可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法及模型与流程

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法及模型。

背景技术：

盾构隧道是地下空间开发中应用最为广泛的结构形式之一，国内外大量城市轨道交通隧道、铁路隧道和公路隧道均采用盾构法施工。由于盾构隧道本身的复杂性和特殊性，在进行相关课题研究时，常常需要考虑一定长度的隧道结构，比如隧道不均匀沉降研究、隧道施工引起的地面塌陷、隧道的抗震性能研究等，此类课题均不可能对原型隧道进行大量的重复性试验，只能采用模型试验的方法。因此一种科学的盾构隧道衬砌环模型设计方法就显得尤为重要。盾构隧道最重要的特征在于其结构离散拼装导致的不连续性，隧道由管片和螺栓拼装而成，形成了大量的环缝和纵缝。根据精细化数值模拟和原型试验研究表明，盾构隧道变形集中在接缝处，而管片仅发生有限的弹性变形。已有文献资料中，模型试验对盾构隧道的不连续性均进行等效处理，即考虑到接缝对隧道刚度的削减作用，将模型的衬砌厚度适当减小，或者在衬砌环模型上局部切槽来模拟接缝对刚度的弱化效果，这样的设计方法可以在宏观上模拟隧道整体的结构特征，但无法体现原型隧道各种接缝的构造特征，而接缝部位往往是盾构隧道最薄弱最容易发生破坏的部分。因此需要提出一种全新的盾构隧道衬砌模型设计方法，不仅使模型具有与原型隧道相同的接缝构造特征，还要造价低廉，制作简便，满足模型试验的大批量需求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种真实性高，能有效模拟隧道结构离散拼装特性的盾构隧道衬砌模型设计方法及模型。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法，包括以下步骤：

1)根据原型隧道的几何尺寸和分块特性，获得盾构隧道衬砌模型的内外径、纵向宽度、分块数量和分块位置，获得多个管片单元；

2)拼接管片单元，在相邻管片单元设置橡胶件以模拟环向接头，根据接头抗弯刚度等效原则，设计所述橡胶件的厚度和硬度；

3)通过模型螺栓固定所述管片单元和橡胶件，所述模型螺栓尺寸依据相似关系设计，模型螺栓的预紧力满足设计要求。

进一步地，所述盾构隧道衬砌模型的分块数量和分块位置与原型隧道分块数量及位置对应。

进一步地，所述接头抗弯刚度等效原则具体为：

kθm＝sθkθ

其中，kθm为橡胶件环向接头刚度，sθ为环向接头抗弯刚度相似比，kθ为原型隧道环向接头抗弯刚度。

进一步地，所述模型螺栓的数量和穿过所述橡胶件的位置，与原型隧道环向接头处环向螺栓数量和位置相对应。

进一步地，所述模型螺栓的断面尺寸通过与原型隧道的环形螺栓的相似关系确定。

进一步地，所述模型螺栓的断面尺寸满足的相似关系为：

其中，esm为模型螺栓受拉弹性模量，d为模型螺栓断面直径，se为弹性模量相似比，sl为几何相似比，es为原型隧道环向螺栓受拉弹性模量，d为原型隧道环向螺栓断面直径。

进一步地，所述模型螺栓的预紧力满足的设计要求具体为：

fbm＝sffb

其中，fbm为隧道模型环向螺栓预紧力，sf为力相似比，fb为原型隧道环向螺栓预紧力。

本发明还提供一种基于如所述的可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法获得的盾构隧道衬砌模型，包括管片单元、橡胶件和模型螺栓，相邻所述管片单元间通过橡胶件连接，并通过所述模型螺栓固定。

进一步地，所述管片单元和橡胶件上均预设有螺栓孔。

进一步地，所述管片单元采用有机玻璃、混凝土、塑料或金属材料制作。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

1)本发明以原型隧道为基础设计盾构隧道衬砌模型，并满足接头抗弯刚度等效原则和预紧力设计要求，使模型具有与原型隧道相同的接缝构造特征，提高试验可靠性。

2)本发明隧道模型分块和整体几何尺寸均与原型分块和整体几何尺寸成比例，有效模拟原型盾构隧道管片分块，且采用由多个管片单元拼装而成的形式，可模拟原型隧道的环缝构造。

3)本发明模型衬砌分块数量及分块位置与原型隧道分块数量及位置对应，使隧道衬砌模型的管片圆心角、环向接头位置等结构特征与原型隧道保持一致，提高试验可靠性。

4)本发明模型螺栓数量和穿过橡胶件的位置，与原型隧道环向接头处环向螺栓数量和位置相对应，使模型环向螺栓反映原型隧道拼装螺栓的受力特性。

5)本发明利用橡胶件模拟隧道环向接头，通过环向螺栓将离散管片连接成隧道整体，有效模拟隧道接头变形和连接螺栓受力，进而准确模拟隧道整体变形行为。

6)本发明的管片单元可以由有机玻璃、混凝土、塑料或金属材料制成，且均可重复利用，而仅替换容易破坏的螺栓和橡胶件即可。

7)设计方法简洁易行，螺栓和橡胶有效模拟环向接头，模型造价低，制作简便，可批量制作，满足大量重复性试验的需求。

附图说明

图1为本发明盾构隧道衬砌模型的结构示意图；

图2为实施例中标准块展开图；

图3为实施例中标准块端部侧视图；

图4为实施例中环向接头示意图；

图5为橡胶件立面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法，包括以下步骤：

1)根据原型隧道的几何尺寸和分块特性，获得盾构隧道衬砌模型的内外径、纵向宽度、分块数量和分块位置，获得多个管片单元。

模型分块和整体几何尺寸均与原型隧道分块和整体几何尺寸成比例。盾构隧道衬砌模型的分块数量和分块位置与原型隧道分块数量及位置对应。

管片单元是离散的，可以由有机玻璃、混凝土、塑料或金属材料制成。

2)拼接管片单元，在相邻管片单元设置橡胶件以模拟环向接头，根据接头抗弯刚度等效原则，设计橡胶件的厚度和硬度。

接头抗弯刚度等效原则具体为：

kθm＝sθkθ(1)

其中，kθm为橡胶件环向接头刚度，sθ为环向接头抗弯刚度相似比，kθ为原型隧道环向接头抗弯刚度。

橡胶件的厚度和硬度根据计算获得的橡胶件环向接头刚度根据参数规范获得。如可参照《中华人民共和国交通运输部.桥梁超高阻尼隔震橡胶支座.2014.》规范取表观线性化参数进行计算。

3)通过模型螺栓固定管片单元和橡胶件，模型螺栓尺寸依据相似关系设计，模型螺栓的预紧力满足设计要求。

模型螺栓的数量和穿过橡胶件的位置，与原型隧道环向接头处环向螺栓数量和位置相对应。

模型螺栓的断面尺寸通过与原型隧道的环形螺栓的相似关系确定。模型螺栓的断面尺寸满足的相似关系为：

其中，esm为模型螺栓受拉弹性模量，d为模型螺栓断面直径，se为弹性模量相似比，sl为几何相似比，es为原型隧道环向螺栓受拉弹性模量，d为原型隧道环向螺栓断面直径。

模型螺栓的预紧力满足的设计要求具体为：

fbm＝sffb(3)

其中，fbm为隧道模型环向螺栓预紧力，sf为力相似比，fb为原型隧道环向螺栓预紧力。

基于上述可模拟环向拼装性能的盾构隧道衬砌模型设计方法获得的盾构隧道衬砌模型参考图1-5所示，包括管片单元、橡胶件3和模型螺栓4，相邻管片单元间通过橡胶件3连接，并通过模型螺栓4固定。管片单元和橡胶件3上均预设有螺栓孔6。

实施例

本实施例中，原型隧道为某地铁隧道，外径8m，管片厚度300mm，管片宽2m，采用c60混凝土浇筑，弹性模量36000mpa。隧道衬砌环向由1个封顶管片，5个标准管片组成，封顶管片对应圆心角22.5°，其余管片对应圆心角均为67.5°，管片相互连接处共形成6个环向接头，每个环向接头均由2根环向螺栓连接，环向螺栓为m48螺栓，弹性模量206000mpa。

根据试验条件，取定模型几何相似比sl＝1/10，弹性模量相似比取1。

根据以上条件，可算得衬砌环模型外径为800mm，内径为740mm，厚度为30mm，宽度为200mm。管片单元分块与原型隧道一致，1个封顶管片2，5个标准管片1组成，封顶管片2对应圆心角22.5°，其余标准管片1对应圆心角均为67.5°。管片单元采用有机玻璃制作。各个管片单元间连接橡胶件3，并通过模型螺栓4连接，管片单元和橡胶件3上预先设置有螺栓孔6，且管片单元开设有方便安全模型螺栓的螺栓手孔7。管片单元上还设有环缝连接块5。

在每个纵缝接头处设置橡胶垫片模拟环向接头，保证其抗弯刚度与原型相似，根据原型隧道管片的环向接头刚度试验，隧道结构抗弯刚度为16.63kn·m/mm，应用下式(1)，sθ＝1/1000，kθ＝16.63kn·n/mm，对接头刚度试验进行数值模拟，并参照《中华人民共和国交通运输部.桥梁超高阻尼隔震橡胶支座.2014.》规范取表观线性化参数进行计算橡胶参数，得到橡胶片的几何尺寸取200mm×30mm×5mm，硬度取邵氏硬度55度时，接头抗弯刚度为16kn·m/m，满足抗弯刚度相似要求。

原型隧道中每个环向接头均有2个环向螺栓，因此隧道衬砌模型中同样采用2个模型螺栓，模型螺栓采用304合金钢制作，弹性模量为194000mpa，应用式(2)，esm＝194000mpa，se＝1，sl＝为1/10，es＝206000mpa，d＝48mm，可算得模型螺栓断面直径为4.9mm，由此可确定隧道模型中环向接头采用2根m5螺栓，考虑拼装，管片上的螺栓孔和橡胶片上的螺栓孔均取6mm。

拼装时采用扭矩扳手施加预紧力，应用式(3)，sf＝1/10，fb＝25kn，可算得隧道模型环向螺栓预紧力2.5kn，通过螺栓预紧力公式和实际采用螺栓拉力传感器测试，得到2.5kn拉力对应扭矩6.5n.m。

采用本设计方法得到的隧道衬砌模型能真实反映原型隧道的结构特性，且制作简便，成本低，能够大批量制作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。