CN112589997B - 一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及土木工程、隧道工程技术领域，提供一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法。包括以下步骤：(1)确定相似比；(2)选择模型材料；(3)设计拼装式外衬模具与双层衬砌模具；(4)浇筑外衬模型，自攻螺丝模拟环向接头抗弯性能，螺钉与铁丝组合模拟环向抗拉性能，自攻螺丝、铁丝尺寸根据抗弯刚度、抗拉刚度系数相似关系确定；(5)处理接触面，通过涂抹机油模拟不传递剪力工况，径向埋设铁丝模拟完全传递剪力工况，铁丝尺寸与布设根据抗剪刚度相似关系确定；(6)浇筑内衬模型形成双层衬砌模型。与现有技术相比，本方法能有效模拟环向接头抗弯和抗拉刚度，还能充分体现不同接触面工况的力学性能，设计制作方法简单、流程清晰。

Description

一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法

技术领域

本申请涉及土木工程、隧道工程技术领域，尤其涉及一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法。

背景技术

长距离输水隧道及城市深埋排水调蓄隧道已经成为国家基础建设的热点，该类输水隧道具有超深覆土、高内水压、受力工况复杂、耐久性和抗裂性能要求高等特点，因此，盾构隧道双层衬砌成为长距离、高内水压输水隧道的主要结构形式。然而，盾构隧道双层衬砌共作用机理尚不明确，内水压作用下混凝土衬砌的破坏机制有待研究，从而影响输水隧道衬砌的合理设计。

目前，多采用盾构隧道双层衬砌1:1原型试验研究高内水压下输水隧道的受力变形规律及损伤发展规律，使用液压千斤顶模拟内水压压力，原型试验能够真实反映双层衬砌的结构变形，但是需要制作原型衬砌、液压千斤顶、反力架以及液压控制系统，试验规模大时间资金成本高，不易重复。缩尺模型试验规模小，可操作性高，但目前盾构隧道缩尺模型存在两方面缺点：(1)只考虑围岩作用下隧道受力特点，接头采用金属贴片或切槽方式处理，铁丝贯穿整环盾构管片，内水压下输水隧道受拉力作用，现有模型无法体现接头的抗拉能力以及盾构管环的整环抗拉能力，与实际隧道受力变形规律不符；(2)现有盾构隧道模型是依据城市地铁工程提出，缺乏盾构隧道双层衬砌模型设计制作方法，盾构管片与内衬之间接触面能否传递剪力影响双层衬砌受力规律，有必要根据双层衬砌实际施工情况设计反应接触面受力特性的模型。

发明内容

本申请的目的在于：克服既有盾构模型存在的缺陷，提出一种能够反映真实盾构隧道双层衬砌受力特点的模型设计及制作方法，为输水隧道模型试验提供技术基础。

为实现上述目的，本申请提供了如下技术方案：

一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法，其特征在于：本方法包括六个步骤：

步骤(1)：确定相似比，根据实际尺寸和加载平台尺寸，考虑边界效应，首先确定模型几何相似比1：n，从而确定双层衬砌模型尺寸；通过几何相似比(1：n)和重力相似比(1：1)计算其余参数相似比，其中，弹性模量相似比为1：n；抗拉刚度相似比为1：n³；抗拉刚度系数相似比为1：n²；抗剪刚度相似比为1：n³；接头抗弯刚度相似比为1：n⁴。

步骤(2)：选择模型材料，采用石膏模拟混凝土，I型铁丝模拟钢筋；所述的石膏粉与水的配比根据弹性模量相似比(1：n)确定，所述的I型铁丝截面面积根据抗拉刚度相似比(1：n³)确定，如下式所示：

式中，n为原型与模型几何相似比，E_c为混凝土/石膏弹性模量，E_s为钢筋/I型铁丝弹性模量，A_s为钢筋/I型铁丝面积，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值。

步骤(3)：设计拼装式外衬模具与双层衬砌模具，根据步骤(1)计算尺寸设计并制作拼装式外衬模具和双层衬砌模具；所述的外衬模具由I型底板、若干个I型内模块、若干个I型外模块、若干根定位棒、若干个连接块组成，用于浇筑外衬模型；所述的双层衬砌模具由II型底板、若干个II型内模块、若干个II型外模块、若干根定位棒、若干个连接块组成，用于浇筑双层衬砌模型；

所述的I型底板、II型底板为刚性板状结构，上面设置有若干个用于连接定位棒的定位孔，用于固定定位棒；

所述的若干个I型内模块、若干个II型内模块、若干个I型外模块与若干个II型外模块均为刚性圆弧形板状结构，若干个同一类模块之间可通过若干个连接块拼装成圆环，并可通过若干根定位棒固定于I型底板或II型底板上。

步骤(4)：浇筑外衬模型，在外衬模具内安装若干块分隔铁片和若干颗自攻螺丝，沿隧道轴线方向预留贯穿的若干个纵向连接孔，利用石膏浆液整体浇筑并放入若干根I型铁丝形成外衬模型并养护脱模；

所述的若干块分隔铁片安装在外衬模具环向接头处，其上部设置有若干个贯穿的固定孔，分隔铁片用于分隔外衬盾构管片；所述的若干颗自攻螺丝固定于分隔铁片固定孔内，若干颗自攻螺丝的尺寸按照接头抗弯刚度相似比(1：n⁴)计算，用于模拟实际接头螺栓的抗弯性能，如下式所示：

式中，K_θ为环向接头螺栓/自攻螺丝抗弯刚度，n为原型与模型几何相似比，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值；

所述的若干个固定孔用于固定自攻螺丝；

脱模后在若干个分隔铁片两侧的外衬模型圆弧外表面上拧入若干颗螺钉，若干颗螺钉之间通过若干根II型铁丝连接，用于固定II型铁丝；所述的若干根II型铁丝的尺寸按照抗拉刚度系数相似比(1：n²)计算，用于模拟实际接头螺栓的抗拉性能，如下式所示：

式中，E_b为环向接头螺栓/II型铁丝弹性模量，A_b为环向接头螺栓/II型铁丝截面面积，l_b为环向接头螺栓/II型铁丝长度，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值；

重复上述操作，制作足够数量外衬模型，并在实际盾构隧道长度将若干环外衬模型的若干个纵向连接孔内插入若干根铁棒用于模拟纵向接头，最终形成一定长度的盾构隧道。

步骤(5)：处理接触面，接触面位于外衬模型与内衬模型之间，根据接触面形式分为不传递剪力、完全传递剪力两种工况；

所述的不传递剪力工况采用在外衬模型内侧涂抹机油的方式；所述的完全传递剪力工况采用在外衬模型内侧径向埋设III型铁丝的方式，III型铁丝尺寸按照抗剪刚度相似比(1：n³)计算，用于模拟实际钢筋抗剪强度，如下式所示：

式中，G_s为钢筋/III型铁丝的剪切模量，A_s为钢筋/III型铁丝截面面积，N为径向埋设钢筋/III型铁丝数量，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值。

步骤(6)：双层衬砌模型制作，将外衬模型与铁丝笼放入双层衬砌模具，并配置石膏浆液一次浇入双层衬砌模具形成内衬模型，与外衬模型、接触面共同组成双层衬砌模型；

所述的铁丝笼由若干根I型铁丝组成，用于模拟原型钢筋笼结构。

与既有模型相比，本申请具有以下优点：

(1)接头模型既能体现盾构管片接头的抗弯能力，又能体现内水压受拉状态下环向接头的抗拉性能；

(2)接触面处理方法能够有效模拟实际施工过程中不同施工工法，从而能够真实模拟盾构隧道在内水压力的受力变形规律；

(3)用于浇筑双层衬砌模型的模具结构简单，且可拼装拆卸重复使用，利于提高试验效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法技术流程图；

图2为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中双层衬砌模型的结构示意图，其中(a)为三维结构示意图、(b)为横截面结构示意图、(c)为铁丝笼示意图；

图3为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中外衬模型的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中环向接头的结构示意图，其中(a)为三维结构示意图、(b)为横截面结构示意图；

图5为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中接触面的结构示意图，其中(a)为不传递剪力工况、(b)为完全传递剪力工况；

图6为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中外衬模具结构示意图；

图7为本申请实施例提供的模型设计与制作方法中双层衬砌模具结构示意图。

附图标记说明

1为石膏、2为I型铁丝、3为外衬模具、4为双层衬砌模具、5为外衬模型、6为接触面、7为内衬模型、8为双层衬砌模型；

31为I型底板、32为I型内模块、33为I型外模块、34为定位棒、35为连接块、36为定位孔；

41为II型底板、42为II型内模块、43为II型外模块；

51为分隔铁片、52为自攻螺丝、53为螺钉、54为II型铁丝、55为纵向连接孔、56为固定孔，57为铁棒；

61为机油、62为III型铁丝；

71为铁丝笼。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法，包括以下步骤：

步骤(1)：确定相似比，根据试验尺寸和边界效应确定几何、弹性模量、抗拉刚度、抗拉刚度系数、抗剪刚度、接头抗弯刚度相似比；

步骤(2)：选择模型材料，采用石膏1模拟混凝土，采用I型铁丝2模拟钢筋，石膏粉与水的配比根据弹性模量相似比确定、I型铁丝2截面面积根据抗拉刚度相似比确定；

步骤(3)：设计拼装式外衬模具与双层衬砌模具；

步骤(4)：浇筑外衬模型，利用自攻螺丝52模拟实际接头螺栓的抗弯性能，利用II型铁丝54模拟实际接头螺栓的抗拉性能；

步骤(5)：处理接触面，通过涂抹机油61模拟不传递剪力工况，径向埋设III型铁丝62模拟完全传递剪力工况；

步骤(6)：双层衬砌模型制作，浇筑内衬模型7形成双层衬砌模型8。

如图2所示，双层衬砌模型8由外衬模型5、接触面6、内衬模型7组成，其中，外衬模型5由四环拼接而成；接触面6位于外衬模型5与内衬模型7之间；采用石膏1模拟外衬模型5与内衬模型7的混凝土，采用I型铁丝2模拟外衬模型5与内衬模型7的钢筋，铁丝笼71由十六根I型铁丝2组成，用于模拟原型钢筋笼结构。

如图3所示，外衬模型5由四环拼接而成，每环包括十四个分隔铁片51、十四颗自攻螺丝52、十四颗螺钉53、七根II型铁丝54、十四个固定孔56、十三个纵向连接孔55和十三个铁棒57；分隔铁片51、自攻螺丝52、螺钉53与II型铁丝54共同模拟外衬模型5的环向接头，铁棒57插入纵向连接孔55模拟纵向接头。

如图4所示，环向接头包括分隔铁片51、两颗自攻螺丝52、两颗螺钉53、II型铁丝54、两个固定孔56；分隔铁片51安装在外衬模具3对应管片接头处，其上部设置有两个贯穿的固定孔56；两颗自攻螺丝52固定于分隔铁片51固定孔56内，用于模拟环向接头的抗弯性能；两颗螺钉53分别固定在分隔铁片51两侧的外衬模型5圆弧外表面上，两颗螺钉53之间通过II型铁丝54连接，用于模拟环向接头的抗拉性能。

如图5所示，根据接触面6形式分为不传递剪力、完全传递剪力两种工况；如图5(a)所示，涂抹机油61模拟不传递剪力的工况；如图5(b)所示，径向埋设III型铁丝62模拟完全传递剪力的工况。

如图6所示，外衬模具3由I型底板31、四个I型内模块32、四个I型外模块33、十六根定位棒34、八个连接块35组成；I型底板31上面设置有十六个用于连接定位棒34的定位孔36；四个I型内模块32之间通过四个连接块35拼装成圆环，并通过八根定位棒34固定于I型底板31的定位孔36上；四个I型外模块33通过四个连接块35拼装成圆环，并通过八根定位棒34固定于I型底板31的定位孔36上。

如图7所示，双层衬砌模具4由II型底板41、八个II型内模块42、四个II型外模块43、十六根定位棒34、十二个连接块35组成；II型底板41上面设置有十六个用于连接定位棒34的定位孔36；八个I型内模块32之间通过八个连接块35拼装成两个圆环，两个圆环之间通过八根定位棒34连接并固定于I型底板31的定位孔36上；四个II型外模块43通过四个连接块35拼装成圆环，并通过八根定位棒34固定于I型底板31的定位孔36上。

一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法的具体步骤如下：原型隧道盾构管片外径8.3m，内径7.5m，采用C55混凝土，由7块管片组成，内衬外径7.5m，内径6.4m；外衬模型5的弹性模量应为1.775GPa，内衬模型7的弹性模量应为1.725GPa。

实施例一：不传递剪力工况

(1)根据实际尺寸和加载平台尺寸，考虑边界效应，确定模型尺寸相似比为1:20(即n＝20)，计算得到外衬模型5外径、内径分别为415mm、375mm，内衬模型7外径、内径分别为375mm、320mm。

(2)选用石膏1模拟混凝土，配制不同比例的石膏粉与水的混合浆液，倒入100mm边长的立方模具内制备标准试块，进行单轴压缩试验，测试标准试块弹性模量，弹性模量相似比为1:20，根据试验测试结果确定石膏粉与水比例分别为1.4：1，1.35：1；

选用I型铁丝2模拟钢筋，I型铁丝2与原型钢筋应满足抗拉刚度相似比1：20³，外衬模型5设置两根直径为0.8mm的I型铁丝2，内衬模型7设置十六根直径为1.0mm的I型铁丝2组成的铁丝笼71。

(3)通过八个连接块35将四个I型内模块32和四个I型外模块33拼装成环，并通过十六根定位棒34固定于I型底板31上的定位孔36，形成外衬模具3；

通过十二个连接块35将八个Ⅱ型内模块42和四个Ⅱ型外模块43拼装成环，并通过十六根定位棒34固定于Ⅱ型底板41上的定位孔36，形成双层衬砌模具4。

(4)自攻螺丝52模拟螺栓抗弯刚度，接头抗弯刚度相似比1:20⁴，确定自攻螺丝52直径为1.6mm；将两颗自攻螺丝52放入分隔铁片51上预设两个固定孔56中并用硅胶固定，将分隔铁片51与自攻螺丝52一同放入外衬模具3对应实际接头处，按照1.4：1比例搅拌石膏浆液并缓慢倒入外衬模具3内浇筑，在石膏浆液未凝固时放入I型铁丝2并刮平石膏浆液表面，凝固后脱模取出；

将两颗螺钉53插入分隔铁片51两侧的外衬模型5的外表面处，并在两颗螺钉53之间缠绕一圈II型铁丝54，所述的II型铁丝54尺寸根据抗拉刚度系数相似比(1：20²)确定，得到II型铁丝54直径0.6mm，长度30mm。

(5)重复步骤(4)，制作四环外衬模型5，在十三个预留纵向连接孔55处插入铁棒57模拟纵向接头，形成一定长度盾构隧道。

(6)在四环外衬模型5内侧涂抹机油61模拟不传递剪力工况。

(7)将四环外衬模型5与铁丝笼71并放入双层衬砌模具4内，按1.35：1比例称重石膏粉与水，配置石膏浆液并倒入双层衬砌模具4内，待石膏浆液凝固后脱模取出双层衬砌模型8。

实施例二：完全传递剪力工况

(1)～(5)同实施例一。

(6)在外衬内侧径向埋设III型铁丝62模拟完全传递剪力工况，III型铁丝62抗剪强度根据抗剪刚度相似比确定，抗剪刚度相似比1:20³，III型铁丝62直径2.0mm，在封顶块处设置一个III型铁丝62，其余六块设置三个III型铁丝62。

(7)同实施例一。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种盾构隧道双层衬砌结构模型设计与制作方法，其特征在于，包括以下六个步骤：

步骤(1)：确定相似比，根据实际尺寸和加载平台尺寸，考虑边界效应，首先确定模型几何相似比1：n，从而确定双层衬砌模型(8)尺寸；重力相似比为1：1，通过几何相似比和重力相似比计算其余参数相似比，其中，弹性模量相似比为1：n；抗拉刚度相似比为1：n³；抗拉刚度系数相似比为1：n²；抗剪刚度相似比为1：n³；接头抗弯刚度相似比为1：n⁴；

步骤(2)：选择模型材料，采用石膏(1)模拟混凝土，I型铁丝(2)模拟钢筋；

步骤(3)：设计拼装式外衬模具与双层衬砌模具，根据步骤(1)计算尺寸设计并制作拼装式外衬模具(3)和双层衬砌模具(4)；

步骤(4)：浇筑外衬模型，在外衬模具(3)内安装若干块分隔铁片(51)和若干颗自攻螺丝(52)，沿隧道轴线方向预留贯穿的若干个纵向连接孔(55)，利用石膏浆液整体浇筑并放入若干根I型铁丝(2)形成外衬模型(5)并养护脱模；脱模后在若干个分隔铁片(51)两侧的外衬模型(5)圆弧外表面上拧入若干颗螺钉(53)，若干颗螺钉(53)之间通过若干根II型铁丝(54)连接，用于固定II型铁丝(54)；重复上述操作，制作足够数量外衬模型(5)，并在实际盾构隧道长度将若干环外衬模型(5)的若干个纵向连接孔(55)内插入若干根铁棒(57)用于模拟纵向接头，最终形成一定长度的盾构隧道；

步骤(5)：处理接触面，接触面(6)位于外衬模型(5)与内衬模型(7)之间，根据接触面(6)形式分为不传递剪力、完全传递剪力两种工况；

步骤(6)：双层衬砌模型制作，将外衬模型(5)与铁丝笼(71)放入双层衬砌模具(4)，并配置石膏浆液一次浇入双层衬砌模具(4)形成内衬模型(7)，与外衬模型(5)、接触面(6)共同组成双层衬砌模型(8)。

2.根据权利要求1所述的模型设计与制作方法，其特征在于，所述的步骤(2)中石膏粉与水的配比根据弹性模量相似比确定，所述的I型铁丝(2)截面面积根据抗拉刚度相似比确定，如下式所示：

式中，n为原型与模型几何相似比，E_c为混凝土/石膏(1)弹性模量，E_s为钢筋/I型铁丝(2)弹性模量，A_s为钢筋/I型铁丝(2)面积，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值。

3.根据权利要求1所述的模型设计与制作方法，其特征在于，所述的步骤(3)中外衬模具(3)由I型底板(31)、若干个I型内模块(32)、若干个I型外模块(33)、若干根定位棒(34)、若干个连接块(35)组成，用于浇筑外衬模型(5)；所述的双层衬砌模具(4)由II型底板(41)、若干个II型内模块(42)、若干个II型外模块(43)、若干根定位棒(34)、若干个连接块(35)组成，用于浇筑双层衬砌模型(8)；

所述的I型底板(31)、II型底板(41)为刚性板状结构，上面设置有若干个用于连接定位棒(34)的定位孔(36)，用于固定定位棒(34)；

所述的若干个I型内模块(32)、若干个II型内模块(42)、若干个I型外模块(33)与若干个II型外模块(43)均为刚性圆弧形板状结构，若干个同一类模块之间可通过若干个连接块(35)拼装成圆环，并可通过若干根定位棒(34)固定于I型底板(31)或II型底板(41)上。

4.根据权利要求1所述的模型设计与制作方法，其特征在于，所述的步骤(4)中若干块分隔铁片(51)安装在外衬模具(3)环向接头处，其上部设置有若干个贯穿的固定孔(56)，分隔铁片用于分隔外衬盾构管片；所述的若干颗自攻螺丝(52)固定于分隔铁片(51)固定孔(56)内，若干颗自攻螺丝(52)的尺寸按照接头抗弯刚度相似比计算，用于模拟实际接头的抗弯性能，如下式所示：

式中，K_θ为环向接头螺栓/自攻螺丝(52)抗弯刚度，n为原型与模型几何相似比，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值；

所述的若干个固定孔(56)用于固定自攻螺丝(52)；

所述的若干根II型铁丝(54)的长度、截面面积按照抗拉刚度系数相似比计算，用于模拟实际接头螺栓的抗拉性能，如下式所示：

式中，E_b为环向接头螺栓/II型铁丝(54)弹性模量，A_b为环向接头螺栓/II型铁丝(54)截面面积，l_b为环向接头螺栓/II型铁丝(54)长度，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值。

5.根据权利要求1所述的模型设计与制作方法，其特征在于，所述的步骤(5)中不传递剪力工况采用在外衬模型(5)内侧涂抹机油(61)的方式；所述的完全传递剪力工况采用在外衬模型(5)内侧径向埋设III型铁丝(62)的方式，III型铁丝(62)尺寸按照抗剪刚度相似比计算，用于模拟实际钢筋抗剪强度，如下式所示：

式中，G_s为钢筋/III型铁丝(62)的剪切模量，A_s为钢筋/III型铁丝(62)截面面积，N为径向埋设钢筋/III型铁丝(62)数量，下标m指模型中数值，下标p指原型中数值。

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