一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法技术

本发明专利技术提供了一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，采用逐次旋转法，将管片本体结构视为刚体，各管片之间绕接头中性轴旋转，把隧道结构的整体变形分解为各接头的转动变形，本反演分析方法基于隧道内部监测到的收敛变形数据，最终得到了各接头的转角以及内外侧的张开、压缩变形。基于逐次旋转法，输入的参数有接头中性轴位置和隧道结构某方向上的收敛变形值，输出的结果为各接头的转角，该反演过程通过MATLAB编程的方法实现。本发明专利技术通过反演分析的方法，得到了服役期隧道结构在既有变形情况下的各接头的变形值，极大增强了人们对运营期隧道纵缝接头变形的认识和理解，同时也为运营期隧道服役状态的评估提供了新的方法。营期隧道服役状态的评估提供了新的方法。营期隧道服役状态的评估提供了新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法


[0001]本专利技术涉及一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，尤其是涉及一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法。

技术介绍

[0002]随着我国基础设施建设的发展，全国各大重点城市普遍修建了多条地铁，其中拼装式盾构隧道结构在地铁中得到了广泛的应用。然而在已经服役的地铁隧道结构中，观测到了各种各样的病害，如接头张开、渗漏水、螺栓外露和混凝土压溃等等。盾构隧道纵缝张开是盾构隧道运营期常见的病害，而纵缝接头的力学性质对隧道结构整体的服役状态十分重要，但是隧道结构作为隐蔽工程结构，其接头外侧的变形情况无法得知，只能在运营期测量到内侧接头的张开量，因此对于工程师而言，无法获取隧道各接头内外侧详细的变形情况，也就无法评估隧道结构的服役状态。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种克服现有观测体系的不足，提出一种方便快捷、准确实用的盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0005]一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，包括逐次旋转法和求解程序；具体操作步骤如下：
[0006]S1:逐次旋转法
‑
将盾构隧道结构各管片视为刚体，各管片之间通过接头连接，所述接头包括连接螺栓、橡胶密封垫和内外侧嵌缝等结构，各管片之间绕接头中性轴旋转，把盾构隧道结构的整体变形分解为各个管片绕各接头的转动变形，通过隧道结构在运营期监测到的收敛变形数据，输入的参数有接头中性轴位置和隧道结构水平方向上的收敛变形值，最终得到了各接头转角以及内外侧的张开、压缩变形值；
[0007]S2:求解程序
‑
根据输入的几何闭合性条件、收敛变形和封顶块位移约束，联立求解接头转角；
[0008]S3:结合各接头中性轴所处的位置，求解各接头内外侧的张开量(压缩量)。
[0009]优选地，以上海地铁通缝拼装盾构隧道结构为例，所述S1步骤中的管片包括管片一、管片二、管片三、管片四、管片五和管片六，定义管片一和管片二之间的接头为接头A，接头转角为θ1；管片二和管片三之间的接头为接头B，接头转角为θ2；管片三和管片四之间的接头为接头C，接头转角为θ3；管片四和管片五之间的接头为接头D,接头转角为θ4；管片五和管片六之间的接头为接头E,接头转角为θ5；管片六和管片一之间的接头为接头F，接头转角为θ6；整个盾构隧道结构在变形前后均为封闭的几何图形；在S1步骤中隧道结构的整体变形可以分解为五次旋转，首先将管片二至管片六绕接头A的中性轴位置处发生第一次旋转，此时管片一和管片二的几何位置被确定；然后管片三至管片六绕接头B的中性轴位置处发生第二次旋转，此时管片一至管片三的几何位置被确定；然后管片四至管片六绕接头C的中性
轴位置处发生第三次旋转，此时管片一至管片四的几何位置被确定；然后管片五和管片六绕接头D的中性轴位置处发生第四次旋转，此时管片一至管片五的几何位置被确定；然后管片六绕接头E的中性轴位置处发生第五次旋转，此时各管片的几何位置均被确定，则盾构隧道结构整体的变形也被确定。
[0010]优选地，所述隧道结构底部的管片一在逐次旋转法过程中不发生任何位移。
[0011]优选地，将盾构隧道结构以平面几何位置定义在坐标内，盾构隧道结构的圆心作为原点，盾构隧道结构各管片的几何位置坐标在旋转时可按照平面旋转公式确定，如下式：
[0012][0013]其中(x0,y0)为旋转点的坐标，(x1,y1)为某点绕旋转点旋转之前的坐标，(x2,y2)为某点绕旋转点旋转之后的坐标，θ
i
为旋转角度，i为逐次旋转发中第i次旋转过程。
[0014]优选地，所述变形后的隧道结构仍是一个封闭的几何图形，即几何闭合性条件的各接头转角有如下关系：
[0015]θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6＝0
[0016]优选地，盾构隧道结构的整体为对称结构，由于外荷载对称，隧道结构几何对称性，所述六个接头的转角以隧道竖向对称轴位置对称设置，则隧道结构的自由度被减小至三个，即三个接头的转角θ1、θ2、θ3，规定接头内侧张开(正弯矩)转角为正，接头外侧张开(负弯矩)转角为负，所述隧道结构在旋转后也应该为一个对称的封闭的几何图形，各接头转角有如下的关系：
[0017]θ1+θ2+θ3＝0
[0018]优选地，所述隧道结构竖向收敛变形条件的隧道结构竖向收敛变形的观测点分别设置在管片一和管片四上，定义未变形前管片一的观测点为b1，定义变形后管片一的观测点为c1；定义未变形前管片四的观测点为b2，定义变形后管片一的观测点为c2，所述隧道结构的收敛变形可以通过测量隧道的直径变化量获得，公式可以表示为D
v
＝b1b2‑
c1c2；其中b1b2为隧道结构变形前的直径，c1c2为隧道结构变形后的顶底收敛变形(0
°‑
180
°
)。
[0019]优选地，所述封顶块位移条件的隧道结构封顶块在变形之后应当只发生竖向平动，则封顶块几何对称轴内缘点在变形前后在x方向的位移应当为0，公式可以表示为：x
b2
＝x
c2
。
[0020]优选地，所述S2步骤中求解程序包括三个转角θ1、θ2、θ3，通过几何闭合性条件、隧道结构竖向收敛变形条件和封顶块位移条件，运用MATLAB编程的方法即可求解此三个未知量。
[0021]优选地，所述各接头之间绕中性轴旋转，因此该反演分析方法不仅可以求出各接头转角θ1、θ2、θ3，还可以求出各接头的内外侧张开量(压缩量)，如下式：
[0022][0023]其中x1和x2分别为接头内侧和外侧的张开量(压缩量)，h为管片厚度，y
n
为中性轴位置，坐标轴以接头外侧边缘为原点O，接头内侧边缘为y轴正向。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术提出了一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，针对上海地区通缝拼装盾构隧道结构，基于运营期观测到的收敛变形，根据逐次旋转法，反演求解了各接头的转动变形，同时还可以求解各接头内外侧的张开量(压缩量)，使得相关技术人员对服役期隧道结构纵缝接头的变形有更深入的认识，为评估盾构隧道接头的服役性能及隧道结构的服役性能提供了参考依据。
[0026](2)输入数据真实性。本反演分析方法所基于的数据为隧道在运营期内实测的收敛变形，并以此为依据反演各接头转角，因此输入数据具有真实性，能够反映服役期隧道的真实变形状态，与隧道结构的实际工程状态更加吻合。
[0027](3)反演结果真实可靠。本反演分析方法所计算的结果经整环隧道结构足尺实验数据验证，各接头内外侧张开量(压缩量)与足尺实验中的测量值十分接近，证明了本方法的可行性。
[0028](4)地区适应性好。本反演分析方法主要针对上海地区通缝拼装盾构隧道结构，但对于其他地区的具有对称性拼装式的隧道结构仍适用，分块数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，其特征在于，包括逐次旋转法和求解程序；具体操作步骤如下：S1:逐次旋转法
‑
将盾构隧道结构的管片视为刚体，由于实际工程中各管片之间通过接头连接，因此在本方法中各管片之间绕接头中性轴旋转，进而把盾构隧道结构的整体变形分解为各个管片在各接头的转动变形；通过记录隧道结构变形后内部监测到的收敛变形数据，输入该方法的参数有接头中性轴位置和隧道结构水平方向上的收敛变形值，最终输出的结果得到了各接头转角以及内外侧的张开、压缩变形值；S2:求解程序
‑
根据输入的几何闭合性条件、收敛变形和封顶块位移约束，联立求解接头转角；S3:结合各接头中性轴所处的位置，求解各接头内外侧的张开量(压缩量)。2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，其特征在于，所述S1步骤中将管片一～六均视为刚体(1～6)，定义管片一(1)和管片二(2)之间通过接头A连接，接头转角为θ1；管片二(2)和管片三(3)之间通过接头B连接，接头转角为θ2；管片三(3)和管片四(4)之间通过接头C连接，接头转角为θ3；管片四(4)和管片五(5)之间通过接头D连接,接头转角为θ4；管片五(5)和管片六(6)之间通过接头E连接,接头转角为θ5；管片六(6)和管片一(1)之间通过接头F连接，接头转角为θ6；整个盾构隧道结构在变形前后均为封闭的几何图形；在S1步骤中隧道结构的整体变形可以分解为五次旋转，首先将管片二(2)至管片六(6)绕接头A的中性轴位置处发生第一次旋转，此时管片一(1)和管片二(2)的几何位置被确定；然后管片三(3)至管片六(6)绕接头B的中性轴位置处发生第二次旋转，此时管片一(1)至管片三(3)的几何位置被确定；然后管片四(4)至管片六(6)绕接头C的中性轴位置处发生第三次旋转，此时管片一(1)至管片四(4)的几何位置被确定；然后管片五(5)和管片六(6)绕接头D的中性轴位置处发生第四次旋转，此时管片一(1)至管片五(5)的几何位置被确定；然后管片六(6)绕接头E的中性轴位置处发生第五次旋转，此时各管片的几何位置均被确定，则盾构隧道结构整体的变形也被确定。3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，其特征在于，所述隧道结构底部的管片一(1)在逐次旋转法过程中不发生任何位移。4.根据权利要求2所述的一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，其特征在于，将盾构隧道结构以平面几何位置定义在坐标内，盾构隧道结构的圆心作为原点，盾构隧道结构各管片的几何位置坐标在旋转时可按照平面旋转公式确定，如下式：其中(x0,y0)为旋转点的坐标，(x1,y1)为某点绕旋转点旋转之前的坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小会，亓立志，周顺华，田志尧，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：