超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统及方法与流程

1.本发明属于盾构隧道施工技术领域，具体涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，同时还涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析方法。


背景技术：

2.近年来，随着国家发展战略及基础设施建设的持续推进，以及高铁路网、高速公路路网、城市道路路网结构的进一步完善，越来越多的大直径盾构隧道工程应运而生。虽然当前超大直径盾构隧道应用广泛，但目前仍然处于“粗放型”施工与运营状态，超大直径盾构隧道施工及运营过程中产生的问题也越来越多，如盾构隧道管片结构的碎裂、接缝张开和错台等问题也屡屡发生，给盾构隧道的施工安全及结构服役性能带来极大威胁。
3.行业内针对这些问题，所采用的方法主要包括数值分析、模型试验、现场监测等手段，然而，所采用的方法均无法真实反映实际工况条件下的超大直径盾构的隧道结构的管片环间受力，主要体现如下：
4.(1)超大直径盾构隧道结构关键设计参数选取依据缺乏
5.由于盾构管片环、纵向接头的存在，导致管片结构的受力特征与普通钢筋混凝土结构差异显著，盾构隧道结构设计方法应用较多的是修正惯用法和梁～弹簧模型。修正惯用法中刚度折减系数及错缝拼装中的弯矩提高系数对计算管片变形和内力的准确性影响很大；梁～弹簧模型中的接头刚度系数决定了计算结果的准确性，而这也是梁～弹簧模型在国内尚未广泛推广的重要原因，同时多为三环拼装模型，缺乏原位条件下的地层-结构响应数据，造成管片设计参数的取值具有一定的随意性和盲目性；
6.(2)盾构千斤顶作用下管片环间纵向传力机制与消散规律不明
7.当前关于盾构隧道管片纵向受力研究方面，多集中于地层变形、荷载变化、地震等不利因素的影响下，隧道结构整体的纵向分析，如利用纵向等效连续化模型、纵向地基梁-弹簧模型对隧道纵向的受力、变形、环缝张开等问题进行研究，其关注点多集中于运营阶段的隧道纵向响应。然而在实际施工中，隧道施工期间盾构隧道管片结构的碎裂、接缝张开和错台等问题也屡屡发生，这与千斤顶作用下管片环间的传力机制密切相关，虽然采用精细化数值计算的方式能够获得相关管片环间纵向传力和消散规律，但是每相邻的两个管片环的接头处承受轴力、剪力及弯矩的共同作用，需要采用不同属性的弹簧、接触单元，主观性大，且无法再现真实状态下的受力特性，因此，难以获取环间应力分布和消散规律，这样一来，也无法解决由以上难题造成的管片拼装时发生破损，千斤顶收回后管片应力消散带来的张开、错台量过大等问题。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统。
9.同时本发明还涉及一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析方法。
10.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其用于在风井原位足尺模型试验，且保持盾构千斤顶作用下获取已经拼装管片环或待拼装管片的应力，管片环间应力分析系统包括：
11.管片内部应力获取单元，其中所述管片内部应力获取单元包括位于每片管片纵向预埋测力钢筋上的多组钢筋测力计，所述多组钢筋测力计沿着所述管片弧长间隔分布，每组所述钢筋测力计有多个，且自管片与盾构千斤顶抵触端面对齐向内间隔分布，同时通过钢筋测力计反馈千斤顶作用下管片内部的应力水平；
12.管片环间应力获取单元，其包括形状与管片纵向拼接端面相似且贴合在管片纵向拼接端面的衬垫、沿着盾构千斤顶抵触方向延伸的多根测力顶针，其中每根所述测力顶针一端预埋于管片，另一端部穿出衬垫并抵触在已拼装管片上，且通过衬垫在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力；
13.消散规律分析单元，其分别与钢筋测力计、测力顶针信号连通，且根据获取的应力以获取隧道结构的环间应力分布和消散规律。
14.优选地，管片在纵向上划分成n段，每段相等且形成n+1个分段面，每组所述钢筋测力计对应设置在分段面上，且位于管片的盾构千斤顶抵触端面与第m个分段面上，其中m为n段的中部所在的分段面。
15.优选地，管片纵向预埋测力钢筋有多根，且以管片环的中为圆形呈弧形分布，其中每根管片纵向预埋测力钢筋上对应设有一组钢筋测力计。
16.进一步的，多根管片纵向预埋测力钢筋形成多个共圆心的弧形排，其中多个弧形排在管片厚度方向均匀间隔分布。
17.根据本发明的一个具体实施和优选方面，盾构千斤顶与管片纵向预埋测力钢筋一一对应，且抵触在钢筋测力计上。
18.优选地，每根管片纵向预埋测力钢筋的长度至少为管片纵向长度的3/4。
19.优选地，每根管片纵向预埋测力钢筋自端部与管片的盾构千斤顶抵触端面对齐。
20.根据本发明的又一个具体实施和优选方面，衬垫材质为橡胶，且厚度为4～10mm，其中通过橡胶在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力。
21.根据本发明的一个具体实施和优选方面，每个管片环包括n块首尾拼装的弧形管片，其中n≥6，且为整数；每块弧形管片具有第一弧形端面和第二弧形端面，所述第一弧形端面为与盾构千斤顶接触的抵触端面，所述第二弧形端面为拼装端面，所述管片环间应力获取单元还包括土压力计、位移计，所述衬垫平铺在每块所述弧形管片的拼装端面，所述土压力计和所述位移计均设置在拼装端面，且能够随所述衬垫在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应两个管片环的环间应力和相对位移，所述消散规律分析单元分别与所述测力顶针、土压力计、及位移计信息连通，且根据获取的应力和位移数据以获取隧道结构的环间应力分布和消散规律。
22.优选地，衬垫材质为橡胶，且厚度为4～10mm。衬垫材质为橡胶(粘贴的丁腈软木橡胶衬垫)，且厚度为5mm，其中通过橡胶在盾构千斤顶作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力。
23.优选地，衬垫与所述拼装端面的形状相似且自中心对齐的安装在拼装端面上。衬垫不仅能够起到便于应力准确获取的作用，而且还能够一定程度上增强密封，同时降低管
片环的张开、错台量过大等现象发生概率。
24.根据本发明的一个具体实施和优选方面，测力顶针有四个，且分布在衬垫的四角，土压力计和位移计分布在四个测力顶针所形成的区域内。确保各测力点之间不会干扰，以准确应力获取的准确性。
25.根据本发明的又一个具体实施和优选方面，土压力计部分位于弧形管片内部分位于衬垫中，所述位移计自所述衬垫中穿出，且外端面与所述衬垫的外端面齐平，其中位移计能够监测管片环纵向和径向的位移。也就是说，衬垫还可以起到保护土压力计和位移计，延长使用寿命，以便于应力的获取。
26.优选地，所述位移计为振弦式位移计，且振弦式位移计有多个，其中多个弦式位移计沿着拼装端面弧形中心线间隔分布。
27.进一步地，土压力计有多个，且与所述位移计错位间隔分布在拼装端面弧形中心线所在区域。合理的布局，更准确的获取需要数据。
28.此外，n＝6，且由一块封顶块(f)型管片、两块邻接块(l1、l2)、六块标准块(b1、b2、b3、b4、b5、b6)组成管片环。这样的布局，更有效地获取应力和位移量数据，同时更便于管片环的拼装(尤其是针对超大直径盾构的隧道结构)。
29.优选地，管片环间应力获取单元还包括设置在每相邻两个管片环拼接处的光纤光栅位移计，其中所述光纤光栅位移计具有两个连接端，两个所述连接端分别与拼装后两块弧形管片固定，并由所述光纤光栅位移计获取拼装后相邻两个管片环之间纵向位移。这样一来，不仅在拼接缝隙处能够获得需要的数据，而且还能够通过管片环的外部光纤光栅位移计进一步有效的获得纵向位移量。
30.进一步地，光纤光栅位移计有多个，且绕着管片环的周向均匀分布在管片环的内壁，其中每块弧形管片上至少分布有一个光纤光栅位移计。
31.此外，盾构管片环应力分析系统还包括土压力盒、柔性土压力计、混凝土应变计、螺栓轴力计、环形钢筋应力计，其中土压力盒和柔性土压力计绕着管片环周向均匀间隔分布在管片环外侧，且每相邻两个所述柔性土压力计之间分布有两个所述土压力盒；混凝土应变计分布在每片弧形管片的中部和两端；所述环形钢筋应力计靠近中部所述混凝土应变计设置；所述螺栓轴力计分布在管片环纵缝处。
32.本发明的另一技术方案是：一种超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析方法，其采用了上述超大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，且包括如下步骤：
33.s1、管片内部应力的获取，其由多组钢筋测力计获得；
34.s2、管片环间应力的获取，其由衬垫在盾构千斤顶作用力下的压缩量，通过测力顶针获取所对应管片或管片环的环间应力；
35.s3、隧道结构的环间应力分布和消散规律的获取，其基于s1和s2所获得数据进行筛除和分析获得。
36.由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
37.本发明通过风井原位足尺模型试验，能够在盾构千斤顶推力、管片拼装方式等施工要素作用下获得管片环间纵向应力、管片内部应力，同时得出盾构管片环间纵向传力的消散过程规律，从而解决环间应力分布不明、消散规律难以获取等难题，而且还能够避免管片拼装时发生破损，以及解决千斤顶收回后管片应力消散所带来的张开、错台量过大等问
题，此外，试验中提供了大量的数据，以克服管片设计参数的取值具有一定的随意性和盲目性的缺陷。
附图说明
38.图1为本发明的管片环间应力分析系统的工作原理示意图(简化)；
39.图2为本发明的管片内力监测点布置示意图；
40.图3为本发明的管片纵向预埋测力钢筋上的钢筋测力计环向布置示意图；
41.图4为本发明的纵向钢筋测力计布置计示意图(迎千斤顶侧)；
42.图5为本发明的测力顶针布置示意图(迎千斤顶侧)；
43.图6为本发明的纵向钢筋应力计和测力顶针结合的布置示意图(迎千斤顶侧)；
44.图7为本发明的盾构管片环应力分析系统的主视示意图；
45.图8为图7中管片环的轴向分布示意图；
46.图9为图8中弧形管片的结构示意图；
47.图10为图9中弧形管片拼装端面示意图；
48.图11为本发明的隧道周围土压力分布示意图；
49.图12为本发明各部分荷载沿隧道纵向的分布示意图；
50.其中：a、管片环间应力获取单元；a1、衬垫；a2、测力顶针；a3、土压力计；a4、位移计；a5、光纤光栅位移计；
51.b、消散规律分析单元；
52.g、弧形管片；g1、第一弧形端面；g2、第二弧形端面。
53.h、管片环；j、风井；d、盾构千斤顶(千斤顶)。
具体实施方式
54.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
55.如图1至图10所示，本实施例的大直径盾构隧道结构的管片环间应力分析系统，其用于风井原位足尺模型试验，且保持盾构千斤顶作用下获取已经拼装管片环或待拼装管片的应力。
56.具体的，采用“6+2+1”的分块形式，即由1块封顶块(f)型管片、2块邻接块(l1、l2)、6块标准块(b1～b6)组成。
57.风井原位足尺模型试验所对应环号分别为1306～1313环、1314～1321环，其中主测试环按对称、中心原则进行选取，除去端头边界的两环，在试验区的5等分点位置，依次选择环号第1309、1312、1315和1318作为主测试环，其中两个地层分区各占两环，总计四环，其余各环作为辅助测试环。
58.本例中，以主测试环为例，所涉及的盾构管片环应力分析系统包括管片内部应力获取单元、管片环间应力获取单元、以及消散规律分析单元。
59.管片内部应力获取单元包括位于每片管片纵向预埋测力钢筋上的多组钢筋测力
计，其中钢筋测力计布设在管片迎千斤顶侧凸台处纵向深1m范围内的钢筋处，以获取千斤顶推力作用下管片沿纵向应力的空间分布数据。
60.具体的，f块管片沿环向均匀布置2列测点，b块及l块沿环向均匀布置3列；f块、b块及l块沿纵向均布置3列。
61.每组钢筋测力计有3个，且自管片与盾构千斤顶抵触端面对齐向内间隔分布，同时通过钢筋测力计反馈千斤顶作用下管片内部的应力水平。
62.管片纵向长度为2000mm，厚度650mm，且在纵向布置间距为500mm。
63.每根管片纵向预埋测力钢筋长度为1550mm，且每根管片纵向预埋测力钢筋自端部与管片的盾构千斤顶抵触端面对齐。
64.管片纵向预埋测力钢筋有6根，且以管片环的中为圆形呈弧形分布，其中每根管片纵向预埋测力钢筋上对应设有一组钢筋测力计。
65.6根管片纵向预埋测力钢筋形成2个共圆心的弧形排，其中2个弧形排在管片厚度方向均匀间隔分布，同时盾构千斤顶与管片纵向预埋测力钢筋一一对应，且抵触在钢筋测力计上。
66.结合图7至图10，本例中，由一块封顶块(f)型管片、两块邻接块(l1、l2)、六块标准块(b1、b2、b3、b4、b5、b6)组成管片环h。这样的布局，更有效地获取应力和位移量数据，同时更便于管片环的拼装(尤其是针对超大直径盾构的隧道结构)。
67.本例中，以标准块b1为例，弧形管片g具有第一弧形端面g1和第二弧形端面g2，第一弧形端面g1为与盾构千斤顶d接触的抵触端面，第二弧形端面g2为拼装端面。
68.本例中，盾构管片环应力分析系统包括管片环间应力获取单元a和消散规律分析单元b。
69.管片环间应力获取单元a包括衬垫a1、测力顶针a2、土压力计a3、位移计a4、光纤光栅位移计a5。
70.衬垫a1与拼装端面的形状相似且自中心对齐的安装在拼装端面上。衬垫不仅能够起到便于应力准确获取的作用，而且还能够一定程度上增强密封，同时降低管片环的张开、错台量过大等现象发生概率。
71.本例中，衬垫a1材质为橡胶(粘贴的丁腈软木橡胶衬垫)，且厚度为5mm，其中通过橡胶在盾构千斤顶d作用力下的压缩量获取所对应管片或管片环的环间应力。
72.测力顶针a2有四根，且每根测力顶针一端预埋于弧形管片g，另一端部穿出衬垫a1并抵触在已拼装管片上。
73.四根测力顶针a2分布在衬垫a1的四角。
74.土压力计a3和位移计a4均设置在拼装端面，且能够随衬垫a1在盾构千斤顶d作用力下的压缩量获取所对应两个管片环h的环间应力和相对位移。
75.土压力计a3和位移计a4分布在四个测力顶针所形成的区域内。确保各测力点之间不会干扰，以准确应力获取的准确性。
76.土压力计a3部分位于弧形管片内部分位于衬垫a1中，位移计a4自衬垫中穿出，且外端面与衬垫a1的外端面齐平，其中位移计a4能够监测管片环h纵向和径向的位移。也就是说，衬垫还可以起到保护土压力计和位移计，延长使用寿命，以便于应力的获取。
77.位移计a4为振弦式位移计，且振弦式位移计有多个，其中多个弦式位移计沿着拼
装端面弧形中心线间隔分布。
78.本例中，土压力计a3有多个，且与位移计a4错位间隔分布在拼装端面弧形中心线所在区域。合理的布局，更准确的获取需要数据。
79.光纤光栅位移计a5设置在每相邻两个管片环h拼接处，其中光纤光栅位移计a5具有两个连接端，两个连接端分别与拼装后两块弧形管片固定，并由光纤光栅位移计a5获取拼装后相邻两个管片环之间纵向位移。这样一来，不仅在拼接缝隙处能够获得需要的数据，而且还能够通过管片环的外部光纤光栅位移计进一步有效的获得纵向位移量。
80.本例中，光纤光栅位移计a5有多个，且绕着管片环h的周向均匀分布在管片环h的内壁，其中每块弧形管片上至少分布有一个光纤光栅位移计a5。
81.消散规律分析单元b分别与测力顶针a2、土压力计a3、及位移计a4信息连通，且根据获。
82.此外，盾构管片环应力分析系统还包括土压力盒、柔性土压力计、混凝土应变计、螺栓轴力计、环形钢筋应力计。
83.土压力盒和柔性土压力计绕着管片环周向均匀间隔分布在管片环外侧，且每相邻两个所述柔性土压力计之间分布有两个土压力盒。
84.本例中，柔性土压力计和土压力盒合计12个，其中柔性土压力计有4个，土压力盒有8个。
85.混凝土应变计分布在每片弧形管片的中部和两端。
86.环形钢筋应力计靠近中部混凝土应变计设置。
87.螺栓轴力计分布在管片环纵缝处。
88.此外，通过消散规律分析单元对上述各个应力计、应变计、压力计数据进行分析，并结合试验数据进行反演分析，总结出合理的管片结构计算参数取值范围和建议值。
89.然后，通过风井原位足尺模型试验，能够在壁后注浆压力、盾构机千斤顶推力、管片拼装方式等施工要素作用下获得管片环间纵向应力、管片内部应力，同时得出盾构管片环间纵向传力的消散过程规律，从而解决环间应力分布不明、消散规律难以获取等难题，而且还能够管片拼装时发生破损，千斤顶收回后管片应力消散带来的张开、错台量过大的问题。
90.同时，本例中，盾构隧道纵向力消散规律三维数值分析模型的分析过程主要步骤：
91.1、盾构模型的建立：通过有限元软件建立16环管片的盾构隧道数值模型。
92.2、模拟工况的分析：根据盾构施工全过程进行分析，本专题选择拼装期-脱出期两阶段的荷载时空分部模型。
93.3、施工阶段主要荷载
94.(1)千斤顶推力：属于盾构隧道施工阶段管片受到的主要荷载之一，也是造成施工阶段管片开裂的原因之一，尤其是当管片环缝面存在施工或制作误差造成环缝面不平整时，即使只有0.5～1.0mm的高差，也会造成下一环管片产生极大的劈裂力矩。同时，千斤顶撑靴中心偏位，也可能造成管片开裂。本专题数值分析过程中将千斤顶推力简化为作用于环缝垫板上的压力荷载。
95.(2)注浆压力：分布较为复杂，不均匀注浆压力能造成管片错台，甚至开裂。注浆压力沿隧道轴向线性减小，压力最终减小到周围土层压力相同。目前盾构施工基本使用同步
注浆技术，压力范围0.4～0.5mpa。
96.(3)周围土层压力：采用图11的土压力作用模式，其中p1为管片环顶部的上覆水土压力，p2为管片环底部的土层抗力及竖向水压力，p3为管片环顶部水平面上的侧向水土压力，p4为管片环底部水平面上的侧向水土压力，p5为管片的自重。管片环变形引起的侧向土体压力，利用模型中土体有限元网格与管片环有限元网格之间的接触力进行模拟计算。并根据原型试验中的回填土设定地层条件。
97.(4)盾壳及盾尾刷对管片的挤压力：盾构机出现蛇行或需要转弯时，盾构机就进行姿态调整。当盾构机姿态控制与曲线段不匹配，或蛇行量过大时，盾尾刷甚至盾壳就会挤压管片，使管片出现扭转变形出现裂缝，综合上述各项荷载，可将一段隧道受到的荷载简化为如图12所示的荷载系统。
98.4、材料模型及主要参数选取
99.(1)管片混凝土(弹性模量、泊松比、密度)；
100.(2)螺栓(弹性模量、泊松比)；
101.(3)橡胶止水条及垫板，采用mooney-rivlin一阶本构模型；
102.(4)盾壳(弹性模量、泊松比)；
103.(5)盾尾刷(弹性模量、泊松比)
104.(6)土层(弹性模量、泊松比)
105.5、三维有限元网格划分：模型所有部分，即管片、螺栓、止水条及垫板、盾壳、盾尾刷和土层，均采用八节点三维实体单元。纵缝垫片和环缝垫片均采用接触方法建立联系。管片与周围土层、管片与盾尾刷之间亦采用接触面建立联系。对模拟螺栓的三维实体单元施加初始应变，以模拟施工中对螺栓施加预紧扭矩。水平方向为x轴，竖直方向为y轴，z轴正向与盾构机推进方向相同。
106.6、计算结果及分析：根据结果文件，分析总结盾构管片在千斤顶作用下的隧道环间纵向应力的空间分布及消散规律。
107.以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。