一种盾尾水力击穿实验装置及方法

1.本发明涉及盾构技术领域，尤其涉及一种盾尾水力击穿实验装置及方法。


背景技术：

2.盾构法施工以其安全、高效的特点，已成为当今城市地铁隧道工程中一种主要的施工方法。盾尾密封系统作为盾构机最为重要的密封系统之一，是保证盾构施工顺利进行的重要组成部分，而盾尾刷的性能高低直接决定盾尾密封系统的安全性。
3.由于盾尾刷的循环拉压下的疲劳和随着盾构掘进距离的增加造成盾尾刷的磨损，使得盾尾容易发生油脂、浆液和土水的渗漏喷涌现象，影响盾构施工安全、质量和进度。目前，现有技术实际工程中出现盾尾泄露的情况，往往通过增大油脂注入量，更换盾尾刷的措施进行补救，行业内还没有切实有效的模拟真实施工条件的盾尾渗漏喷涌的扩展试验，无法对盾尾刷密封失效提供针对性的建议。
4.目前，现有技术关于盾尾刷性能的试验研究大多局限于仅对盾尾刷进行的磨损试验和疲劳试验，未考虑油脂、浆液、土水多相作用下盾尾刷的力学性能试验。


技术实现要素：

5.本发明的实施例提供了一种盾尾水力击穿实验装置及方法，以实现真实地模拟盾构掘进过程中盾尾密封失效的扩展机理。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种盾尾水力击穿实验装置，包括：高压氮气瓶、钢板容器、输气管路、反力架、有机玻璃、压力传感器、显示器、盾尾刷和电缸；
8.所述盾尾刷通过螺栓与所述钢板容器连接，所述高压氮气瓶与所述钢板容器通过输气管路连接，所述电缸固定在反力架上的钢板上，所述电缸的电动推杆前端与压力传感器、显示器和挤压盾尾刷的钢板固定连接；
9.通过所述高压氮气瓶上的压力控制阀向钢板容器内输入氮气，通过氮气对钢板容器内的水土、浆液和密封油脂加压，挤压盾尾刷，所述电缸电动推杆的顶出距离控制所述盾尾刷的压紧量，所述压力传感器测量盾尾刷的压紧力，显示器显示压力传感器测量出的盾尾刷的压紧力；
10.通过有机玻璃观察盾尾刷底部的油脂、水土、浆液的渗漏喷涌现象发展过程。
11.优选地，在钢板容器的下方设置接收槽，通过接收槽接收试验过程中钢板容器中渗漏出的油脂和浆液，所述钢板容器顶部的盖板开两个孔连接输气管路和气压表，通过气压表记录钢板容器内的压力值。
12.优选地，所述反力架的组成包括两个门式刚架通过纵向的三块钢板连接，所述反力架与所述钢板容器之间通过四块截面尺寸相等的钢板连接，所述钢板的两端均通过螺栓分别与反力架立柱和钢板容器连接。
13.优选地，所述钢板容器包括三面钢板与一面有机玻璃板，钢板容器的前侧板为有
机玻璃板，左侧钢板为上下两块短钢板通过弯折部分的螺栓连接，右侧钢板的左右两面用螺栓分别与反力架和盾尾刷连接，所述钢板容器的左侧下部的短钢板连接电缸推杆，上部钢板待下部钢板移动结束后再通过螺栓固定于下部钢板。
14.优选地，所述电缸通过螺栓固定在反力架左侧的第三块钢板上，所述钢板容器左侧下部短钢板与压力传感器、电缸及反力架构成固定体系，该固定体系在电缸推杆的移动方向前后移动。
15.优选地，将固定板通过螺栓分别与反力架立柱和钢板容器连接，为钢板容器提供支撑，将电缸通过螺栓与支撑板连接，将电缸推杆与挤压板固定连接，压力传感器与显示器通过导线连接。
16.优选地，将固盾尾刷通过螺栓与长钢板连接，盾尾刷的两端通过盾尾刷附加垫板分别与前侧有机玻璃板和后侧钢板连接，通过有机玻璃板和后侧钢板挤压附加钢丝组，实现盾尾刷两侧的密封。
17.优选地，将盾尾刷的钢丝组的前后护板宽度与盾尾刷底板宽度一质，钢丝组的宽度为280mm，左右各超出护板40mm。
18.优选地，将盾尾刷的挤压量设定为三级，一级模式为理想挤压模式，挤压量为100mm，模拟盾尾间隙为70mm；二级模式为正常工作模式，挤压量为50mm，模拟盾尾刷永久变形后的工作状态；三级模式为盾尾密封失效工作模式，挤压量为0mm，模拟盾尾刷由于疲劳破坏产生渗漏通道的工作状态。
19.根据本发明的另一个方面，提供了一种盾尾水力击穿实验方法，适用于所述的盾尾水力击穿实验装置，所述方法包括：
20.a、设定试验参数，所述试验参数包括氮气压力的大小、盾尾刷的压紧力和压缩量；确定试验工况，根据氮气压力值的分级、盾尾刷的压紧模式组合工况；
21.b、将长钢板通过螺栓限位安装在连接板上，将盾尾刷通过螺栓连接在长钢板上；将挤压板、压力传感器固定连接到电缸的电动推杆前端，根据工况标定盾尾刷不同压缩量时的电缸推进距离d及压紧力p；
22.c、启动电缸，进行钢板容器左侧下部短钢板与盾尾刷的接触模式，安装上部短钢板；
23.d、安装钢板容器的前后两侧钢板，该前后两侧钢板压紧盾尾刷两侧超出的钢丝组；在钢板容器内依次充填密封油脂、浆液、土水，连接上部盖板，分别进行输气管路和气压表与上部盖板上预留孔的连接；
24.e、打开高压氮气瓶上的压力控制阀，向钢板容器输入氮气，通过氮气对钢板容器内的水土、浆液和密封油脂加压来挤压盾尾刷；
25.根据设定的试验参数，在通入氮气后一定时间通过钢板容器的有机玻璃一侧观察盾尾刷底部渗漏情况，逐步加压，观察盾尾刷底部由渗漏到喷涌的扩展机理，确定每一级盾尾刷压紧状态由渗漏发展为喷涌的密封油脂临界压力值；
26.根据电缸的顶出长度和压力传感器的数值确定盾尾刷的压缩量和压紧力，压力传感器测量盾尾刷的压紧力，显示器显示压力传感器测量出的盾尾刷的压紧力；
27.f、改变盾尾刷的压紧状态，重复进行加压，观察盾尾刷底部渗漏喷涌的发展过程，记录并整理数据，直至试验结束。
28.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的装置可以模拟实际工作状态下盾尾密封的工作状态，可以进行盾尾刷不同压紧量下的盾尾渗漏喷涌扩展时临界油脂压力的测定；其次，该装置可以进行盾尾刷的疲劳试验，检测出盾尾刷的永久变形量与循环加载次数及压紧力之间的关系。
29.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例提供的一种盾尾水力击穿实验装置的结构图；
32.图2为本发明实施例提供的反力架的结构示意图；
33.图3为本发明实施例提供的钢板容器的示意图；
34.图4为本发明实施例提供的电缸的示意图；
35.图5为本发明实施例提供的盾尾刷示意图；
36.图6为本发明实施例提供的盾尾刷受力性能试验的装置示意图。
37.图中数字表示：
38.1-高压氮气瓶；2-压力控制阀；3-输气管路；4-气压表；5-反力架立柱；6-反力架横梁；7-立柱连接板；8-支撑板；9-底板；10-固定板；11-容器连接板；12-挤压板；13-压力传感器；14-电缸；15-显示器；16-盾尾刷；17-电缸底座垫板；18-尾刷附加垫板；19-附加钢丝组；20-容器上盖板；21-接收槽；22-长钢板；23-后侧钢板；24-有机玻璃板。
具体实施方式
39.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
40.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
41.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
42.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
43.本发明实施例提供的一种盾尾水力击穿实验装置的结构图如图1所示，反力架结构示意图如图2所示，钢板容器示意图如图3所示，电缸示意图如图4所示，盾尾刷示意图如图5所示。
44.上述装置包括高压氮气瓶1、钢板容器、输气管路3、气压表4、反力架、压力传感器13、显示器15、有机玻璃板24、盾尾刷16和电缸14。盾尾刷16通过螺栓与钢板容器连接，上述高压氮气瓶1与钢板容器通过输气管路3连接，电缸14固定在反力架上的钢板上，电缸14的电动推杆前端与压力传感器13、显示器15和挤压盾尾刷16的钢板固定连接。上述电缸14用于实现盾尾刷16的压紧作用。
45.高压氮气瓶1上的压力控制阀2向钢板容器内输入氮气，通过氮气对钢板容器内的水土、浆液和密封油脂加压，从而挤压盾尾刷16。压力控制阀2控制钢板容器内的压力值，通过控制输入钢板容器内氮气的体积来实现对钢板容器内土水、浆液和油脂的加压，所述电缸电动推杆的顶出距离控制盾尾刷的压紧量，压力传感器测量盾尾刷的压紧力，显示器15显示压力传感器测量出的盾尾刷的压紧力。
46.在钢板容器的下方设置接收槽21，接收槽21的作用在于试验过程中接收钢板容器中渗漏出的油脂和浆液。通过气压表4记录钢板容器内的压力值。
47.高压氮气瓶1连接有用于控制气压值的压力控制阀2，高压氮气瓶1通过压力控制阀2和输气管路3为图3所示的钢板容器加压。
48.反力架立柱5与反力架横梁6、立柱连接板7、支撑板8和底板9通过螺栓连接，组成反力架。反力架的结构包括通过纵向的三块钢板连接的两个门式刚架，门式钢架就是两根立柱与横梁组成的一榀框架，
49.三块钢板截面尺寸在其中一侧均相同，在另一侧的上两块钢板截面尺寸相同，第三块钢板的截面高度增大以便固定电缸，所述门式刚架通过螺栓与地面钢板9连接固定，所述门式刚架的两根反力架立柱5通过顶部的两块截面尺寸相等的横梁6连接。
50.钢板容器由长钢板22、后侧钢板23、容器连接板11、挤压板12、有机玻璃板24和上部盖板20组成，板与板之间均通过螺栓连接。
51.钢板容器的组成包括三面钢板与一面有机玻璃板组成，钢板容器的前侧板为有机玻璃板便于观察容器内部，后侧板与前侧板的截面尺寸一致，左侧钢板为上下两块短钢板通过弯折部分的螺栓连接，右侧钢板的左右两面用螺栓分别与反力架和盾尾刷连接，钢板容器顶部的盖板开两个孔连接输气管路和气压表。钢板容器的左侧下部的短钢板通过连接于电缸14推杆实现挤压盾尾刷的作用，上部钢板待下部钢板移动结束后再通过螺栓固定于下部钢板，所述钢板容器的前后侧板根据左侧钢板的位置不同，需要安装不同尺寸规格的侧板。
52.反力架与钢板容器之间通过四块截面尺寸相等的钢板连接，所述钢板的两端均通过螺栓分别与反力架立柱5和钢板容器连接。钢板容器左侧下部短钢板与压力传感器、电缸及反力架构成一个固定体系，该固定体系只能在电缸14推杆的移动方向前后移动，不能左右上下移动。电缸14通过螺栓固定在反力架左侧的第三块钢板上，电动推杆端部连接压力传感器，所述压力传感器通过导线连接于显示器上控制压紧力。
53.固定板10通过螺栓分别与反力架立柱5和图3所示钢板容器连接，为钢板容器提供支撑。电缸14通过螺栓与支撑板8连接，电缸推杆与压力传感器13、挤压板12固定连接，所述传感器13与显示器15通过导线连接。所述钢板容器所有的螺栓连接处均通过加密封条的方式密封。
54.盾尾刷16通过螺栓与长钢板22连接，盾尾刷16的两端通过盾尾刷附加垫板分别与前侧有机玻璃板24和后侧钢板23连接，通过有机玻璃板24和后侧钢板23挤压附加钢丝组19，实现盾尾刷16两侧的密封。
55.盾尾刷16的钢丝组的前后护板宽度与盾尾刷底板宽度一质，钢丝组的宽度为280mm，左右各超出护板40mm。
56.盾尾刷16的挤压量设定为三级，一级模式为理想挤压模式，挤压量为100mm，模拟盾尾间隙在70mm时的理想工作状态；二级模式为正常工作模式，挤压量为50mm，模拟盾尾刷永久变形后的工作状态；三级模式为盾尾密封失效工作模式，挤压量为0mm，模拟盾尾刷由于疲劳破坏产生渗漏通道的工作状态。
57.基于上述一种盾尾水力击穿实验装置，本发明实施例还提供了一种盾尾水力击穿实验方法，包括以下具体步骤：
58.a、设定试验参数，所述试验参数包括氮气压力的大小、盾尾刷的压紧力和压缩量；确定试验工况，根据氮气压力值的分级、盾尾刷的压紧模式组合工况；
59.b、调试以及标定电缸的推进距离和推进力；
60.b1、首先将长钢板22通过螺栓限位安装在连接板10上，将盾尾刷16通过螺栓连接在长钢板22上；
61.b2、将挤压板12、压力传感器13固定连接到电缸14的电动推杆前端，根据步骤a确定的工况标定盾尾刷16不同压缩量时的电缸推进距离d及压紧力p；
62.c、启动电缸14，进行钢板容器左侧下部短钢板与盾尾刷的接触模式，安装上部短钢板11；
63.c1、首先根据工况一要求，启动电缸，将电动推杆顶推至工况一标定位置；
64.c2、安装上部短钢板，在连接处的螺栓孔处增加密封条，拧紧连接螺栓压紧密封条；
65.d、安装前后两侧钢板，分别压紧两侧超出的40mm盾尾刷钢丝组，实现密封的效果，前后两侧板的螺栓连接处增加密封条进行密封止水；在钢板容器内依次充填密封油脂、浆液、土水，连接上部盖板，分别进行输气管路和气压表与上部盖板上预留孔的连接；
66.e、打开高压氮气瓶1上的压力控制阀输入氮气，通过氮气对钢板容器内的水土、浆液和密封油脂加压来挤压盾尾刷16。
67.根据设定的试验参数，在通入氮气后一定时间观察盾尾刷底部渗漏情况，逐步加压，观察盾尾刷底部由渗漏到喷涌的扩展机理，确定每一级盾尾刷压紧状态由渗漏发展为喷涌的密封油脂临界压力值。钢板容器的有机玻璃一侧便于观察盾尾刷16底部的油脂、水土、浆液的渗漏喷涌现象发展过程。
68.压力传感器测量盾尾刷的压紧力，显示器显示压力传感器测量出的盾尾刷的压紧力。电缸14的顶出长度和压力传感器的数值可以确定盾尾刷的压缩量和压紧力，通过氮气瓶和气压表控制钢板容器内的水土浆液和密封油脂的压力。
69.f、改变盾尾刷16的压紧状态，重复进行加压，观察盾尾刷底部渗漏喷涌的发展过程，记录并整理数据，直至试验结束。
70.综上所述，本发明实施例提供了一种盾尾水力击穿实验装置，该装置可以贴近盾尾刷实际工作环境的模拟盾尾渗漏喷涌的扩展过程。在本发明涉及的试验装置基础上提供一套较为完备的盾尾水力击穿实验方法，为研究在实际工程中盾尾密封失效演化机理提供新思路。
71.进一步的，所述装置还可以进行简单的盾尾刷受力性能试验和疲劳试验，具体为，将长钢板22连接到固定板10上，将盾尾刷16连接到长钢板22上，固定连接挤压板12、压力传感器13，电缸14，组成一套传力体系，并通过电缸底座垫板17与支撑板8连接。
72.上述连接方式构成了一套简单的盾尾刷受力性能试验装置，如图6所示。可以进行盾尾刷的抗压试验和循环作用下的耐疲劳试验，通过往复的加载卸载，得出盾尾钢丝刷的永久变形量与加载次数及最大压紧力的关系曲线。
73.综上所述，本发明实施例装置能够较为真实地模拟盾构掘进过程中盾尾密封失效的扩展机理，可以得出盾尾由渗漏至喷涌的发展过程与密封油脂压力、盾尾刷压紧力及渗漏通道大小之间的关系。
74.本发明实施例的装置可以模拟实际工作状态下盾尾密封的工作状态，可以进行盾尾刷不同压紧量下的盾尾渗漏喷涌扩展时临界油脂压力的测定；其次，该装置可以进行盾尾刷的疲劳试验，检测出盾尾刷的永久变形量与循环加载次数及压紧力之间的关系。
75.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
76.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
77.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
78.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。