CN108776033A - 一种用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型及制作方法，所述管片衬砌模型包括割槽和纵向接头片，所述制作方法包括通过拟定相似比，计算模型参数，试制并测试其力学参数是否满足要求，然后浇筑管片衬砌模型并拼接，本发明既保证了盾构隧道管片衬砌结构刚度与原型隧道结构相一致，又能反映了管片衬砌纵向接头的局部应力状态，具有很高的推广价值。

Description

一种用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型及制作方法

技术领域

本发明涉及城市地铁区间隧道施工技术领域，具体涉及一种用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型及制作方法。

背景技术

近年来，盾构隧道在城市轨道交通建设及越江跨海隧道建设中得到广泛应用，建设体量剧增，所处的地质地形条件复杂多变，临近建构筑物数量巨大、结构型式多样，隧道结构服役过程中的不良荷载日趋复杂，导致隧道结构纵向力学问题凸显，受到广泛关注。

为了获得盾构隧道管片衬砌结构的纵向力学特性及隧道整体的不均匀沉降，需借助模型试验进行深入研究。由于管片衬砌结构的复杂性，现有的试验模型多对原型结构做了一定程度的简化，无法有效地表征出管片接头对衬砌结构的影响，管片衬砌结构受力特性的试验结果与实际工程存在一定的偏差，难以对隧道设计和施工提供可靠有效的指导。因此，为了探明管片衬砌结构的纵向力学特性，提高试验的参考价值，更加符合结构实际受力特性的管片衬砌结构模型变得尤为重要。

通过对现有技术的文献检索发现，目前使用较多的管片衬砌模型主要有以下三种型式：

第一种相似试验管片模型为发表在《岩土工程学报》的文献《盾构隧道横向刚度有效率研究》，虽然整体上满足了相似关系，但纵向接头数量及位置与原型并未一一对应；在接头片和管片结构上打孔并使用螺丝将管片进行拼接的处理方式，改变了管片结构的局部受力分布特征；此外，采用聚乙烯管模拟管片结构，不满足混凝土材料抗拉强度较低的特性，与管片混凝土结构所具有的弹脆性特性不符，且无法考虑配筋，管片相似材料与接头相似材料之间的刚度匹配也与实际存在较大偏差。

第二种相似试验管片模型采用一整体圆管，在试验模型表面的环向及纵向进行割槽，以实现对管片衬砌结构的横向和纵向刚度进行等效折减。这种试验模型仅实现了纵向刚度上的相似，忽略了纵向接头对管片衬砌结构力学性能的影响，模型试验得到的结构内力和纵向不均匀沉降与实际差别较大。

第三种管片模型采用螺丝来等效模拟原型隧道中的螺栓接头，在试验中通过小螺丝将管片进行拼接。该方法虽然可以实现管片螺栓接头的存在，但真实的接头不仅仅是一个螺栓，而是包括管片、螺栓、防水胶垫在的组合结构，其力学特性随外界荷载变化现出极其复杂的特征，因此采用刚度等效的处理方式更为合理。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种既保证了盾构隧道管片衬砌结构刚度与原型隧道结构相一致，又能反映了管片衬砌纵向接头的局部应力状态的用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型及制作方法.

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其包括如下步骤：

一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其包括如下步骤：

S1、获取待用于试验的管片衬砌结构的几何参数和力学参数；

S2、拟定几何相似比C_L，得到管片衬砌模型的几何参数；

S3、拟定弹性模量相似比C_E，得到管片衬砌模型的力学参数；

S4、拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数制作管片环试件；

S5、测量管片环试件的力学参数，判断管片环试件对应力学参数是否等于设定值；

S6、若管片环试件的力学参数不等于设定值，调整水膏比，重复步骤S4、S5，直到试件的力学参数与设定值之差小于5％，将多次测得的水膏比与力学参数的关系拟合成曲线，以确定当管片环试件的力学参数等于设定值时对应的水膏比值；

S7、根据水膏比值制作材料，根据计算得到的几何参数浇筑出单个盾构隧道管片衬砌环；

S8、在管片衬砌环上开设割槽；

S9、根据几何相似比C_L和弹性模量相似比C_E，计算制作纵向接头片的材料的刚度k，并根据刚度k选择纵向接头片的材料，制作纵向接头片；

S10、将管片衬砌环沿纵向拼接，并通过纵向接头片粘接，得到管片衬砌结构模型。

进一步地，管片衬砌结构和管片衬砌模型的几何参数分别为其对应的管片拼接方式、内径、外径、厚度及幅宽，环向接头割槽深度以及连接管片环所需纵向接头片厚度、宽度；力学参数分别为其对应的弹性模量E和单轴抗压强度标准值f_cu。

进一步地，待测量的试件力学参数为单轴抗压强度f_cu,t，所述设定值为单轴抗压强度标准值f_cu。

进一步地，管片衬砌环上开设割槽的位置，为管片衬砌环与原管片衬砌结构的环向拼接处对应的位置处，割槽均设置于衬砌环的内壁和外壁上。

进一步地，纵向接头片设置的位置，为管片衬砌环与原管片衬砌结构的纵向接头对应的位置处，纵向接头片均设置于衬砌环的外壁上。

进一步地，拟定弹性模量相似比C_E，得到管片衬砌模型的力学参数的具体步骤包括：

S1、根据体积力相似比C_X、几何相似比C_L与弹性模量相似比C_E的关系：C_XC_L＝C_E，强度相似比C_R与弹性模量相似比C_E的关系：C_R＝C_E，取P为试件破坏时的荷载、A为试件截面积，可得到单轴抗压强度标准值

S2、根据接头横截面积A、接头长度l与材料刚度k的关系：得到材料的刚度。

进一步地，拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数试制试件，并测量试件的力学参数，以确定试件材料水膏比的步骤包括：

S1、固定硅藻土的添加量为1％，取模型石膏与水的比例为1：1；

S2、以环为单位整体浇筑出盾构隧道管片环试件；

S3、测试并记录管片环试件的单轴抗压强度，判断管片环试件的单轴抗压强度是否大于设定值；

S4、当管片环试件的力学参数小于设定值时，将模型石膏的比例增加2％至10％，；当试件的力学参数大于设定值时，将模型石膏的比例减少2％至10％，直到管片环试件的单轴抗压强度与设定值之差小于5％；

S5、将得到的不同水膏比的管片环试件的单轴抗压强度通过线性回归，拟合成曲线，并找到水膏比的目标配合比。

进一步地，将管片衬砌环沿纵向拼接构成管片衬砌模型的方式包括通缝拼装和错缝拼装。

本发明还提供了一种用于盾构隧道纵向模型试验的衬砌模型，其包括若干相互拼接的管片环，所述管片环的侧边上开设有割槽，邻接的管片环外侧壁上均匀粘设有纵向接头片，所述纵向接头片呈工字型，纵向接头片的两端翼板分别铺设于邻接两个管片环上。

上述技术方案中，优选的，纵向接头片的材质为PE材料。

本发明提供的上述用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法的主要有益效果在于：

通过结合相似原理并依据管片接头的力学特性，采用石膏硅藻土作为管片的相似材料，保证相似材料的物理力学性能与混凝土更为相近；通过计算选用和限定模拟管片纵向接头的材料刚度，用纵向接头片等效模拟螺栓接头，在连接纵向管片环时，根据原型管片衬砌纵向螺栓的分布情况设置接头片的位置，可以有效体现出管片衬砌结构的纵向局部效应，在模型试验中实现了盾构隧道管片和接头的受力模式与实际工程相吻合，使模型试验结果更为可靠，可以更好的反应盾构隧道管片衬砌结构的力学行为及变形规律。

本发明提供的上述用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的主要有益效果在于：

通过用工字型接头片粘设于邻接管片环上，有效反应原有管片衬砌上纵向螺栓接头的力学影响效果和范围；通过开设割槽，有效模拟管片环不同部位在外荷载下的受力及变形特性，从而可以更好的反应盾构隧道管片衬砌结构的力学行为及变形规律。

通过采用石膏硅藻土作为管片的相似材料，保证相似材料的物理力学性能与混凝土更为相近；通过选用PE材料作为模拟管片纵向接头的接头片材料，能够好的模拟管片衬砌结构的纵向局部效应，保证模型试验中实现了盾构隧道管片和接头的受力模式与实际工程相吻合，进而提高模型试验结果的可靠性。

附图说明

图1为管片衬砌模型错缝拼接结构的示意图。

图2为管片衬砌模型的管片环割槽位置示意图。

图3为纵向接头的结构示意图。

图4为管片衬砌模型通缝拼接结构的示意图。

其中，1、管片环，2、割槽，3、纵向接头片，31、翼板，32、腹板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为管片衬砌模型错缝拼接结构的示意图。

本发明提供了一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型，其包括若干相互拼接的管片环1，管片环1的侧边上开设有割槽2，如图2所示，割槽2分别开设于管片环1的内侧壁和外侧壁，割槽2的位置与原衬砌管片结构上的横向接头位置相对应。

邻接的管片环1外侧壁上均匀粘设有纵向接头片3，如图3所示，纵向接头片3呈工字型，纵向接头片3的两端翼板31分别铺设于邻接两个管片环上，通过腹板32作为模拟连接管片环1的螺栓接头的作用。

纵向接头片3的材质为PE材料；所述管片环1的材质为水、模型石膏与硅藻土的混合材料。

通过用工字型接头片粘设于邻接管片环上以作为纵向接头片3，有效反应原有管片衬砌上纵向螺栓接头的力学影响效果和范围；通过开设割槽2，有效模拟管片环1不同部位在外荷载下的受力及变形特性，从而可以更好的反应盾构隧道管片衬砌结构的力学行为及变形规律。

通过采用石膏硅藻土作为管片环1的材料，保证材料的物理力学性能与混凝土更为相近；通过选用PE材料作为模拟管片纵向接头的接头片材料，能够好的模拟管片衬砌结构的纵向局部效应，保证模型试验中实现了盾构隧道管片和接头的受力模式与实际工程相吻合，进而提高模型试验结果的可靠性。

下面是上述用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其包括如下步骤：

S1、获取待用于试验的管片衬砌结构的几何参数和力学参数。

其中，几何参数分别为管片衬砌结构的管片分块形式、内径、外径、厚度及幅宽，环向接头割槽深度以及连接管片环所需纵向接头片厚度、宽度；力学参数分别为其对应的弹性模量E和单轴抗压强度标准值f_cu,k，弹性模量E通过测量试件的高度h和截面面积A、单轴压缩试验中的试件压缩量Δh与对应的荷载N、试件破坏时的荷载P得到，弹性模量计算公式：

单轴抗压强度标准值计算公式：

其中，单轴压缩试验中的试件压缩量Δh与对应的荷载N、试件破坏时的荷载P等参数都是可以待用于试验的管片衬砌结构直接获得的特性参数。

S2、拟定几何相似比C_L，得到管片衬砌模型的几何参数。

需要得到的管片衬砌模型的几何参数与获取的管片衬砌结构几何参数相同；根据模型试验相似关系和准则，通过拟定几何相似比C_L＝n，可以得到满足实验需要的大小的管片衬砌模型的几何参数。

S3、拟定弹性模量相似比C_E，得到管片衬砌模型的力学参数。

需要得到的管片衬砌模型的力学参数与获取的管片衬砌结构力学参数相同；通过公式：

可以得到管片衬砌模型的弹性模量E和单轴抗压强度值f_cu。

S4、拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数试制管片环试件。

S5、测量管片环试件的力学参数，判断管片环试件对应力学参数是否等于设定值。

进一步地，待测量的试件力学参数为单轴抗压强度f_cu,t，通过单轴抗压强度试验可得到该值；设定值为单轴抗压强度标准值f_cu。

S6、若管片环试件的力学参数不等于设定值，调整水膏比，重复步骤S4、S5，直到试件的力学参数与设定值之差小于5％，将多次测得的水膏比与力学参数的关系拟合成曲线，以确定当管片环试件的力学参数等于设定值时对应的水膏比值。

进一步地，拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数试制试件，并测量试件的力学参数，以确定试件材料水膏比的步骤包括：

S6-1、固定硅藻土的添加量为1％，取模型石膏与水的比例为1：1。

S6-2、以环为单位整体浇筑出盾构隧道管片环模型试件。

S6-3、测试并记录试件的单轴抗压强度，判断试件的单轴抗压强度是否大于设定值。

S6-4、当试件的力学参数小于设定值时，将模型石膏的比例增加2％至10％；当试件的力学参数小于设定值时，将模型石膏的比例减少2％至10％，直到试件的单轴抗压强度与设定值之差小于5％。

S6-5、将得到的不同水膏比的试件的单轴抗压强度通过线性回归，拟合成曲线，并找到水膏比的目标配合比。

满足需要的水膏比的取值通常需要通过线性回归拟合得到，通过重复试验，得到水膏比与单轴抗压强度的变化关系，可以方便的计算出满足需要的水膏比取值。

S7、根据水膏比值制作材料，根据计算得到的几何参数浇筑出单个盾构隧道管片衬砌环。

浇筑出的盾构隧道管片衬砌环为若干个互不相连的管片环1结构。

S8、在管片衬砌环1上开设割槽2。

基于管片衬砌结构环向接头抗弯刚度等效原理，根据结构受拉区割槽的原则，在管片环1的内外侧环向接头对应部位进行割槽2，以等效模拟环向接头对结构的刚度弱化效应。

进一步地，管片衬砌环1上开设割槽2的位置，为管片衬砌环1与原管片衬砌结构的环向拼接处对应的位置处，割槽2均设置于衬砌环的内壁和外壁上。

如图1所示，管片环1的上端和下端的割槽2的位置在管片环1的内侧，管片环1左右两侧的割槽2位置在管片环1外侧，且割槽2均布设置于管片环1上。

S9、根据几何相似比C_L和弹性模量相似比C_E，计算得到用于制作纵向接头片3的材料的刚度k，并根据刚度k选择纵向接头片的材料，制作纵向接头片。

取k为弹簧刚度系数，E为接头弹性模量，A为接头横截面面积，l为接头的长度，则材料刚度k的计算公式为：

取C_k为弹性刚度系数相似比，C_L为几何相似比，C_E为弹性模量相似比；则根据模型试验相似关系，弹簧刚度系数的等效关系为：

C_k＝C_EC_L

根据原型隧道管片纵向接头的力学参数，选用刚度匹配的PE材料制作连接管片环的纵向接头片。

S10、将管片衬砌环1沿纵向拼接，并通过纵向接头片3粘接，得到管片衬砌结构模型。

进一步地，纵向接头片3设置的位置，为管片衬砌环1与原管片衬砌结构的纵向接头对应的位置处，纵向接头片3均设置于衬砌环1的外壁上。

通过在邻接的管片环1上与待实验管片衬砌结构的纵向接头对应位置上粘设纵向接头片3，将纵向接头片的翼板31分别粘设于邻接的管片环1上，构成完整的管片衬砌模型，用纵向接头片3等效模拟螺栓接头，在连接纵向管片环1时，根据原型管片衬砌纵向螺栓的分布情况设置纵向接头片3的位置，可以有效体现出管片衬砌结构的纵向局部效应，在模型试验中实现了盾构隧道管片和接头的受力模式与实际工程相吻合，使模型试验结果更为可靠，可以更好的反应盾构隧道管片衬砌结构的力学行为及变形规律。

进一步地，将管片衬砌环沿纵向拼接构成管片衬砌结构模型的方式包裹通缝拼装和错缝拼装，分别如图1和图4所示。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其包括如下步骤：

S1、获取待用于试验的管片衬砌结构的几何参数和力学参数；

S2、拟定几何相似比C_L，得到管片衬砌模型的几何参数；

S3、拟定弹性模量相似比C_E，得到管片衬砌模型的力学参数；

S4、拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数制作管片环试件；

S5、测量管片环试件的力学参数，判断管片环试件对应力学参数是否等于设定值；

S6、若管片环试件的力学参数不等于设定值，调整水膏比，重复步骤S4、S5，直到试件的力学参数与设定值之差小于5％，将多次测得的水膏比与力学参数的关系拟合成曲线，以确定当管片环试件的力学参数等于设定值时对应的水膏比值；

S7、根据水膏比值制作材料，根据计算得到的几何参数浇筑出单个盾构隧道管片衬砌环；

S8、在管片衬砌环上开设割槽；

S9、根据几何相似比C_L和弹性模量相似比C_E，计算制作纵向接头片的材料的刚度k，并根据刚度k选择纵向接头片的材料，制作纵向接头片；

S10、将管片衬砌环沿纵向拼接，并通过纵向接头片粘接，得到管片衬砌结构模型。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述管片衬砌结构和管片衬砌模型的几何参数分别为其对应的管片拼接方式、内径、外径、厚度及幅宽，环向接头割槽深度以及连接管片环所需纵向接头片厚度、宽度；力学参数分别为其对应的弹性模量E和单轴抗压强度标准值f_cu。

3.根据权利要求2所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述待测量的试件力学参数为单轴抗压强度f_cu,t，所述设定值为单轴抗压强度标准值f_cu。

4.根据权利要求1所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述管片衬砌环上开设割槽的位置，为管片衬砌环与原管片衬砌结构的环向拼接处对应的位置处，割槽均设置于衬砌环的内壁和外壁上。

5.根据权利要求1所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述纵向接头片设置的位置，为管片衬砌环与原管片衬砌结构的纵向接头对应的位置处，纵向接头片均设置于衬砌环的外壁上。

6.根据权利要求1所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述拟定弹性模量相似比C_E，得到管片衬砌模型的力学参数的具体步骤包括：

S1、根据体积力相似比C_X、几何相似比C_L与弹性模量相似比C_E的关系：C_XC_L＝C_E，强度相似比C_R与弹性模量相似比C_E的关系：C_R＝C_E，取P为试件破坏时的荷载、A为试件截面积，可得到单轴抗压强度标准值

S2、根据接头横截面积A、接头长度l与材料刚度k的关系：得到材料的刚度。

7.根据权利要求2所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述拟定水膏比，根据拟定的管片衬砌模型几何参数和力学参数试制试件，并测量试件的力学参数，以确定试件材料水膏比的步骤包括：

S1、固定硅藻土的添加量为1％，取模型石膏与水的比例为1：1；

S2、以环为单位整体浇筑出盾构隧道管片环试件；

S3、测试并记录管片环试件的单轴抗压强度，判断管片环试件的单轴抗压强度是否大于设定值；

S4、当管片环试件的力学参数小于设定值时，将模型石膏的比例增加2％至10％，；当试件的力学参数大于设定值时，将模型石膏的比例减少2％至10％，直到管片环试件的单轴抗压强度与设定值之差小于5％；

S5、将得到的不同水膏比的管片环试件的单轴抗压强度通过线性回归，拟合成曲线，并找到水膏比的目标配合比。

8.根据权利要求1所述的用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型的制作方法，其特征在于，所述将管片衬砌环沿纵向拼接构成管片衬砌模型的方式包括通缝拼装和错缝拼装。

9.一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型，其特征在于，包括若干相互拼接的管片环，所述管片环的侧边上开设有割槽，邻接的管片环外侧壁上均匀粘设有纵向接头片，所述纵向接头片呈工字型，纵向接头片的两端翼板分别铺设于邻接两个管片环上。

10.根据权利要求9所述的一种用于盾构隧道纵向模型试验的管片衬砌模型，其特征在于，所述纵向接头片的材质为PE材料。