申请/专利权人：天津大学

申请日：2019-07-01

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN110374605B

主分类号：E21D9/00

分类号：E21D9/00;E21D9/06;E21D11/08;E21F17/00;E21F17/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2019.11.19#实质审查的生效;2019.10.25#公开

摘要：本发明涉及一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置及测量方法，包括水囊，与水囊的端部密封相连的密封盒，进水管和排气管，其特征在于，在水囊内设置有用以维持水囊内恒定水温的加热器；进水管用以向水囊内注水，进水管包括相连接的盒外进水管和盒内进水管两部分；排气管用以排出水囊内存在的空气，排气管包括相连接的盒外排气管和盒内排气管两部分；在密封盒与水囊交界处固定连接有用以测量水囊内液位和压力的压力液位变送器；加热器的数据传输线、压力液位变送器的数据传输线被送出密封盒外。本发明具有灵敏度高，测量精确的特点。

主权项：1.一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量方法，所采用的测量装置包括水囊，与水囊的端部密封相连的密封盒，进水管和排气管，其特征在于，在水囊内设置有用以维持水囊内恒定水温的加热器；进水管用以向水囊内注水，进水管包括相连接的盒外进水管和盒内进水管两部分；排气管用以排出水囊内存在的空气，排气管包括相连接的盒外排气管和盒内排气管两部分；在密封盒与水囊交界处固定连接有用以测量水囊内液位和压力的压力液位变送器；加热器的数据传输线、压力液位变送器的数据传输线被送出密封盒外，盾构隧道外侧土压力测量方法包括下列步骤：1在隧道管片拼装时，水囊内未注水状态下，将所述的装置拼装贴合在管片外侧，并将压力液位变送器数据传输线、加热器数据传输线、盒外进水管和盒外排气管通过隧道注浆孔引出；2待注浆液注入隧道衬砌外侧、注浆液未硬化之前，通过盒外进水管和盒内进水管向水囊内注水，水囊内空气由盒内排气管和盒外排气管排出，注水完成，水囊的顶部即突破注浆液，到达并接触真实土体，实现土压力与水压力的精确等效替换；3完成水囊注水后，将盒外进水管和盒外排气管移除，将盒内进水管和盒内排气管封堵，达到密封的目的，仅留压力液位变送器数据传输线和加热器数据传输线进行压力监测与温度保持，密封隧道注浆孔。

全文数据：水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置及方法技术领域本发明属于隧道工程测试技术领域，涉及一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置。背景技术我国城市化进程的速度不断加快，对城市地下交通线路的数量及规模提出了更高的要求，隧道工程是城市地下轨道交通的主要建设方式，科学、可靠的监测仪器及方式是保证城市隧道工程安全性和经济效益的重要基础。盾构隧道由于具备施工速度快、自动化程度高、对周围环境影响小等优点，在城市隧道建设中得到广泛应用。盾构隧道衬砌通过注浆液与外侧土体接触，外侧土体的压力变动对隧道衬砌安全和隧道接头防水有直接的影响，因此对隧道外侧土压力长期、准确、便捷的监测对隧道安全度与耐久性有着至关重要的作用。现有的盾构隧道外侧土压力监测方法主要采用传统土压力盒压力测量法，该方法将土压力盒预先埋设在管片衬砌外侧，保持土压力盒外膜与衬砌外侧相平行，但该方法存在较多问题，主要问题如下：1.土压力盒位置易受施工影响发生偏移土压力盒在隧道管片外侧呈点状布置，与隧道管片接触面积较小，不易粘贴或安装到外侧管片上，施工时拼装容易引起土压力盒布置偏移，偏移量可达10cm，无法精确测量指定位置处的土压力变化。2.土压力盒引线孔削弱管片承载力土压力盒引线需要通过管片内部穿孔引出，引线孔降低了管片的结构完整性，造成管片损伤，导致管片衬砌结构强度下降，削弱了管片承载力。3.土压力盒引线孔易引起渗漏水土压力盒引线通过管片穿孔而出，在降低管片完整度的同时，也破坏了管片的密封性，引线的橡胶保护层与管片之间接触不紧密，容易引起渗漏水现象，降低了管片衬砌的耐久性与适用性。4.测量结果不准确土压力盒预埋在管片外侧，经过壁后注浆之后，被注浆液包裹，无法直接接触到外侧土体，土压力盒灵敏度随之下降，导致测量结果不准确。现有薄膜测土压的方法，由于薄膜材质厚，探测土压不灵敏，测量精度低，而且薄膜价格高，1平方米薄膜达到28万元，经济性较差。发明内容本发明提供一种探测土压灵敏，测量精度较高且成本较低廉的水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置，在未充水空腔状态下，装置拼装在隧道管片衬砌外侧，在注浆后、浆液未硬化之前，通过装置进水管向CHR水囊均聚氯醇橡胶水囊内充水，使其突破注浆液，与土体进行直接接触，通过土压力检测装置中的加热片保持水的恒温状态，利用水压力变化反应土压变化，进而通过监测水压力来达到长期、准确监测隧道外侧土体压力的目的。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置，包括水囊，与水囊的端部密封相连的密封盒，进水管和排气管，其特征在于，在水囊内设置有用以维持水囊内恒定水温的加热器；进水管用以向水囊内注水，进水管包括相连接的盒外进水管和盒内进水管两部分；排气管用以排出水囊内存在的空气，排气管包括相连接的盒外排气管和盒内排气管两部分；在密封盒与水囊交界处固定连接有用以测量水囊内液位和压力的压力液位变送器；加热器的数据传输线、压力液位变送器的数据传输线被送出密封盒外。所述的水囊最好为CHR水囊。采用所述的装置实现的盾构隧道外侧土压力测量方法，其特征在于，包括下列步骤：1在隧道管片拼装时，水囊内未注水状态下，将所述的装置拼装贴合在管片外侧，并将压力液位变送器数据传输线、加热片数据传输线、盒外进水管和盒外排气管位通过隧道注浆孔引出；2待注浆液注入隧道衬砌外侧、注浆液未硬化之前，通过盒外进水管和盒内进水管向水囊内注水，水囊内空气由盒内排气管和盒外排气管排出，注水完成，水囊的顶部即突破注浆液，到达并接触真实土体，实现土压力与水压力的精确等效替换；3完成水囊注水后，将盒外进水管和盒外排气管移除，将排气管和进水管封堵，达到密封的目的，仅留压力液位变送器数据传输线和加热片数据传输线进行压力监测与温度保持，密封隧道注浆孔。本发明适用于盾构隧道外侧土压力长期监测，但不限于盾构隧道，由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1.本发明将隧道外侧土压力测量装置的点状受力状态改进为面状受力状态，扩大土压力监测范围，并穿过注浆液直接与土体进行接触，突破注浆液包裹的限制，最大程度上真实反映隧道外侧土压力变化，测量精确度高，测量误差小；2.本发明扩大了测量装置与隧道衬砌的接触面积，方便安装与操作，使得装置安装更为牢固；3.本发明的盒外进水管、盒外排气管、加热片数据传输线、压力液位变送器数据传输线等部件通过管片衬砌注浆孔引出，无需在管片上另做引出孔，不存在穿孔现象，因此不削弱管片的完整性与密封性，不降低管片衬砌的强度与耐久性；4.本发明采用水压力反应土压力的压力等效原理，测量装置部件构造简单，价格低且不易损坏，使用寿命长，节省隧道土压力测量成本；5.本发明中的水囊采用CHR均聚氯醇橡胶材料，具有耐油、耐油剂、耐水、耐酸碱、耐臭氧、耐燃、耐大气老化性、透气性小、耐热150℃及粘着性好等优点。附图说明图1是本发明的水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置布置示意图图中标号说明：1-CHR水囊；3-不锈钢密封盒；18-隧道衬砌结构；19-粘合剂；20-隧道注浆孔。图2是本发明的水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置右剖面图图中标号说明：1-CHR水囊；2-加热片；3-不锈钢密封盒；4-盒内排气管；5-压力液位变送器；6-盒内进水管；7-盒外排气管；8-压力液位变送器数据传输线；9-盒外进水管；10-排气管螺纹；11-进水管螺纹；12-加热片数据传输线；13-排气管固定螺纹孔；14-压力液位变送器固定螺纹孔；15-加热片数据传输线孔；16-进水管固定螺纹孔；17-硅橡胶密封圈。图3是本发明的水囊正剖面图图中标号说明：1-CHR水囊；2-加热片。图4是本发明的不锈钢密封盒正剖面图图中标号说明：1-CHR水囊；3-不锈钢密封盒；4-盒内排气管；5-压力液位变送器；6-盒内进水管；12-加热片数据传输线；17-硅橡胶密封圈。具体实施方式下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图2所示，本发明的一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置，包括：CHR水囊1、加热片2、不锈钢密封盒3、盒内排气管4、压力液位变送器5、盒内进水管6、盒外排气管7、压力液位变送器数据传输线8、盒外进水管9、排气管螺纹10、进水管螺纹11、加热片数据传输线12、排气管固定螺纹孔13、压力液位变送器固定螺纹孔14、加热片数据传输线孔15、进水管固定螺纹孔16、硅橡胶密封圈17和粘合剂19。如图1所示，水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置主要由CHR水囊1和不锈钢密封盒3构成。在隧道管片拼装时，水囊内未注水状态下，通过粘合剂19将本装置拼装粘合在管片外侧。并将压力液位变送器数据传输线8、加热片数据传输线12、盒外进水管9和盒外排气管7等部位通过隧道注浆孔20引出。待注浆液注入隧道衬砌外侧、注浆液未硬化之前，通过盒外进水管9和盒内进水管6向CHR水囊1内注水，CHR水囊1内空气由盒内排气管4和盒外排气管7排出，注水完成，CHR水囊1的顶部即可突破注浆液，到达并接触真实土体，实现土压力与水压力的精确等效替换。完成CHR水囊1注水后，将盒外进水管9和盒外排气管7移除，使用不锈钢螺纹盖将排气管和进水管封堵，达到密封的目的。仅留压力液位变送器数据传输线8和加热片数据传输线12进行压力监测与温度保持，密封隧道注浆孔20，并且使用环氧树脂进行细部填充，无需单独设置接线孔道，不削弱管片衬砌承载力，并且节省空间。CHR水囊1与不锈钢密封盒3之间通过螺纹啮合连接，并且在螺纹前后两端分别设置高温硫化粘合硅橡胶密封圈17，保证水的密封性。不锈钢密封盒3与CHR水囊1中的水直接接触的一面，即不锈钢密封盒3的后面，采取加厚钢板并预留孔洞的措施，预留的孔洞包括排气管固定螺纹孔13、压力液位变送器固定螺纹孔14、加热片数据传输线孔15和进水管固定螺纹孔16，固定螺纹孔是为了固定盒内排气管4、压力液位变送器5和盒内进水管6，并且在螺纹前后两端分别设置高温硫化粘合硅橡胶密封圈，保证水的密封性。温度的变化会引起水压变化，因此为准确反映土压力变化，排除温度变化这一干扰因素，在水囊内左右两侧嵌入加热片，将加热片设置一定温度后，加热片可以根据外界温度变化进行自动发热，温度调节依靠自身材料特性，使用寿命远大于其他加热器，保持水囊内的水在恒定温度下，使得水压不受温度变化的影响。加热片数据传输线12穿过不锈钢密封盒预留孔洞——加热片数据传输线孔15，此部分加热片数据传输线外裹遇水膨胀橡胶，保证加热片数据传输线孔15的密封性。水囊式盾构隧道外侧土压力测量方法，具体步骤如下所述：1将盒外排气管7和盒外进水管9通过螺纹连接至排气管螺纹10和进水管螺纹11。在隧道管片衬砌拼装阶段，将水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置整体通过粘合剂19拼装粘贴在隧道衬砌结构18外侧压力测试点位置，并将压力液位变送器数据传输线8、加热片数据传输线12、盒外进水管9和盒外排气管7等部件通过隧道注浆孔20引出。2待注浆液注入隧道外侧，并且在注浆液未硬化情况下，通过进水管9和6向CHR水囊1注水，使CHR水囊1内空气通过排气管4和7排出。待排气管内流出水时，表明CHR水囊1内被水注满，没有剩余空气，此时移除盒外排气管7，使用不锈钢螺纹盖在排气管螺纹10处密封盒内排气管4。3继续通过进水管9和6向CHR水囊1注水，通过压力液位传感器的压力控制，待CHR水囊1内水压达到标定水压后，停止注水，并移除盒外进水管9，使用不锈钢螺纹盖在进水管螺纹11处密封盒内进水管6，此时CHR水囊1的顶部突破了注浆液，到达并接触真实土体，可以实现土压力与水压力的精确等效替换。4密封留有压力液位变送器数据传输线8和加热片数据传输线12的隧道注浆孔20，并使用环氧树脂进行细部填充密封。5由于加热片2具有自动调节温度的功能，因此只需将加热片设置指定温度，当CHR水囊内水温低于此温度时，触发加热片自动加热至设定温度。6设置压力液位变送器的测量频率和间隔时间，在温度达到设定温度状态下测量压力值并存储数据。

权利要求：1.一种水囊式盾构隧道外侧土压力测量装置，包括水囊，与水囊的端部密封相连的密封盒，进水管和排气管，其特征在于，在水囊内设置有用以维持水囊内恒定水温的加热器；进水管用以向水囊内注水，进水管包括相连接的盒外进水管和盒内进水管两部分；排气管用以排出水囊内存在的空气，排气管包括相连接的盒外排气管和盒内排气管两部分；在密封盒与水囊交界处固定连接有用以测量水囊内液位和压力的压力液位变送器；加热器的数据传输线、压力液位变送器的数据传输线被送出密封盒外。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的水囊为CHR水囊。3.采用权利要求1所述的装置实现的盾构隧道外侧土压力测量方法，其特征在于，包括下列步骤：1在隧道管片拼装时，水囊内未注水状态下，将所述的装置拼装贴合在管片外侧，并将压力液位变送器数据传输线、加热片数据传输线、盒外进水管和盒外排气管位通过隧道注浆孔引出；2待注浆液注入隧道衬砌外侧、注浆液未硬化之前，通过盒外进水管和盒内进水管向水囊内注水，水囊内空气由盒内排气管和盒外排气管排出，注水完成，水囊的顶部即突破注浆液，到达并接触真实土体，实现土压力与水压力的精确等效替换；3完成水囊注水后，将盒外进水管和盒外排气管移除，将排气管和进水管封堵，达到密封的目的，仅留压力液位变送器数据传输线和加热片数据传输线进行压力监测与温度保持，密封隧道注浆孔。

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