超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统及方法，其系统包括管片内部应力获取单元、管片环间应力获取单元、及消散规律分析单元，其中管片内部应力获取单元包括位于每片管片纵向预埋测力钢筋上的多组钢筋测力计；管片环间应力获取单元包括衬垫、测力顶针。本发明专利技术通过风井原位足尺模型试验，能够得出盾构管片环间纵向传力的消散过程规律，从而解决环间应力分布不明、消散规律难以获取等难题，而且还能够避免管片拼装时发生破损，以及解决千斤顶收回后管片应力消散所带来的张开、错台量过大等问题，此外，试验中提供了大量的数据，以克服管片设计参数的取值具有一定的随意性和盲目性的缺陷。的随意性和盲目性的缺陷。的随意性和盲目性的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统及方法


[0001]本专利技术属于盾构隧道施工
，具体涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，同时还涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着国家发展战略及基础设施建设的持续推进，以及高铁路网、高速公路路网、城市道路路网结构的进一步完善，越来越多的大直径盾构隧道工程应运而生。虽然当前超大直径盾构隧道应用广泛，但目前仍然处于“粗放型”施工与运营状态，超大直径盾构隧道施工及运营过程中产生的问题也越来越多，如盾构隧道管片结构的碎裂、接缝张开和错台等问题也屡屡发生，给盾构隧道的施工安全及结构服役性能带来极大威胁。
[0003]行业内针对这些问题，所采用的方法主要包括数值分析、模型试验、现场监测等手段，然而，所采用的方法均无法真实反映实际工况条件下的超大直径盾构的隧道结构的管片环间受力，主要体现如下：
[0004](1)超大直径盾构隧道结构关键设计参数选取依据缺乏
[0005]由于盾构管片环、纵向接头的存在，导致管片结构的受力特征与普通钢筋混凝土结构差异显著，盾构隧道结构设计方法应用较多的是修正惯用法和梁～弹簧模型。修正惯用法中刚度折减系数及错缝拼装中的弯矩提高系数对计算管片变形和内力的准确性影响很大；梁～弹簧模型中的接头刚度系数决定了计算结果的准确性，而这也是梁～弹簧模型在国内尚未广泛推广的重要原因，同时多为三环拼装模型，缺乏原位条件下的地层
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结构响应数据，造成管片设计参数的取值具有一定的随意性和盲目性；
[0006](2)盾构千斤顶作用下管片环间纵向传力机制与消散规律不明
[0007]当前关于盾构隧道管片纵向受力研究方面，多集中于地层变形、荷载变化、地震等不利因素的影响下，隧道结构整体的纵向分析，如利用纵向等效连续化模型、纵向地基梁
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弹簧模型对隧道纵向的受力、变形、环缝张开等问题进行研究，其关注点多集中于运营阶段的隧道纵向响应。然而在实际施工中，隧道施工期间盾构隧道管片结构的碎裂、接缝张开和错台等问题也屡屡发生，这与千斤顶作用下管片环间的传力机制密切相关，虽然采用精细化数值计算的方式能够获得相关管片环间纵向传力和消散规律，但是每相邻的两个管片环的接头处承受轴力、剪力及弯矩的共同作用，需要采用不同属性的弹簧、接触单元，主观性大，且无法再现真实状态下的受力特性，因此，难以获取环间应力分布和消散规律，这样一来，也无法解决由以上难题造成的管片拼装时发生破损，千斤顶收回后管片应力消散带来的张开、错台量过大等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统。
[0009]同时本专利技术还涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析方法。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其用于在风井原位足尺模型试验，且保持盾构千斤顶作用下获取已经拼装管片环或待拼装管片的应力，管片环间应力分析系统包括：
[0011]管片内部应力获取单元，其中所述管片内部应力获取单元包括位于每片管片纵向预埋测力钢筋上的多组钢筋测力计，所述多组钢筋测力计沿着所述管片弧长间隔分布，每组所述钢筋测力计有多个，且自管片与盾构千斤顶抵触端面对齐向内间隔分布，同时通过钢筋测力计反馈千斤顶作用下管片内部的应力水平；
[0012]管片环间应力获取单元，其包括形状与管片纵向拼接端面相似且贴合在管片纵向拼接端面的衬垫、沿着盾构千斤顶抵触方向延伸的多根测力顶针，其中每根所述测力顶针一端预埋于管片，另一端部穿出衬垫并抵触在已拼装管片上，且通过衬垫在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力；
[0013]消散规律分析单元，其分别与钢筋测力计、测力顶针信号连通，且根据获取的应力以获取隧道结构的环间应力分布和消散规律。
[0014]优选地，管片在纵向上划分成N段，每段相等且形成N+1个分段面，每组所述钢筋测力计对应设置在分段面上，且位于管片的盾构千斤顶抵触端面与第M个分段面上，其中M为N段的中部所在的分段面。
[0015]优选地，管片纵向预埋测力钢筋有多根，且以管片环的中为圆形呈弧形分布，其中每根管片纵向预埋测力钢筋上对应设有一组钢筋测力计。
[0016]进一步的，多根管片纵向预埋测力钢筋形成多个共圆心的弧形排，其中多个弧形排在管片厚度方向均匀间隔分布。
[0017]根据本专利技术的一个具体实施和优选方面，盾构千斤顶与管片纵向预埋测力钢筋一一对应，且抵触在钢筋测力计上。
[0018]优选地，每根管片纵向预埋测力钢筋的长度至少为管片纵向长度的3/4。
[0019]优选地，每根管片纵向预埋测力钢筋自端部与管片的盾构千斤顶抵触端面对齐。
[0020]根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，衬垫材质为橡胶，且厚度为4～10mm，其中通过橡胶在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力。
[0021]根据本专利技术的一个具体实施和优选方面，每个管片环包括N块首尾拼装的弧形管片，其中N≥6，且为整数；每块弧形管片具有第一弧形端面和第二弧形端面，所述第一弧形端面为与盾构千斤顶接触的抵触端面，所述第二弧形端面为拼装端面，所述管片环间应力获取单元还包括土压力计、位移计，所述衬垫平铺在每块所述弧形管片的拼装端面，所述土压力计和所述位移计均设置在拼装端面，且能够随所述衬垫在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应两个管片环的环间应力和相对位移，所述消散规律分析单元分别与所述测力顶针、土压力计、及位移计信息连通，且根据获取的应力和位移数据以获取隧道结构的环间应力分布和消散规律。
[0022]优选地，衬垫材质为橡胶，且厚度为4～10mm。衬垫材质为橡胶(粘贴的丁腈软木橡胶衬垫)，且厚度为5mm，其中通过橡胶在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力。
[0023]优选地，衬垫与所述拼装端面的形状相似且自中心对齐的安装在拼装端面上。衬垫不仅能够起到便于应力准确获取的作用，而且还能够一定程度上增强密封，同时降低管
片环的张开、错台量过大等现象发生概率。
[0024]根据本专利技术的一个具体实施和优选方面，测力顶针有四个，且分布在衬垫的四角，土压力计和位移计分布在四个测力顶针所形成的区域内。确保各测力点之间不会干扰，以准确应力获取的准确性。
[0025]根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，土压力计部分位于弧形管片内部分位于衬垫中，所述位移计自所述衬垫中穿出，且外端面与所述衬垫的外端面齐平，其中位移计能够监测管片环纵向和径向的位移。也就是说，衬垫还可以起到保护土压力计和位移计，延长使用寿命，以便于应力的获取。
[0026]优选地，所述位移计为振弦式位移计，且振弦式位移计有多个，其中多个弦式位移计沿着拼装端面弧形中心线间隔分布。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其用于在风井原位足尺模型试验，且保持盾构千斤顶作用下获取已经拼装管片环或待拼装管片的应力，其特征在于，管片环间应力分析系统包括：管片内部应力获取单元，其中所述管片内部应力获取单元包括位于每片管片纵向预埋测力钢筋上的多组钢筋测力计，所述多组钢筋测力计沿着所述管片弧长间隔分布，每组所述钢筋测力计有多个，且自管片与盾构千斤顶抵触端面对齐向内间隔分布，同时通过钢筋测力计反馈千斤顶作用下管片内部的应力水平；管片环间应力获取单元，其包括形状与管片纵向拼接端面相似且贴合在管片纵向拼接端面的衬垫、沿着盾构千斤顶抵触方向延伸的多根测力顶针，其中每个管片环包括N块首尾拼装的弧形管片，其中N≥6，且为整数；每块弧形管片具有第一弧形端面和第二弧形端面，所述第一弧形端面为与盾构千斤顶接触的抵触端面，所述第二弧形端面为拼装端面，每根所述测力顶针一端自拼装端面预埋于管片，另一端部穿出衬垫并抵触在已拼装管片上；消散规律分析单元，其分别与钢筋测力计、测力顶针信号连通，且根据获取的应力以获取隧道结构的环间应力分布和消散规律。2.根据权利要求1所述的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其特征在于：所述管片在纵向上依次划分成N段，每段相等，每组所述钢筋测力计对应设置在分段面上，且位于管片的盾构千斤顶抵触端面与第M个分段面上，其中M为N段的中部所在的分段面。3.根据权利要求2所述的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其特征在于：所述管片纵向预埋测力钢筋有多根，且以所述管片环的中为圆形呈弧形分布，其中每根所述管片纵向预埋测力钢筋上对应设有一组所述钢筋测力计。4.根据权利要求3所述的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其特征在于：多根所述管片纵向预埋测力钢筋形成多个共圆心的弧形排，其中多个所述弧形排在所述管片厚度方向均匀间隔分布，每根所述管片纵向预埋测力钢筋的长度至少为所述管片纵向长度的3/4。5.根据权利要求4所述的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其特征在于：所述的盾构千斤顶与所述管片纵向预埋测力钢筋一一对应，且抵触在所述钢筋测力计上；每根所述管片纵向预埋测力钢筋自端部与所述管片的盾构千斤顶抵触端面对齐。6.根据权利要求1所述的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚洲，魏驰，杨光，姚占虎，吴双，曾德成，郝玉双，李辉，
申请(专利权)人：中交隧道工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：