CN119985144B - 竖井式盾构管片原型加载试验方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验方法、系统、设备及介质，涉及盾构隧道工程技术领域，试验方法通过获取立式试验环管片的重力大小和实际载荷集合，并根据实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小，再启动吊装加载组件施加提拉力，实现自重平衡，启动径向加载组件施加径向载荷，启动环箍加载组件施加环箍均布载荷，并记载试验环管片的内力和变形。本发明为站立式管片原型加载试验，与现有技术的平躺式试验相比，更加真实的模拟管片实际受力状态；通过吊装加载组件实现自重平衡，可准确模拟实际工况中地层所提供的管片自重反力作用，解决了站立式管片原型加载试验自重反力集中的问题，更加真实的模拟管片实际受力状态。

Description

竖井式盾构管片原型加载试验方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种竖井式盾构管片原型加载试验方法、系统、设备及介质。

背景技术

近些年来，随着我国城市整体规划的不断推进，受沿线环境条件及地面交通等因素影响，交通线路进入市区或跨越大江大河时采用盾构隧道建设的方式逐渐成为趋势，管片是盾构隧道的永久承载结构，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用，盾构管片力学性能状态直接关系到隧道结构的整体稳定性、安全性及耐久性能。

基于此，国内外主要采用了数值计算分析、缩尺试验以及原型加载试验等方法开展管片力学性能的研究；对于数值计算分析，计算模型对管片结构简化较大，并且模型关键计算参数难以准确获取，计算结果难以真实反应管片力学状态；缩尺试验同样针对管片模型进行简化，由于缩尺管片模型尺寸及材料性能等问题，试验结果往往与实际情况存在较大差异；原型加载试验是现阶段能较为真实反映管片力学性能的研究手段。

目前，盾构隧道工程技术领域管片原型加载试验都是基于室内试验室平台开展的平躺式试验，然而平躺式管片原型加载试验由于无法考虑管片结构自重对管片环力学状态的重要影响，其试验结果的准确性尚需进一步审视与评估。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种竖井式盾构管片原型加载试验方法、系统、设备及介质。

第一方面，本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验方法，包括如下步骤：

获取试验环管片的重力大小和实际载荷集合，所述实际载荷集合包括所述盾构管片在实际工况中受到的顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，所述试验环管片的轴线延长线方向为第一方向，所述第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组，所述试验环管片组包括多个沿水平方向分布设置的所述试验环管片，所述试验环管片为所述盾构管片；

根据所述实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；

根据所述重力大小启动吊装加载组件，向所述试验环管片分级施加反重作用力，所述反重作用力的大小与所述重力大小相等，方向与重力方向相反；

根据所述径向集中载荷大小启动径向加载组件，向所述试验环管片分级施加径向载荷，并根据所述环箍均布载荷大小同步启动环箍加载组件，向所述试验环管片的外壁周向分级施加环箍均布载荷；

记载所述试验环管片的内力和变形。

根据本发明提供的技术方案，所述试验环管片设于竖井结构内。

根据本发明提供的技术方案，所述试验环管片组通过盾构机组装成型。

根据本发明提供的技术方案，所述径向集中载荷大小包括水平集中载荷大小和竖向集中载荷大小，所述水平集中载荷大小通过下式得到：

公式（1）

其中：公式（2）

式中，q _d为顶部荷载；q _c为侧向顶部荷载；q _s为侧向顶部与侧向底部的载荷差；q _k为三角形地层水平抗力；F _s为水平集中荷载大小；R为盾构管片的形心半径。

根据本发明提供的技术方案，获取所述竖向集中载荷大小和所述水平集中载荷大小，所述竖向集中载荷大小通过下式得到：

公式（3）

其中：公式（4）

式中，F _z为竖向集中荷载大小。

根据本发明提供的技术方案，根据所述实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小之后，还包括如下步骤：

根据所述重力大小启动所述吊装加载组件，向所述试验环管片分级施加反重作用力，所述反重作用力的大小与所述重力大小相等，方向与重力方向相反；

根据所述竖向集中载荷大小启动竖向加载部，向所述试验环管片沿第三方向的两端分级施加竖向集中载荷；根据所述水平集中载荷大小启动水平加载部，向所述试验环管片沿第二方向的两端分级施加水平集中载荷；根据所述环箍均布载荷大小同步启动环箍加载部，向所述试验环管片的外壁周向分级施加环箍均布载荷；其中，所述第二方向为水平方向且与所述第一方向垂直，所述第三方向为竖直方向；

记载所述试验环管片的内力和变形。

根据本发明提供的技术方案，所述根据所述实际载荷集合计算得到环箍均布载荷大小通过下式实现：

公式（5）

式中，F _h为环箍均布载荷大小。

第三方面，本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验系统，用于实现如以上所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，所述系统包括：

获取模块，所述获取模块配置用于获取试验环管片的重力和实际载荷集合，所述实际载荷集合包括所述盾构管片在实际工况中受到的顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，所述试验环管片的轴线延长线方向为第一方向，所述第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组，所述试验环管片组包括多个沿水平方向分布设置的所述试验环管片，所述试验环管片为所述盾构管片；

计算模块，所述计算模块配置用于根据所述实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；

第一控制模块，所述控制模块配置用于根据所述重力大小启动吊装加载组件，向所述试验环管片分级施加反重作用力，所述反重作用力的大小与所述重力大小相等，方向与重力方向相反；

第二控制模块，所述第二控制模块配置用于根据所述径向集中载荷大小启动径向加载组件，向所述试验环管片分级施加径向载荷，并根据所述环箍均布载荷大小同步启动环箍加载组件，向所述试验环管片的外壁周向分级施加环箍均布载荷；

记载模块，所述记载模块配置用于记载所述试验环管片的内力和变形。

第三方面，本发明提出一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如以上所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法的步骤。

第四方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法的步骤。

综上所述，本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验方法，通过获取立式试验环管片的重力大小和实际载荷集合，计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小，再启动吊装加载组件对试验环管片施加提拉力，实现自重平衡，启动径向加载组件向试验环管片施加径向载荷，启动环箍加载组件向试验环管片施加环箍均布载荷，并记载加载过程中试验环管片的内力和变形。本发明的试验环管片的轴线延长线为水平方向，为站立式管片原型加载试验，与现有技术的平躺式试验相比，更加真实的模拟管片实际受力状态；另外，本发明通过吊装加载组件实现自重平衡，可准确模拟实际工况中地层所提供的管片自重反力作用，解决了站立式管片原型加载试验自重反力集中的问题，且更加真实的模拟管片实际受力状态。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的竖井式盾构管片原型加载试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的试验环管片和盾构管片在竖井结构内的俯视图；

图3为本发明实施例2提供的竖井式盾构管片原型加载试验方法的流程图；

图4为本发明实施例3提供的终端设备的结构示意图。

图中所述文字标注表示为：

1、支座支撑本体；11、底座；111、弧形凹槽；112、钢轨；113、第一凹槽；2、试验环管片组；21、试验环管片；3、反力架；31、立柱；32、顶斜梁；33、顶横梁；34、顶竖梁；4、径向加载组件；41、三角支架；42、水平加载梁；43、水平驱动部；44、顶部加载部；441、顶部加载梁；442、顶部驱动部；45、底部加载部；451、底部驱动部；5、环箍加载组件；51、环箍钢绞线；52、环箍梁；6、吊装加载组件；61、吊装钢绞线；62、吊装驱动部；8、竖井结构；81、竖井壁；700、计算机系统；701、CPU；702、ROM；703、RAM；704、总线；705、I/O接口；706、输入部分；707、输出部分；708、存储部分；709、通信部分；710、驱动器；711、可拆卸介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

诚如背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验装置，如图1和图2所示，包括：

支座支撑本体1，支座支撑本体1用于支撑试验环管片组2，试验环管片组2包括至少一个沿第一方向分布排列且相互连接的试验环管片21，试验环管片21为盾构管片，各试验环管片21由多个弧形管片组成，试验环管片21的轴线延长线方向为第一方向；

其中，如图1所示，第一方向为垂直于纸面的前后方向，可选地，试验环管片组2包括3个试验环管片21，相邻两个试验环管片21之间通过螺栓连接；

反力架本体，反力架本体包括至少一个沿第一方向分布设置的反力架组，各反力架组与试验环管片21对应设置，各反力架组包括至少一个反力架3，各反力架3包括沿第二方向分布设置的两个立柱31，两个立柱31的底端均与支座支撑本体1连接，各反力架组的立柱31和支座支撑本体1之间形成第一空间，第一空间用于放置试验环管片21，第二方向与第一方向垂直；

其中，第二方向为水平方向，可选地，反力架组包括2个反力架3，即每个试验环管片21对应2个反力架3；

载荷加载系统，载荷加载系统包括至少一个与反力架3对应的加载机构，各加载机构包括：

径向加载组件4，径向加载组件4用于对试验环管片21施加等效弯矩，等效弯矩用于模拟盾构管片在实际工况中时所受到的弯矩；

环箍加载组件5，环箍加载组件5用于对试验环管片21施加等效轴力，等效轴力用于模拟盾构管片在实际工况中时所受到的轴力作用效果的力；

吊装加载组件6，吊装加载组件6用于对试验环管片21施加提拉作用力，实现试验环管片21自重平衡；

其中，在实际工况下，盾构管片会由于周围土水压力、不均匀沉降、温度变化等多种因素而承受弯矩，周围土水压力、隧道内部的压力以及盾构管片之间的相互作用力等，在盾构管片的轴向方向上会产生轴力；在试验中，通过径向加载组件4和环箍加载组件5在试验环管片21上施加等效弯矩和等效轴力，用于模拟盾构管片在实际工况中的受力情况，以便对管片的性能进行测试和评估；

监测组件，监测组件用于测量试验环管片21的结构内力和变形；

可选地，监测组件为应变计，在试验环管片21的内外表面均布置多个应变计，用于测量试验环管片21的结构内力和变形，通过获取的结构内力和变形来优化管片结构设计并评估管片的安全性，为现有技术，此处不再赘述。

本发明为站立式管片原型加载试验，与现有技术的平躺式试验相比，更加真实的模拟管片实际受力状态，且本发明通过径向加载组件4和环箍加载组件5对试验环管片21提供等效弯矩和等效轴力，两套加载组件独立加载，操作简单；另外，本发明通过吊装加载组件6实现试验环管片21自重平衡，可准确模拟实际工况中地层所提供的管片自重反力作用，解决了站立式管片原型加载试验自重反力集中的问题，且更加真实的模拟管片实际受力状态。

在一优选实施例中，试验装置设于竖井结构8内，竖井结构8包括两个沿第二方向分布的竖井壁81，两个立柱31相互远离端与对应的竖井壁81连接；试验环管片组2通过盾构机组装成型。

其中，竖井结构8为方形盾构始发井，竖井结构8底部包括钢筋混凝土的竖井底板，在竖井底板上预埋有两个预埋钢板，预埋钢板沿第二方向设于支座支撑本体1的两侧，预埋钢板用于与反力架3的立柱31连接。各反力架3与竖井结构8的竖井壁81抵接，通过盾构工程既有的竖井结构8和支座支撑本体1作为试验平台，既有盾构负环管片作为试验环管片21，在不影响现场盾构施工的同时开展原型加载试验，降低了管片原型加载试验成本。

本发明通过盾构机始发掘进，并在竖井结构8内拼装盾构管片，形成多个螺栓连接的盾构管片，选取中部的三个盾构管片作为试验环管片组2，并将试验环管片组2与其它盾构管片之间的螺栓拆除；故试验环管片21即盾构管片，本发明利用盾构机完成拼装，还原了盾构管片实际拼装形态，且利用施工现场作为试验场地，避免了场地寻找困难的问题，且又能真实反映管片力学特性。

具体地，各立柱31和竖井壁81通过立柱支撑组件连接，立柱支撑组件设于立柱31中部，立柱支撑组件包括设于立柱31远离试验环管片21端的立柱板、与立柱板螺纹连接的螺纹螺杆，与螺纹螺杆远离立柱板端连接的球头，以及设于竖井壁81靠近试验环管片21端的井壁板；其中，螺纹螺杆的延伸方向为第二方向，其可伸缩调节长度，调节后，球头与井壁板抵接，当立柱31受到水平作用力时，球头可保障作用力可均匀传递至竖井结构8，避免偏载。

现有技术中，由于试验环管片21的直径较大，且每个管片的重量达到15顿左右，故即使是平躺式试验也需要寻找足够大的空间，且利用吊装设备完成试验环管片21的拼装，此种方式存在拼装误差，会对管片环力学状态产生重要影响，本发明利用盾构机完成拼装，避免产生拼装误差，且利用施工现场作为试验场地，避免了场地寻找困难的问题，且又能真实反映管片力学特性。

在一优选实施例中，在试验环管片21组沿第一方向的两端粘贴聚乙烯板，用于减小试验环管片21边界位置摩阻力。

其中，聚乙烯板粘贴于环缝中，由于试验环管片21在载荷加载系统的载荷加载下会产生变形，通过聚乙烯板避免试验环管片组2两侧的盾构管片会对其产生干扰。

在一优选实施例中，反力架3还包括两个顶斜梁32，两个顶斜梁32一端连接，另一端分别与两个立柱31远离支座支撑本体1端连接，两个顶斜梁32之间形成第一夹角，第一夹角开口朝向试验环管片21。

其中，反力架3结构为门字形钢架，安装于试验环管片21和竖井壁81之间，包括立柱31、两个顶斜梁32、顶横梁33、顶竖梁34，其中，顶横梁33的延伸方向为第二方向，其两端分别与对应的顶斜梁32连接，顶竖梁34的延伸方向为竖直方向，其一端与两个顶斜梁32连接处连接，另一端与顶横梁33连接，各相邻构件之前通过高强度螺栓连接。顶横梁33和顶斜梁32形成三角形结构，提高了反力架3的稳定性。

在一优选实施例中，支座支撑本体1包括底座11，底座11顶面开设有弧形凹槽111，弧形凹槽111具有与试验环管片21相配的弧形曲面，弧形曲面上设有两个钢轨112，两个钢轨112沿第二方向对称分布于试验环管片21的两侧，且钢轨112的延伸方向为第一方向；钢轨112用于支撑试验环管片21。

其中，在竖井底板浇筑盾构始发基座，作为底座11，底座11的延伸方向为第一方向，底座11包括沿第二方向依次分布设置的第一底座、第二底座和第三底座，三者之间具有间隙，三者顶面均具有曲面，共同组成弧形曲面，第一底座和第三底座上设有钢轨112，钢轨112除了可支撑试验环管片21外，还用于盾构机行走。

在一优选实施例中，吊装加载组件6包括环设于靠近支座支撑本体1侧的试验环管片21的外壁的吊装钢绞线61，还包括设于两个顶斜梁32上的吊装驱动部62，两个吊装驱动部62分别与吊装钢绞线61的两端连接，两个吊装驱动部62可同步对试验环管片21施加沿第三方向的作用力，第三方向与第一方向和第二方向垂直。

其中，可选地，吊装驱动部62为空心油缸，第三方向为竖直方向，顶斜梁32对应试验环管片21水平边界位置焊接有固定钢板，固定钢板设于两个顶斜梁32相互远离端，固定钢板水平放置，吊装驱动部62设于固定钢板上方中部，固定钢板中心和顶斜梁32与其对应位置开设有通孔，吊装钢绞线61穿过顶斜梁32和固定钢板的通孔与空心油缸连接，通过两个空心油缸同步动作，可实现试验环管片21沿竖直方向上下移动。

在一优选实施例中，径向加载组件4包括沿第二方向设于试验环管片21两侧的水平加载部，以及沿第三方向设于试验环管片21两侧的竖向加载部，水平加载部用于沿第二方向向试验环管片21施加水平作用力，竖向加载部用于沿第三方向向试验环管片21施加竖向作用力。

其中，水平加载部包括：

三角支架41，三角支架41设于立柱31靠近试验环管片21端的中部，三角支架41包括水平支架和斜向支架，水平支架一端与立柱31连接，另一端与斜向支架的高端连接，斜向支架的低端与立柱31连接；

水平加载梁42，水平加载梁42设于试验环管片21外壁，其延伸方向为竖直方向，与试验环管片21外壁相切；

水平驱动部43，水平驱动部43水平放置于水平支架上，可选地，水平驱动部43为千斤顶，千斤顶的底部通过法兰与立柱31连接，其顶部与水平加载梁42抵接。

其中，竖向加载部包括：

顶部加载部44，顶部加载部44包括设于试验环管片21顶部的顶部加载梁441，顶部加载梁441与试验环管片21的顶部相切，还包括顶部驱动部442，顶部驱动部442的底部与顶横梁33连接，另一端与顶部加载梁441抵接，可选地，顶部驱动部442为液压千斤顶；

底部加载部45，底部加载部45包括设于试验环管片21底部的底部加载梁，底部加载梁与试验环管片21的底部相切，还包括底部驱动部451，可选地，底部驱动部451为液压千斤顶，液压千斤顶可伸缩，用于向试验环管片21底部施加载荷；第二底座上设有第一凹槽113，初始状态时，液压千斤顶置于第一凹槽113内，当向试验环管片21施加载荷时，液压千斤顶的活塞杆伸出第一凹槽113与底部加载梁抵接。

当试验环管片组2包括多个试验环管片21时，则包括多个径向加载组件4，置于试验环管片组2左侧的所有水平加载梁42集成为一体，且右侧的所有水平加载梁42，所有顶部加载梁441和所有底部加载梁分别集成为一体，且第一凹槽113为条形，所有底部驱动部451均置于第一凹槽113内。

进一步地，顶横梁33上设有限位凹槽，限位凹槽开口朝向试验环管片21侧，且其延伸方向为第一方向，限位凹槽的底壁上设有滑槽，滑槽的延伸方向为第一方向，液压千斤顶的顶部设有与滑槽相配的卡扣滑块，卡扣滑块可带动液压千斤顶在滑槽内滑动，到位后，通过卡扣滑块的卡扣结构固定于滑槽上。限位凹槽的开口处设有限位挡板，限位挡板上设有限位开口，当该液压千斤顶未伸长前，置于限位凹槽内，当向试验环管片21片施加载荷时，液压千斤顶的活塞由限位开口与试验环管片21的顶部抵接。限位挡板避免了液压千斤顶掉落的风险。

在一优选实施例中，环箍加载组件5包括至少一个环箍加载部，各环箍加载部包括缠绕试验环管片21的环箍钢绞线51，环箍钢绞线51的一端与试验环管片21外壁连接，另一端与环箍驱动部连接，环箍驱动部用于对环箍钢绞线51施加拉紧力。

其中，由于试验环管片21的内力较大，故每根试验环管片21采用多个环箍加载部进行加载，可选地，每根试验环管片21采用4个环箍加载部，环箍钢绞线51外侧套设有一层橡胶皮，橡胶皮与环箍钢绞线51之间住满润滑油脂，各环箍加载部还包括环箍梁52，环箍梁52由试验环管片21外壁沿径向向外延伸，环箍梁52中部设有钢绞线穿越孔；环箍驱动部设于环箍梁52上，可选地，环箍驱动部为空心油缸，环箍钢绞线51一端利用钢绞线工具锚工具固定于环箍梁52，另一端缠绕试验环管片21一周，穿过钢绞线穿越孔后与空心油缸连接。由于试验环管片21的宽度有限，无法放置多个空心油缸，故在180度对角的位置分别放了两个空心油缸。

在一优选实施例中，钢轨112顶部开设有槽口，槽口用于供环箍钢绞线51和吊装钢绞线61穿过。

其中，槽口的数量与环绕在试验环管片21外的环箍钢绞线51和绕设在试验环管片21外壁的吊装钢绞线61的数量相同，可选地，各试验环管片21外缠设有4根环箍钢绞线51，且绕设有一根吊装钢绞线61，故与各试验环管片21对应的槽口的数量为5个。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明提供一种竖井式盾构管片原型加载试验装置的试验方法，如图3所示，包括如下步骤：

S100.获取试验环管片21的重力大小和实际载荷集合，实际载荷集合包括盾构管片在实际工况中受到的顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，试验环管片21的轴线延长线方向为第一方向，第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组2，试验环管片组2包括多个沿水平方向分布设置的试验环管片21，试验环管片21为盾构管片；

其中，步骤S100之前还包括如下步骤：

S010.施作盾构始发竖井，竖井底板对应位置预埋预埋钢板；

S020.在竖井底板浇筑盾构始发基座作为底座11，并在底座11的第二底座上预留第一凹槽113，在第一底座和第三底座上安装钢轨112，并在第一凹槽113内安装底部驱动部451；

S030.预制试验环管片21，在试验环管片21的内外侧设置监测组件，并在试验环管片组2的两端粘贴聚乙烯板；

S040.盾构始发掘进，在竖井结构8内拼装试验环管片21和其它盾构管片，相邻管片环纵缝之间利用螺栓连接；

S050.安装反力架本体及载荷加载系统；

S060.待试验环管片21不再受盾构机掘进推力影响后，拧去试验环管片21与相邻盾构管片之间的连接螺栓，开始试验。

可选地，在盾构机进行拼装之前，可通过称重装置获取每个管片的重量，再根据拼装试验环管片21所需管片的数量，计算得到试验环管片21的重力，试验人员将该重力输入至试验装置的控制单元内。

进一步地，获取实际载荷集合包括如下步骤：

S101.获取试验环管片21的形心半径和竖井结构8所在的隧道的土信息和水信息；

其中，可通过测量试验环管片21的内径和外径，计算得到形心半径，可通过水文地质勘察得到土信息和水信息，土信息包括土的类型、覆土层厚度、地层性质、松动带宽度等，水信息包括沿隧道径向水压力、隧道顶部的净水头高度等。

S102.根据形心半径、土信息和水信息获取实际载荷集合；

其中，根据形心半径、土信息和水信息通过查找相关规范即可得到实际载荷集合；

S200.根据实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；根据实际载荷集合计算得到环箍均布载荷大小通过如下公式实现：

公式（5）

式中，F _h为环箍均布载荷大小，q _c为侧向顶部荷载；q _s为侧向顶部与侧向底部的载荷差；q _k为三角形地层水平抗力。

S300.根据重力大小启动吊装加载组件6，向试验环管片21分级施加反重作用力，反重作用力的大小与重力大小相等，方向与重力方向相反；

S400.根据径向集中载荷大小，启动径向加载组件4向试验环管片21分级施加径向载荷，并根据环箍均布载荷大小同步启动环箍加载组件5向试验环管片21的外壁周向分级施加环箍均布载荷；

S500.记载试验环管片21的内力和变形。

当吊装加载组件6将试验环管片组2吊起后，试验环管片组2与钢轨112脱离，再通过径向加载组件4和环箍加载组件5向试验环管片21施加载荷，模拟在实际工况中盾构管片的受力情况。

在一优选实施例中，径向集中载荷大小包括水平集中载荷大小和竖向集中载荷大小，水平集中载荷大小通过下式得到：

公式（1）

其中：公式（2）

式中，q _d为顶部荷载；q _c为侧向顶部荷载；q _s为侧向顶部与侧向底部的载荷差；q _k为三角形地层水平抗力；F _s为水平集中荷载大小；R为盾构管片的形心半径。

竖向集中载荷大小通过下式得到：

公式（3）

其中：公式（4）

式中，F _z为竖向集中荷载大小。

其中，两侧的水平加载部沿第二方向向试验环管片21施加的载荷方向相反，载荷大小均等于水平集中载荷大小；顶部加载部44和底部加载部45沿第三方向向试验环管片21施加的载荷方向相反，载荷大小均等于竖向集中载荷的大小。

另外，上述公式中涉及的a、b、c、d均为系数，起到简化公式的作用。

在一优选实施例中，根据实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小之后还包括如下步骤：

S210.根据重力大小启动吊装加载组件6，向试验环管片21分级施加反重作用力，反重作用力的大小与重力大小相等，方向与重力方向相反；

其中，当装配完试验环管片组2、反力架本体以及载荷加载系统之后，通过控制单元获取试验环管片21的重力，并通过计算得到水平集中载荷大小和竖向集中载荷大小，以及环箍均布载荷大小，控制单元向各吊装加载组件6发送吊装指令，所有吊装加载组件6在接收到吊装指令后，通过各吊装加载组件6的空心油缸同步提拉吊装钢绞线61，实现试验环管片21的自重平衡；

S220.根据竖向集中载荷大小启动竖向加载部，向试验环管片21沿第三方向的两端分级施加竖向集中载荷；根据水平集中载荷大小启动水平加载部，向试验环管片21沿第二方向的两端分级施加水平集中载荷；根据环箍均布载荷大小同步启动环箍加载部，向试验环管片21的外壁周向分级施加环箍均布载荷；其中，第二方向为水平方向且与第一方向垂直，第三方向为竖直方向；

S230.记载试验环管片21的内力和变形。

其中，当完成吊装后，吊装加载组件6向控制单元发送吊装完成信号，控制单元接收到该信号后向顶部驱动部442、底部驱动部451、水平驱动部43以及环箍驱动部发送启动信号，顶部驱动部442、底部驱动部451、水平驱动部43以及环箍驱动部接收到信号后，向试验环管片21进行分级加载。

综上，本发明具有的有益效果是：

通过盾构工程既有的竖井结构8和支座支撑本体1作为试验平台，将既有的盾构管片作为试验对象，在不影响现场盾构施工的同时开展原型加载试验，降低了管片原型加载试验成本；

本试验为站立式管片原型加载试验，试验环管片21由盾构机拼装完成，可解决现有的平躺式管片原型加载试验无法考虑管片结构自重以及拼装误差对管片环力学状态影响的问题，更加真实的模拟管片实际受力情况；

通过吊装加载组件6实现了试验环管片21的自重平衡，可准确模拟实际工况中地层所提供的管片自重反作用，解决了站立式管片原型加载试验自重反力集中的问题；

反力架3所受到的荷载远小于试验室平躺式管片加载试验所用的反力架，并且可利用竖井结构8作为支撑，因此反力架3内力相对较小，建造成本低，并且结构简单。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，本发明提出一种竖井式盾构管片原型加载试验系统，用于实现以上的竖井式盾构管片原型加载试验方法，系统包括：

获取模块，获取模块配置用于获取试验环管片21的重力大小和实际载荷集合，实际载荷集合包括盾构管片在实际工况中受到的、顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，试验环管片21的轴线延长线方向为第一方向，第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组2，试验环管片组2包括多个沿水平方向分布设置的试验环管片21，试验环管片21为盾构管片；

计算模块，计算模块配置用于根据实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；

第一控制模块，控制模块配置用于根据重力大小启动吊装加载组件6，向试验环管片21分级施加反重作用力，反重作用力的大小与重力大小相等，方向与重力方向相反；

第二控制模块，第二控制模块配置用于根据径向集中载荷大小，启动径向加载组件4向试验环管片21分级施加径向载荷，并根据环箍均布载荷大小启动环箍加载组件5向试验环管片21的外壁周向分级施加环箍均布载荷;

记载模块，记载模块配置用于记载试验环管片21的内力和变形。

实施例4

如图4所示，所述终端设备的计算机系统700包括CPU701，其可以根据存储在ROM702中的程序或者从存储部分708加载到RAM703中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM703中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU701、ROM702以及RAM703通过总线704彼此相连。I/O接口705也连接至总线704。以下部件连接至I/O接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。

特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图3描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例4包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被CPU701执行时，执行本计算机系统700中限定的上述功能。

需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例4的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

作为另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取试验环管片（21）的重力大小和实际载荷集合，所述实际载荷集合包括所述盾构管片在实际工况中受到的顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，所述试验环管片（21）的轴线延长线方向为第一方向，所述第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组（2）和反力架本体，所述试验环管片组（2）包括多个沿水平方向分布设置的所述试验环管片（21），所述试验环管片（21）为所述盾构管片；所述试验环管片组（2）通过盾构机组装成型；所述反力架本体包括至少一个沿第一方向分布设置的反力架组，各所述反力架组与所述试验环管片（21）对应设置，各所述反力架组包括至少一个反力架（3），各所述反力架（3）包括沿第二方向分布设置的两个立柱（31），两个所述立柱（31）的底端均与支座支撑本体（1）连接，各反力架组的立柱（31）和所述支座支撑本体（1）之间形成第一空间，第一空间用于放置所述试验环管片（21），第二方向与第一方向垂直；所述反力架（3）还包括两个顶斜梁（32），两个所述顶斜梁（32）一端连接，另一端分别与两个所述立柱（31）远离所述支座支撑本体（1）端连接，两个顶斜梁（32）之间形成第一夹角，第一夹角开口朝向所述试验环管片（21）；

根据所述实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；所述径向集中载荷大小包括水平集中载荷大小和竖向集中载荷大小；

根据所述重力大小启动吊装加载组件（6），向所述试验环管片（21）分级施加反重作用力，所述反重作用力的大小与所述重力大小相等，方向与重力方向相反；所述吊装加载组件（6）包括环设于靠近支座支撑本体（1）侧的试验环管片（21）的外壁的吊装钢绞线（61），还包括设于两个顶斜梁（32）上的吊装驱动部（62），两个吊装驱动部（62）分别与吊装钢绞线（61）的两端连接，两个吊装驱动部（62）可同步对试验环管片（21）施加沿第三方向的作用力，第三方向与第一方向和第二方向垂直；

根据所述竖向集中载荷大小启动竖向加载部，向所述试验环管片（21）沿第三方向的两端分级施加竖向集中载荷；根据所述水平集中载荷大小启动水平加载部，向所述试验环管片（21）沿第二方向的两端分级施加水平集中载荷；根据所述环箍均布载荷大小同步启动环箍加载部，向所述试验环管片（21）的外壁周向分级施加环箍均布载荷；其中，所述第二方向为水平方向且与所述第一方向垂直，所述第三方向为竖直方向；

记载所述试验环管片（21）的内力和变形。

2.根据权利要求1所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，所述试验装置设于竖井结构（8）内。

3.根据权利要求1所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，所述水平集中载荷大小通过下式得到：

公式（1）

其中：公式（2）

式中，q _d为顶部荷载；q _c为侧向顶部荷载；q _s为侧向顶部与侧向底部的载荷差；q _k为三角形地层水平抗力；F _s为水平集中荷载大小；R为盾构管片的形心半径。

4.根据权利要求3所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，所述竖向集中载荷大小通过下式得到：

公式（3）

其中：公式（4）

式中，F _z为竖向集中荷载大小。

5.根据权利要求3所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，所述根据所述实际载荷集合计算得到环箍均布载荷大小通过下式实现：

公式（5）

式中，F _h为环箍均布载荷大小。

6.一种竖井式盾构管片原型加载试验系统，用于实现如权利要求1-5任一项所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法，其特征在于，所述系统包括：

获取模块，所述获取模块配置用于获取试验环管片（21）的重力和实际载荷集合，所述实际载荷集合包括所述盾构管片在实际工况中受到的顶部载荷、侧向顶部载荷、侧向顶部与侧向底部的载荷差，以及三角形地层水平抗力，所述试验环管片（21）的轴线延长线方向为第一方向，所述第一方向为水平方向，试验装置包括试验环管片组（2），所述试验环管片组（2）包括多个沿水平方向分布设置的所述试验环管片（21），所述试验环管片（21）为所述盾构管片；

计算模块，所述计算模块配置用于根据所述实际载荷集合计算得到径向集中载荷大小和环箍均布载荷大小；

第一控制模块，所述控制模块配置用于根据所述重力大小启动吊装加载组件（6），向所述试验环管片（21）分级施加反重作用力，所述反重作用力的大小与所述重力大小相等，方向与重力方向相反；

第二控制模块，所述第二控制模块配置用于根据所述径向集中载荷大小启动径向加载组件（4），向所述试验环管片（21）分级施加径向载荷，并根据所述环箍均布载荷大小同步同步启动环箍加载组件（5），向所述试验环管片（21）的外壁周向分级施加环箍均布载荷；

记载模块，所述记载模块配置用于记载所述试验环管片（21）的内力和变形。

7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的竖井式盾构管片原型加载试验方法的步骤。