一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法

摘要

一种盾构隧道结构的水压原型试验方法，其作法是：A、安装环锚索将隧道结构(2)竖起地置于地面；前、后两个环箍梁(3a、3b)竖直地设置于隧道结构(2)的外表面，带载荷计的环箍锚索(5)交替地锚固在前、后环箍梁(3a、3b)上，环箍锚索(5)的另一端则固定在对应环箍梁(3a、3b)的千斤顶(6)的顶杆上。B、垫设减摩层在隧道结构(2)与环箍锚索(5)间对称地垫设摩擦系数递减的3-5段减摩层。C、测试用千斤(6)顶将环箍锚索(5)拉紧，并通过相应的测量仪器对载荷量及隧道结构(2)的力学性能进行测试、分析。该方法较真实地模拟环境水压对水下隧道结构的作用，为其设计和施工提供依据，保证隧道建设和营运安全。

权利要求

1.一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法，其作法是：

A、安装环箍锚索将预埋有应变计、钢筋计的盾构隧道管片(21)拼装成短圆筒状隧道结构(2)，然后将所述隧道结构(2)置于地面，其中轴线垂直于地面；竖直的前、后两个环箍梁(3a、3b)对称地设置于所述隧道结构(2)的外表面，竖向分布的二根以上的带载荷计的环箍锚索(5)交替地锚固在前、后环箍梁(3a、3b)上，环箍锚索(5)绕所述隧道结构(2)表面一周后的另一端则固定在对应环箍梁(3a、3b)的千斤顶(6)的顶杆上；

B、垫设减摩层在所述隧道结构(2)与环箍锚索(5)之间垫设弧度为250-290°圆弧形的聚四氟乙烯减摩层(7)，该圆弧形减摩层(7)对称地分布于前、后环箍梁(3a、3b)之间，所述减摩层(7)从位于前环箍梁(3a)处的部分起至所述减摩层(7)的两端部止各分为摩擦系数递减的3-5段；

C、测试仪器的布置将多个应变片(10)粘贴于所述管片(21)的内表面及外表面上，测缝计(12)安装在所述管片(21)连接处的内表面及外表面上，位移计(11)安装于所述隧道结构(2)的内表面；

D、测试使千斤顶(6)的顶杆向外顶出，将环箍锚索(5)拉紧，对所述隧道结构(2)施以径向压力，同时通过应变片(10)、位移计(11)、测缝计(12)和应变计、钢筋计对加载的载荷量及所述隧道结构(2)的力学性能参数进行测试，并将测试数据输入计算机分析计算，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法，其特征是：所述的A步安装环箍锚索时，还在所述隧道结构(2)上设置锚索定位装置(8)，该定位装置(8)由所述隧道结构(2)内表面的固定杆(8a)，外表面的定位杆(8b)以及所述隧道结构(2)上、下表面的连接横杆(8c)组成，通过连接横杆(8c)将固定杆(8a)和定位杆(8b)连接并固定在所述隧道结构(2)上；定位杆(8b)的内表面设有与环箍锚索(5)的数量及形状匹配的锚索定位槽，每条环箍锚索(5)置于相应的锚索定位槽内。

3.根据权利要求1所述的一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法，其特征是：所述的B步垫设减摩层时，所述减摩层(7)从位于前环箍梁(3a)处的部分起至所述减摩层(7)的两端部止各分为摩擦系数递减的3-5段的具体作法为：两端部处的减摩段由一层聚四氟乙烯块构成，前环箍梁(3a)处的减摩层由两层聚四氟乙烯块构成，且在两层聚四氟乙烯之间涂有润滑剂，其余的减摩段由两层聚四氟乙烯块构成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道结构的试验方法，尤其涉及一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法。

背景技术

海底、江底的水下盾构隧道结构在外静水压力作用下，其承受的水压的分布形态为顶部小底部大的“灯泡”形状。在施工和运营期间，隧道承受的水压变化非常大，加之目前隧道断面大型化的趋势，水下盾构隧道在施工期和运营期承受的非均匀水压对隧道结构的作用不可忽略。通过模拟灯泡形水压对隧道结构的作用和影响，能够对水下盾构隧道结构的设计和施工给出科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。目前尚无有效方法能够在隧道结构的原型试验时，对隧道结构施加灯泡形水压，这是当前隧道设计与建设中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种水下盾构隧道结构水压的原型试验方法，该方法能对盾构隧道结构施加顶部大底部小的灯泡形水压，能较真实地模拟环境水压对隧道结构的作用和影响，从而对水下盾构隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：
一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法，其作法是：
A、安装环箍锚索将预埋有应变计、钢筋计的盾构隧道管片拼装成短圆筒状隧道结构，然后将隧道结构置于地面，其中轴线垂直于地面；竖直的前、后两个环箍梁对称地设置于隧道结构的外表面，竖向分布的二根以上的带载荷计的环箍锚索交替地锚固在前、后环箍梁上，环箍锚索绕隧道结构表面一周后的另一端则固定在对应环箍梁的千斤顶的顶杆上。
B、垫设减摩层在隧道结构与环箍锚索之间垫设弧度为250-290°圆弧形的聚四氟乙烯减摩层，该圆弧形减摩层对称地分布于前、后环箍梁之间，所述减摩层从位于前环箍梁处的部分起至所述减摩层的两端部止各分为摩擦系数递减的3-5段。
C、测试仪器的布置将多个应变片粘贴于管片的内表面及外表面上，测缝计安装在管片连接处的内表面及外表面上，位移计安装于隧道结构的内表面。
D、测试使千斤顶的顶杆向外顶出，将环箍锚索拉紧，对隧道结构施以径向压力，同时通过应变片、位移计、测缝计和应变计、钢筋计对加载的载荷量及隧道结构的力学性能参数进行测试，并将测试数据输入计算机分析计算，得到测试结果。
本发明的试验方法及原理是：将真实盾构隧道管片构成的短圆筒状原型隧道结构水平地放置于地面，由于管片混凝土的泊松比很小，所以可以保持隧道结构体与真实的长筒状隧道结构的处于相同的平面应变状态。采用环箍加载方式，利用静力千斤顶对安装在前、后环箍梁上的环箍锚索施加张拉力，而对隧道结构产生径向接触压力。由于各处环箍锚索对盾构隧道结构外表面的接触压力，与该处锚索所受的摩擦力成负相关的关系，因此在环箍锚索与隧道结构之间部分位置设置的减摩层，可改变环箍锚索与隧道结构外表面的摩擦阻力，进而改变接触压力，从而模拟真实水压对隧道结构的作用。由于减摩层从前环箍梁处起至端部止分隔为摩擦系数递增的3-5段，因此锚索所受的摩擦力也从前环箍梁处、减摩层端部、后环箍梁处逐步递增，使得环箍锚索对盾构隧道结构外表面的接触压力则依次递减，实现了隧道结构顶部(后环箍梁处)压力小，底部(前环箍梁处)压力大的灯泡形压力分布，从而较真实地模拟出隧道结构在水下所受的非均匀(灯泡形)水压，随后再进行测试。因此，本发明方法能够在隧道结构受到灯泡形水压的条件下，测出其各项力学参数和性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、能对盾构隧道结构施加顶部小底部大的灯泡形水压，较真实地试验测出环境水压对隧道结构的作用和影响，从而对水下盾构隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。
2、通过减摩层材料的摩擦系数及其变化值及对于加载量值进行控制，从而调整接触压力，模拟出在不同水位条件下，真实水压对于隧道结构的作用，使本发明方法适用性强。
上述的A步安装环箍锚索时，还在隧道结构上设置锚索定位装置，该定位装置由隧道结构内表面的固定杆，外表面的定位杆以及隧道结构上、下表面的连接横杆组成，通过连接横杆将固定杆和定位杆连接并固定在隧道结构上；定位杆的内表面设有与环箍锚索的数量及形状匹配的锚索定位槽，每条环箍锚索置于相应的锚索定位槽内。
这样，可将每条环箍锚索定位在锚索定位槽中，各条环箍锚索均匀间隔分布。有效避免在试验时，环箍锚索相互缠绕，而影响载荷的施加，导致试验难以进行的情形。
上述的B步垫设减摩层时，减摩层从位于前环箍梁处的部分至所述减摩层的两端部止各分为摩擦系数递减的3-5段的具体作法为：两端部处的减摩段由一层聚四氟乙烯块构成，前环箍梁处的减摩层由两层聚四氟乙烯块构成，且在两层聚四氟乙烯之间涂有润滑剂，其余的减摩段由两层聚四氟乙烯块构成。
聚四氟乙烯是一种强度高、成本低，光滑的减摩材料，利用它做成的减摩层，可有效地降低环箍锚索与隧道结构间的摩擦系数；而采用两块聚氟乙烯块相叠构成减摩层，利用聚氟乙烯两层间的滑动，进一步减少该处锚索与减摩层间的摩擦系数；再在两层聚氟乙烯层间涂上润滑剂，使锚索与减摩层间的摩擦系数降至最低。采用这种方法，可以简单、有效地实现从前环箍梁处至其端部的摩擦系数递增。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例测试时的示意图。
图2是本发明实施例测试时在原型盾构隧道结构上产生的水压分布示意图；
图3是本发明实施例测试时环箍锚索微元d1的受力分析图。
图4是本发明实施例测试时原型盾构隧道结构体微元dL的受力分析图。

具体实施方式

实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式为，一种水下盾构隧道结构的水压原型试验方法，其作法是：
A、安装环箍锚索在整个隧道结构2的所有管片1中共预埋有12个应变计、12个钢筋计，然后将隧道结构2置于地面，其中轴线垂直于地面；竖直的前、后两个环箍梁3a、3b对称地设置于隧道结构2的外表面，八根带载荷计的环箍锚索5交替地锚固在前、后环箍梁3a、3b上，环箍锚索5绕隧道结构2表面一周后的另一端则固定在对应环箍梁3a、3b的千斤顶6的顶杆上；前、后两个环
环箍梁3a、3b上内侧开有槽，以方便锚固于另一环箍梁3b、3a上环箍锚索5通过。
安装环箍锚索时，还在隧道结构2上设置锚索定位装置8，该定位装置8由隧道结构2内表面的6条固定杆8a，外表面的6条定位杆8b以及隧道结构2上、下表面的连接横杆8c组成，通过连接横杆8c将固定杆8a和定位杆8b连接并固定在隧道结构2上；定位杆8b的内表面设有与环箍锚索5形状匹配的8个锚索定位槽，每条环箍锚索5置于相应的锚索定位槽内。
B、垫设减摩层在隧道结构2与环箍锚索5之间垫设弧度为270°圆弧形的聚四氟乙烯减摩层7，该圆弧形减摩层7对称地分布于前、后环箍梁3a、3b之间，减摩层7从前环箍梁3a处起至其端部止分为摩擦系数递减的3段。
垫设减摩层时，减摩层7从前环箍梁3a处起至端部止分为摩擦系数递减的3段的具体作法为：端部处的减摩段由一层聚四氟乙烯块构成，前环箍梁3a处的减摩层由两层聚四氟乙烯块构成，且在两层聚四氟乙烯之间涂有润滑剂，其余的减摩段由两层聚四氟乙烯块构成。
C、测试仪器的布置将126个应变片10粘贴于管片21的内表面及外表面上，位移计11安装于隧道结构2的内表面，测缝计12安装于隧道结构2管片连接处的内表面及外表面上。D、测试使千斤顶6的顶杆向外顶出，将环箍锚索5拉紧，对隧道结构2施以径向压力，同时通过应变片、位移计、测缝计和应变计、钢筋计对加载的载荷量及隧道结构2的力学性能参数进行测试，并将测试结果输入计算机分析计算。
下面根据力学理论分析计算得出，环箍锚索对盾构隧道结构外表面的接触压力，与该处锚索所受的摩擦力的关系。
图3示出，取环箍锚索5中的微元d1进行受力分析，假设在长度无限小的微元d1上，摩擦系数μ不变。
环箍锚索5中的微元d1受力平衡时：
$N_g\cos \frac{\mathrm{d\theta }}{2}-f-N_g^{\prime }\cos \frac{\mathrm{d\theta }}{2}=0---\left(1\right)$
$F_c-N_g\sin \frac{\mathrm{d\theta }}{2}-N_g^{\prime }\sin \frac{\mathrm{d\theta }}{2}=0---\left(2\right)$
其中，Ng为锚索5微元d1所受的逆时针方向的张拉力，Ng′为微元d1所受的顺时针方向的张拉力，f为微元d1所受的静摩擦力，Fc为微元d1所受隧道结构2所施加的法向接触压力。
由于静摩擦力f在d1上均匀分布，则：
f＝μFc    (3)
图4示出，根据作用力与反作用力原理，作用在隧道结构2微元dL上的法向接触压力Fω为：
Fω＝-Fc   (4)
由(1)、(2)、(3)、(4)式可得，盾构隧道结构2的微元dL所受的法向接触压力Fω为：
$F_{\omega }=\frac{N_g\sin \mathrm{d\theta }}{\mu \sin \frac{\mathrm{d\theta }}{2}+\cos \frac{\mathrm{d\theta }}{2}}---\left(5\right)$
由于是个小量，故有$\sin \frac{\mathrm{d\theta }}{2}\approx \frac{\mathrm{d\theta }}{2},$$\cos \frac{\mathrm{d\theta }}{2}\approx 1,$代入(5式，简化为：
$F_{\omega }=\frac{2N_g\mathrm{d\theta }}{\mathrm{\mu d\theta }+2}---\left(6\right)$
由(6)式可得知，各处环箍锚索5对盾构隧道结构2外表面的接触压力，与该处锚索5所受的摩擦力成反比的负相关关系。因此可通过布设减摩层7，并使减摩层7各段的摩擦系数不同，来改变环箍锚索5与隧道结构2外表面的摩擦阻力以改变环箍锚索5对隧道结构2的接触压力Fω，即可对隧道结构2施加一种“灯泡形”分布的压力，模拟出盾构隧道结构2的非均匀分布的压力。从而模拟真实水压对隧道结构的作用和影响。
图2即为使用本发明方法所得到的隧道结构的压力分布图，其中的箭头长度表示该处压力值，它呈灯泡形分布，与水下隧道结构2所承受的真实水压的分布相似。
显然，本发明环箍锚索5、定位装置8、应变片10、位移计11、测缝计12和应变计、钢筋计的数量不局限于实施例的数量；圆弧形减摩层7的弧度及减摩层7的段数也不局限于实施例的情况，而可以是分为3-5段的250-290°弧度的圆弧形减摩层7。