CN109357939A - 盾构空推现场试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构空推现场试验方法，包括如下步骤：(1)千斤顶顶推和螺栓预紧的影响监测；(2)隧道纵向变形分析；(3)管片环缝处的防水性能监测。本发明采用上述盾构空推现场试验方法，能够分析千斤顶推力和螺栓预紧力的分布特征及变化规律、盾构隧道衬砌结构的三维空间受力和变形特征，对于未来地下交通的建设与发展有着至关重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，特别是涉及一种盾构空推现场试验方法。
背景技术
盾构隧道施工过程中导致管片上浮的主导因素是盾构掘进速度过快、浆液凝结时间长、注浆压力过大、千斤顶推力偏心、上覆土厚度较小等。同样，盾构隧道运营期间，受到附加超载和卸荷作用，也会产生不均匀沉降和上浮，而管片需要上浮和沉降势必会导致环缝处错台的发生。从力学原理上分析，管片产生错台，需要克服环缝处的摩擦力和连接螺栓的剪切抗力。而在常规的盾构管片设计中，为了拼装方便，往往使螺栓孔的尺寸大于螺栓的直径，以致在实际工程中管片发生错台，首先克服的是环缝处的摩擦力。而环缝处摩擦力的大小主要取决于管片接缝处的垂直压力和混凝土界面摩擦系数。这其中，混凝土界面摩擦系数往往可以通过室内试验得到。而管片接缝处的垂直压力大小主要与盾构拼装施工中螺栓上施加的预紧力和千斤顶推力有关。千斤顶推力对管片环缝处产生的压力并非始终保持不变，管片拼装过程中，千斤顶收缩往往会使管片环缝处的压力衰减。
目前，大多根据施工经验给出了环缝处管片压力的衰减幅度，但是并没有任何数据支撑。国内外对盾构隧道纵向变形的试验研究，仅有室内模型试验，并且所有试验均未考虑千斤顶推力的作用，以致现有理论计算模型中涉及到千斤顶推力的计算取值，仅是一个估算值。
在附加外力作用下，隧道会产生收敛变形。伴随着隧道收敛变形的发展，在同一环管片不同位置纵缝连接处将产生不同程度的错台和张开现象，管片同样需要克服纵缝处螺栓的剪切抗力和混凝土界面的摩擦力，除此之外，还需要克服环缝处混凝土界面的摩擦阻力。而对于纵缝处受力性能的研究，目前无现场试验和室内模型试验的支撑。
衬砌结构受力和变形是一个三维空间问题，不同位置处千斤顶推力的变化，以及螺栓预紧力的改变将会影响衬砌结构整体的受力和变形效果，没有实际工程数据和室内模型试验数据的支撑，进而导致目前的设计相对保守，同时在特殊环境下存在结构安全隐患。
由于衬砌结构的受力与变形密切相关，具有空间性。随着隧道纵向不均匀变形形态的改变，力在环缝与纵缝间不断分配与传递，各环缝与各纵缝的受力特征也在随之变化，并且相辅相成，彼此间相互影响与相互作用。目前研究多数忽视了横纵向性能间的相互作用机理，将衬砌结构三维空间受力问题分离为横向与纵向两个独立的问题单独研究，很少考虑剪切荷载传递效应与接缝处错台变形的相关性问题。
管片厂进行的高水压下密封垫防水试验，是在管片接缝不发生张开和错台的工况下进行的。当盾构隧道产生纵向不均匀沉降和收敛变形时，往往导致接缝错台和张开，这势必影响接缝处的防水性能。该问题的解决对于运营地铁盾构隧道安全具有至关重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种盾构空推现场试验方法，能够分析千斤顶推力和螺栓预紧力的分布特征及变化规律、盾构隧道衬砌结构的三维空间受力和变形特征，对于未来地下交通的建设与发展有着至关重要的意义。
为实现上述目的，本发明提供了一种盾构空推现场试验方法，包括如下步骤：
(1)千斤顶顶推和螺栓预紧的影响监测
a.在管片的环面和侧面安装压力传感器，相邻的管片之间通过侧缝压力环连接，侧缝压力环与压力传感器均通过传感器导线与实验设备连接；
b.在管片第14环和第30环的顶部放置千斤顶，第14环管片和第30环管片的封顶块位于1点钟位置；
c.在管片第11环和第18环的顶部放置千斤顶，第11环管片的封顶块位于4点钟位置，第18环管片位于封顶块的1点钟位置；
d.在管片第22环和第26环的顶部放置千斤顶，第22环管片的封顶块位于1点钟位置，第26环管片的封顶块位于1点钟位置；
(2)隧道纵向变形分析
a.在管片第16环管片的顶部进行千斤顶加载，第16环管片的管片上中心线的左右两侧设有第一激光位移传感器，在环路结构梁的下方设有第一钢板，在第16环管片的上方设有弧度一致的第二钢板，第一钢板与第二钢板之间设有千斤顶，第一钢板与第16环管片之间设有第一激光位移传感器；
管片的下方设有弧形凹槽结构的导向台，所述导向台与所述管片连接的两侧设有木楔；
b.对称的撤出管片下方的木楔，人为使管片产生纵向不均匀变形，过程中每对称撤出两环管片的木楔，对管片全断面变形形态、环缝和纵缝张开量及错台量、封底块沉降、隧道的椭圆度监测，以及监测管片第11环、第14环、第18环、第22环、第26环、第30环接缝处压力的变化规律及分布特征；
(3)管片环缝处的防水性能监测
两个反力架之间通过反力梁连接，反力架之间设有两片通过连接螺栓连接的管片，管片下方设有用于支撑的支墩，左侧管片的顶部设有弧度一致的第三钢板，反力梁下方设有第四钢板，第三钢板与第四钢板之间设有千斤顶，右侧管片的外侧设有与反力架连接的千斤顶，使用不同水压对管片进行防水试验。
优选的，步骤(1)中压力传感器以2个为一组，相邻的压力传感器组之间设有螺栓。
优选的，步骤(1)中管片上安装压力传感器的位置为方体结构的压力传感器盒，压力传感器与管片之间设有缓冲层，压力传感器的外侧套设有固定环，固定环的外部设有与压力传感器连接的应变片，管片的一侧还设有与压力传感器盒连通的出线槽。
因此，本发明采用上述盾构空推现场试验方法，能够分析千斤顶推力和螺栓预紧力的分布特征及变化规律、盾构隧道衬砌结构的三维空间受力和变形特征，对于未来地下交通的建设与发展有着至关重要的意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明盾构空推现场试验方法中组装后管片实施例的正视图；
图2是本发明盾构空推现场试验方法中组装后管片实施例的立体图；
图3是本发明盾构空推现场试验方法中管片环面实施例的示意图；
图4是本发明盾构空推现场试验方法中管片端面实施例的示意图；
图5是本发明盾构空推现场试验方法中压力监测管片实施例的示意图；
图6是本发明盾构空推现场试验方法中隧道纵向变形现场足尺实验的效果图；
图7是本发明盾构空推现场试验方法中隧道纵向变形现场足尺实验的侧视图；
图8是本发明盾构空推现场试验方法中压力传感器安装结构实施例的示意图；
图9是本发明盾构空推现场试验方法中环缝处防水性能实验的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
图1是本发明盾构空推现场试验方法中组装后管片实施例的正视图，图2是本发明盾构空推现场试验方法中组装后管片实施例的立体图，图3是本发明盾构空推现场试验方法中管片环面实施例的示意图，图4是本发明盾构空推现场试验方法中管片端面实施例的示意图，图5是本发明盾构空推现场试验方法中压力监测管片实施例的示意图，图6是本发明盾构空推现场试验方法中隧道纵向变形现场足尺实验的效果图，图7是本发明盾构空推现场试验方法中隧道纵向变形现场足尺实验的侧视图，图8是本发明盾构空推现场试验方法中压力传感器安装结构实施例的示意图，图9是本发明盾构空推现场试验方法中环缝处防水性能实验的示意图，如图1-9所示，一种盾构空推现场试验方法，包括如下步骤：
(1)千斤顶顶推和螺栓预紧的影响监测
管片逐环拼装过程中，由千斤顶顶推产生的环间压力势必伴随千斤顶的收缩而衰弱。而与环间压力相关的混凝土界面摩阻力也将随之减小，进而使环缝处的剪切抗力降低，导致环缝错台的概率增加。与环缝压力相关的施工因素初步概括为几个方面：1)千斤顶推力大小；2)一次伸缩千斤顶的数量；3)封顶块布设位置；4)纵向螺栓的预紧力施加的时间和大小，以下针对4个主要因素展开试验，具体如下：
a.组装管片并在管片的环面和侧面安装压力传感器，压力传感器均通过传感器导线与实验设备连接，相邻的管片之间通过侧缝压力环连接，压力传感器以2个为一组，相邻的压力传感器组之间设有螺栓；
管片上安装压力传感器的位置为方体结构的压力传感器盒，压力传感器与管片之间设有缓冲层，缓冲层为泡沫块；压力传感器的外侧套设有固定环，管片的一侧还设有与压力传感器盒连通的出线槽，固定环的外部设有应变片；
b.监测千斤顶推力大小：在管片第14环和第30环的顶部放置千斤顶，第14环和第30环的封顶块位于1点钟位置；
覆土厚度(或埋深)不同作用在盾构机刀盘和壳体上的压力也随之不同，为了平衡外部压力，千斤顶推力的设定值自然不同。不同的千斤顶推力会导致不同的环缝压力，并且千斤顶回收时，环缝压力的消散规律也可能不同。此外，千斤顶推力对脱离盾尾管片环缝压力的影响应随着与千斤顶距离的增加，而逐渐减小。在环片14和环片30各型号管片拼装位置一致，并且管片拼装时间相同的情况下，分析千斤顶顶推力大小对盾尾管片环缝处压力衰减规律的影响，由此分析千斤顶推力对盾尾上浮和运营期衬砌结构受力产生的影响。
c.管片拼装顺序和千斤顶一次伸缩数量的影响监测：在管片第11环和第18环的顶部放置千斤顶，第11环的封顶块位于4点钟位置，第18环位于封顶块的1点钟位置；
管片拼装过程中，过多回收千斤顶，不仅会使盾构机后退，也会导致环缝压力大量卸载，对于控制盾尾上浮极其不利。为此，会要求拼装特定管片，回收对应位置的千斤顶，不应大范围回收千斤顶，导致上述不利现象的产生。此外，管片拼装顺序与千斤顶的伸缩顺序是相对应的，拼装顺序不同，盾尾管片环缝处的压力分布也不同，导致盾尾管片纵向变形和受力也随之变化，需要进一步分析和探讨。在上面现场试验基础上，增加2组管片(环号11、18)试验，其中管片(环号11)试验(设定封顶块位置在4点方位)用于分析管片拼装顺序对环缝压力的影响，管片(环号18)试验(设定封顶块位置在1点方位)用于分析千斤顶一次伸缩数量对环缝压力的影响，并与管片(环号14)试验结果进行对比，分别研究管片拼装顺序和千斤顶一次伸缩数量对盾尾环缝压力分布的影响。
d.纵向螺栓预紧力施加的时间和大小：在管片第22环和第26环的顶部放置千斤顶，第22环的封顶块位于1点钟位置，第26环的封顶块位于1点钟位置；
对纵向螺栓施加预紧力，会增加环缝处的混凝土界面压力和摩阻力，进而使隧道纵向变形刚度增加，减小环缝处的相对位移和转动，同时也对隧道收敛变形产生一定限制作用。在上面现场试验基础上，增加2组管片(环号22、26)试验，其中管片(环号22)试验(设定封顶块位置在/1点方位)，与管片(环号14)试验结果进行对比，用于分析纵向螺栓预紧力施加时间对环缝压力的影响；管片(环号26)试验(设定封顶块位置在/1点方位)，与管片(环号22)试验结果进行对比，用于分析纵向螺栓预紧力施加大小对环缝压力的影响。
(2)隧道纵向变形分析
a.在管片第16环的顶部进行千斤顶加载，第16环的管片上中心线的左右两侧设有第一激光位移传感器，在环路结构梁的下方设有第一钢板，在第16环管片的上方设有弧度一致的第二钢板，第一钢板与第二钢板之间设有千斤顶，第一钢板与第16环管片之间设有第一激光位移传感器，管片的下方设有弧形凹槽结构的导向台，导向台与管片连接的两侧设有木楔；
b.对称的撤出管片下方的木楔，人工使管片产生纵向不均匀变形，过程中每对称撤出两环管片的木楔，对管片全断面变形形态，环缝、纵缝张开量和错台量，封底块沉降，隧道的椭圆度，以及环片(11、14、18、22、26、30)接缝处压力的变化规律及分布特征。
随着隧道纵向不均匀变形形态的改变，每个环缝处的变形特征、每一环的收敛变形及环内各纵缝处的变形特征均在随之变化。尽管各环缝处的变形特征、各环的收敛变形及环内纵缝处的变形特征各不相同，但它们彼此间以及与结构纵向不均匀变形形态间却有着内在联系。本发明通过现场足尺试验，探讨衬砌结构三维空间变形特征及相关性问题，对于研究衬砌结构三维空间受力特征和评判接缝处安全状态均具有重要实际意义。
此外，对横向连接螺栓施加预紧力，会增加纵缝处的混凝土界面压力和摩阻力，进而使隧道横向变形刚度增加，减小同一环中各管片间的相对位移量，进行减小隧道的收敛变形；对纵向螺栓施加预紧力，会增加环缝处的混凝土界面压力和摩阻力，进而使隧道纵向变形刚度增加，减小环缝处的相对位移和转动，同时也对隧道收敛变形产生一定限制作用。
(3)管片环缝处的防水性能监测
两个反力架之间通过反力梁连接，反力架之间设有通过连接螺栓连接的两片管片，管片下方设有支墩支撑，左侧管片的顶部设有第一钢板，反力梁的西方设有第二钢板，第一钢板与第二钢板之间设有千斤顶，右侧管片的外侧设有与反力架连接的千斤顶，使用不同水压对管片进行防水试验。
管片厂进行的高水压下密封垫防水试验，是在管片接缝不发生张开和错台的工况下进行的。但实际工程中，当盾构隧道产生纵向不均匀沉降和收敛变形时，往往导致接缝错台和张开，这势必影响接缝处的防水性能。为此，使用3种不同水压力下，在管片发生错台时，监测接缝渗漏水的情况。
因此，本发明采用上述盾构空推现场试验方法，能够分析千斤顶推力和螺栓预紧力的分布特征及变化规律、盾构隧道衬砌结构的三维空间受力和变形特征，对于未来地下交通的建设与发展有着至关重要的意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种盾构空推现场试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)千斤顶顶推和螺栓预紧的影响监测
a.在管片的环面和侧面安装压力传感器，相邻的管片之间通过侧缝压力环连接，侧缝压力环与压力传感器均通过传感器导线与实验设备连接；
b.在管片第14环和第30环的顶部放置千斤顶，第14环管片和第30环管片的封顶块位于1点钟位置；
c.在管片第11环和第18环的顶部放置千斤顶，第11环管片的封顶块位于4点钟位置，第18环管片位于封顶块的1点钟位置；
d.在管片第22环和第26环的顶部放置千斤顶，第22环管片的封顶块位于1点钟位置，第26环管片的封顶块位于1点钟位置；
(2)隧道纵向变形分析
a.在管片第16环管片的顶部进行千斤顶加载，第16环管片的管片上中心线的左右两侧设有第一激光位移传感器，在环路结构梁的下方设有第一钢板，在第16环管片的上方设有弧度一致的第二钢板，第一钢板与第二钢板之间设有千斤顶，第一钢板与第16环管片之间设有第一激光位移传感器；
管片的下方设有弧形凹槽结构的导向台，所述导向台与所述管片连接的两侧设有木楔；
b.对称的撤出管片下方的木楔，人为使管片产生纵向不均匀变形，过程中每对称撤出两环管片的木楔，对管片全断面变形形态、环缝和纵缝张开量及错台量、封底块沉降、隧道的椭圆度监测，以及监测管片第11环、第14环、第18环、第22环、第26环、第30环接缝处压力的变化规律及分布特征；
(3)管片环缝处的防水性能监测
两个反力架之间通过反力梁连接，反力架之间设有两片通过连接螺栓连接的管片，管片下方设有用于支撑的支墩，左侧管片的顶部设有弧度一致的第三钢板，反力梁下方设有第四钢板，第三钢板与第四钢板之间设有千斤顶，右侧管片的外侧设有与反力架连接的千斤顶，使用不同水压对管片进行防水试验。
2.根据权利要求1所述的一种盾构空推现场试验方法，其特征在于：步骤(1)中压力传感器以2个为一组，相邻的压力传感器组之间设有螺栓。
3.根据权利要求2所述的一种盾构空推现场试验方法，其特征在于：步骤(1)中管片上安装压力传感器的位置为方体结构的压力传感器盒，压力传感器与管片之间设有缓冲层，压力传感器的外侧套设有固定环，固定环的外部设有与压力传感器连接的应变片，管片的一侧还设有与压力传感器盒连通的出线槽。
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