专利名称：一种水下盾构隧道结构的水压原型试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种盾构隧道结构的试验装置，尤其涉及一种水下盾构隧 道结构的水压原型试验装置。
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 承受的非均勻水压对隧道结构的作用不可忽略。通过^^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。目前在隧道结构的原型试验时，不能够 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。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种水下盾构隧道结构的水压原型试验装置， 该装置能对盾构隧道结构施加顶部大底部小的灯泡形水压，更真实地模拟环境 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。
本实用新型实现其发明目的，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装置，其具体结构是 短圆筒状隧道结构由预埋有应变计、钢筋计的盾构隧道管片拼装而成，并 置于地面且使隧道结构的中轴线垂直于地面；隧道结构的外表面对称地设置有 竖直的前、后两个环箍梁，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；
在隧道结构与环箍锚索之间垫设有弧度为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，减摩层从前环箍梁 处起至其端部止分为摩擦系数递减的3 - 5段；
多个应变片粘贴于管片的内表面及外表面上，测缝计安装于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；
同时应变片、位移计、测缝计和应变计、钢筋计与数据分析计算机相连。 本实用新型的装置的使用方法及原理是
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。使用时，在隧道结构上采用环箍加载方式，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，进而对隧道结 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，可减小该部位环箍锚索与隧道结构外表面的摩擦阻力，减小接触压 力，以模拟水压对隧道结构的作用；进一步，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 触压力也依次递减，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，再利用安装在隧道结构上的应变计、钢筋计、应变 片、位移计、测缝计对加载的载荷量及隧道结构的力学参数进行测试，得到隧 道结构在此压力下的受力结果。因此，本实用新型装置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，本实用新型的有益效果是
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 实用新型装置的适用性强。
上述的隧道结构上还设置有锚索定位装置，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。
上述的减摩层从前环箍梁处起至端部止分为摩擦系数递减的3 - 5段的具 体结构为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〗察 系数降至最低。采用这种方法，可以筒单、有效地实现从前环箍梁处至其端部 的摩擦系数递增。
以下结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图l是本实用新型实施例的结构示意图。
图2是用本实用新型实施例测试时，在原型盾构隧道结构上产生的水压分 布示意图。
图3是用本实用新型实施例测试时，环箍锚索微元的受力分析图。
图4是用本实用新型实施例测试时，原型盾构隧道结构体微元的受力分析图。
具体实施方式实施例
图1示出，本实用新型的一种具体实施方式
为， 一种水下盾构隧道结构的 水压原型试验装置，其具体结构是.'
短圓筒状隧道结构2由预埋有应变计、钢筋计的盾构隧道管片21拼装而成， 并置于地面且使隧道结构2的中轴线垂直于地面；隧道结构2的外表面对称地 设置有竖直的前、后两个环箍梁3a、 3b，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绕隧道结构2表面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；
在隧道结构2与环箍锚索5之间垫设有弧度为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，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 - 5段；
多个应变片IO粘贴于管片21的内表面及外表面上，测缝计12安装于管片
21连接处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；
同时应变片10、位移计11、测缝计12和应变计、钢筋计与数据分析计算
机相连。
隧道结构2上还设置有锚索定位装置8,该定位装置8由隧道结构2内表面 的固定杆8a,外表面的定位杆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。
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 - 5段的具体 结构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。
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dl进行受力分析，假设在长度无限小的 微元dl上，摩擦系数^不变。
环箍锚索5中的微元dl受力平衡时
、7"<^ 、t' ^n 1
COS--/ — A/" COS——=0 丄
尺-7V>y=。 2
其中，Ng为锚索5微元dl所受的逆时针方向的张拉力，Ng'为微元dl所受 的顺时针方向的张拉力，/为微元dl所受的静摩擦力，^为微元dl所受隧道结 构2所施加的法向4矣触压力。
由于静摩擦力/在dl上均匀分布，贝'J:/ = ^FC (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4妾触压力i^为
尺=-K (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凡
为
<formula>formula see original document page 7</formula>
由于^是个小量，故有sin!《^、cos!",代入5式，简化为<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
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的接触压力凡，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即为使用本实用新型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，本实用新型环箍锚索5、定位装置8、应变片10、位移计ll、测缝计 12和应变计、钢筋计的数量不局限于实施例的数量；圓弧形减摩层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。
权利要求1、一种水下盾构隧道结构的水压原型试验装置，其具体结构是短圆筒状隧道结构(2)由预埋有应变计、钢筋计的盾构隧道管片(21)拼装而成，并置于地面且使隧道结构(2)的中轴线垂直于地面；隧道结构(2)的外表面对称地设置有竖直的前、后两个环箍梁(3a、3b)，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；在隧道结构(2)与环箍锚索(5)之间垫设有弧度为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，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3-5段；多个应变片(10)粘贴于管片(21)的内表面及外表面上，测缝计(12)安装于管片(21)连接处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；同时应变片(10)、位移计(11)、测缝计(12)和应变计、钢筋计与数据分析计算机相连。
2、 根据权利要求l所述的一种水下盾构隧道结构的水压原型试验装置，其 特征是所述的隧道结构(2)上还设置有锚索定位装置(8),该定位装置(8) 由隧道结构(2)内表面的固定杆(8a)，外表面的定位杆(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)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装置， 其特征是所述的减摩层(7 )从前环箍梁(3a)处起至端部止分为摩擦系数 递减的3 - 5段的具体结构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。
专利摘要一种盾构隧道结构的水压原型试验装置，其结构是由盾构隧道管片(21)拼装成的短圆筒状隧道结构(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，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)的另一端则固定在对应环箍梁(3a、3b)的千斤顶(6)的顶杆上，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；应变片(10)、位移计(11)、测缝计(12)和预埋在隧道结构(2)中的应变计、钢筋计与计算机相连。该装置能真实地模拟出环境水压对隧道结构的作用，为水下盾构隧道结构的设计和施工提供依据，保证隧道建设和营运安全。
文档编号G01L1/00GK201225934SQ20082006438
公开日2009年4月22日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者川 何, 孙继东, 增 张, 彭志忠, 苏宗贤, 闫朝涛 申请人:西南交通大学