CN110321623A - 一种盾构隧道管片错台变形获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下工程施工技术领域，公开了一种盾构隧道管片错台变形获取方法，包括如下步骤：S1、建立管片环数值计算模型，根据其获取管片环缝的剪切刚度；S2、使用压力传感器获取管片环所受挤压力及沿轴向的衰减；S3、使用粘滞阻力测试仪获取浆液对管片的粘滞阻力；S4、使用管片环浆液上浮力试验装置及试验方法获取盾尾注浆对管片上浮力；S5、建立管片错台变形获取模型，并根据其获取管片错台变形结果；本发明解决了现有技术存在的缺乏一种能够对盾尾刚拖出盾尾管片环发生上浮和错台可能性及不利影响作出准确评价的方法，更无法为优化盾构掘进方案提供依据及解决方案的问题。
Description
技术领域
本发明属于地下工程施工技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片错台变形获取方法。
背景技术
本世纪初以来，我国沿海、沿江主要城市地铁建设逐渐进入高潮；截止2017年底，获得国家发改委批准建设地铁的城市已经达到了43个，其中不仅包括北上广深等一线城市，还有不少二三线城市；在运营里程方面，上海已经成为世界上地铁运营里程最长的城市，北京排名第二；我国城市地铁建设大多采用单液浆进行管片环壁后注浆，当地层具有一定的自稳性时，比如全断面围岩地层、砂卵石地层，刚拼装后拖出盾尾的管片环在壁后注浆上浮力的作用下，管片易发生上浮和错台，导致管片环缝渗漏、破损严重，严重影响我国地铁隧道“百年大计”工程实施，也加大了后期维护运营的成本和难度，现有技术中，更是缺乏一种能够对盾尾刚拖出盾尾管片环发生上浮和错台可能性及不利影响作出准确评价的方法，更无法为优化盾构掘进方案提供依据及解决方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种盾构隧道管片错台变形获取方法，用于解决现有技术存在的缺乏一种能够对盾尾刚拖出盾尾管片环发生上浮和错台可能性及不利影响作出准确评价的方法，更无法为优化盾构掘进方案提供依据及解决方案的问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种盾构隧道管片错台变形获取方法，包括如下步骤：
S1：建立管片环数值计算模型，根据其获取管片环缝的剪切刚度；
S2：使用压力传感器获取管片环所受挤压力及沿轴向的衰减；
S3：使用粘滞阻力测试仪获取浆液对管片的粘滞阻力；
S4：使用管片环浆液上浮力试验装置及试验方法获取盾尾注浆对管片上浮力；
S5：根据管片环缝的剪切刚度、管片环所受挤压力及沿轴向的衰减、浆液对管片的粘滞阻力以及盾尾注浆对管片上浮力，建立管片错台变形获取模型，并根据其获取管片错台变形结果。
进一步地，步骤S1中，管片环数值计算模型为：建立环缝错台量与外荷载剪力之间的关系曲线，并根据其获取与剪切变形相对应的环缝剪切刚度；
关系曲线的影响因素包括环缝接触摩擦、一根轴向螺栓剪切以及剪切销。
进一步地，步骤S2中，压力传感器埋设于管片环缝面，其与外部设备通信连接。
进一步地，步骤S3中，粘滞阻力测试仪包括上层钢板、下层钢板以及弹簧测力器；
上层钢板与下层钢板平行设置，上层钢板的一侧与下层钢板的对应的一侧固定连接，且两者之间填充浆液，上层钢板的宽度与下层钢板的宽度相同，且上层钢板的长度大于下层钢板的长度；
下层钢板远离上层钢板的端面与平面平行且固定连接，弹簧测力器与上层钢板远离下层钢板的端面垂直且固定连接。
进一步地，步骤S4中，盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，底盘与有机玻璃圆柱的底端固定连接，盖板与有机玻璃圆柱的顶端可拆卸连接，调压装置与空压机连接，盖板顶端设置有通孔，空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱的内部；
有机玻璃圆柱的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层、浆液层、地层与滤层；
有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁设置有微细孔组，微细孔组包括并列设置的第一微细孔和第二微细孔，第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁；
孔压计组包括第一孔压计和第二孔压计，第一孔压计设置于第一微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接，第二孔压计设置于第二微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
进一步地，步骤S4中，盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，包括如下步骤：
A1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置；
A2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
A3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
A4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
A5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
A6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力，即盾尾注浆对管片环产生的上浮力。
进一步地，步骤A5中，浆液的浮力重度的获取公式为：
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距。
进一步地，步骤A6中，浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位长度管片环的体积。
进一步地，所述步骤S5中，根据盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，获取管片上浮力随时间的变化曲线，并根据其与盾构掘进的速度，获取管片环上浮力为水浮力的管片环距盾尾的长度，即为管片错台变形获取模型的轴向长度。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出一种更符合实际情况的管片错台变形获取方法，既考虑管片环结构特点，又考虑了管片环所受到各种力综合作用，有利于提高地铁隧道管片拼装质量；
(2)本发明为为研究管片环拖出盾尾壁后注浆液类型及性质选择提供了重要参考。
附图说明
图1是盾构隧道管片错台变形获取方法流程图；
图2是管片环数值计算模型图；
图3是盾尾浆液调整前管片错台变形获取模型图；
图4是盾尾浆液调整后管片错台变形获取模型图；
图5是盾构隧道管片浆液上浮力试验装置结构示意图；
图6是盾构隧道管片浆液上浮力测试方法流程图；
图7是粘滞阻力测试仪结构示意图。
其中，11、有机玻璃圆柱；12、底盘；13、盖板；21、第一孔压计；22、第二孔压计；31、空气层；32、浆液层；33、地层；34、滤层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
本实施例数据采用广州地铁21号线朱村至象岭区间盾构隧道数据，其中，广州地铁21号线朱村至象岭区间主要位于广州增城市广汕公路下，起始于庄水村东侧朱村站，之后路继续沿广汕公路向东行进，途中经多个规划路口及暗渠，途径广州大学松田学院于盈园东侧设象岭站，广汕路两边一般为民居及商铺等民用建筑，房屋较密集，多为二至六层高建筑物；
盾构隧道上部地层为人工填土层，可塑状冲洪积粉质粘土层，穿越的地层为冲洪积粉细砂层，冲洪积中粗砂层；特别是冲洪积中粗砂层，强度较高，有一定自稳性；
采用本发明所述的一种盾构隧道管片错台变形获取方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：建立管片环数值计算模型，根据其获取管片环缝的剪切刚度；
管片环数值计算模型为：建立环缝错台量与外荷载剪力之间的关系曲线，并根据其获取与剪切变形相对应的环缝剪切刚度；
关系曲线的影响因素包括环缝接触摩擦、一根轴向螺栓剪切以及剪切销(若没有则不考虑)；
S2：使用压力传感器获取管片环所受挤压力及沿轴向的衰减；
压力传感器埋设于管片环缝面，其与外部设备通信连接；
S3：使用如图7所示的粘滞阻力测试仪获取浆液对管片的粘滞阻力；
粘滞阻力测试仪包括上层钢板、下层钢板以及弹簧测力器；
上层钢板与下层钢板平行设置，上层钢板的一侧与下层钢板的对应的一侧固定连接，且两者之间填充浆液，上层钢板的宽度与下层钢板的宽度相同，且上层钢板的长度大于下层钢板的长度；
下层钢板远离上层钢板的端面与平面平行且固定连接，弹簧测力器与上层钢板远离下层钢板的端面垂直且固定连接；
上下两块钢板厚度为0.2～1cm，面积为0.1～0.3m2；弹簧测力器为一个或多个弹簧测力器；通过固定下层钢板至任一平面(竖直工作台等)，由弹簧测力器拽动上层钢板，测读测力器上最大值，并除以上层钢板的面积，即得到浆液的粘滞阻力；
S4：使用管片环浆液上浮力试验装置及试验方法获取盾尾注浆对管片上浮力；
S5：根据管片环缝的剪切刚度、管片环所受挤压力及沿轴向的衰减、浆液对管片的粘滞阻力以及盾尾注浆对管片上浮力，建立管片错台变形获取模型，并根据其获取管片错台变形结果；
根据盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，获取管片上浮力随时间的变化曲线，并根据其与盾构掘进的速度，获取管片环上浮力为水浮力的管片环距盾尾的长度，即为管片错台变形获取模型的轴向长度；
采用普通的水泥砂浆进行盾尾注浆，浆液密度1.5g/cm3，浆液稠度大于140mm，浆液处于类似于水的流动状态，跳桌流动度大于300mm，每环管片注浆5-6m3，根据上述盾构隧道管片错台变形获取方法，建立管片环数值计算模型，如图2所示，得到如表1环间剪切刚度表：
表1
并建立如图3所示管片错台变形获取模型，获取管片错台变形结果为：为了防止管片环过大的上浮和避免错台，浆液密度的允许范围为1.9-2.0g/cm3，稠度的允许范围为11.8-12.5cm，初凝时间允许范围为10h以内，浆液与管片的粘滞阻力允许范围为>30N/m2；
更换盾尾壁后注浆液，采用高密度具有适度稠度的浆液，浆液密度1.9g/cm3，浆液稠度120mm，跳桌流动度大于260mm，浆液与管片的粘滞阻力32.0N/m2；根据上述盾构隧道管片错台变形获取方法，建立如图4所示管片错台变形获取模型，根据该模型获取的管片错台变形结果进行分析得出：浆液具有较好的流动性和充填性，每环管片注浆量有所降低，拖出盾尾的管片环最大上浮量大幅度降低到2.32cm，管片环间错台量很小，在3-4mm之间，完全满足盾构管片拼装的要求。
作为优选，步骤S4中，一种盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，如图5所示，包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，主体包括中空的有机玻璃圆柱11、底盘12以及盖板13，底盘12与有机玻璃圆柱11的底端固定连接，盖板13与有机玻璃圆柱11的顶端可拆卸连接，调压装置与空压机连接，用于设置和调节注浆压力，盖板13顶端设置有通孔，空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱11的内部；
有机玻璃圆柱11的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层31、浆液层32、地层33与滤层34，浆液层32厚度为盾构空隙厚度，空气层31与浆液层32的接触部分设置有薄膜，以隔绝浆液和气压，保证对浆液层32施加的压力为总压力；
有机玻璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁设置有微细孔组，孔压计组包括第一孔压计21和第二孔压计22，微细孔组包括并列设置的第一微细孔和第二微细孔，第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻璃圆柱11与浆液层32对应位置的内壁，第一孔压计21设置于第一微细孔内部，其一端与浆液层32连接，且其另一端与外部设备连接，第二孔压计22设置于第二微细孔内部，其一端与浆液层32连接，且其另一端与外部设备连接；
试验装置最大可承受注浆压力1.0MPa，盖板13与有机玻璃圆柱11顶端的接触部分设置有第一密封结构，每个孔压计与对应微细孔的接触部分设置有第二密封结构；
盖板13为法兰盘结构，主体还包括螺栓和凸板，凸板与有机玻璃圆柱11的顶端固定连接，盖板13、凸板以及底盘12的对应部分设置有螺孔，螺栓依次通过位于盖板13、凸板以及底盘12对应部分的螺孔；
有机玻璃圆柱11的内径为8.4cm，且其高度为80cm。
作为优选，步骤S4中，盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，如图6所示，包括如下步骤：
A1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，包括如下步骤：
A1-1：构建试验装置的主体，将每个孔压计的一端与外部设备连接；
A1-2：依次向有机玻璃圆柱中加入滤层、地层和浆液层；
A1-3：在浆液层顶端与空气层接触部分设置薄膜；
A1-4：合上盖板，并进行密封处理；
A2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
A3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
A4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
A5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
浆液的浮力重度的获取公式为：
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距；
A6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力，即盾尾注浆对管片环产生的上浮力；
浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位长度管片环的体积。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (9)
1.一种盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：建立管片环数值计算模型，根据其获取管片环缝的剪切刚度；
S2：使用压力传感器获取管片环所受挤压力及沿轴向的衰减；
S3：使用粘滞阻力测试仪获取浆液对管片的粘滞阻力；
S4：使用管片环浆液上浮力试验装置及试验方法获取盾尾注浆对管片上浮力；
S5：根据管片环缝的剪切刚度、管片环所受挤压力及沿轴向的衰减、浆液对管片的粘滞阻力以及盾尾注浆对管片上浮力，建立管片错台变形获取模型，并根据其获取管片错台变形结果。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述管片环数值计算模型为：建立环缝错台量与外荷载剪力之间的关系曲线，并根据其获取与剪切变形相对应的环缝剪切刚度；
所述关系曲线的影响因素包括环缝接触摩擦、一根轴向螺栓剪切以及剪切销。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述压力传感器埋设于管片环缝面，其与外部设备通信连接。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述粘滞阻力测试仪包括上层钢板、下层钢板以及弹簧测力器；
所述上层钢板与下层钢板平行设置，上层钢板的一侧与下层钢板的对应的一侧固定连接，且两者之间填充浆液，上层钢板的宽度与下层钢板的宽度相同，且上层钢板的长度大于下层钢板的长度；
所述下层钢板远离上层钢板的端面与平面平行且固定连接，所述弹簧测力器与上层钢板远离下层钢板的端面垂直且固定连接。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述盾构隧道管片浆液上浮力试验装置，其特征在于：包括主体、孔压计组、空压机以及调压装置，所述主体包括中空的有机玻璃圆柱、底盘以及盖板，所述底盘与有机玻璃圆柱的底端固定连接，所述盖板与有机玻璃圆柱的顶端可拆卸连接，所述调压装置与空压机连接，所述盖板顶端设置有通孔，所述空压机通过通孔连通有机玻璃圆柱的内部；
所述有机玻璃圆柱的内部包括自上而下且相互平行设置的空气层、浆液层、地层与滤层；
所述有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁设置有微细孔组，所述微细孔组包括并列设置的第一微细孔和第二微细孔，所述第一微细孔和第二微细孔均位于有机玻璃圆柱与浆液层对应位置的内壁；
所述孔压计组包括第一孔压计和第二孔压计，所述第一孔压计设置于第一微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接，所述第二孔压计设置于第二微细孔内部，其一端与浆液层连接，且其另一端与外部设备连接。
6.根据权利要求5所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
A1：构建盾构隧道管片浆液上浮力试验装置；
A2：检查试验装置完全密封后，开启空压机；
A3：使用调压装置控制空压机并加压至注浆压力预设值；
A4：使用外部设备分别采集第一孔压计和第二孔压计的压力值；
A5：根据采集到的压力值，获取浆液的浮力重度；
A6：根据浆液层的浮力重度，获取浆液对管片环产生的上浮力，即盾尾注浆对管片环产生的上浮力。
7.根据权利要求6所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤A5中，浆液的浮力重度的获取公式为：
式中，γ为浆液的浮力重度；P2、P1分别为第一孔压计和第二孔压计的压力值；h为第一孔压计和第二孔压计之间的间距。
8.根据权利要求6所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤A6中，浆液对管片环产生的上浮力的获取公式为：
F浮＝γV
式中，F浮为浆液对管片环产生的上浮力；γ为浆液的浮力重度；V为单位长度管片环的体积。
9.根据权利要求1所述的盾构隧道管片错台变形获取方法，其特征在于：所述步骤S5中，根据盾构隧道管片浆液上浮力测试方法，获取管片上浮力随时间的变化曲线，并根据其与盾构掘进的速度，获取管片环上浮力为水浮力的管片环距盾尾的长度，即为管片错台变形获取模型的轴向长度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
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Effective date of abandoning: 20230825 |