CN109443930B - 一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法，测试装置包括两个相互平行的底部支架，底部支架上安装有固定架；底部支架间活动架设有两个相互平行的承载横梁，承载横梁间铺设有滑动板，滑动板与设置于待测管片衬砌上的滑动片配合抵接；测试方法包括将固定架和承载横梁安装于底部支架上，将测量机构和滑动板安装于承载横梁上等。本发明能够解决现有技术中盾构隧道模型试验方法未考虑隧道结构自重作用的问题，结构合理、可靠性强。

Description

一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程试验领域隧道及地下工程试验领域，具体涉及一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法。
背景技术
随着盾构隧道的广泛应用，其建设过程中所遇到的地形、地貌、地质条件及其所处周边建构筑环境日趋复杂，如频繁下穿地面建构筑物基础、上软下硬地层、江河湖海、堤坝等；建成后，由于基坑开挖、地面堆载、水位涨落、河床淤积、洪水冲淤等各种加卸载作用，均对隧道纵向受力及变形造成较大的影响，严重时甚至威胁隧道结构安全。
隧道结构作为线性结构，其纵向刚度的确定对于研究其纵向受力及变形特性具有重要意义。盾构隧道的衬砌结构由管片、横向接头以及纵向接头相互连接而成，根据其相邻两环管片的相对位置分为通缝拼装和错缝拼装两种拼装方式，而同样是错缝拼装，工程实际中却又有多种错缝形式，这些因素都导致盾构隧道管片衬砌结构的纵向刚度难以确定。
目前，针对盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度的处理方式有两种，一种是根据管片衬砌结构进行实体建模，计算时输入接头的抗弯刚度，但是由于管片衬砌结构接头数量过多，建模工作量巨大，计算效率低，收敛困难，而且由于管片衬砌接头刚度并非常量，随着结构的受力状态不断变化，导致管片接头刚度合理值的确定非常困难。
另一种方法采用等效处理的方式，即通过理论分析或者模型试验方法获得隧道管片衬砌结构纵向抗弯刚度等效系数，计算时将盾构隧道管片衬砌结构视为纵向抗弯刚度均匀体，采用纵向抗弯刚度等效系数作为输入参数，分析盾构隧道管片衬砌结构在复杂地形、地貌、地质及环境条件下的受力及变形特性，因其概念清楚、计算简单而被广泛使用。
现有对于纵向抗弯刚度等效系数的确定方法，尚未得到普遍认同。理论研究方面以日本学者志波由纪夫提出的经验公式为代表，但该公式未考虑管片拼装方式对隧道刚度的影响，所得结果较试验结果普遍偏小；而模型试验方面的研究成果较多，但普遍采用的试验方法均未考虑隧道结构自重作用对其纵向抗弯刚度的影响，由于不同试验使用的模型材料上的差异，导致试验研究成果差异较大。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中盾构隧道模型试验方法未考虑隧道结构自重作用问题的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置及方法，其包括两个相互平行的底部支架，底部支架上安装有固定架；底部支架间活动架设有两个相互平行的承载横梁，承载横梁上铺设有滑动板，滑动板与设置于待测管片衬砌上的滑动片配合抵接；
一侧承载横梁的侧面上安装有横向加载机构，横向加载机构包括定滑轮与砝码，砝码的上端连接有与待测管片衬砌套接的绞线；另一侧承载横梁的外侧活动设置有测量机构，测量机构包括活动架设于底部支架上的安装横梁，安装横梁上设置有若干磁力支座，磁力支座与位移计连接。
上述技术方案中，优选的，底部支架上设置有滑行槽，滑行槽顶端开设有顶部滑槽，两个滑行槽相对的侧面上开设有侧向滑槽；固定架通过底部滑轨安装于顶部滑槽上，承载横梁和安装横梁活动安装于侧向滑槽上。
上述技术方案中，优选的，固定架上活动设置有固定夹，固定夹上安装有若干固定弹簧。
上述技术方案中，优选的，两个相对固定架上相对的侧面呈弧形结构。
上述技术方案中，优选的，固定架沿竖直方向上设置有若干装配孔，固定夹通过装配孔与固定夹连接。
上述技术方案中，优选的，磁力支座上端与连接弯杆的下端固定连接，连接弯杆的上端与位移计连接；连接弯杆为多个短杆铰接而成，连接弯杆的上端与下端平行。
上述技术方案中，优选的，横向加载机构包括与承载横梁活动连接的转向承载支架，定滑轮固定设置于转向承载支架上端。
上述技术方案中，优选的，承载横梁与转向承载支架连接部沿竖直方向上设置有若干安装孔，转向承载支架通过安装孔与承载横梁连接。
上述技术方案中，优选的，滑动板和滑动片的材质均为聚四氟乙烯。
本发明还提供了一种基于上述盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置的纵向刚度测试方法，其包括如下步骤：
S1、将滑行槽安放于底部支架上，将固定架与滑行槽的顶部滑槽活动连接，将承载横梁和测量机构分别与滑行槽的侧向滑槽活动连接，然后将滑动板铺设于承载横梁上；
S2、将滑动片贴设于待测管片衬砌的底部，并将待测管片衬砌放置于与滑动板上，使滑动片与滑动板相抵接；
S3、根据待测管片衬砌的直径，调整固定夹相对于固定架的安装高度，使固定架的弧面圆心与待测管片衬砌的截面圆心处于同一高度，将固定夹上的固定弹簧与待测管片衬砌抵接；
S4、根据待测管片衬砌的直径，调整位移计的高度，使所有位移计位于同一高度；
S5、根据待测管片衬砌的直径，调整横向加载机构的安装高度，并安装横向加载机构，将绞线与待测管片衬砌套接后，再穿过定滑轮与砝码连接；
S6、令砝码自由悬挂，砝码通过绞线带动待测管片衬砌发生横向位移，位移计测出对应位移数据；
S7、根据位移计拟合出对应挠度曲线，计算待测管片衬砌的纵向刚度。
本发明提供的上述盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置的主要有益效果在于：
本发明通过设置横向加载机构，将竖向加载转换为水平加载，通过水平加载实现对待测管片衬砌结构的纵向刚度测试；同时通过滑动片和滑动板配合，降低待测管片衬砌发生横向位移时可能受到的摩擦阻力，减小试验中的系统误差。通过将横向加载机构中的砝码带动待测管片衬砌结构发生横向位移，从而实现在消除待测管片衬砌自重对其刚度测试的影响，更真实地体现了结构的纵向刚度特性。
通过调整固定夹、转向承载支架的安装高度以及连接弯杆的位置，实现对不同管片类型、不同管片尺寸、不同管片分块方式、不同管片链接方式以及不同拼装方式下管片衬砌纵向刚度的测量，进而研究管片衬砌刚度的影响因素，同时为评价复杂地质、环境条件下盾构隧道管片衬砌结构的纵向力学及变形特性的数值研究提供较为准确的计算依据。
本发明提供的上述盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试方法的主要有益效果在于：
通过将待测管片衬砌放置于滑动板上，并设置滑动片，用固定架将其两端分别夹住，从而实现对待测管片衬砌的固定，且能消除了受测管片衬砌结构自重对其刚度测试的影响。通过横向加载机构的砝码和定滑轮配合，从横向对待测管片衬砌施加载荷，从而能真实地监测管片衬砌结构的纵向刚度特性。
附图说明
图1为盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置的结构示意图。
图2为纵向刚度测试装置的爆炸图。
其中，1、底部支架，11、滑行槽，111、顶部滑槽，112、侧向滑槽，12、承载横梁，121、滑动板，13、固定架，131、固定夹，132、固定弹簧，133、底部滑轨，2、横向加载机构，21、转向承载支架，211，安装孔，22、定滑轮，23、砝码，24、绞线，3、测量机构，31、安装横梁，32、磁力支座，33、连接弯杆，34、位移计，4、管片衬砌，41、滑动片。
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，其为盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置的结构示意图。
本发明的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置包括两个相互平行的底部支架1，底部支架1上设置有固定架13；底部支架1上设置有滑行槽11，滑行槽11顶端开设有顶部滑槽111，两个滑行槽11相对的侧面上开设有侧向滑槽112；固定架13通过底部滑轨133安装于顶部滑槽111上，承载横梁12和安装横梁12活动安装于侧向滑槽112上。
其中，如图2所示，固定架13上活动设置有固定夹131，固定夹131上安装有若干固定弹簧132；两个相对固定架131上相对的侧面呈弧形结构，以更好的固定待测管片衬砌4；固定弹簧132分别设置于固定夹131的上端、中部和下端，通过三个方向配合，增大待测管片衬砌4与固定夹131之间的接触面积，避免固定夹131约束管片衬砌4时产生应力集中，影响检测准确性。
优选的，固定架13沿竖直方向上设置有若干装配孔，固定夹131通过装配孔与固定架13连接。固定夹131通过与不同高度的转配孔连接，实现在固定架13的上下移动，从而配合不同直径的待测管片衬砌4，以便更好的固定待测管片衬砌4。
侧向滑槽112内活动设置有两个相互平行的承载横梁12，承载横梁12上铺设有滑动板121，滑动板121与设置于待测8管片衬砌4上的滑动片41配合抵接，以减小管片衬砌4发生横向位移时可能受到的摩擦阻力，减小试验中的系统误差；当需要考虑盾构隧道管片衬砌结构自重对结构纵向刚度的影响时，可以撤去承载横梁12和滑动板121，实现考虑管片自身重力条件下，对管片衬砌纵向刚度的测量。
一侧承载横梁12的侧面上安装有横向加载机构2，横向加载机构2包括定滑轮22、砝码23和与承载横梁12活动连接的转向承载支架21，定滑轮22固定设置于转向承载支架21上端；砝码23的上端连接有与待测管片衬砌4套接的绞线24；另一侧承载横梁12的外侧活动设置有测量机构3，测量机构3包括活动架设于底部支架1上的安装横梁31，安装横梁31上设置有若干磁力支座32，磁力支座32与位移计34连接。
可选的，承载横梁12与安装横梁31的结构相同，以便于安放和设置。
优选的，承载横梁12与转向承载支架21连接部沿竖直方向上设置有若干安装孔，转向承载支架21通过安装孔与承载横梁12连接。转向承载支架21通过与不同高度的安装孔连接，实现在承载横梁12上的上下移动，从而配合不同直径的待测管片衬砌4，以便更好的固定待测管片衬砌4。
优选的，滑动板121和滑动片41的材质均为聚四氟乙烯。利用其高润滑的特性，最大程度减小相互接触时产生的摩擦力。
下面是利用上述盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置进行纵向刚度测试的方法，其包括如下步骤：
S1、将滑行槽11安放于底部支架1上，将固定架1与滑行槽11的顶部滑槽111活动连接，将承载横梁12和测量机构3分别与滑行槽11的侧向滑槽112活动连接，然后将滑动板121铺设于承载横梁12上。
将测量机构3的安装横梁31设置于离承载横梁12稍远的距离，以便于对测量机构3的位移计34高度进行调节。
S2、将滑动片41贴设于待测管片衬砌4的底部，并将待测管片衬砌4放置于与滑动板121上，使滑动片41与滑动板121相抵接。
S3、根据待测管片衬砌4的直径，调整固定夹131相对于固定架13的安装高度，使固定架131的弧面圆心与待测管片衬砌4的截面圆心处于同一高度，将固定夹131上的固定弹簧132与待测管片衬砌4抵接。
可选地，当需要考虑盾构隧道管片衬砌结构自重对结构纵向刚度的影响时，则不需要设置滑动板121，且移动承载横梁12，使承载横梁12与待测管片衬砌4不相接触，从而保证待测管片衬砌4的自重作用。
通过上述步骤，可以将本测试装置的基本部件组装起来，相对于常见的本领域试验装置，具有结构安装方便，占地小，可快速组装，闲置时可拆卸为若干部件组合，从而提高空间利用效率等优点。
S4、根据待测管片衬砌4的直径，调整位移计34的高度，使所有位移计34位于同一高度。
具体地，调整连接弯杆33的倾斜角度，使所有位移计34高度相同，以保证其初始数据相同，从而更准确的监测待测管片衬砌4的横向位移数据。
S5、根据待测管片衬砌4的直径，调整横向加载机构2的安装高度，并安装横向加载机构2，将绞线24与待测管片衬砌4套接后，再穿过定滑轮22与砝码23连接。
具体地，通过将转向承载支架21与相应的安装孔连接，使绞线24与待测管片衬砌4的连接端部与待测管片衬砌4圆心和定滑轮22的顶部在一条水平线上，以使横向载荷无侧向分力，保证试验的准确性。
S6、令砝码23自由悬挂，砝码23通过绞线24带动待测管片衬砌4发生横向位移，位移计34测出对应位移数据。
S7、根据位移计34拟合出对应挠度曲线，计算待测管片衬砌4的纵向刚度。
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 (8)

1.一种盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，包括两个相互平行的底部支架(1)，底部支架(1)上安装有固定架(13)；底部支架(1)间活动架设有两个相互平行的承载横梁(12)，承载横梁(12)上铺设有滑动板(121)，滑动板(121)与设置于待测管片衬砌(4)上的滑动片(41)配合抵接；
一侧承载横梁(12)的侧面上安装有横向加载机构(2)，横向加载机构(2)包括定滑轮(22)与砝码(23)，砝码(23)的上端连接有与待测管片衬砌(4)套接的绞线(24)；另一侧承载横梁(12)的外侧活动设置有测量机构(3)，所述测量机构(3)包括活动架设于底部支架(1)上的安装横梁(31)，安装横梁(31)上设置有若干磁力支座(32)，所述磁力支座(32)与位移计(34)连接；所述固定架(13)上活动设置有固定夹(131)，固定夹(131)上安装有若干固定弹簧(132)；
所述底部支架(1)上设置有滑行槽(11)，所述滑行槽(11)顶端开设有顶部滑槽(111)，两个滑行槽(11)相对的侧面上开设有侧向滑槽(112)；所述固定架(13)通过底部滑轨(133)安装于顶部滑槽(111)上，所述承载横梁(12)和安装横梁(31)活动安装于侧向滑槽(112)上。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述两个相对固定夹(131)上相对的侧面呈弧形结构。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述固定架(13)沿竖直方向上设置有若干装配孔，所述固定夹(131)通过装配孔与固定架(13)连接。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述磁力支座(32)上端与连接弯杆(33)的下端固定连接，连接弯杆(33)的上端与位移计(34)连接；所述连接弯杆(33)为多个短杆铰接而成，连接弯杆(33)的上端与下端平行。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述横向加载机构(2)包括与承载横梁(12)活动连接的转向承载支架(21)，所述定滑轮(22)固定设置于转向承载支架(21)上端。
6.根据权利要求5所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述承载横梁(12)与转向承载支架(21)连接部沿竖直方向上设置有若干安装孔，所述转向承载支架(21)通过安装孔与承载横梁(12)连接。
7.根据权利要求1所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置，其特征在于，所述滑动板(121)和滑动片(41)的材质均为聚四氟乙烯。
8.一种采用权利要求1至7所述的盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度测试装置的纵向刚度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将滑行槽(11)安放于底部支架(1)上，将固定架(1)与滑行槽(11)的顶部滑槽(111)活动连接，将承载横梁(12)和测量机构(3)分别与滑行槽(11)的侧向滑槽(112)活动连接，然后将滑动板(121)铺设于承载横梁(12)上；
S2、将滑动片(41)贴设于待测管片衬砌(4)的底部，并将待测管片衬砌(4)放置于与滑动板(121)上，使滑动片(41)与滑动板(121)相抵接；
S3、根据待测管片衬砌(4)的直径，调整固定夹(131)相对于固定架(13)的安装高度，使固定架(131)的弧面圆心与待测管片衬砌(4)的截面圆心处于同一高度，将固定夹(131)上的固定弹簧(132)与待测管片衬砌(4)抵接；
S4、根据待测管片衬砌(4)的直径，调节位移计(34)的高度，使所有位移计(34)位于同一高度；
S5、根据待测管片衬砌(4)的直径，调整横向加载机构(2)的安装高度，并安装横向加载机构(2)，将绞线(24)与待测管片衬砌(4)套接后，再穿过定滑轮(22)与砝码(23)连接；
S6、令砝码(23)自由悬挂，砝码(23)通过绞线(24)带动待测管片衬砌(4)发生横向位移，位移计(34)测出对应位移数据；
S7、根据位移计(34)拟合出对应挠度曲线，计算待测管片衬砌(4)的纵向刚度。
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