一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法与流程

本发明涉及城市地铁、公路隧道等采用盾构施工管片结构衬砌的隧道工程，具体为一种实现管片三维受载环境下结构力学特性分析的建模方法。

背景技术：

近年来随着经济的发展和技术的进步，盾构隧道在城市地铁、公路隧道、跨江海隧道等领域中得到了广泛的应用。盾构隧道管片衬砌结构是通过管片接头将管片拼接成环，再通过环间接头将单个管片环连接成管状结构而构成的隧道主体。管片处于三维受载环境，是盾构隧道的主要支护结构，但是由于管片接头的存在，隧道在施工和运营过程中容易出现错台、张开、破损、漏水等影响使用功能的问题，是工程施工中需要特别关注的环节。

目前，针对管片的受力特性研究，国内外学者从室内管片结构加载、数值计算、现场监测等方面均做了大量工作，研究成果在工程中也得到了应用。但是，即使科研成果显著，结构设计仍然难以采用，仍然以高安全系数确保结构的安全性，造成材料浪费。其中一个重要原因就是一般的管片受力室内实验只选取管片作为实验对象，地应力等效为荷载施加于管片，力学模型过于简化，造成管片受力环境过于理想化。同时，现场监测的手段只针对于特点地质条件，不能获取极限边界条件。

为了克服管片结构受力忽略地层物理力学特性而过于理想化，现场监测工程地质过于单一的特点，设计了一种实现管片三维受载环境的结构力学性能建模方法，该方法不仅考虑了地层的影响，而且通过多工况模拟实现了管片受力极值的确定。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是一般的管片受力室内实验只选取管片作为实验对象，地应力等效为荷载施加于管片，力学模型过于简化的缺陷，提供一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法。

本发明为解决以上问题采用的技术方案为：一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法，包括以下建模步骤：

1.地层重塑与制作：根据工程地质条件，查明各地层物理力学性质，根据froude比例定律的要求设计模型的长度、应力、力和时间相似比尺，在结构加载平台内充填夯实各层填土，实现地层重塑。

2.缩尺管片模型制作：根据管片原型抗拉刚度，配置一定直径的铁丝模拟管片主筋；根据管片力学参数和相似比尺，配置一定水膏比的石膏材料模拟混凝土，预制管片模型并加工现场安装；根据管片原型的抗弯刚度，在模型接头的相应位置配置螺栓进行连接。

3.管片监测系统设计：以模型中间环管片为主要监测部位，在监测环管片中线沿环向均匀布设6-10个环向应变片，相同监测点布设管片环纵向应变片；在相同环管片两侧边沿环向分别均匀布设12-20个环向应变片，相同监测点布设管片环纵向应变片，应变片的布设应上下左右对称。

在监测管片环外侧10cm环面地层中沿管片环法线方向均匀布设8个土压力计，或者粘贴于监测管片环外层进行布设8个土压力计。

4.管片不同受载模型实验实现：根据工程地质条件，确定地应力值，预测管片可能出现的错台及偏载等情况，设计模型模拟工况；控制结构加载平台左右两侧的推进油缸、顶部推进油缸实现对重塑填土的加载，控制推进油缸的不同推进位移，实现对管片不同受载、管片的错台与偏载。

5.数据采集与分析：实时采集管片应变片及土压力计的监测数据，剔除异常值，根据监测点位比较分析土压力值与管片应力应变值。

6、指导工程实践：根据不同工况下对管片力学特性的分析，指导管片拼装施工和管片壁后注浆的控制参数设置，避免因管片错台或偏载造成的管片不可修复的损伤。

本发明有益效果：采用此实验方法实现了地层重塑，管片在各类工况下的力学特性分析，有效克服了现场管片监测实验对施工的干扰；同时，多工况的单一因素模型实验的实施，有效弥补了现场多因素影响单一工况的缺陷。该实验方法为各类地质下管片施工控制提供了重要的支持手段，具有重要的指导意义，值得推广和应用。

附图说明

图1为一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法原理图

图2为管片应变片粘贴示意图；

图3为结构加载平台模型实现横向截面示意图；

图4为结构加载平台模型实现纵向截面示意图。

其中，1为螺栓孔，2为应变片，3为管片，4为推进油缸，5为地层，6为管片，7为地基，8为出料口，9为推板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程，对本发明实施方式做进一步的说明：

如图1所示，开展管片三维受载的结构力学性能建模包括地层重塑与制作，缩尺管片模型制作，管片监测系统设计，管片不同受载模型实验实现，数据采集与分析。

如图3、4所示，首先建立一个加载平台，所述加载平台为六面方体结构，包括左、右侧面，前、后侧面，上盖面，底面，所述左、右侧面和上盖面的内层设置有推板9，所述推板由若干个成阵列排列的推板单元组成，每个推板单元外侧穿过左、右侧面的侧壁垂直设置一个推进油缸4；所述前侧面上设置有出料口8。

其中，推板与侧面或者推板与上盖面之间可以有相对位移，各个推板单元之间也可以发生相对位移。

步骤1中的地层重塑与制作要充分考虑工程现场地质条件，提取各地层的密度、变形模量、泊松比、内摩擦角等重要物理力学参数，根据不同的地层参数，各地层依次填筑到加载机构中、分层夯实，直至达到设计要求，制成方形结构地层，盖上上盖面，于出料口处，在方形地层结构的中间穿凿隧洞。

如图2所示，步骤2中的缩尺管片模型制作，管片制作要充分考虑原型的力学参数、抗拉刚度及抗弯刚度。取几何相似比为1∶12时，c50等级混凝土采用水∶石膏＝1∶1.50的石膏材料模拟，保证终凝时材料弹性模量与原型的比例为1∶12；二级主筋采用直径1.2mm铁丝模拟，弹性模量以实验值为准，保证与原型的等效抗拉刚度ea完全相似；螺栓选用同主筋类似，并保证接头与管片原型的抗弯刚度相等。

如图2所示，其中一组环管片为监测环管片，在监测环管片上布设管片应变片，管片应变片布设应沿环向和管片环纵向分别布设。取模拟管片直径20cm时，管片中线沿环向均匀布设不少于8个监测点，每个监测点分别布设环向和轴向两个方向应变片；在同一管片环两侧边沿环向分别布设不少于16个监测点，每个监测点分别布设环向和轴向两个方向应变片。

待管片制成后，在隧洞的内圆周上布设管片，在布设管片之前，确定其中中间一组环管片采用监测环管片，在监测管片环外侧10cm环面地层中沿管片环法线方向均匀布设8个土压力计。

本发明的又一实施例，所述土压力计也可粘贴于监测管片环外层后再进行隧洞布置。

如图3、4所示，待三维受载模型搭建好后，对模拟工况的实现，以实现水平向与竖向地应力不同为例，可以通过控制结构加载平台左右两侧油缸的位移量与顶部油缸的位移量不同来实现；以实现管片环沿轴向的左右错台为例，可以通过控制左右两侧油缸沿轴向的位移量不同来实现，后部油缸位移量较前部油缸位移量向左偏移一定距离，即实现对管片的左右错台。

如图1所示，实时采集管片应变片及土压力计的监测数据，剔除异常值，根据监测点位比较分析土压力值与管片应力应变值；对每种工况实时采集监测数据，并处理分析后，不仅可以反映各工况下管片力学特性分布，而且可以针对不同地层优化管片结构设计，实现管片结构性能与经济效益的最大化。

根据不同工况下对管片力学特性的分析，指导管片拼装施工和管片壁后注浆的控制参数设置，避免因管片错台或偏载造成的管片不可修复的损伤。

所述方法为实现对不同地质条件下管片受力分析，管片错台与偏载等管片结构力学特性分析提供了一种行之有效的室内建模方法，为预测隧道管片受力与破坏提供了技术支持，有助于盾构施工参数控制优化。