一种可实现水、土压力监测的模型试验盾构管片

技术领域

本发明属于地下工程施工模型试验技术领域，具体涉及一种可实现水、土压力监测的模型试验盾构管片，尤其涉及一种可实现水、土压力监测和传感器更换功能的管片结构。

背景技术

在盾构法施工模型试验过程中，新建隧道的盾构管片是非常重要的关键构件。试验过程中要根据研究需求选择关于变形和应力方面的相关测试，其中围岩压力和围岩周围水压力是其中一项重点监测内容。通过围岩压力和为眼周围水压力等监测工程的实施，然后结合数值模拟分析等手段，可以在类似工程条件下对隧道设计和施工方案进展优化，包括开挖方式的选择、支护构造及强度的选择等，有利于进一步优化设计和施工组织方案，从而保证隧道建立投资的经济性、设计的可靠性及施工的平安性。

目前，盾构法施工模型试验过程中隧洞周围水、土压力监测主要依靠预固定在预制管片外表面的渗压计和土压力盒进行围岩压力监测。这种监测手段存在土压力盒在安装过程中无法与周围土体接触造成测得数据误差大；在安装、注浆过程中容易造成渗压计、土压力盒损坏情况；传感器随着时间的增长发生老化等问题。管片上传感器在安装后发现无法准确测量数据时，传感器无法进行便捷的检查和更换。

因此有必要设计一种便于安装、易于检修更换、能够进行盾构管片周围水、土压力监测的模型试验用盾构管片，以满足地下工程盾构施工模型试验需求。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供了一种可实现水、土压力监测和传感器更换功能的模型试验盾构管片。

本发明采取了如下技术方案：

本结构主要由管片、水压力和围岩压力监测组件(渗压计、土压力盒及安装装置)、密封组件等组件构成。综合考虑盾构施工工法及模型试验特点，管片组件的每一环管片拆分成四块拼接块，分别是封顶块、连接块A、连接块B、标准块，四个拼装块拼装组成一环管片，以隧道轴向为纵向，以隧道径向为横向，标准块形状为横向两端的边缘为共同平行呈“丨丨”形状的长直边，两个等长的所述长直边分布于标准块的纵向中轴线两侧，纵向两端边缘为盾构隧道的圆弧状。连接块A形状为横向其中一端为平行于纵向的长直边，横向的另一端为斜交于纵向的长斜边，横向两端的边缘为两个共同呈“丨/”形状的长直边和长斜边，纵向两端边缘为盾构隧道的圆弧状，连接块B形状为横向其中一端为平行于纵向的长直边，横向的另一端为斜交于纵向的长斜边，横向两端的边缘为两个共同呈“\丨”形状的长直边和长斜边，纵向两端边缘为盾构隧道的圆弧状。封顶块形状为横向两端的边缘为共同平行呈“八”形状的长斜边，两个等长的所述长斜边分布于封顶块的纵向中轴线两侧，纵向两端边缘为盾构隧道的圆弧状。

优选的，所述每一环管片不同管片块连接的接触面均设置拼接面板，拼接面板上预留螺丝孔位，所述管片的纵向不同环管片块连接的接触面均设置拼接面板，拼接面板上预留螺丝孔位，每一环管片拼接安装时，标准块放置在隧道断面下方，连接块A和连接块B分别放置在标准块两侧，并以横向垂直的边缘与标准块拼接，封顶块最后安置在隧道断面正上方，并以两长斜边分别于连接块A和连接块B拼接安装，所述拼接面板结构可以方便的进行环向管片块间和纵向不同环管片间的拼装，拼装过程与实际工程中一致，可真实模拟盾构管片拼接过程。

优选的，为实现在模型试验中真实模拟盾构隧道管片拼接完成后密封不渗水的工作状态，本发明的实施例提供了一种模型试验用盾构管片密封结构，在所述环向管片块连接的环向拼接面板上预留橡胶密封条安装槽，安装槽位置在环向拼接面板外侧，在所述纵向不同环管片块连接的纵向拼接面板上预留橡胶密封条安装槽，安装槽位置在纵向拼接面板外侧，管片块拼接前预先粘贴橡胶密封槽，管片块拼接时紧固螺丝，使密封条密贴达到密封效果。

优选的，为实现在模型试验中真实模拟盾构隧道管片拼接完成后的注浆加固过程，本发明的实施例提供了一种模型试验用盾构管片注浆结构，管片块内部增设三条加强筋，每条加强筋的中部进行加厚处理，并在加强筋中部加厚处预留注浆孔、水压力和土压力传感器监测孔位，该孔位同时作为水压力和围岩压力监测组件及安装装置的的安装支座，这种结构可以提升管片块强度，盾构反推作动时保护管片避免出现破坏。不同环管片在预制时提前考虑错缝安装施工要求，保证预留注浆孔在管片拼装完成后的正上方。

进一步的，为实现在模型试验中对周围水压力和围岩压力的监测，本发明的实施例提供了一种模型试验用盾构管片水压力和围岩压力监测组件，其包括渗压计、应变式土压力盒及安装装置，渗压计透水石面埋置于支座圆形钢筒内，以测得水压力数值，应变式土压力盒受荷面端伸出盾构管片外并与外土层抵接，以测量土压力数值，通过安装装置固定渗压计和土压力盒，在固定的同时能够使得渗压计和土压力盒在安装装置内的位置可微调，以渗压计和土压力盒，根据水压力和围岩压力监测断面布置需求，在水、土压力监测环的标准块、连接块A、连接块B、封顶块管片块内部加强筋中分别选取两条加强筋预留水、土压力传感器监测孔位并作为水压力和围岩压力监测组件的安装支座，这种结构可实现水压力和围岩压力监测组件在管片环向一周布置，可以根据监测需求布置水压力监测幻想位置及围岩压力环向监测方向，且可实现管片拼接安装完成后对监测组件的安装，便于施工安装。

进一步的，为实现监测组件便捷安装和监测位置的密封，本发明的实施例提供了一种模型试验用盾构管片水、土压力传感器监测装置安装装置，包括两根上部没有上盖的圆形钢筒，下部为与管片相连接的底座，两根钢筒中部预留传感器线缆孔洞，底座上预留与管片相连接的螺栓安装孔洞。两根圆形钢筒的内径分别比渗压计、土压力盒直径大2—3mm，圆形钢筒的长度与模型用盾构管片预留孔洞深度相等，为实现传感器孔洞处的密封，所述安装装置与管片连接时设置支座密封垫片进行密封，通过螺丝紧密连接安装装置与管片上的安装支座，达到密封目的。

优选的，所述安装装置包含两根中空的圆形钢筒，所述安装装置底部分别设有两个穿线孔，所述穿线孔分别用于布设渗压计和土压力盒的线缆，能将渗压计和土压力盒的线缆通过安装装置分别穿出，可保护线缆，不需要再增设其他结构穿出电缆。该安装装置连带监测组件可方便快速的进行拆卸，便于试验过程中更换传感器。

优选的，为实现在模型试验中监测管片周围水压力和围岩压力监测时监测组件的安装过程，在所述管片内部加强筋的中部水、土压力传感器监测孔位周围预设连接螺丝孔位，以便渗压计、土压力盒及安装装置的安装。所述安装装置—底部同样预留安装用螺丝孔位，所述安装装置与管片上预留安装装置安装通孔孔位同心等大小设置，螺丝孔位分别对应，便于调节安装装置的位置。

优选的，所述安装装置与所述土压力盒相连，在模型试验用盾构管片拼装完成之后，再进行渗压计、土压力盒、安装装置及支座密封垫的安装，安装装置与所述渗压计、土压力盒背离受荷面的一端可粘贴连接连接，通过在盾构管片安装后将土压力盒受荷面抵接外侧土体，使土压力盒受力均匀、受荷面真正接触到外侧土体，将渗压计推到圆形钢筒中部，避免接触外部土体防止阻塞渗压计监测面，使水、土压力传感器监测组件能相对准确的监测到管片周围的水、土压力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明的模型试验用盾构管片结构由封顶块、连接块A、连接块B、标准块共四块管片拼接组成，通过管片预设注浆孔、拼接面板、密封槽等机构设置，解决了在模型试验中真实模拟盾构隧道施工管片拼接，管片密封，拼装后盾尾注浆的问题，且易于模型试验拼接工作实施，保证盾构模型试验的真实性。

2.本发明的水、土压力监测组件通过环向埋设于模型试验盾构管片支座内的渗压计和土压力盒实现管片周围水、土压力数值的监测，且可以实现在盾构管片安装后将土压力盒受荷面抵接外侧土体，使土压力盒受力均匀、真正接触到外侧土体，使渗压计避免接触土体阻塞其监测面，相对准确的反映管片周围水压力分布规律、管片受力变形规律及围岩压力发展过程，保证盾构模型试验水、土压力监测的准确性。

3.本发明的传感器安装装置将水、土压力监测组件与管片结构相连，监测组件通过粘贴在安装装置钢筒内固定，具有足够的操作空间，安装装置连接监测组件便于拆除更换，该方式便于在传感器监测数值不准确时进行检查，并可实现土压力盒受荷面与土体的紧密相接，提高盾构模型试验监测安全性。

附图说明

图1为本发明的管片结构示意图。

图2为本发明的管片装配组成示意图。

图3为本发明的安装组件结构及装配示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参考图1、图2和图3，图1为本发明所提供的可实现水、土压力监测的模型试验盾构管片结构示意图；图2为本发明所提供的模型试验盾构管片装配组成示意图；图3为本发明所提供的监测组件安装的安装部件结构及装配示意图。

在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种可实现土压力监测的模型试验盾构管片结构，主要包括可拼接的盾构管片封顶块(1)、连接块A(2)，连接块B(3)、标准块(4)、传感器安装组件(11)、土压力监测构件(12-1)、水压力监测构件—渗压计(12-2)、密封组件(14)(15)(16)组成，其特征是：模型试验盾构管片的每一环管片由盾构管片封顶块(1)、连接块A(2)，连接块B(3)、标准块(4)拼接而成，土压力监测构件—土压力盒(12-1)和水压力监测构件—渗压计(12-2)安装固定在传感器安装组件—安装装置(11)上，安装装置(11)插入管片上预留的传感器预留孔(10-1/10-2)并通过安装装置底座(11-2)与管片连接固定，土压力盒(12-1)监测数据通过连接固定在土压力盒(12-1)尾部的土压力盒传输线缆(13-1)进行传输，渗压计(12-2)监测数据通过连接固定在渗压计(12-2)尾部的渗压计传输线缆(13-2)进行传输。

模型试验盾构管片是盾构试验模拟时新建隧道的主要装配构件，是新建隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用，本发明中设置由4块盾构管片拼接成隧道内的一个封闭圆环。

所述的模型试验盾构管片封顶块(1)、连接块A(2)，连接块B(3)、标准块(4)的设计如下：每一环管片由盾构管片封顶块(1)、连接块A(2)，连接块B(3)、标准块(4)拼接而成，便于试验现场拼装，纵向不同环管片间设计了纵向接触面板(5)并预留纵向连接螺栓固定孔(6)，环向不同块管片间设计了环向接触面板(7)并预留环向连接螺栓固定孔(8)。

为保证结构稳定设置传感器和注浆的需要设置了管片内部的加强肋(17)，实现盾尾注浆，在管片(1)的加强肋之一上预留了注浆孔(9)，为实现管片周围土压力监测功能，在盾构管片封顶块(1)、连接块A(2)，连接块B(3)、标准块(4)内部的三条加强肋中选取两条预留土压力盒安装孔(10-1)和渗压计安装孔(10-2)。

模型试验用盾构管片在隧道纵向不同环管片拼接缝和环向同环不同块管片拼接缝均设置凹槽，并在安装时粘贴橡胶密封条，使得安装后避免渗漏水的发生。为实现管片纵向及环向的密封，在纵向接触面板(5)和环向接触面板(7)均预留凹槽，以便安装环向密封条(15)和纵向密封条(16)进行密封。

所述安装组件的设计如下：安装组件为适配土压力盒(12-1)和渗压计(12-2)的安装装置(11)，其为两根上部没有上盖的圆形钢筒(11-1)(11-5)，下部为与管片相连接的底座(11-2)，钢筒中部预留土压力盒线缆孔洞(11-3)和渗压计线缆孔洞(11-6)，装置底座上预留与管片相连接的螺栓安装孔洞(11-4)。土压力盒埋置圆形钢筒(11-1)和渗压计埋置圆形钢筒(11-5)的内径分别比土压力盒和渗压计直径大2—3mm，圆形钢筒的长度与混凝土顶管或沉井厚度相等，为实现传感器孔洞处的密封，安装装置(11)与管片连接时设置支座密封垫片(14)进行密封，且该安装组件连带监测组件可方便快速的进行拆卸，便于试验过程中更换传感器。

所述的监测构件设计如下：传输数据的土压力盒传输线缆(13-1)位于土压力盒(12-1)的圆心正下方，传输渗压计监测数据的传输线缆(13-2)位于土压力盒(12-2)的圆心正下方，且二者均与支座(11)密封连接，土压力盒传输线缆(13-1)与支座上传感器线缆孔洞(11-3)采用密封胶密封。渗压计传输线缆(13-2)与支座上传感器线缆孔洞(11-6)采用密封胶密封。