一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法

1.本发明涉及隧道工程管幕支护技术领域，具体为一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法。


背景技术：

2.城市快速发展导致建筑规模和人口数量与日俱增，随之产生建筑空间拥挤、交通道路堵塞、基础设施落后等一系列“城市问题”。城市地下空间因其显著的节地性大大拓展了人类的生存空间，在城市可持续发展中得到广泛的开发和利用。但随着地下工程结构形式日趋复杂，与周围既有构筑物间距逐渐缩小，传统的明挖法因进行地下空间施工时会带来市政管线搬迁、周边交绕行、粉尘噪声污染、绿化景观破坏等不良影响，已不适用于人口密集、用地紧张的城市中心区域。管幕法作为一种新型地下穿越方法，可在在小型管幕的基础上构筑大跨度、大断面地下工程，能够有效控制地表变形，在城市建筑密集、交通繁忙路段和浅埋大断面的地下工程中得到广泛应用。
3.螺旋出土管幕施工是指“钢管液压顶进，管内螺旋出土”，即管幕钢管作为套管，内部安装带有专门钻头的螺旋钻杆，管幕设备提供螺旋钻杆的旋转动力和套管的顶推力。管幕钢管顶进时，螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩切削土层，并将钻渣由管内螺旋排到孔口管外，边顶进、边切削、边出渣，将管幕钢管逐段向前顶进至该施工单元施工结束。如此反复进行后续单元施工，逐步在开挖线外形成管幕结构。
4.螺旋出土管幕顶管施工过程中，管节处于一个复杂多变的力系中，其同时受到沿管节的轴向顶力、迎面阻力、管土摩阻力、自重以及可能存在的地表交通荷载等。而且钢管管幕顶进是一个循环过程，管节在整个过程中不停地加载和卸载，加之钢管幕顶管相比于普通钢筋混凝土顶管，管节属于薄壁结构，变形性能好，稳定性差，更加剧了其受力的复杂性。若不正确掌握钢管管幕顶进过程中管节的实际受力特性，将严重影响管幕结构的整体稳定性。
5.其中，现有技术中存在以下问题：
6.①
不同于大直径盾构顶管、先行开挖再顶推进的钢管等的管节应力测试，螺旋出土式的小直径钢管管幕顶进的管节应力测试方法鲜有报道；
7.②
因管内螺旋出土，管幕内侧在顶进过程中一直处于切削、出渣状态，故无法在管幕内侧安设管节应力测试装置；
8.③
因管幕在顶进过程中一直与土体接触，如在管幕外侧安设管节应力测试装置，测试装置与连接线缆极易破坏。
9.④
因管幕在土中为“不可视”状态，故在螺旋出土式的小直径钢管管幕顶进施工过程中遇到顶力骤增、顶进线路偏斜等关键技术问题时，仅靠尝试性地调整顶力、姿态等手段无法第一时间解决问题。
10.⑤
现有关于螺旋出土式的小直径钢管管幕的顶进施工过程中的力学研究，以公式推导与数值模拟分析为主，严重缺乏该类管幕管节应力实测数据，研究成果是否正确有待
进一步对比验证。


技术实现要素：

11.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法，以解决现有螺旋出土式的钢管管幕顶进施工过程中的管节应力测试困难，进而影响该类管幕的现场施工、理论研究方面的技术问题。
12.本发明是通过以下技术方案来实现：
13.一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，包括第一钢管管幕、第二钢管管幕、管节应力测试设备和应力自动采集系统；所述第一钢管管幕的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有母扣；所述第二钢管管幕的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有公扣，所述第一钢管管幕通过两组母扣分别与第二钢管管幕上的两组公扣对应卡接，并在上下两组母扣与公扣之间形成间隙，所述管节应力测试设备在间隙内装配在第一钢管管幕或第二钢管管幕上，所述应力自动采集系统与管节应力测试设备通过数据传输线缆连接；其中，当管节应力测试设备装配在第二钢管管幕时，第一钢管管幕为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕为未顶进土体内的钢管管幕；当管节应力测试设备装配在第一钢管管幕时，第二钢管管幕为已顶进土体内的钢管管幕，第一钢管管幕为未顶进土体内的钢管管幕。
14.优选的，管节应力测试设备包括出线盒、两组金属固定组件和测试管；
15.出线盒装配在测试管上，测试管的两端分别通过两组金属固定组件固定装配在第一钢管管幕或第二钢管管幕上，所述测试管内设有振弦，振弦的两端分别连接在两组金属固定组件上，所述应力自动采集系统通过数据传输线缆经出线盒连接在振弦上。
16.进一步的，数据传输线缆沿着管体的长边方向上通过若干金属线缆卡扣固定在在第一钢管管幕或第二钢管管幕上。
17.进一步的，振弦的两端通过两组金属固定组件拉紧呈紧绷结构。
18.进一步的，金属固定组件包括金属连接块、金属固定底座、柱头螺钉和固定螺栓；所述金属固定底座包括底座和上盖，所述金属连接块放置在底座上，上盖压紧在金属连接块上，其中上盖一侧通过固定螺栓固定在底座上，另一侧通过柱头螺钉固定在底座上，其中柱头螺钉与上盖之间设有弹垫；所述底座的两侧分别焊接在第一钢管管幕或第二钢管管幕的管壁上，所述振弦的两端分别连接在金属连接块上。
19.优选的，管节应力测试设备的外部设有挡土盒。
20.优选的，公扣和母扣均呈l型金属板结构。
21.一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，基于上述所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，包括如下过程：
22.当第一钢管管幕为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕为未顶进土体内的钢管管幕时，管节应力测试设备装配在第二钢管管幕上，第二钢管管幕在顶进施工的过程中，其侧壁与土体接触，主要受到与顶进方向相反的管土摩擦阻力，管节应力测试设备会随着第二钢管管幕受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变化数据通过数据传输线缆传输到自动采集系统，自动采集系统通过设置好的转换公式将频率转换为应力，进而完成对管幕在顶进过程中的管节应力进行采集。
23.优选的，管节应力测试设备会随着第二钢管管幕受到的管土摩阻力大小的不同而
发生变化，其中具体变化过程如下：
24.管节应力测试设备两端连接金属固定组件，两个金属固定组件的位置会随着第二钢管管幕受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，同时管节应力测试设备中有一条振弦，振弦随着金属固定组件的位置变化，其松紧程度也产生变化，共振频率进而会发生变化，共振频率通过数据传输线缆传输到自动采集系统。
25.优选的，第二钢管管幕内通过螺旋钻杆进行顶进工作。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
27.本发明提供了一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，在两根钢管管幕的上下两侧分别装配有两组公扣母扣，并通过公扣母扣进行卡接，在两组公扣母扣之间形成间隙，将管节应力测试设备装配在间隙内，有效的对管节应力测试设备进行了保护，便于对未顶进土体内的钢管管幕进行应力测试，管节应力测试设备在未顶进土体内的钢管管幕的顶进土体的过程中，受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变化数据通过数据传输线缆传输到自动采集系统，有效的对未顶进土体内的钢管管幕在顶进土体的过程中进行应力数据的采集，降低了螺旋出土式的钢管管幕顶进施工过程中的管节应力测试困难度。
28.进一步的，管节应力测试设备包括出线盒、两组金属固定组件和测试管，出线盒装配在测试管上，测试管的两端分别通过两组金属固定组件固定装配在第一钢管管幕或第二钢管管幕上，测试管内设有振弦，振弦的两端分别连接在两组金属固定组件上，应力自动采集系统通过数据传输线缆经出线盒连接在振弦上，通过两组金属固定组件之间的振弦对未顶进土体内的钢管管幕在顶进土体的过程中进行应力数据的采集，便于对应力数据的采集。
29.更进一步的，数据传输线缆沿着管体的长边方向上通过若干金属线缆卡扣固定在在第一钢管管幕或第二钢管管幕上，避免数据传输线缆掉落，影响应力数据的采集。
30.进一步的，管节应力测试设备的外部设有挡土盒，有效的保护了管节应力测试设备，避免土体对管节应力测试设备造成损坏。
31.进一步的，公扣和母扣均呈l型金属板结构，便于两根钢管管幕相互之间的卡接，提高了两根钢管管幕在应力测试的稳定性。
32.本发明还提供了一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，管节应力测试设备装配在第二钢管管幕上，第二钢管管幕在顶进施工的过程中，其侧壁与土体接触，主要受到与顶进方向相反的管土摩擦阻力，管节应力测试设备会随着第二钢管管幕受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变化数据通过数据传输线缆传输到自动采集系统，自动采集系统通过设置好的转换公式将频率转换为应力，进而完成对管幕在顶进过程中的管节应力进行采集。通过实时获取的管幕管节应力数据，可第一时间判断管幕顶进过程中的结构稳定性，进而及时调整顶力压力、扭矩及转速，有效指导管幕施工。
33.进一步的，管节应力测试设备两端连接金属固定组件，两个金属固定组件的位置会随着第二钢管管幕受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，同时管节应力测试设备中有一条振弦，振弦随着金属固定组件的位置变化，其松紧程度也产生变化，共振频率进而会发生变化，共振频率通过数据传输线缆传输到自动采集系统。在研究螺旋出土式的小直径钢管管幕施工过程中的受力特性时，通过获取的管节应力实测数据，可跳出仅公式推导与数值分析互相验证的传统思维，辅以实测数据进行对比验证，使研究成果更有说服力。
附图说明
34.图1为本发明中管节应力测试装置的结构示意图；
35.图2为本发明中管节应力测试设备固定装置示意图；
36.图3为本发明中可应力测试的螺旋出土管幕结构的示意图；
37.图4为本发明中应力测试的螺旋出土管幕结构的侧视图；
38.图5为本发明中管节应力测试装置保护装置的结构示意图；
39.图6为本发明中数据传输线缆固定装置结构示意图；
40.图7为本发明中可应力测试的螺旋出土管幕结构的主视图。
41.图中：1-管节应力测试设备；2-振弦；3-金属连接块；4-出线盒；5-数据传输线缆；6-金属固定底座；7-柱头螺钉；8-弹垫；9-应力自动采集系统；10-金属固定底座焊点；11-固定螺栓；12-挡土盒；13-金属线缆卡扣；14-第一钢管管幕；15-第二钢管管幕；16-螺旋钻杆；17-公扣；18-母扣；19-测试管；61-底座；62-上盖。
具体实施方式
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
43.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
44.本发明的目的在于提供一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法，以解决现有螺旋出土式的钢管管幕顶进施工过程中的管节应力测试困难，进而影响该类管幕的现场施工、理论研究方面的技术问题。
45.具体的，根据图3、图4、图5、图6和图7所示，该可应力测试的螺旋出土管幕结构，包括第一钢管管幕14、第二钢管管幕15、管节应力测试设备1和应力自动采集系统9；所述第一钢管管幕14的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有母扣18；所述第二钢管管幕15的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有公扣17，所述第一钢管管幕14通过两组母扣18分别与第二钢管管幕15上的两组公扣17对应卡接，并在上下两组母扣18与公扣17之间形成间隙，所述管节应力测试设备1在间隙内装配在第一钢管管幕14或第二钢管管幕15上，所述应力自动采集系统9与管节应力测试设备1通过数据传输线缆5连接；其中，当管节应力测试设备1装配在第二钢管管幕15时，第一钢管管幕14为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕15为未顶进土体内的钢管管幕；当管节应力测试设备1装配在第一钢管管幕14时，第二钢管管幕15为已顶进土体内的钢管管幕，第一钢管管幕14为未顶进土体内的钢管管幕。
46.具体的，根据图1和图2所示，管节应力测试设备1包括出线盒4、两组金属固定组件和测试管19；
47.所述出线盒4装配在测试管19上，测试管19的两端分别通过两组金属固定组件固定装配在第一钢管管幕14或第二钢管管幕15上，所述测试管19内设有振弦2，振弦2的两端分别连接在两组金属固定组件上，所述应力自动采集系统9通过数据传输线缆5经出线盒4连接在振弦2上。
48.其中，数据传输线缆5沿着管体的长边方向上通过若干金属线缆卡扣13固定在在第一钢管管幕14或第二钢管管幕15上。
49.其中，振弦2的两端通过两组金属固定组件拉紧呈紧绷结构。
50.其中，根据图1和图2所示，金属固定组件包括金属连接块3、金属固定底座6、柱头螺钉7和固定螺栓11；所述金属固定底座6包括底座61和上盖62，所述金属连接块3放置在底座61上，上盖62压紧在金属连接块3上，其中上盖62一侧通过固定螺栓11固定在底座61上，另一侧通过柱头螺钉7固定在底座6上，其中柱头螺钉7与上盖62之间设有弹垫8；所述底座61的两侧分别焊接在第一钢管管幕14或第二钢管管幕15的管壁上，所述振弦2的两端分别连接在金属连接块3上。
51.具体的，管节应力测试设备1的外部设有挡土盒12，有效的保护了管节应力测试设备，避免土体对管节应力测试设备造成损坏。
52.具体的，公扣17和母扣18均呈l型金属板结构，便于两根钢管管幕相互之间的卡接，提高了两根钢管管幕在应力测试的稳定性。
53.本发明在装配中，当第一钢管管幕14为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕15为未顶进土体内的钢管管幕时，第二钢管管幕15在顶进过程中，管内通过螺旋钻杆16出土，第二钢管管幕15内侧一直处于切削、出渣状态，故无法在第二钢管管幕15内侧安设管节应力测试装置；同时因第二钢管管幕15在顶进过程一直与土体接触，如在第二钢管管幕15外侧安设管节应力测试装置，测试装置与连接线缆极易破坏。因此首次提出将管节应力测试设备1的具体安装在第二钢管管幕15的公扣17与第一钢管管幕14的母扣18之间。
54.确定好管节应力测试设备1的安装具体位置后，将第二钢管管幕15安装位置表面用粗纱布做打磨处理，在金属固定底座焊点处10通过点焊的方式将金属固定底座6固定在第二钢管管幕15上。
55.③
待金属固定底座6冷却后，通过金属连接块3将管节应力测试设备1装入金属固定底座6内，然后用柱头螺钉7、弹垫8将安装管节应力测试设备1固定，出线盒4朝上。
56.④
从出线盒4引出的高强度数据传输线缆5通过金属线缆卡扣13紧贴第二钢管管幕15表面与自动采集系统9相连。
57.⑤
第二钢管管幕15在顶进施工前，通过自动采集系统9测量管节应力测试设备1的固有数据是否稳定，否则要重新安装。
58.⑥
读数稳定后，在管节应力测试设备1周围焊接挡土盒12，防止管节应力测试设备1与土体接触而发生破坏。
59.⑦
一切就绪后，第二钢管管幕15顶进施工，螺旋钻杆16出土，通过管节应力测试设备1与自动采集系统9实时记录采集待顶进钢管管幕15顶进施工过程中的管节应力情况。
60.本发明还提供了一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，基于上述所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，包括如下过程：
61.当第一钢管管幕14为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕15为未顶进土体内的钢管管幕时，管节应力测试设备1装配在第二钢管管幕15上，第二钢管管幕15在顶进施工的过程中，其侧壁与土体接触，主要受到与顶进方向相反的管土摩擦阻力，管节应力测试设备1会随着第二钢管管幕15受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变化数据通过数据传输线缆5传输到自动采集系统9，自动采集系统9通过设置好的转换公式将频率转换
为应力，进而完成对管幕在顶进过程中的管节应力进行采集。
62.其中，管节应力测试设备1会随着第二钢管管幕15受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，其中具体变化过程如下：
63.管节应力测试设备1两端连接金属固定组件，两个金属固定组件的位置会随着第二钢管管幕15受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，同时管节应力测试设备1中有一条振弦2，振弦2随着金属固定组件的位置变化，其松紧程度也产生变化，共振频率进而会发生变化，共振频率通过数据传输线缆5传输到自动采集系统9。
64.综上所述，本发明提供了一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法，通过金属固定底座，首次提出将管节应力测试装置焊接于待顶进管幕外侧的公扣与已顶进管幕外侧的母扣的空隙之间，并在管节应力测试装置周围焊接金属矩形挡土盒。高强度数据传输线缆从管节应力测试装置上的出线盒引出，引出的过程中通过金属线缆卡扣固定，始终紧贴待顶进管幕的侧壁直至连接工作平台处的自动采集系统。待顶进管幕顶进的过程中，金属连接块产生位移，振弦产生松动变化，共振频率通过高强度数据传输线传输至自动采集系统，自动采集系统将共振频率转化为应力，进而记录各个施工阶段钢管管幕管节所受到的应力。
65.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，包括第一钢管管幕(14)、第二钢管管幕(15)、管节应力测试设备(1)和应力自动采集系统(9)；所述第一钢管管幕(14)的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有母扣(18)；所述第二钢管管幕(15)的一侧上下两端沿着管体的长边方向上分别设有公扣(17)，所述第一钢管管幕(14)通过两组母扣(18)分别与第二钢管管幕(15)上的两组公扣(17)对应卡接，并在上下两组母扣(18)与公扣(17)之间形成间隙，所述管节应力测试设备(1)在间隙内装配在第一钢管管幕(14)或第二钢管管幕(15)上，所述应力自动采集系统(9)与管节应力测试设备(1)通过数据传输线缆(5)连接；其中，当管节应力测试设备(1)装配在第二钢管管幕(15)时，第一钢管管幕(14)为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕(15)为未顶进土体内的钢管管幕；当管节应力测试设备(1)装配在第一钢管管幕(14)时，第二钢管管幕(15)为已顶进土体内的钢管管幕，第一钢管管幕(14)为未顶进土体内的钢管管幕。2.根据权利要求1所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述管节应力测试设备(1)包括出线盒(4)、两组金属固定组件和测试管(19)；所述出线盒(4)装配在测试管(19)上，测试管(19)的两端分别通过两组金属固定组件固定装配在第一钢管管幕(14)或第二钢管管幕(15)上，所述测试管(19)内设有振弦(2)，振弦(2)的两端分别连接在两组金属固定组件上，所述应力自动采集系统(9)通过数据传输线缆(5)经出线盒(4)连接在振弦(2)上。3.根据权利要求2所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述数据传输线缆(5)沿着管体的长边方向上通过若干金属线缆卡扣(13)固定在在第一钢管管幕(14)或第二钢管管幕(15)上。4.根据权利要求2所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述振弦(2)的两端通过两组金属固定组件拉紧呈紧绷结构。5.根据权利要求2所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述金属固定组件包括金属连接块(3)、金属固定底座(6)、柱头螺钉(7)和固定螺栓(11)；所述金属固定底座(6)包括底座(61)和上盖(62)，所述金属连接块(3)放置在底座(61)上，上盖(62)压紧在金属连接块(3)上，其中上盖(62)一侧通过固定螺栓(11)固定在底座(61)上，另一侧通过柱头螺钉(7)固定在底座(6)上，其中柱头螺钉(7)与上盖(62)之间设有弹垫(8)；所述底座(61)的两侧分别焊接在第一钢管管幕(14)或第二钢管管幕(15)的管壁上，所述振弦(2)的两端分别连接在金属连接块(3)上。6.根据权利要求1所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述管节应力测试设备(1)的外部设有挡土盒(12)。7.根据权利要求1所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，所述公扣(17)和母扣(18)均呈l型金属板结构。8.一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，基于权利要求1-7任一项所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构，其特征在于，包括如下过程：当第一钢管管幕(14)为已顶进土体内的钢管管幕，第二钢管管幕(15)为未顶进土体内的钢管管幕时，管节应力测试设备(1)装配在第二钢管管幕(15)上，第二钢管管幕(15)在顶进施工的过程中，其侧壁与土体接触，主要受到与顶进方向相反的管土摩擦阻力，管节应力测试设备(1)会随着第二钢管管幕(15)受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变
化数据通过数据传输线缆(5)传输到自动采集系统(9)，自动采集系统(9)通过设置好的转换公式将频率转换为应力，进而完成对管幕在顶进过程中的管节应力进行采集。9.根据权利要求8所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，其特征在于，所述管节应力测试设备(1)会随着第二钢管管幕(15)受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，其中具体变化过程如下：管节应力测试设备(1)两端连接金属固定组件，两个金属固定组件的位置会随着第二钢管管幕(15)受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，同时管节应力测试设备(1)中有一条振弦(2)，振弦(2)随着金属固定组件的位置变化，其松紧程度也产生变化，共振频率进而会发生变化，共振频率通过数据传输线缆(5)传输到自动采集系统(9)。10.根据权利要求8所述的一种可应力测试的螺旋出土管幕结构的测试方法，其特征在于，所述第二钢管管幕(15)内通过螺旋钻杆(16)进行顶进工作。

技术总结
本发明涉及隧道工程管幕支护技术领域，具体为一种可应力测试的螺旋出土管幕结构及测试方法，在两根钢管管幕的上下两侧分别装配有两组公扣母扣，并通过公扣母扣进行卡接，在两组公扣母扣之间形成间隙，将管节应力测试设备装配在间隙内，有效的对管节应力测试设备进行了保护，便于对未顶进土体内的钢管管幕进行应力测试，管节应力测试设备在未顶进土体内的钢管管幕的顶进土体的过程中，受到的管土摩阻力大小的不同而发生变化，并将变化数据通过数据传输线缆传输到自动采集系统，有效的对未顶进土体内的钢管管幕在顶进土体的过程中进行应力数据的采集，降低了螺旋出土式的钢管管幕顶进施工过程中的管节应力测试困难度。进施工过程中的管节应力测试困难度。进施工过程中的管节应力测试困难度。


技术研发人员：魏进 卞海丁 杜秦文 温涵
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/7/7