一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法技术

本发明专利技术涉及一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，确定隧道结构的设计信息后，建立能考虑管片所受上浮力、盾尾千斤顶的推力大小及方向、相邻管片环接头剪切刚度的精细化数值模型。本发明专利技术利用自制的浮力测试试验装置较为精确地测试出管片所受上浮力，能够更好地反映管片在壁后注浆包裹状态下的上浮情况。考虑盾构机姿态变化引起盾尾千斤顶对管片环推力大小及方向的变化，更好地反映隧道在实际施工过程中盾尾管片环的纵向受力特性，以及对管片上浮的影响。考虑相邻管片环接头剪切刚度，能够更好地反映盾尾管片环弯曲变形及剪切变形的纵向特性，更精确的确定盾尾管片环上浮引起的位移、错台及附加内力，为施工的过程控制提供依据。

A refined model of segment ring floating up and staggering out of shield tail

【技术实现步骤摘要】
一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法
本专利技术是一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，属于地下工程施工

技术介绍
随着我国国民经济快速发展，我国城市规模快速扩张，城市交通拥堵已经成为了大城市的通病。采用大流量的地铁运输是大城市高效运营的一种有效交通组织形式，而盾构隧道工法由于对城市交通影响较小、安全高效快速掘进的功能使之成为了城市地铁建设的主流方法。盾构机尾部进行管片拼装的施工工艺必然导致拼装的管片环与地层之间存在一环形空隙——盾尾空隙。盾构管片壁后注浆是盾构隧道工法中通过向该空隙中泵入浆液进行主动控制地层沉降和稳定管片。国外大多采用具有速凝特点的双液浆进行同步注浆，满足壁后注浆工艺的功能要求，但是对操作人员素质要求较高，否则极易导致堵管被迫频繁停工严重影响工期。正因为如此，国内地铁施工盾尾壁后注浆液通常采用单液浆，其初凝时间过长，导致刚脱出的管片环长期处于液态浆液的包裹中。通过初步计算，可知管片环初期所受到的浆液浮力为管片环自重近4倍，脱出盾尾的管片环上浮是必然的。目前地铁盾构隧道现场施工监测结果显示，刚脱出盾尾的管片环上浮量在几厘米到十几厘米，使得管片拼装质量达不到设计要求，管片破损、裂隙、错台、渗漏现象比比皆是，对将来的地铁运营安全和隧道维护带来巨大的挑战。目前对于该问题解决存在以下两个难题：1）浆液对管片环的上浮力如何确定以及随时间的变化规律目前都不清楚；2）为了减少管片环错台，管片环侧面发展了多种定位栓、定位凹凸榫等多种形式，其对管片环间接头剪切刚度贡献目前不清楚。随着我国对地铁建设质量越来越重视，该问题的解决提到日程上，引起我国工程界和学术界的高度重视。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化三维模型的建立方法，通过考虑管片环侧面接触摩擦、螺栓剪切、定位榫剪切综合剪切效应，能够精确确定管片环间接头的剪切刚度。本专利技术的技术解决方案：一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，包括如下步骤：第一步、调查盾构管片环的结构构造及力学参数：所述的盾构管片环的结构参数是指：盾构管片环的内、外直径，管片环宽，管片混凝土弹性模量、剪切模量，摩擦系数，管片环间连接螺栓型号及个数，螺栓长度，螺栓直径，螺栓剪切模量，管片环间定位榫的类型、个数及榫尺寸。第二步、确定相邻管片环接头剪切刚度：通过建立考虑管片环间螺栓、定位榫连接和管片环缝接触的相邻两环或三环管片环错台有限元数值模型，确定管片环接头剪切刚度。第三步、测试脱出盾尾管片环所受的壁后注浆液浮力：通过自主研制的浆液上浮力测试装置，研究不同类型的浆液在不同注浆压力作用下，其浮力随时间的变化规律。第四步、收集盾尾千斤顶对盾尾刚拼装管片环的推力大小及方向：盾构推进过程中，根据油缸千斤顶压力的读数以及盾构机姿态、盾尾拼装管片环的姿态，确定盾尾千斤顶作用于管片环的推力大小及方向。第五步、建立脱出盾尾的管片环上浮的三维计算模型：基于第一步至第四步获得结构特征、管片环受到浮力随时间变化规律或计算分析得到管片环接头剪切刚度，建立精确考虑盾构管片环实际结构受力特征的壳-弹簧模型，确定脱出盾尾的管片环上浮量、张开量、错台以及上浮引起的附加内力。采用壳模拟管片，采用弹簧模拟管片环接缝的轴向、剪切力学特性。所述的盾尾千斤顶对脱出盾尾管片环的推力，考虑了盾构机姿态与管片姿态变化引起盾尾千斤顶对管片环推力方向的影响。所述的相邻管片环接头剪切刚度，综合考虑了相邻管片环连接的螺栓、定位榫的抗剪作用以及相邻管片环面混凝土的摩擦，获得的管片环接头剪切刚度更精确。所述的脱出盾尾的管片环上浮精细化模型，综合考虑了盾尾千斤顶推力大小及方向、管片所受的浆液上浮力、管片环接头剪切刚度，相比以前的模型更准确、更可靠，计算获得的结果将对地铁盾构管片环上浮、错台控制提供重要的参考。本专利技术的有益效果：1）本专利技术利用考虑盾构机姿态变化引起盾尾千斤顶对管片环推力大小及方向的变化，能够更好地反映隧道在实际施工过程中盾尾管片环的纵向受力特性，以及对管片上浮的影响。2）本专利技术利用考虑相邻管片环接头剪切刚度，能够更好地反映盾尾管片环弯曲变形及剪切变形的纵向特性，从而能够更精确的确定盾尾管片环上浮引起的位移、错台及附加内力，为施工的过程控制提供依据。3）本专利技术方法解决了盾构隧道施工过程中，脱出盾尾的管片环上浮位移量、错台及上浮引起的附加内力难以精确确定的工程难题，能够较为精确模拟盾构施工各因素对脱出盾尾管片环上浮的影响，为管片上浮防治措施的选择提供重要参考。附图说明附图1是1/19三环接头剪切计算模型示意图。附图2是盾尾注浆液对管片环的上浮力随盾构过程的变化示意图。附图3是管片环拖出盾尾后的受力分析及边界条件示意图。附图4是脱出盾尾的管片环上浮位移沿纵向的变化示意图。附图5是管片环缝错台沿管片环纵向上的变化示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，准确地确定盾尾拖出管片上浮量以及管片上浮引起盾构隧道的附加内力，为进一步分析管片上浮机理提供帮助。结合现场已有实测的管片上浮量的数据，进行拟合。对不同壁后注浆包裹状态下、不同盾尾推力大小及方向下、不同相邻管片环剪切刚度条件下的盾尾脱出管片上浮量及附加内力进行预测，避免因管片上浮导致错台、裂缝、破损,乃至轴线偏位等现象。一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化三维模型的建立方法，通过考虑管片环侧面接触摩擦、螺栓剪切、定位榫剪切综合剪切效应，能够精确确定管片环间接头的剪切刚度。本专利技术的技术解决方案：一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，包括如下步骤：第一步、调查盾构管片环的结构构造及力学参数：所述的盾构管片环的结构参数是指：盾构管片环的内、外直径，管片环宽，管片混凝土弹性模量、剪切模量，摩擦系数，管片环间连接螺栓型号及个数，螺栓长度，螺栓直径，螺栓剪切模量，管片环间定位榫的类型、个数及榫尺寸。第二步、确定相邻管片环接头剪切刚度：通过建立考虑管片环间螺栓、定位榫连接和管片环缝接触的相邻两环或三环管片环错台有限元数值模型，确定管片环接头剪切刚度。第三步、测试脱出盾尾管片环所受的壁后注浆液浮力：通过自主研制的浆液上浮力测试装置，研究不同类型的浆液在不同注浆压力作用下，其浮力随时间的变化规律。第四步、收集盾尾千斤顶对盾尾刚拼装管片环的推力大小及方向：盾构推进过程中，根据油缸千斤顶压力的读数以及盾构机姿态、盾尾拼装管片环的姿态，确定盾尾千斤顶作用于管片环的推力大小及方向。第五步、建立脱出盾尾的管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其特征是包括如下步骤：/n（1）调查盾构管片环的结构构造及力学参数；/n（2）确定相邻管片环接头剪切刚度；/n（3）测试脱出盾尾管片环所受的壁后注浆液浮力；/n（4）收集盾尾千斤顶对盾尾刚拼装管片环的推力大小及方向；/n（5）建立脱出盾尾的管片环上浮的三维计算模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其特征是包括如下步骤：
（1）调查盾构管片环的结构构造及力学参数；
（2）确定相邻管片环接头剪切刚度；
（3）测试脱出盾尾管片环所受的壁后注浆液浮力；
（4）收集盾尾千斤顶对盾尾刚拼装管片环的推力大小及方向；
（5）建立脱出盾尾的管片环上浮的三维计算模型。


2.根据权利要求1所述的一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其特征是所述步骤（1）调查盾构管片环的结构构造及力学参数：所述结构构造及力学参数包括盾构管片环的内、外直径，管片环宽，管片混凝土弹性模量、剪切模量，摩擦系数，管片环间连接螺栓型号及个数，螺栓长度，螺栓直径，螺栓剪切模量，管片环间定位榫的类型、个数及榫尺寸。


3.根据权利要求1所述的一种脱出盾尾的管片环上浮、错台精细化模型的建立方法，其特征是所述步骤（2）确定相邻管片环接头剪切刚度：通过建立考虑管片环间螺栓、定位榫连接和管片环缝接触的相邻两环或三环管片环错台有限元数值模型，确定管片环接头剪切刚度。

【专利技术属性】
技术研发人员：钟小春，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32