一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法

本申请属于水下隧道，具体涉及一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法。

背景技术：

1、水下隧道的研究和建设日益成为行业和社会关注的焦点，水下隧道数量的增加,其安全监测技术也变得愈发重要。水下盾构隧道长期受高水压、多变地质的影响，以及受隧道修建时期的设计与施工条件的限制，早期修建水下隧道可能会发生隧道形变、盾构片开裂，边墙渗水、盾构壁漏筋等隧道病害，其严重影响隧道的使用寿命，因此如何对现役营运隧道以及在建隧道进行健康评估和实时监测就变得尤为重要。

2、由于水下管涵情况复杂，直接在现场进行试验难度很大，指标量化困难；一般试验装置无法模拟真实的水下管涵受力情况。因此设计一种可以模拟真实的水下隧道复杂受力情况并能对隧道进行有效、精确的监测装置变得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提出通过采用分段加载的方式实现对水下隧道复杂应力的模拟，并采用多元信息融合技术，实现在复杂受力状态下，对水下隧道监测指标的量化的一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法。

2、为了实现上述目的，提出一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法，包括水下隧道环境模拟箱、液压加载系统、力电综合监测系统，所述水下隧道环境模拟箱包括承压段、中间段及加载段，所述水下隧道环境模拟箱的箱体内部安置管涵、上部设有开口，开口处连接有盖板；

3、所述液压加载系统包括径向加载千斤顶与轴向加载千斤顶，所述径向加载千斤顶设置于盖板下方，所述轴向加载千斤顶成等距阵列设置于加载段第二棱台结构内壁；

4、所述力电综合监测系统包括应变片、牺牲阳极电位监测装置、水压力计、数据采集装置及软件分析系统，所述应变片设置在相邻管涵之间的连接处以及管涵与铁环之间的连接处，所述电位监测系统沿轴向等距分布在管涵的内侧，所述水压力计沿径向成阵列分布在每段箱体中段，三种监测装置由数据采集装置进行收集。

5、作为本发明的较佳实施例，本发明所述承压段外侧设有中空的第一棱台结构，所述第一棱台结构顶部设有正方形开口；其边长等于放入管涵的外径；其余四个面设有加劲肋，所述第一棱台结构外侧设有一段凹槽轨道，所述凹槽轨道四周嵌有第一密封圈，所述第一密封圈与厚度为mm的第一铁板挤压接触；

6、所述加载段外侧设有中空的第二棱台结构，所述第二棱台结构顶部设有正方形开口；其边长等于放入管涵的外径；其余四个面设有加劲肋，所述第二棱台结构的凹槽壁上的每条边均装有液压加压装置，四个所述液压加压装置连接有四段内部油管，顶部所述液压加压装置外侧开设通孔，连接外界油管，所述液压加压装置内侧一端与环形垫片固定，所述第二棱台结构内部设有一段凹槽轨道，所述凹槽轨道四周嵌有第二密封圈，所述第二密封圈与厚度为mm的第二铁板挤压接触。

7、作为本发明的较佳实施例，本发明所述水下隧道环境模拟箱的每段箱体内部设有两个内径等于管涵外径的铁环，两个所述铁环上方设有两根铁丝与开口处侧壁焊接固定。

8、作为本发明的较佳实施例，本发明所述盖板材质为厚度mm的铁板，大小与所述开口相契合，其一端采用铰链与箱体连接，另一端采用卡扣与箱体连接，在其右部留有直径与油压管外径相契合的圆孔。

9、作为本发明的较佳实施例，本发明所述液压加压装置固定于加载段第二棱台结构内壁，四个所述轴向加载千斤顶与外界油管相连接，所述径向千斤顶下端连接环形垫片，所述环形垫片固定于管涵外表面。

10、作为本发明的较佳实施例，所述环形垫片的外径大于管涵的外径，内径小于管涵的内径。

11、作为本发明的较佳实施例，本发明所述应变片设置于相邻管涵之间的连接处以及管涵与铁环之间的连接处，所述牺牲阳极电位监测装置沿轴向等距分布在管涵内表面的上端和下端，所述水压力计沿径向成等距阵列分布在所述管涵外表面的中段。

12、作为本发明的较佳实施例，本发明所述中间段按实际情况增减箱体数量。

13、作为本发明的较佳实施例，本发明所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置的方法工艺流程为：

14、s1：分析需监测的水下隧道的实际情况，确定所述中间段的箱数；焊接所述铁环、并安放所述管涵，通过螺栓连接相邻两段箱体；

15、s2：在所述承压段凹槽内部嵌入第一密封圈，并根据实际需求安置第一铁板，将所述管涵固定；在所述加载段凹槽内部嵌入环形垫片，所述环形垫片外侧成阵列等距安置四个所述轴向加载千斤顶；

16、s3：在所述开口下方安置径向加载千斤顶，往开口处注入水和泥沙，盖上所述盖板；

17、s4：在所述水下隧道环境模拟箱安置力电综合监测系统；

18、s5：拟定荷载的数值大小，使用所述轴向加载千斤顶施加轴向荷载，使用所述径向加载千斤顶施加等梯度径向荷载；

19、s6：设定模拟时长，对试验数据进行采集以及整合、分析；

20、s7：调节轴向荷载大小，对径向荷载不做调整，重复模拟实验，对试验数据进行采集以及整合、分析。

21、与现有技术相比，本发明提供了一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法，具备以下有益效果：

22、1.本发明通过设置水下隧道模拟箱实现对监控指标的量化；

23、2.本发明通过采用分段加载技术实现对复杂受力情况的模拟；

24、3.本发明通过采用多源信息融合技术进行隧道监控；

25、4.本发明通过设置加劲肋，以保证构件局部稳定、传递集中力；通过设置液压加压装置内侧一端与环形垫片固定，以实现施加给管涵平均的轴向压力；

26、5.本发明通过设置中间段用户可以按实际情况增减箱体数量，灵活性好，可以满足用户不同需求；

27、6.本发明通过设置圆孔以便油压管通过；

28、7.本发明中应变片设置于相邻管涵之间的连接处以及管涵与铁环之间的连接处，以反映接缝附近箱体表面应变、管涵的竖直位移以及支座沉降位移；所述牺牲阳极电位监测装置沿轴向等距分布在管涵内表面的上端和下端，以反映水下隧道环境模拟箱是否出现应力集中、箱体开裂以及开裂后的渗水情况；所述水压力计沿径向成等距阵列分布在所述管涵外表面的中段，以反映所在箱体受到流场水压状况。

技术特征：

1.一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：包括水下隧道环境模拟箱、液压加载系统、力电综合监测系统，所述水下隧道环境模拟箱包括承压段（1）、中间段（2）及加载段（3），所述水下隧道环境模拟箱的箱体内部安置管涵（4）、上部设有开口，开口处连接有盖板（5）；

2.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述承压段（1）外侧设有中空的第一棱台结构（11），所述第一棱台结构（11）顶部设有正方形开口；其边长等于放入管涵（4）的外径；其余四个面设有加劲肋（6），所述第一棱台结构（11）外侧设有一段凹槽轨道，所述凹槽轨道四周嵌有第一密封圈（12），所述第一密封圈（12）与厚度为20mm的第一铁板（13）挤压接触；

3.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述水下隧道环境模拟箱的每段箱体内部设有两个内径等于管涵（4）外径的铁环（8），两个所述铁环（8）上方设有两根铁丝（9）与开口处侧壁焊接固定。

4.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述盖板（5）材质为厚度10mm的铁板，大小与所述开口相契合，其一端采用铰链（10）与箱体连接，另一端采用卡扣与箱体连接，在其右部留有直径与油压管外径相契合的圆孔（7）。

5.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述液压加压装置（32）固定于加载段第二棱台结构（31）内壁，四个所述轴向加载千斤顶与外界油管（37）相连接，所述径向千斤顶下端连接环形垫片（33），所述环形垫片（33）固定于管涵（4）外表面。

6.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述环形垫片（33）的外径大于管涵（4）的外径，内径小于管涵（4）的内径。

7.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述应变片（41）设置于相邻管涵（4）之间的连接处以及管涵（4）与铁环（8）之间的连接处，所述牺牲阳极电位监测装置（42）沿轴向等距分布在管涵（4）内表面的上端和下端，所述水压力计（43）沿径向成等距阵列分布在所述管涵（4）外表面的中段。

8.根据权利要求1所述的一种水下隧道力电综合监测试验装置，其特征在于：所述中间段（2）按实际情况增减箱体数量。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的水下隧道力电综合监测试验装置的方法，其特征在于，所述监测试验装置的方法的工艺流程为：

技术总结
本发明公开了一种水下隧道力电综合监测试验装置及方法，包括水下隧道环境模拟箱、液压加载系统、力电综合监测系统；水下隧道环境模拟箱包括承压段、中间段和加载段，箱体内部安置管涵、上部设有开口，开口处连接有盖板；液压加载系统包括径向加载千斤顶和轴向加载千斤顶，径向加载千斤顶布置在每段箱体盖板下方，轴向加载千斤顶成阵列布置在加载段的棱台结构内壁；力电综合监测系统包括应变片、牺牲阳极电位监测装置、水压力计、数据采集装置、软件分析系统；三种监测装置由数据采集装置进行收集。本发明通过模拟实现对监控指标的量化，进而实现对水下隧道在复杂受力情况下有效、精确的监控。

技术研发人员：黄沐,颜正勇,胡少斌,王媛
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12