盾构管片试验装置及试验方法与流程

1.本公开涉及隧道工程设备技术领域，尤其涉及一种适用不同尺寸盾构管片实现错台与张开的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.近年来，盾构隧道呈现出埋深加大，长度增加和断面增大且多样化的趋势，使作用在盾构隧道衬砌上的土水压力与施工荷载等外荷载急剧增加，造成管片产生不同程度的错台与张开，错台与张开的存在对隧道的安全性会产生重大影响。目前，针对盾构隧道局部管片出现较大错台与张开(超越限值)，错台与张开对管片局部损伤、接头螺栓受力和衬砌结构整体的安全影呴难以确定。因此，对盾构管片错台量与张开量超限对衬砌结构、螺栓接头的安全影响等关键技术问题展开足尺试验研究至关重要，从而构建隧道安全的评估体系，提出可靠的安全评价结果，对管片错台张开超限条件下盾构隧道结构的安全评估及其防控具有重要的理论价值与工程意义。
3.传统的盾构管片张错试验装置存在以下问题：现有的相关试验装置以缩尺试验为主，缩尺试验虽然可以揭示相关机理，但并不能完全还原工程中管片损伤真实情况；研究不同直径管片，需设计不同尺寸的试验装置，不够便利且经济性差，难以适应工程中不同尺寸盾构管片；现有相关试验装置仅可针对管片环间接头或环内接缝进行研究，不能同时针对管片环内、环间接缝展开研究。以上问题都对管片错台张开超限条件下盾构隧道结构展开精确研究造成一定影响。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.基于上述问题，本公开提供了一种盾构管片试验装置及试验方法，以缓解现有技术中的盾构管片试验装置中缺乏足尺试验装置、研究不同直径盾构管片需设计不同试验装置、不可同时研究管片环间、环内接缝张开、错台造成的影响等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开的一个方面，提供一种盾构管片试验装置，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。
8.根据本公开实施例，所述地基设置有滑槽，所述多个承台通过t形倒装块与滑槽连接并沿滑槽移动。
9.根据本公开实施例，所述支撑床表面与所述盾构管片内壁相匹配，用以支撑盾构
管片。
10.根据本公开实施例，所述支撑系统，包括：多根支撑柱，所述支撑柱的一端连接所述支撑床，另一端插设于承台的孔中；以及多根支撑梁，连接于所述支撑柱之间。
11.根据本公开实施例，所述错台控制系统，包括：多个液压加载装置，一端设置于承台上，另一端连接至支撑系统，用于控制支撑系统的升降；以及错台控制螺母，设置于支撑柱上，用于支撑系统升降到设定位置后限制支撑柱的移动。
12.根据本公开实施例，所述张开控制系统，包括：辅助牵引装置，用于牵引承台沿滑槽移动。
13.根据本公开实施例，所述辅助牵引装置，包括：环内管片张开牵引装置，用于使环内管片间发生管片张开；以及环间管片张开牵引装置，用于使环间管片间发生管片张开。
14.根据本公开实施例，所述结构尺寸控制系统，包括：尺寸扩展支撑床，包括多个不同尺寸的支撑床；尺寸扩展控制承台，通过支撑杆和支撑梁承载所述多个不同尺寸的支撑床；以及牵引装置，用于牵引不同尺寸的支撑床组合拼接后以承载不同管径的的盾构管片。
15.根据本公开实施例，所述位移监测计设置于盾构管片外侧接缝、盾构管片内侧接缝、管片侧面接缝、承台上表面接缝、以及承台侧面接缝。
16.本公开的另一方面，提供一种盾构管片试验装置试验方法，采用以上任一项所述的盾构管片试验装置进行试验，所述试验方法包括：步骤s1：在管片拼装前，通过牵引装置将与盾构管片尺寸匹配的支撑床及下部承台通过滑槽移动至试验位置；步骤s2：管片拼装完成后，通过错台控制系统控制盾构管片之间实现管片错台，并在达到试验所需的管片错台量后通过移动错台控制螺母位置来限制支撑系统上下移动；以及步骤s3：通过张开控制系统实现管片张开，并根据位移监测计来控制管片张开量以满足实验要求。
17.(三)有益效果
18.从上述技术方案可以看出，本公开盾构管片试验装置及试验方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
19.(1)能够满足盾构管片张开与错台足尺试验的要求，还原工程中管片损伤真实情况；
20.(2)能够满足不同尺寸盾构管片的试验要求，提高了相关试验的经济性与便利性；
21.(3)能够同时针对管片环内、环间接缝的错台与张开展开研究；
22.(4)能够提高试验结果精度；
23.(5)简单且实施可行性高，可降低造价并提高试验效率，具有良好应用前景。
附图说明
24.图1为本公开实施例的盾构管片试验装置主视结构示意图。
25.图2为本公开实施例的盾构管片试验装置俯视结构示意图。
26.图3为本公开实施例的盾构管片试验装置侧视结构示意图。
27.图4为本公开实施例的盾构管片试验装置结构及结构尺寸控制系统的主视结构示意图。
28.图5为本公开实施例的盾构管片试验装置结构及结构尺寸控制系统的俯视结构示意图。
29.图6为本公开实施例的盾构管片试验方法的流程图。
30.【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
31.1-支撑床1号；2-支撑床2号；3-支撑床3号；4-支撑床4号；5-承台1号；6-承台2号；7-承台3号；8-承台4号；9-环内管片张开牵引装置；10-环间管片张开牵引装置；11-环间管片张开滑槽；12-环内管片张开滑槽；13-地基；14-液压加载装置；15-t形倒装块；16-支撑柱；17-位移监测计；18-支撑梁；19-错台控制螺母；20-尺寸扩展控制承台；21-尺寸扩展支撑床1号；22-尺寸扩展支撑床2号；23-尺寸扩展支撑床3号；24-尺寸控制滑槽；25-尺寸扩展支撑柱；26-尺寸扩展支撑梁。
具体实施方式
32.本公开提供了一种适用不同尺寸盾构管片实现错台与张开的试验装置及方法，通过结构尺寸控制系统来调整结构尺寸，以适应不同尺寸盾构管片的试验要求；通过错台控制系统来实现盾构管片接缝错台，结合位移监测计和电脑，精准控制管片接缝间错台大小，提高试验精度；通过张开控制系统来实现盾构管片接缝张开，结合位移监测计和电脑，精准控制管片接缝间错台大小，提高试验精度；同时依靠错台控制系统、张开控制系统可同时进行盾构管片环内接缝、环间接缝张开与错台试验，可满足工程实际需求，提高试验精度、试验效率。
33.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
34.在本公开实施例中，提供一种盾构管片试验装置，结合图1至图5所示，所述盾构管片试验装置，包括：
35.地基；所述地基设置有滑槽；
36.多个承台，每个所述承台可移动的设置于所述地基上；所述多个承台通过t形倒装块与滑槽连接并沿滑槽移动。
37.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；所述支撑床表面与所述盾构管片内壁相匹配，用以支撑盾构管片。
38.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；
39.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；
40.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；所述位移监测计设置于盾构管片外侧接缝、盾构管片内侧接缝、管片侧面接缝、承台上表面接缝、以及承台侧面接缝。以及
41.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；
42.根据本公开实施例，所述支撑系统，包括：多根支撑柱，所述支撑柱的一端连接所述支撑床，另一端插设于承台的孔中；以及多根支撑梁，连接于所述支撑柱之间。
43.根据本公开实施例，所述错台控制系统，包括：多个液压加载装置，一端设置于承台上，另一端连接至支撑系统，用于控制支撑系统的升降；以及错台控制螺母，设置于支撑
柱上，用于支撑系统升降到设定位置后限制支撑柱的移动。
44.根据本公开实施例，所述张开控制系统，包括：辅助牵引装置，用于牵引承台沿滑槽移动。所述辅助牵引装置，包括：环内管片张开牵引装置，用于使环内管片间发生管片张开；以及环间管片张开牵引装置，用于使环间管片间发生管片张开。
45.根据本公开实施例，所述结构尺寸控制系统，包括：尺寸扩展支撑床，包括多个不同尺寸的支撑床；尺寸扩展控制承台，通过支撑杆和支撑梁承载所述多个不同尺寸的支撑床；以及牵引装置，用于牵引不同尺寸的支撑床组合拼接后以承载不同管径的的盾构管片。
46.根据本公开实施例，结合图1至图5所示，适用不同尺寸盾构管片实现错台与张开的试验装置，包括：
47.承台5、6、7、8，设有若干通孔与t形倒装块15；支撑系统，由支撑柱16、支撑梁18与支撑床1、2、3、4组成；结构尺寸控制系统，由各尺寸扩展支撑床20、21、22、支撑柱25、支撑梁26、尺寸扩展控制承台20、尺寸扩展牵引装置、尺寸控制滑槽24组成；错台控制系统，由液压加载装置14、若干错台控制螺母19组成；张开控制系统，由管片张开牵引装置9、10、管片张开滑槽11、12组成；位移监测计17，设于管片外侧接缝、管片侧面接缝、管片内侧接缝、承台上表面接缝及承台侧面接缝；限位装置，沿滑槽方向设置；地基13，内部设有滑槽。
48.在本公开实施例中，所述通孔设于承台表面；所述t形倒装块15，设于承台底部，与地基13连接，用以限制承台，保证其仅可沿上述滑槽移动；所述支撑床，由若干小支撑床组合而成，可通过结构尺寸控制系统，调整支撑床尺寸，外径与试验管片内径一致，用以支撑管片；支撑柱16、25，与支撑床1、2、3、4、20、21、22通过焊接连接形成整体，置于上述承台表面通孔内；所述支撑柱16、25，外径略小于上述通孔内径，以保证支撑柱16、25可上下移动；所述支撑柱16、25，表面设有螺纹，上述错台控制螺母19通过螺纹旋转上升或下降；所述支撑梁18、26，连接上述支撑柱16、25，以形成整体支撑结构；在本公开实施例中，所述牵引装置9、10，设于承台四周，用于牵引承台沿上述滑槽移动；在本公开实施例中，所述滑槽，设于地基内部，与上述t形倒装块15连接，辅助牵引装置，用于承台移动；所述液压加载装置14，设于承台表面，与支撑体系连接，用以实现管片错台；所述液压加载装置14，由电脑控制其加载，以保证各液压加载装置产生的位移相同，不发生倾斜；所述错台控制螺母19，设于上述支撑柱上，可通过旋转实现上升下降；所述错台控制螺母19，外径大于上述通孔，以限制支撑体系向下位移；所述滑槽11、12、24，在平面上与承台四周呈垂直或平行关系；所述位移监测计17，与电脑连接，在达到指定数值时，电脑自动停止液压加载装置14，以保证试验结果精度。
49.本公开还提供一种基于上述盾构管片试验装置的试验方法，能够使不同尺寸盾构管片在该实验装置实现所需的管片错台量和/或管片张开量，从而满足不同尺寸盾构管片的试验要求，如图6所示，所述试验方法包括：
50.步骤s1：在管片拼装前，通过牵引装置将与盾构管片尺寸匹配的支撑床及下部承台通过滑槽移动至试验位置；
51.具体地，在管片拼装前，通过牵引装置将合适尺寸的尺寸扩展支撑床21、22、23及下部尺寸扩展控制承台20通过尺寸控制滑槽24移动至合适试验位置，通过限位装置固定位置，以满足不同尺寸管片对试验装置的需求；在上述步骤完成后，通过吊机将管片放置在支撑床上，对管片进行约束固定，并进行螺栓拼装；
52.步骤s2：管片拼装完成后，通过错台控制系统控制盾构管片之间实现管片错台，并在达到试验所需的管片错台量后通过移动错台控制螺母位置来限制支撑系统上下移动；
53.具体地，管片拼装完成后，通过错台控制系统实现管片错台，具体为通过液压加载装置14将支撑系统顶起以实现管片错台，依据位移监测计19数值，在达到指定数值后电脑自动停止液压加载装置14，后通过旋转错台控制螺母19位置来限制支撑系统向下移动，即固定支撑系统，维持当前错台量；以及
54.步骤s3：通过张开控制系统实现管片张开，并根据位移监测计来控制管片张开量以满足实验要求。
55.具体地，在错台施加完成后，通过张开控制系统实现管片张开，具体为通过管片张开牵引装置9、10将管片所在承台通过管片张开滑槽11、12向外侧移动，根据位移监测计19控制管片张开大小，满足实验目的。
56.本公开还提供一种使用上述软土地层盾构隧道管片的作业方法，如图6所示，所述软土地层盾构隧道管片的作业方法，包括：
57.操作s1：根据工程测量资料结合工程经验，确定隧道维持稳定及最小变性所需的周围土层的加固范围，从而确定伸缩式锚杆需延伸的长度；
58.根据工程测量资料结合工程经验，计算出隧道维持基本稳定及最小变性所需周围土体的加固范围，再采取安全系数法确定伸缩式锚杆长度。
59.操作s2：控制液压升降支座系统上升至与隧道周围土层接触，并延伸所述伸缩式锚杆至土层中进行注浆；
60.盾构管片连接成环后，圆形套管和液压升降支座同时上升直至与周围土层接触，伸缩式锚杆伸出嵌入到周围土层进行注浆，注浆机开始进行二次注浆时，打开所有注浆通道内的注浆开关。
61.操作s3：监控每个伸缩式锚杆的注浆时的注浆压力，从而选择性的控制对应的伸缩式锚杆的注浆状态，完成注浆；
62.根据注浆开关上的压力监测器选择性关闭已经达到拟定压力的注浆开关，直至所有伸缩式锚杆完成注浆。锚杆注浆的存在可有效防止管片纵缝错台。
63.操作s4：监控每个液压升降支座系统所承受的隧道周围土层的压力，并通过其对侧的隧道管片的对应液压升降支座系统向土层施加与该压力同等大小的力，维持衬砌环的整体受力平衡。
64.在发生土层沉降时，沉降位置管片的对侧管片上的液压升降支座施加与土层沉降压力同等大小的压力，维持衬砌环的整体受力平衡；具体地，在土层发生不均匀沉降时，受力集中处管片上的压力传感器监测到受力变化，将该压力增量以电信号传递给同一衬砌环内对侧管片的液压升降支座，液压升降支座施加相同的顶推力，来维持整个衬砌环的受力平衡。液压升降支座可有效防止管片环缝错台。
65.操作s5：：监控每个管片错台电测系统所监测的错台值，从而完成基于盾构隧道管片的施工作业。
66.在施工作业或后期的隧道管理维护期间，通过监控每个管片错台电测系统所监测的错台值，来掌握相邻的管片间的错台情况，在管片间发生错台时，相邻管片间的磁性电阻块发生错动，电阻发生变化，从而得出相应的错台值，错台值超过设定阈值时，对应的管片
错台电测系统可以发出声光警告或发送信息至管理中心，从而能够更及时的采取应对措施
67.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
68.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开盾构隧道管片及其作业方法有了清楚的认识。
69.综上所述，本公开提供了一种盾构隧道管片及其作业方法，通过伸缩式锚杆对周围土层进行加固，提高土体加固效率，增加周围土层刚度，抑制管片纵缝错台。利用液压升降支座上的压力传感器监测管片受力突变，并将土体压力变化信息传递给同一衬砌环内对侧管片上的液压升降支座，通过施加支座压力来维持衬砌环的整体受力平衡，最大限度的减小管片环缝错台，保证盾构隧道管片的承载力和防水能力。在管片错台超限时，将错台信息及时反馈给控制中心，对风险进行及时补救，防止管片错台超限导致隧道坍塌等事故进而造成不可挽回的损失。本发明装置简单且实施可行性高，可提高工程施工效率并提高隧道施工及运营安全，具有良好应用前景。
70.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
71.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
72.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
73.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。