CN113847057A - 一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构及其使用方法，采用内置智能高分子复合柔性杆的橡胶止水结构体系，大幅提升了加固性能的长期有效性，适应于隧道工程的使用特点，提高了隧道的使用寿命；采用了基于分布式光纤传感的智能高分子复合柔性杆，在内置于抗渗结构后可实施长期健康监测，提升了结构的安全使用性能，减少工程事故的发生，保障了人民的人身财产安全；设备、设施简单，市场竞争力强，也为日后隧道结构的加固和监测一体化提供了技术储备。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道智能化加固技术领域，尤其是一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构及其使用方法。
背景技术
近年来，随着我国盾构技术的不断发展，盾构法逐渐成为我国城市地铁隧道、交通隧道、输水隧道的主要施工方式。盾构法隧道结构采用预制管片拼装而成，每块管片均设有防水系统，再组合成整体防水系统。然而地下条件复杂，地下水位等变化不仅对结构外荷载影响较大，也对隧道管片的密封性能产生影响。由于隧道是由预制管片拼装而成，管片接缝处是隧道整体的薄弱环节，且考虑到材料、结构的老化与隧道自身的防渗要求，隧道结构的防渗具有极大的市场。在隧道防渗结构的设计中，需要考虑到隧道弹性密封结构表面接触应力的获取，而目前常用的基于三元乙丙橡胶(EPDM)或氯丁橡胶的密封垫的防渗结构存在显著不足；在隧道防渗结构的设计中，需要考虑到隧道弹性密封结构材料的长期耐久性能，而目前采用的基于高分子材料本体性质的劣化，从而推求防渗结构性能的劣化的方法存在显著不足；同时，对防渗结构性能的变化也是业主与工程人员关心的问题。开发一种兼具防渗和监测功能的盾构隧道智能化防渗方法已成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构及其使用方法，设备、设施简单，市场竞争力强，也为日后隧道结构的加固和监测一体化提供了技术储备。
为解决上述技术问题，本发明提供一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，包括：混凝土管片1、连接光纤3、橡胶密封垫4、智能高分子复合柔性杆5、粘接材料7、隔胶管8、光纤传感器9和锚固段10；盾构管片之间通过连接光纤3相互连接，橡胶密封垫4于预制混凝土管片1周围沟槽内环向布设，智能高分子复合柔性杆5内置于橡胶密封垫4预留的孔洞内随橡胶密封垫4在预制混凝土管片1环向布设，粘结材料7敷设于橡胶密封垫4预留孔洞内并覆盖智能高分子复合柔性杆5，智能高分子复合柔性杆5内置于分布式长标距光纤传感器9，每个传感标距包括套设于光纤光棚外部的隔胶管8和隔胶管8两端的锚固段10。
优选的，智能高分子复合柔性杆5为遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶复合材料套筒6包裹套设光纤光栅外部隔胶管8。
优选的，粘结材料7为环氧树脂胶。
优选的，标距长度为一块预制混凝土管片1一条边的长度。
优选的，分布式长标距光纤传感器9的传感机理是光散射效应的布里渊散射机理BOTDA，传感精度大于10ue，空间分辨率不低于10cm。
相应的，一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构的使用方法，包括如下步骤：
(1)将内置分布式光纤传感器9的智能高分子复合柔性杆5布设于橡胶止水垫预留的孔洞中，通过粘结材料7使智能高分子复合柔性杆5与橡胶止水垫形成良好的结构体；
(2)将形成的智能化抗渗结构沿隧道预制混凝土管片四周沟槽内布设，然后涂抹粘粘结材料7，形成盾构隧道管片接头智能化抗渗结构；
(3)在盾构隧道施工过程中，通过相邻管片拼装后两个弹性密封结构相互挤压，形成具有良好力学性能的防渗系统，通过连接光纤3将相邻环向/纵向管片接头智能化抗渗结构导出的接线相互连接，实现隧道环向/纵向接头力学性能与防渗性能的智能化监测；；
(4)在形成的管片接头智能化抗渗结构的正常使用过程中，利用智能高分子复合柔性杆5监测管片环向、径向接缝的抗渗结构应力分布，获得通过隧道接缝防渗结构有限元反分析模型，计算橡胶密封垫4之间接触应力的大小与分布，判别防渗结构的性能变化。
优选的，隧道接缝防渗结构有限元反分析模型为利用有限元软件建立隧道接缝防渗结构有限元模型，利用反分析算法通过监测的抗渗结构应力反演得到橡胶垫之间接触应力大小与分布。
本发明的有益效果为：(1)本发明中采用内置智能高分子复合柔性杆的橡胶止水结构体系，大幅提升了加固性能的长期有效性，适应于隧道工程的使用特点，提高了隧道的使用寿命；(2)采用了基于分布式光纤传感的智能高分子复合柔性杆，在内置于抗渗结构后可实施长期健康监测，提升了结构的安全使用性能，减少工程事故的发生，保障了人民的人身财产安全；(3)设备、设施简单，市场竞争力强，也为日后隧道结构的加固和监测一体化提供了技术储备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的管片结构布置图。
图3为本发明的管片橡胶密封垫布置图。
图4为本发明智能高分子复合柔性杆结构示意图。
其中，1、混凝土管片；2、管片接缝；3、连接光纤；4、橡胶密封垫；5、智能高分子复合柔性杆；6、三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合套筒；7、粘结材料；8、隔胶管；9、光纤传感器；10、锚固段。
具体实施方式
如图1～3所示，一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，包括：混凝土管片1、连接光纤3、橡胶密封垫4、智能高分子复合柔性杆5、粘接材料7、隔胶管8、光纤传感器9和锚固段10；盾构管片之间通过连接光纤3相互连接，橡胶密封垫4于预制混凝土管片1周围沟槽内环向布设，智能高分子复合柔性杆5内置于橡胶密封垫4预留的孔洞内随橡胶密封垫4在预制混凝土管片1环向布设，粘结材料7敷设于橡胶密封垫4预留孔洞内并覆盖智能高分子复合柔性杆5，智能高分子复合柔性杆5内置于分布式长标距光纤传感器9，每个传感标距包括套设于光纤光棚外部的隔胶管8和隔胶管8两端的锚固段10。
盾构隧道由混凝土管片1和管片接缝2组成，将三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合套筒6包裹隔胶管8，隔胶管8包裹光纤传感器9，每处包裹处使用粘结材料7，粘结组成良好的结构体。布设智能高分子复合柔性杆时需将管片接缝2尽量布设在标距中部。在加固后的正常使用过程中，利用橡胶密封垫4内嵌的智能高分子复合柔性杆4监测管片环向、径向接缝的抗渗结构应力分布，获得通过隧道接缝防渗结构有限元反分析模型，计算橡胶密封垫之间接触应力的大小与分布，判别防渗结构的性能变化。
如图4所示，智能高分子复合柔性杆5内部复合长标距光纤，也即将长标距光纤作为智能高分子复合柔性杆5的内芯，即光纤传感器9。一个典型传感标距包括分布式光纤传感器9、隔胶管8和两端的锚固段10，锚固段10是在隔胶管8的端部将分布式光纤传感器9与智智能高分子复合柔性杆5牢固粘结形成。其中标距长度是指隔胶管8的长度，长度为一块预制混凝土管片一条边的长度，标距的选择还应依据传感精度和量程综合考虑。
施工时，包括以下步骤：第一部分、盾构隧道管片接缝智能化橡胶密封垫环向加固盾构隧道管片，拼装后加固盾构隧道整体防渗结构：内置智能高分子复合柔性杆的盾构隧道管片接缝智能化橡胶密封垫于预制混凝土管片周围沟槽内环向布设，再浇筑一层具有较大变形能力与较强粘结能力的粘结材料，如环氧树脂胶。利用弹性密封垫与智能高分子复合柔性杆套筒的三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶具有变形大、抗恢复变性能力强、耐环境性能好等优点，结合实现接缝防渗加固功能。
第二部分、利用智能高分子复合柔性杆实现隧道管片环向、径向接缝的抗渗结构应力分布，获得通过隧道接缝防渗结构有限元反分析模型，计算橡胶密封垫之间接触应力的大小与分布，判别防渗结构的性能变化。
智能高分子复合柔性杆可以形成网状的结构，其内部的分布式光纤传感器相互连接或各自连接到光纤解调仪，进而连接到服务器。
上述智能高分子复合柔性杆为内埋分布式光纤传感器的高分子复合柔性杆，传感机理为布里渊散射机理。监测隧道管片接缝防渗结构应力时，是用有限元软件建立隧道接缝防渗结构有限元模型，利用反分析算法通过监测的抗渗结构应力反演得到橡胶垫之间接触应力大小与分布。
Claims (7)
1.一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，包括：混凝土管片(1)、连接光纤(3)、橡胶密封垫(4)、智能高分子复合柔性杆(5)、粘接材料(7)、隔胶管(8)、光纤传感器(9)和锚固段(10)；盾构管片之间通过连接光纤(3)相互连接，橡胶密封垫(4)于预制混凝土管片(1)周围沟槽内环向布设，智能高分子复合柔性杆(5)内置于橡胶密封垫(4)预留的孔洞内随橡胶密封垫(4)在预制混凝土管片(1)环向布设，粘结材料(7)敷设于橡胶密封垫(4)预留孔洞内并覆盖智能高分子复合柔性杆(5)，智能高分子复合柔性杆(5)内置于分布式长标距光纤传感器(9)，每个传感标距包括套设于光纤光棚外部的隔胶管(8)和隔胶管(8)两端的锚固段(10)。
2.如权利要求1所述的盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，智能高分子复合柔性杆(5)为遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶复合材料套筒(6)包裹套设光纤光栅外部隔胶管(8)。
3.如权利要求1所述的盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，粘结材料(7)为环氧树脂胶。
4.如权利要求1所述的盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，标距长度为一块预制混凝土管片(1)一条边的长度。
5.如权利要求1所述的盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，分布式长标距光纤传感器(9)的传感机理是光散射效应的布里渊散射机理BOTDA，传感精度大于10ue，空间分辨率不低于10cm。
6.一种盾构隧道管片接头智能化抗渗结构的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将内置分布式光纤传感器(9)的智能高分子复合柔性杆(5)布设于橡胶止水垫预留的孔洞中，通过粘结材料(7)使智能高分子复合柔性杆(5)与橡胶止水垫形成良好的结构体；
(2)将形成的智能化抗渗结构沿隧道预制混凝土管片四周沟槽内布设，然后涂抹粘结材料(7)，粘贴形成盾构隧道管片，并从橡胶密封垫下部孔洞导出，随橡胶垫沟槽与螺栓孔的预留通道接出隧道管片；
(3)在盾构隧道施工过程中，通过相邻管片拼装后两个弹性密封结构相互挤压，形成具有良好接头力学性能的防渗系统；通过连接光纤(3)将相邻环向/纵向管片接头智能化抗渗结构导出的接线相互连接，实现隧道环向/纵向接头力学性能与防渗性能的智能化监测；
(4)在形成的管片接头智能化抗渗结构的正常使用过程中，利用智能高分子复合柔性杆(5)监测管片环向/径向接缝的抗渗结构应力分布，获得通过隧道接缝防渗结构有限元反分析模型，计算橡胶密封垫(4)之间接触应力的大小与分布，判别防渗结构的性能变化。
7.如权利要求6所述的盾构隧道管片接头智能化抗渗结构，其特征在于，隧道接缝防渗结构有限元反分析模型为利用有限元软件建立隧道接缝防渗结构有限元模型，利用反分析算法通过监测的抗渗结构应力反演得到橡胶垫之间接触应力大小与分布。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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