專利名稱：用于隧道變形縫止水帶水密性試驗的試驗系統及試驗方法
技術領域：
本發明涉及建筑工程、港口工程、公路和橋梁工程等領域，具體涉及沉管隧道變形縫止水帶水密性試驗時采用的試驗裝置、試驗方法以及配套緊固裝置。
背景技術：
沉管隧道由若干數量的管節連接而成，管節又分為柔性管節和剛性管節，柔性管節又有若干管段連接而成，為了保障隧道的水密性，相鄰管節之間和相鄰管段之間均通過變形縫止水帶連接，目前隧道施工中常用的止水帶有GINA止水帶、OMEGA止水帶、可注漿鋼邊止水帶以及可膨脹式止水帶；沉管隧道在運營期間，由于地基不均勻沉降、地震作用等影響，相鄰管節間、相鄰管段間均可能發生橫向、垂向及縱向位移，從而導致固定于管節或管段的止水帶隨之發生剪切、張拉變形；為了保障隧道在使用壽命內安全運營，必須保障止水帶在發生不同剪切、張拉變形后能夠有效止水。那么，在沉管隧道施工前，對擬采用的止水帶事先進行不同變形量、不同水壓組合下的水密性試驗檢測就顯得非常必要。然而，到目前為止，國際上尚未形成一套成熟的沉管隧道止水帶水密性試驗檢測裝置和方法，既可測試 OMEGA止水帶，又可測試可膨脹式止水帶的試驗裝置還是空白。隨著沉管隧道在近海和內河的大量使用，發明一套可用于檢測隧道變形縫止水帶結構水密性的試驗裝置和試驗方法非常必要。另一方面，對于橡膠止水帶，目前生產廠家(現以荷蘭和日本廠家為主)只提供產品，并不提供相應的配套緊固裝置。但是，實際工程中，尤其是對主要依靠機械防水的OMEGA 止水帶來說，最終影響變形縫防水效果的往往是止水帶緊固裝置的設計和安裝。這在廣州的侖頭生物島沉管隧道和洲頭咀沉管隧道都得到充分的體現。早期的緊固裝置由螺栓和壓板組成，螺栓須貫穿OMEGA止水帶，這樣，容易造成止水帶因應力集中而受損，且貫穿止水帶的螺栓孔極易造成漏水。如何從根本上解決透過螺栓孔的漏水問題始終是一個難點。 因此，設計出一套用于OMEGA止水帶的緊固裝置是目前沉管隧道工程施工過程中的迫切需求。
發明內容
本發明目的在于提供一種可適用于多種類型的止水帶的沉管隧道止水帶水密性試驗檢測裝置和方法。本發明的用于隧道變形縫止水帶水密性試驗的試驗系統，包括用于模擬隧道兩邊端鋼殼結構的兩個鋼箱，通過緊固裝置分別密封安裝于待測試止水帶兩側；一鋼結構試驗臺，設置有供所述鋼箱實現縱向和橫向位移的縱向導軌和橫向導軌及其定位裝置；一氣壓試驗臺，用于給測試件內施加囊內氣壓；—液壓試驗臺，用于給鋼箱內施加液壓以模擬海水壓力；一空壓機，給氣壓試驗臺和液壓試驗臺提供動力源；及遠距離全自動觀測、讀數設備和安全防護裝置；
所述鋼箱箱體上設有一進水口，通過水管分別連接于水源及所述液壓試驗臺，及一排氣口，用于充水時排開鋼箱內氣體，及一設置于箱體底部的排水口。上述氣壓試驗臺和液壓試驗臺的連接管道裝有高壓閥門，閥門關閉后，它們在承受高水壓的情況下能夠保證鋼箱水密性。所述鋼箱上預埋有蓋形螺母，用于安裝OMEGA止水帶試件，箱體拐角處設置135° 的倒角，用于模擬沉管隧道的實際倒角。所述氣壓試驗臺和液壓試驗臺上分別設置有用于防止加載過度的自動安全卸荷閥，當施加的氣壓或液壓超過警界值時自動卸載。作為優選方案，連接所述止水帶與所述鋼箱的緊固裝置包括連接所述止水帶與所述鋼箱的緊固裝置包括一用于充當杠桿橫臂的扣板、一用于充當杠桿支點的水平放置的圓鋼、及一緊固螺栓，所述螺栓穿過所述扣板中點緊固于所述鋼箱的箱蓋，所述扣板一側壓于圓鋼弧面上，另一側通過一壓塊夾緊固定所述止水帶的連接邊。進一步地，所述壓塊突出于所述扣板外側。應用如上所述的試驗系統于隧道變形縫止水帶水密性試驗的方法，包括如下步驟(1)安裝好待檢測止水帶于兩個鋼箱之間，并以緊固裝置固緊密封；(2)調節兩鋼箱間的橫向及縱向位移至預設值；(3)往鋼箱內注水、并向鋼箱內施加水壓；(4)加第一級水壓，穩壓后保壓并讀取數據；(5)加下一級水壓，穩壓后保壓并讀取數據。上述方法還包括向止水帶囊內施加氣壓的步驟。本發明的試驗裝置可以用于多種止水帶的水密性測試，以設置于止水帶兩的鋼箱模擬隧道兩邊的端鋼殼結構，并通過縱向和橫向導軌確定位置，準確實現任意張開位移量和剪切位移量，通過氣壓試驗臺給試驗對象施加囊內氣壓，通過液壓試驗臺給鋼箱內施加液壓以模擬海水壓力，以模擬變形縫止水結構在不同工況下的受力情況。由于本試驗裝置屬于高壓試驗裝置，考慮到試驗人員的安全，設計了一套遠距離全自動觀測和讀數設備，并在試驗臺周圍設置擋板，以保證試驗人員安全。本發明可通過手動和氣動兩種方式施加囊內氣壓和腔內液壓，每到一級荷載，穩壓半小時，讓應力得到充分釋放，然后保壓2小時，每隔20分鐘觀測一次壓降值。本發明不但適于OMEGA和GINA止水帶的試驗，還可適用于可膨脹式止水帶的試驗。本發明的優點如下(1)設計出了一套完整的、可以方便地檢驗止水帶在不同變形量和不同施加水壓組合作用下的水密性的試驗裝置，該試驗裝置可以實現使止水帶發生0 IOOmm的剪切變形量、發生0 120mm的張拉變形量、施加的水壓為0 2MPa，并且剪切變形量、張拉變形量和施加水壓三者可以隨意組合。本試驗方案可以用來檢測多種橡膠止水帶在不同剪切變形量、不同張拉變形量和不同水壓力組合下的水密性。(2)制定了完整的試驗方法，對不同類型的橡膠止水帶給出了完整的試驗方法和試驗標準。(3)利用杠桿原理所設計的止水帶緊固裝置，既保證了止水帶與管節之間有足夠的壓緊力以實現密封，又避免了螺栓貫穿止水帶的弊端，從根本上解決了透過螺栓孔的漏水問題。將傳統的一次性加載扭矩改為分級加載扭矩，經過試驗驗證，改進后的工藝使相同條件下時止水帶水密性的可靠度提高了近4倍。
圖1是本發明的試驗系統的立面示意圖。圖2是本發明的試驗系統的俯向示意圖。圖3是鋼箱結構示意圖，其中圖3a是立面圖，圖北是俯視圖。圖4是止水帶緊固裝置安裝示意圖。圖5是實施例1的實驗步驟流程圖。圖6是實施例2的實驗步驟流程圖。
具體實施例方式實施例1本發明整套系統主要包括鋼箱1、2，鋼結構試驗臺、氣壓試驗臺、液壓試驗臺、空壓機及一套遠距離全自動觀測、讀數設備和安全防護裝置。如圖1、圖2所示，鋼結構試驗臺是鋼箱的承載及操作臺，鋼箱1、2分別放置于底座5、6之上，底座5安設于橫向導軌3之上， 可沿橫向導軌作X方向的移動，底座6安設于縱向導軌4之上，可沿縱向導軌作Y方向移動。千斤頂7用于驅動鋼箱1及其底座5沿X方向移動，千斤頂8用于驅動鋼箱2及其底座6沿Y方向移動。定位拉桿9、10用于標定兩鋼箱之間的距離。以鋼箱2為例，如圖3a、!3b所示，鋼箱箱體上設有進水口 103，設置于箱體頂部， 通過進水管連接于水源，進水口同時還是液壓加壓口，通過管路連接液壓試驗臺；排氣口 104，設置于箱體頂部，用于充水時排開鋼箱內氣體，在箱體內設置有排氣小管1041，用于排開鋼箱上部空間的氣體；排水孔106，設置于箱體底部，其作用是排出箱體內的水。鋼箱上預埋有蓋形螺母107，用于安裝OMEGA止水帶試件，并在箱體拐角處設置 135°的倒角，用于模擬沉管隧道的實際倒角。氣壓試驗臺和液壓試驗臺上分別設置有用于防止加載過度的自動安全卸荷閥，當施加的氣壓或液壓超過警界值時自動卸載。上述系統可實現張拉變形、剪切變形和水壓的組合加載。鋼箱1、2中間安裝OMEGA止水帶11，止水帶上設有加氣壓口，通過管路連接于所述氣壓試驗臺。以如圖4所示的緊固裝置固緊于鋼箱蓋板。該緊固裝置20包括用于充當杠桿橫臂的扣板201、用于充當杠桿支點的水平放置的圓鋼203、緊固螺栓202、壓塊204，緊固螺栓202穿過所述扣板201中點緊固于所述鋼箱1的箱蓋，扣板201的一側壓于圓鋼204弧面上，另一側壓緊于壓塊205，并通過壓塊205進一步壓緊于止水帶11的連接邊。同理，止水帶的另一連接邊也通過緊固裝置固定于另一鋼箱2的箱蓋。止水帶外側設有簾子布110， 以進一步加強密封防水效果。其中螺栓的強度不低于8. 8級，直徑不小于20mm。壓塊205 突出于扣板201外側邊緣。上述緊固裝置的優勢在于利用杠桿原理，以圓鋼204為支點，將螺栓202的預緊力轉化為壓塊205對止水帶11的壓緊力，使止水帶11與鋼箱緊密接觸而實現密封止水。創新的止水帶緊固裝置的設計具有以下特征①圓鋼使得整個緊固裝置夠根據需要自動調整受力角度，以實現最佳受力狀態；②不穿透止水帶，對止水帶不會產生削弱；③在端鋼殼上預埋螺栓，易于現場定位安裝，提高精度；④壓塊適當突出扣板，可減少扣板寬度，節約材料。該緊固裝置在使用過程中取得了以下效果①大大提高了緊固裝置的可靠性，傳統緊固裝置扭矩達到300Nm時其能夠實現止水的水壓不超過IMPa，經過我們創新設計的緊固裝置螺栓扭矩只需120Nm，其有效止水的水壓已可達到IMPa ；②由于螺栓不再貫穿止水帶，透過螺栓孔的漏水現象得以根治，且避免了止水帶穿孔造成的應力集中；③本緊固裝置由于經過嚴格計算和選形，因此止水帶的受力和變形趨于均勻，更加有利于止水。試驗證明改進后的緊固裝置使相同扭矩時止水帶水密性的可靠度提高了近4倍。如圖5所示，開始OMEGA止水帶的試驗，先安裝好待測止水帶，然后檢查試驗臺；調節鋼箱的位移，使張開量達到預設值；往鋼箱內注水；檢查加水壓設備；空壓機加壓；加第一次水壓；穩壓、保壓和讀取數據；加下一級水壓；結束試驗，或者進入下一加水壓循環測試中，然后結束該張開量的試驗。按照試驗預定方案施加變形和水壓組合，沿縱向、橫向導軌移動不同距離，調節變形縫使之發生不同的張拉-剪切變形，并注入不同的水壓。開始在這一變形和水壓組合條件下的試驗。保持組合變形量和水壓值2個小時不變，觀察鋼箱體內水壓的變化，如水壓下降不大于5%，說明水密性符合要求，否則，止水帶水密性不能滿足要求。上述對OMEGA止水帶的試驗步驟同樣適用于GINA止水帶的試驗。實施例2如實施例1的安裝步驟，把可膨脹止水帶通過緊固裝置固定于試驗系統的鋼箱之間。如圖6所示，開始可膨脹止水帶的試驗，先安裝好待測止水帶，然后檢查試驗臺；調節鋼箱的位移，使張開量達到預設值；空壓機加壓；給可膨脹式止水帶囊內加氣壓；往鋼箱內注水；檢查加水壓設備；空壓機加壓；加第一次水壓；穩壓、保壓和讀取數據；加下一級水壓； 結束試驗，或者進入下一加水壓循環測試中，然后結束該張開量的試驗。實施例3本例為應用實例，為港珠澳大橋管節變形縫的水密性模型試驗。本項發明已成功應用于“港珠澳大橋管節變形縫的水密性模型試驗”中，港珠澳大橋沉管隧道管節變形縫運營期設計最大張拉變形量為85mm，剪切變形量為10mm，最大工作水壓為0. 48MPa，安全系數取2. 5，試驗時施加的最大水壓為1. 2MPa。試驗實施步驟為按照預設的變形量組合調整好鋼箱模型并加以固定，利用加壓設備向鋼箱-止水帶腔體內施加預設的水壓力，保壓2小時，觀察壓降，若壓降不大于5%， 則此變形量和施加水壓組合下的止水帶通過水密性測試。水密性試驗外觀合格標準為鋼箱接頭外側無噴水點，無順墻流水現象，無滴水現象；止水合格標準為2小時保壓以后，壓降不超過0.05MPa，壓降百分比不超過5% (不包括由設備儀器本身原因引起的壓降)。
權利要求
1.用于隧道變形縫止水帶水密性試驗的試驗系統，其特征在于包括用于模擬隧道兩邊端鋼殼結構的兩個鋼箱，通過緊固裝置分別密封安裝于待測試止水帶兩側，及一鋼結構試驗臺，設置有供所述鋼箱實現縱向和橫向位移的縱向導軌和橫向導軌及其定位裝置，一氣壓試驗臺，用于給待測試件施加囊內氣壓，一液壓試驗臺，用于給鋼箱內施加液壓以模擬海水壓力，一空壓機，給氣壓試驗臺和液壓試驗臺提供動力源，及遠距離全自動觀測、讀數設備和安全防護裝置；所述鋼箱箱體上設有一進水口，通過水管分別連接于水源及所述液壓試驗臺，及一排氣口，用于充水時排開鋼箱內氣體，及一設置于箱體底部的排水口。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于連接于所述氣壓試驗臺及液壓試驗臺的管道設有高壓閥門。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于所述鋼箱上預埋有蓋形螺母，并在箱體拐角處設置135°的倒角。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于所述氣壓試驗臺和液壓試驗臺設置有用于防止加載過度的自動安全卸荷閥。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于連接所述止水帶與所述鋼箱的緊固裝置包括一用于充當杠桿橫臂的扣板、一用于充當杠桿支點的水平放置的圓鋼、及一緊固螺栓，所述螺栓穿過所述扣板中點緊固于所述鋼箱的箱蓋，所述扣板一側壓于圓鋼弧面上，另一側通過一壓塊夾緊固定所述止水帶的連接邊。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于所述壓塊突出于所述扣板外側。
7.如權利要求1 6所述的試驗系統應用于隧道變形縫止水帶水密性試驗的方法，其特征在于包括如下步驟(1)安裝好待檢測止水帶于兩個鋼箱之間，并以緊固裝置固緊密封；(2)調節兩鋼箱間的橫向及縱向位移至預設值；(3)往鋼箱內注水、并向鋼箱內施加水壓；(4)加第一級水壓，穩壓后保壓并讀取數據；(5)加下一級水壓，穩壓后保壓并讀取數據。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述方法還包括向止水帶囊內施加氣壓的步驟。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于連接所述止水帶與所述鋼箱的緊固裝置包括一用于充當杠桿橫臂的扣板、一用于充當杠桿支點的水平放置的圓鋼、及一緊固螺栓，所述螺栓穿過所述扣板中點緊固于所述鋼箱的箱蓋，所述扣板一側壓于圓鋼弧面上，另一側通過一壓塊夾緊固定所述止水帶的連接邊。
全文摘要
一種用于隧道變形縫止水帶水密性試驗的試驗系統，包括密封安裝于待測試止水帶兩側的兩個鋼箱及一鋼結構試驗臺，一氣壓試驗臺，一液壓試驗臺，一空壓機，及遠距離全自動觀測、讀數設備和安全防護裝置。本發明的試驗裝置可以用于多種止水帶的水密性測試，準確實現任意張開位移量和剪切位移量，通過氣壓試驗臺給試驗對象施加囊內氣壓，通過液壓試驗臺給鋼箱內施加液壓以模擬海水壓力，以模擬變形縫止水結構在不同工況下的受力情況。本發明不但適于OMEGA和GINA止水帶的試驗，還可適用于可膨脹式止水帶的試驗。
文檔編號G01M3/28GK102175406SQ20111002919
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者呂黃, 康瀾, 張志顯, 戴宇文, 蘇林王, 陳頌潮 申請人:中交四航工程研究院有限公司, 廣州四航巖土技術工程有限公司