安装过程如下：

步骤一：内筒1内壁嵌设固端螺母53，内筒1两端套入密封圈7，此时，密封圈7与内筒1两端面之间留有缝隙，并且密封圈7的两端面间距略大于外筒1长度。调节螺杆51上端旋入固端螺母53，压力传感器13套入调节螺杆51，并在下方旋入调节螺母52，防止压力传感器13滑落，将内筒1装入外筒2中。

步骤二：挡板3放置在内筒1、外筒2的外侧，内筒3放置在第一环形定位块11上，外筒2放置在第二环形定位块12上，旋转外筒2，保证出气孔21位于正上方。在两侧挡板3四角处孔洞31穿入连接杆9，旋紧连接螺母10，使两侧挡板3与外筒2压紧密封，同时密封圈7沿内筒1滑动，两侧挡板3与密封圈7紧密贴合。

步骤三：将横梁6穿过圆孔32插入内筒1，并将两只调节螺杆51卡入u型槽61内。将横梁6两侧固定，保证横梁6不发生移动。旋转调节螺母52保证压力传感器13与横梁6轻微挤压，调试压力传感器13并接入数据采集仪(图中未画出)。安装注浆管81。

本实施例使用原理：

步骤一：实验装置调试完毕，拌合充足的浆液，浆液通过注浆管81注入内筒1和外筒2之间的间隙中，外筒2内空气体由出气孔21排出，直至浆液充满整个环形间隙时，关闭调节阀82。

步骤二：内筒1在浆液的浮力作用下上浮，内筒1带动调节螺杆51上移，调节螺母52给压力传感器13施加压力，两个压力传感器13的压力之和等于内筒1的浮力，通过压力传感器13可测得内筒1的浮力。

步骤三：试验时，可将两只调节螺母52向下旋转一定距离，在浮力作用下内筒1上浮同样的距离，压力传感器13测得此位置的浮力，以此类推可以测得内筒1浮到不同位置时的浮力，直至内筒1上浮到平衡位置。试验完成后拆除挡板3，取出内筒1，清洗试验装置。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案，实际的结构并不局限于此。所以本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。