CN108918254A - 模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置及其方法，包括一节由盾构管片组成的盾构管，盾构管内壁设置有密封层，两端设置有密封层侧板，密封层和密封层侧板组成的密封空间内纵向布置有PVC管；盾构管端部设置有浇筑口，通过预留浇筑管道接入PVC管之间的预留浇筑空间中；PVC管之间的间隙中布置有预留加热丝，与外部的温度控制系统相接；盾构管内外壁分别设置有内侧应变片和外侧应变片，与外部的应力应变控制系统相接。本发明能有效的模拟装置系统来模拟管片初始应力场，精确的测量管片的初始应力，对地铁盾构的设计和施工给出科学合理的依据。
Description
技术领域
本发明属于土木工程试验技术领域，适用于地铁、市政、山岭工程等隧道管片或者衬砌动静力室内试验，具体涉及一种模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置及方法。
背景技术
目前，随着城市化进程越来越快，城市地铁已经得到了快速的发展，盾构法施工也为地铁建设提供技术与安全保证。盾构管片是城市地铁或者城市管廊工程中采用盾构法施工的一种支护结构。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，进而形成支护结构。待其稳定后，支护结构处于一定的应力场作用下来保证整个结构的稳定。
为了保证地铁管片处于安全的状态，同时确保隧道管片长期寿命满足设计年限，需要对管片的受力与变形特性进行进一步的研究。在研究管片的结构特性时，需要进行理论研究、计算机仿真与大量的室内模拟实验。由于管片的特殊性，一般在工程现场难以实现，因此需要按照一定的缩尺比例制作试验模型，进而研究管片结构受力与变形特性。在盾构隧道管片拼装完成后，管片与地层结构共同承担上部地层荷载，即在施加其它荷载之前管片中已存在的应力，在研究管片在外载荷作用下其结构特性时必须考虑其初始地应力。
目前，对于管片的初始应力场研究，主要有理论研究、数值模拟与室内试验：
（1）论文《盾构通过矿山法隧道复合支护的管片内力解析解及应用》（2014）与《地铁盾构隧道管片结构初始状态的数值模拟分析》（2013）都基于弹塑性假设与平面应变状态，从理论与仿真的角度来模拟了管片的初始应力场，得出管片初始应力变化规律，用于指导实际工程施工。往往实际过程是复杂的状态，并不是理想材料，因此导致其理论在实践应用过程中存在很大的局限性。
（2）专利权人为北京工业大学，中国专利申请号201210096526.5与201410146941.6，介绍了一种岩石隧道振动台试验模拟围岩地应力的自加载装置。该装置包括气囊、空气压缩机与减压阀等的模型箱体，可以对气囊加压，使压力能竖向加载到模型上，同时也解决不同埋深问题的初始地应力场。但是对于考虑到隧道开挖对其地层的影响，该方法具有一定的局限性，同时也测量不了管片的初始应力场。
（3）专利权人为西南交通大学，中国专利申请号201510674137.X，介绍了一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置及方法。该装置包括模型箱系统、聚氯胺液囊与加热装置，可以模拟由于空洞的存在导致地应力场的重新分布。对于盾构隧道开挖对于地层应力的影响，该发明并没有考虑，对于测到的管片的初始应力场仅仅包含空洞的影响，因此存在一定的缺陷，使得测量数据有一定的偏差。
（4）目前，在室内试验过程中，一般主要研究管片的静力破坏特征，管片的初始应力对其影响微弱，因此不考虑管片的初始应力。但是对于研究管片的疲劳荷载或者爆炸荷载，管片初始应力对其至关重要，直接影响到地铁管片结构的疲劳寿命预测与抗爆炸承载能力计算。
综上，目前在室内试验过程中，只考虑了深埋隧道的地应力场问题，对于城市浅埋隧道还未考虑。同时，室内研究主要侧重于管片的静力破坏特征，管片的初始应力对其影响微弱，并不考虑管片的初始应力。但是对于研究管片的疲劳荷载或者爆炸荷载，管片初始应力对其至关重要，直接影响到地铁管片结构的疲劳寿命预测与抗爆炸承载能力计算。同时，模型试验隧道上方铺装与夯实土层，使管片一致处于没有内部支撑状态下受力，对管片结构的稳定与安全有重要影响，严重会直接使管片由于受力过大直接破坏，因此，需要研发一种有效的模拟装置系统来模拟管片初始应力场，精确的测量管片的初始应力，对地铁盾构的设计和施工给出科学合理的依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置及方法，可以有效的测量管片或者衬砌等结构的初始应力场，解决室内模型试验如何获取隧道管片初始应力场的问题，为管片结构的设计和施工提供更加可靠与科学的试验依据，同时保障盾构隧道在施工与运营期间的安全与耐久。
本发明所采用的技术方案为：
模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
包括一节由盾构管片组成的盾构管，盾构管内壁设置有密封层，两端设置有密封层侧板，密封层和密封层侧板组成的密封空间内纵向布置有PVC管；
盾构管端部设置有浇筑口，通过预留浇筑管道接入PVC管之间的预留浇筑空间中；
PVC管之间的间隙中布置有预留加热丝，与外部的温度控制系统相接；
盾构管内外壁分别设置有内侧应变片和外侧应变片，与外部的应力应变控制系统相接。
盾构管内壁的密封层外还设置有隔热层。
PVC管包括管径不同的多种PVC管，包括大号PVC管、中号PVC管和小号PVC管，间隔分布。
盾构管管壁上设置有预留排气管道。
盾构管管壁上设置有预留排液管道。
预留排液管道的管道口设置有密封口。
应力应变控制系统接入微机控制系统并互通。
内侧应变片和外侧应变片的环向布置间隔角度为22.5°。
模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：搭建预埋构件系统：
先放置隔热层与密封层，在密闭空间中放置大号PVC管、中号PVC管与小号PVC管，同时在PVC管周边布置预留加热丝；
在密闭空间中，安装预留排气孔道、预留排液通道与预留浇筑管道，同时安装密封口与浇注口；
最后安装密封层两侧的密封层侧板，整个预埋构件完成；
步骤二：浇筑管片内部空间形成一个整体：
通过浇注口、预留浇筑管道与预留排气孔道，浇筑液体，充满整个密封空间，等待液体的热量散发使液体转变为固体；
步骤三：管片上部填土：
管片中的固体充满了整个空间，在内部约束管片径向位移，保证管片结构的稳定与安全，同时管片与固体形成的整体能够承受额外的荷载， 故可以开展上部的填土工作；
步骤四：固体融化并测量管片应力：
将预留加热丝连接到温度控制系统，管片内外侧应变片连接到应力应变控制系统，应力应变控制系统连接微机控制系统，通过温度控制系统控制预留加热丝温度，达到一定的温度后固体会融化为液体，液体通过预留排液孔道与密封口从密闭空间排出；
同时在固体融化时刻，管片与土层共同承受上部土层荷载，管片结构逐渐处于受力状态，此时通过微机控制系统与应力应变控制系统时刻监控与记录管片应力。
本发明具有以下优点：
1）本发明能解决室内试验盾构管片在上部铺装过程中，保证管片结构的稳定性，同时管片结构不发生局部破坏；
2）本发明在固体融化阶段，实时监控与记录管片的受力状态，保证所测量数据的真实性；
3）本发明能解决不同埋深的管片受力状态，管片与固体形成的整体能承受不同埋深土层的厚度，因此为以后室内试验提供一种行之有效的方法。
4）本发明有效的模拟装置系统来模拟管片初始应力场，精确的测量管片的初始应力，对地铁盾构的设计和施工给出科学合理的依据。
附图说明
图1为本发明平面结构图。
图2为本发明侧面展开图。
图3为盾构管片结构图。
图4为试验方法流程图。
图中，1-大号PVC管，2-中号PVC管，3-小号PVC管，4-密封层，5-隔热层，6-盾构管片，7-预留浇筑空间，8-预留加热丝，9-温度控制系统，10-微机控制系统，11-应力应变控制系统，12-密封层侧板，13-预留排气管道，14-预留排液管道，15-密封口，16-预留浇筑管道，17-浇筑口，18-内侧应变片，19-外侧应变片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，包括一节由盾构管片6组成的盾构管，盾构管内壁设置有密封层4（材料可选用防水土工布），端部设置有密封层侧板12（材料可选用覆膜板），密封层4和密封层侧板12组成的密封空间内纵向布置有PVC管。盾构管内壁的密封层4外还设置有隔热层5（材料可选用玻璃纤维布）。
盾构管管壁上设置有浇筑口17，通过预留浇筑管道16接入PVC管之间的预留浇筑空间7中。PVC管之间的间隙中布置有预留加热丝8（可选用2mm的铁铬铝电热丝），与外部的温度控制系统9（可选用WK-SM3A时间温度控制器）相接。盾构管内外壁分别设置有内侧应变片18和外侧应变片19（可选用BE120-5AA型号），内侧应变片18和外侧应变片19的环向布置间隔角度为22.5°，与外部的应力应变控制系统11（可选用TST3826F型号）相接，应力应变控制系统11接入微机控制系统10并互通。
PVC管包括管径不同的多种PVC管，包括大号PVC管1、中号PVC管2和小号PVC管3，间隔分布。由于PVC管是圆形的，直径大PVC管的放置在盾构管内会有很大的空隙，这个时候需要直径小的PVC管进行填充，后续以此类推。这种形式的布局优点是不同直径的PVC会形成致密结构，使其承载力大大提高。
盾构管管壁上设置有预留排气管道13。盾构管管壁上设置有预留排液管道14。预留排液管道14的管道口设置有密封口15。
基于上述装置的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验方法，由以下步骤实现：
步骤一：搭建预埋构件系统：
先放置隔热层5与密封层4，在密闭空间中放置大号PVC管1、中号PVC管2与小号PVC管3，同时在PVC管周边布置预留加热丝8；
在密闭空间中，安装预留排气孔道13、预留排液通道14与预留浇筑管道16，同时安装密封口15与浇注口17；
最后安装密封层4两侧的密封层侧板12，整个预埋构件完成；
步骤二：浇筑管片内部空间形成一个整体：
通过浇注口17、预留浇筑管道16与预留排气孔道13，浇筑液体，充满整个密封空间，等待液体的热量散发使液体转变为固体（液体可选为石蜡，或者其它熔点在60℃~80℃范围的固体）；
步骤三：管片上部填土：
管片中的固体充满了整个空间，在内部约束管片径向位移，保证管片结构的稳定与安全，同时管片与固体形成的整体能够承受额外的荷载， 故可以开展上部的填土工作；
步骤四：固体融化并测量管片应力：
将预留加热丝8连接到温度控制系统9，管片内外侧应变片连接到应力应变控制系统11，应力应变控制系统11连接微机控制系统10，通过温度控制系统9控制预留加热丝8温度，达到一定的温度后固体会融化为液体，液体通过预留排液孔道与密封口从密闭空间排出；
同时在固体融化时刻，管片与土层共同承受上部土层荷载，管片结构逐渐处于受力状态，此时通过微机控制系统10与应力应变控制系统11时刻监控与记录管片应力。
综上，本发明涉及的装置和方法具有以下特点：
1）盾构管片为实际模型中支护与受力结构，其上部有一定厚度的土层；2）温度控制系统连接预留加热丝，控制其温度，使内部固体能融化为液体；3）应力应变控制系统连接盾构管片的内外侧应变片，监控管片上受力状态；4）微机控制系统连接应力应变控制系统，能时刻显示管片受力的数值大小；5）隔热层起隔热作用，避免内部温度过高损坏内侧应变片，且温度过高应变片测量误差将大大的增加；密封层起密封作用，主要形成一个密闭的空间，为凝固的固体提供一定的空间；密封层侧板主要起支撑作用，防止液体侧压力过大损坏密封层；6）大号PVC管、中号PVC管与小号PVC管主要是占用密闭的空间，作为固体的骨架作用，提高固体的抗压能力，同时能减少固体的使用费用；7）浇筑口与预留浇筑管道为液体流入密闭空间提供通道；预留排气管道为密闭空间排除剩余的气体，使更多的液体能够进入；预留排液管道与密封口为管片应力测量过程固体融化为体液而排出提供通道。
本发明能真实模拟管片结构的变形，即管片结构的变形与实际盾构隧道开挖过程中管片受力过程类似，管片与地层共同承担上部荷载，能解决室内试验盾构管片在上部铺装过程中，保证管片结构的稳定性，同时管片结构不发生局部破坏；在固体融化阶段，实时监控与记录管片的受力状态，保证所测量数据的真实性；能解决不同埋深的管片受力状态，管片与固体形成的整体能承受不同埋深土层的厚度，因此为以后室内试验提供一种行之有效的方法。适用于研究不同工况的管片受力特性，适用于室内模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验，同样适用于地铁、市政、山岭工程等隧道管片或者衬砌动静力室内试验，对地铁盾构的设计和施工给出科学合理的依据。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
包括一节由盾构管片（6）组成的盾构管，盾构管内壁设置有密封层（4），两端设置有密封层侧板（12），密封层（4）和密封层侧板（12）组成的密封空间内纵向布置有PVC管；
盾构管端部设置有浇筑口（17），通过预留浇筑管道（16）接入PVC管之间的预留浇筑空间（7）中；
PVC管之间的间隙中布置有预留加热丝（8），与外部的温度控制系统（9）相接；
盾构管内外壁分别设置有内侧应变片（18）和外侧应变片（19），与外部的应力应变控制系统（11）相接。
2.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
盾构管内壁的密封层（4）外还设置有隔热层（5）。
3.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
PVC管包括管径不同的多种PVC管，包括大号PVC管（1）、中号PVC管（2）和小号PVC管（3），间隔分布。
4.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
盾构管管壁上设置有预留排气管道（13）。
5.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
盾构管管壁上设置有预留排液管道（14）。
6.根据权利要求5所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
预留排液管道（14）的管道口设置有密封口（15）。
7.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
应力应变控制系统（11）接入微机控制系统（10）并互通。
8.根据权利要求1所述的模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验装置，其特征在于：
内侧应变片（18）和外侧应变片（19）的环向布置间隔角度为22.5°。
9.模拟地铁盾构隧道管片初始应力的试验方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：搭建预埋构件系统：
先放置隔热层（5）与密封层（4），在密闭空间中放置大号PVC管（1）、中号PVC管（2）与小号PVC管（3），同时在PVC管周边布置预留加热丝（8）；
在密闭空间中，安装预留排气孔道（13）、预留排液通道（14）与预留浇筑管道（16），同时安装密封口（15）与浇注口（17）；
最后安装密封层（4）两侧的密封层侧板（12），整个预埋构件完成；
步骤二：浇筑管片内部空间形成一个整体：
通过浇注口（17）、预留浇筑管道（16）与预留排气孔道（13），浇筑液体，充满整个密封空间，等待液体的热量散发使液体转变为固体；
步骤三：管片上部填土：
管片中的固体充满了整个空间，在内部约束管片径向位移，保证管片结构的稳定与安全，同时管片与固体形成的整体能够承受额外的荷载， 故可以开展上部的填土工作；
步骤四：固体融化并测量管片应力：
将预留加热丝（8）连接到温度控制系统（9），管片内外侧应变片连接到应力应变控制系统（11），应力应变控制系统（11）连接微机控制系统（10），通过温度控制系统（9）控制预留加热丝（8）温度，达到一定的温度后固体会融化为液体，液体通过预留排液孔道与密封口从密闭空间排出；
同时在固体融化时刻，管片与土层共同承受上部土层荷载，管片结构逐渐处于受力状态，此时通过微机控制系统（10）与应力应变控制系统（11）时刻监控与记录管片应力。
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