專利名稱：一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的試驗方法，尤其涉及一種水下盾構(gòu)隧道結(jié) 構(gòu)的水壓原型試^^方法。
背景技術(shù)：
海底、江底的水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在外靜水壓力作用下，其承受的水壓的分布 形態(tài)為頂部小底部大的"燈泡"形狀。在施工和運營期間，隧道^^受的水壓變 化非常大，加之目前隧道斷面大型化的趨勢，水下盾構(gòu)隧道在施工期和運營期 承受的非均勾水壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用不可忽略。通過模擬燈泡形水壓對隧道結(jié) 構(gòu)的作用和影響，能夠?qū)λ露軜?gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工給出科學(xué)可靠的試驗 依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營運安全。目前尚無有效方法能夠在隧道結(jié)構(gòu)的原 型試驗時，對隧道結(jié)構(gòu)施加燈泡形水壓，這是當(dāng)前隧道設(shè)計與建設(shè)中亟待解決 的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是4€供一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)水壓的原型試驗方法，該方 法能對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)施加頂部大底部小的燈泡形水壓，能較真實地模擬環(huán)境水 壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用和影響，v^人而對水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工給出更科 學(xué)可靠的試驗依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營運安全。
本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是 一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法，其作法是
A、 安裝環(huán)箍錨索將預(yù)埋有應(yīng)變計、鋼筋計的盾構(gòu)隧道管片拼裝成短圓 筒狀隧道結(jié)構(gòu)，然后將隧道結(jié)構(gòu)置于地面，其中軸線垂直于地面；豎直的前、后 兩個環(huán)箍梁對稱地設(shè)置于隧道結(jié)構(gòu)的外表面，豎向分布的二根以上的帶載荷計 的環(huán)箍錨索交替地錨固在前、后環(huán)箍梁上，環(huán)箍錨索繞隧道結(jié)構(gòu)表面一周后的 另一端則固定在對應(yīng)環(huán)箍梁的千斤頂?shù)捻敆U上。
B、 墊設(shè)減摩層在隧道結(jié)構(gòu)與環(huán)箍錨索之間墊設(shè)弧度為250_290°圓弧形的 聚四氟乙烯減摩層，該圓弧形減摩層對稱地分布于前、后環(huán)箍梁之間，減摩層 從前環(huán)箍梁處起至其端部止分為摩擦系數(shù)遞減的3 - 5段。c、測試儀器的布置將多個應(yīng)變片粘貼于管片的內(nèi)表面及外表面上，測縫
計安裝管片連接處的內(nèi)表面及外表面上，位移計安裝于隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。
D、測試使千斤頂?shù)捻敆U向外頂出，將環(huán)箍錨索拉緊，對隧道結(jié)構(gòu)施以徑 向壓力，同時通過應(yīng)變片、位移計、測縫計和應(yīng)變計、鋼筋計對加載的載荷量 及隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)進行測試，并將測試數(shù)據(jù)輸入計算機分析計算，得 到測試結(jié)果。
本發(fā)明的試驗方法及原理是將真實盾構(gòu)隧道管片構(gòu)成的短圓筒狀原型隧 道結(jié)構(gòu)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
式，利用靜力千斤頂對安裝在前、后環(huán)箍梁上的環(huán)箍錨索施加張拉力，而對隧 道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生徑向接觸壓力。由于各處環(huán)箍錨索對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外表面的接觸壓 力，與該處錨索所受的摩擦力成負相關(guān)的關(guān)系，因此在環(huán)箍錨索與隧道結(jié)構(gòu)之 間部分位置設(shè)置的減摩層，可改變環(huán)箍錨索與隧道結(jié)構(gòu)外表面的摩擦阻力，進 而改變接觸壓力，從而模擬真實水壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用。由于減摩層從前環(huán)箍 梁處起至端部止分隔為摩擦系數(shù)遞增的3 - 5段，因此錨索所受的摩擦力也從 前環(huán)箍梁處、減摩層端部、后環(huán)箍梁處逐步遞增，使得環(huán)箍錨索對盾構(gòu)隧道結(jié) 構(gòu)外表面的接觸壓力則依次遞減，實現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)頂部(后環(huán)箍梁處)壓力小， 底部(前環(huán)箍梁處)壓力大的燈泡形壓力分布，從而較真實地模擬出隧道結(jié)構(gòu) 在水下所受的非均勻(燈泡形)水壓，隨后再進行測試。因此，本發(fā)明方法能 夠在隧道結(jié)構(gòu)受到燈泡形水壓的條件下，測出其各項力學(xué)參數(shù)和性能。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1 、能對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)施加頂部小底部大的燈泡形水壓，較真實地試-瞼測 出環(huán)境水壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用和影響，從而對水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工 給出更科學(xué)可靠的試驗依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營運安全。
2、通過減摩層材料的摩擦系數(shù)及其變化值及對于加載量值進行控制，從而 調(diào)整接觸壓力，模擬出在不同水位條件下，真實水壓對于隧道結(jié)構(gòu)的作用，使本 發(fā)明方法適用性強。
上述的A步安裝環(huán)箍錨索時，還在隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置錨索定位裝置，該定位 裝置由隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的固定桿，外表面的定位桿以及隧道結(jié)構(gòu)上、下表面的 連接橫桿組成，通過連接橫桿將固定桿和定位桿連接并固定在隧道結(jié)構(gòu)上；定位桿的內(nèi)表面設(shè)有與環(huán)箍錨索的數(shù)量及形狀匹配的錨索定位槽，每條環(huán)箍錨索 置于相應(yīng)的錨索定位槽內(nèi)。
這樣，可將每條環(huán)箍錨索定位在錨索定位槽中，各條環(huán)箍錨索均勻間隔分 布。有效避免在試l^時，環(huán)箍錨索相互纏繞，而影響載荷的施加，導(dǎo)致試驗難 以進行的情形。
上述的B步墊設(shè)減摩層時，減摩層從前環(huán)箍梁處起至端部止分為摩擦系數(shù) 遞減的3 - 5段的具體作法為端部處的減摩段由一層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，前 環(huán)箍梁處的減摩層由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，且在兩層聚四氟乙烯之間涂有潤 滑劑，其余的減摩段由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成。
聚四氟乙烯是一種強度高、成本低，光滑的減摩材料，利用它做成的減摩 層，可有效地降低環(huán)箍錨索與隧道結(jié)構(gòu)間的摩擦系數(shù)；而釆用兩塊聚氟乙烯塊 相疊構(gòu)成減摩層，利用聚氟乙烯兩層間的滑動，進一步減少該處錨索與減摩層 間的摩擦系數(shù)；再在兩層聚氟乙烯層間涂上潤滑劑，使錨索與減摩層間的摩4察 系數(shù)降至最低。采用這種方法，可以簡單、有效地實現(xiàn)從前環(huán)箍梁處至其端部 的摩擦系數(shù)遞增。
下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。


圖l是本發(fā)明實施例測試時的示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例測試時在原型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的水壓分布示意圖3是本發(fā)明實施例測試時環(huán)箍錨索微元dl的受力分析圖。
圖4是本發(fā)明實施例測試時原型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體微元dL的受力分析圖。
具體實施例方式
實施例
圖1示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為， 一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓 原型試驗方法，其作法是
A、安裝環(huán)箍錨索在整個隧道結(jié)構(gòu)2的所有管片1中共預(yù)埋有12個應(yīng)變 計、12個鋼筋計，然后將隧道結(jié)構(gòu)2置于地面，其中軸線垂直于地面；豎直的前、 后兩個環(huán)箍梁3a、 3b對稱地設(shè)置于隧道結(jié)構(gòu)2的外表面，八根帶載荷計的環(huán)箍 錨索5交替地錨固在前、后環(huán)箍梁3a、 3b上，環(huán)箍錨索5繞隧道結(jié)構(gòu)2表面一 周后的另一端則固定在對應(yīng)環(huán)箍梁3a、 3b的千斤頂6的頂桿上；前、后兩個環(huán)環(huán)箍梁3a、 3b上內(nèi)側(cè)開有槽，以方便錨固于另一環(huán)箍梁3b 、 3a上環(huán)箍錨索5 通過。
安裝環(huán)箍錨索時，還在隧道結(jié)構(gòu)2上設(shè)置錨索定位裝置8,該定位裝置8由 隧道結(jié)構(gòu)2內(nèi)表面的6條固定桿8a,外表面的6條定位桿8b以及隧道結(jié)構(gòu)2上、 下表面的連接橫桿8c組成，通過連接橫桿8c將固定桿8a和定位桿8b連接并 固定在隧道結(jié)構(gòu)2上；定位桿8b的內(nèi)表面設(shè)有與環(huán)箍錨索5形狀匹配的8個錨 索定位槽，每條環(huán)箍錨索5置于相應(yīng)的錨索定位槽內(nèi)。
B、 墊設(shè)減摩層在隧道結(jié)構(gòu)2與環(huán)箍錨索5之間墊設(shè)弧度為270°圓弧形的 聚四氟乙烯減摩層7，該圓弧形減摩層7對稱地分布于前、后環(huán)箍梁3a、 3b之 間，減摩層7從前環(huán)箍梁3a處起至其端部止分為摩擦系數(shù)遞減的3段。
墊設(shè)減摩層時，減摩層7從前環(huán)箍梁3a處起至端部止分為摩擦系數(shù)遞減的 3段的具體作法為端部處的減摩段由一層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，前環(huán)箍梁3a處 的減摩層由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，且在兩層聚四氟乙烯之間涂有潤滑劑，其 余的減摩段由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成。
C、 測試儀器的布置將126個應(yīng)變片10粘貼于管片21的內(nèi)表面及外表面 上，位移計11安裝于隧道結(jié)構(gòu)2的內(nèi)表面，測縫計12安裝于隧道結(jié)構(gòu)2管片 連接處的內(nèi)表面及外表面上。D、測試使千斤頂6的頂桿向外頂出，將環(huán)箍錨 索5拉緊，對隧道結(jié)構(gòu)2施以徑向壓力，同時通過應(yīng)變片、位移計、測縫計和 應(yīng)變計、鋼筋計對加載的載荷量及隧道結(jié)構(gòu)2的力學(xué)性能參數(shù)進行測試，并將 測試結(jié)果輸入計算機分析計算。
下面根據(jù)力學(xué)理論分析計算得出，環(huán)箍錨索對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外表面的接觸壓 力，與該處錨索所受的摩^^力的關(guān)系。
圖3示出，取環(huán)箍錨索5中的微元dl進行受力分析，假設(shè)在長度無限小的 微元dl上，摩擦系數(shù)//不變。
環(huán)箍錨索5中的微元dl受力平衡時
K-A^，_MsinT = 。 (2)
其中，Ng為錨索5微元dl所受的逆時針方向的張拉力，Ng'為微元dl所受 的順時針方向的張拉力，/為微元dl所受的靜摩擦力，A為微元dl所受隧道結(jié)構(gòu)2所施加的法向4妄觸壓力。
由于靜摩擦力/在dl上均勻分布，貝'J:
/ = >"凡 (3) 圖4示出，根據(jù)作用力與反作用力原理，作用在隧道結(jié)構(gòu)2微元dL上的 法向4矣觸壓力i^為
&尺 (4) 由(1)、 (2)、 (3)、 (4)式可得，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)2的微元dL所受的法向接
觸壓力凡為
^ sin必
尸"=.^ (5) //sm——十cos—— 2 2
由于生是個小量，故有sin生a生、costal,代入(5式，簡化為 2 2 2 2
由(6)式可得知，各處環(huán)箍錨索5對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)2外表面的接觸壓力， 與該處錨索5所受的摩擦力成反比的負相關(guān)關(guān)系。因此可通過布設(shè)減摩層7，并 使減摩層7各段的摩擦系數(shù)不同，來改變環(huán)箍錨索5與隧道結(jié)構(gòu)2外表面的摩 擦阻力以改變環(huán)箍錨索5對隧道結(jié)構(gòu)2的接觸壓力凡，即可對隧道結(jié)構(gòu)2施加 一種"燈泡形"分布的壓力，模擬出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)2的非均勻分布的壓力。從 而模擬真實水壓對隧道結(jié)構(gòu)的作用和影響。
圖2即為使用本發(fā)明方法所得到的隧道結(jié)構(gòu)的壓力分布圖，其中的箭頭長度 表示該處壓力值，它呈燈泡形分布，與水下隧道結(jié)構(gòu)2所承受的真實水壓的分 布相似。
顯然，本發(fā)明環(huán)箍錨索5、定位裝置8、應(yīng)變片10、位移計11、測縫計12 和應(yīng)變計、鋼筋計的數(shù)量不局限于實施例的數(shù)量；圓弧形減摩層7的弧度及減摩層7的段數(shù)也不局限于實施例的情況，而可以是分為3 - 5段的250-290°弧 度的圓弧形減摩層7。
權(quán)利要求
1.一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法，其作法是A、安裝環(huán)箍錨索 將預(yù)埋有應(yīng)變計、鋼筋計的盾構(gòu)隧道管片(21)拼裝成短圓筒狀隧道結(jié)構(gòu)(2)，然后將隧道結(jié)構(gòu)(2)置于地面，其中軸線垂直于地面；豎直的前、后兩個環(huán)箍梁(3a、3b)對稱地設(shè)置于隧道結(jié)構(gòu)(2)的外表面，豎向分布的二根以上的帶載荷計的環(huán)箍錨索(5)交替地錨固在前、后環(huán)箍梁(3a、3b)上，環(huán)箍錨索(5)繞隧道結(jié)構(gòu)(2)表面一周后的另一端則固定在對應(yīng)環(huán)箍梁(3a、3b)的千斤頂(6)的頂桿上；B、墊設(shè)減摩層 在隧道結(jié)構(gòu)(2)與環(huán)箍錨索(5)之間墊設(shè)弧度為250-290°圓弧形的聚四氟乙烯減摩層(7)，該圓弧形減摩層(7)對稱地分布于前、后環(huán)箍梁(3a、3b)之間，減摩層(7)從前環(huán)箍梁(3a)處起至其端部止分為摩擦系數(shù)遞減的3-5段；C、測試儀器的布置 將多個應(yīng)變片(10)粘貼于管片(21)的內(nèi)表面及外表面上，測縫計(12)安裝管片(21)連接處的內(nèi)表面及外表面上，位移計(11)安裝于隧道結(jié)構(gòu)(2)的內(nèi)表面；D、測試 使千斤頂(6)的頂桿向外頂出，將環(huán)箍錨索(5)拉緊，對隧道結(jié)構(gòu)(2)施以徑向壓力，同時通過應(yīng)變片(10)、位移計(11)、測縫計(12)和應(yīng)變計、鋼筋計對加載的載荷量及隧道結(jié)構(gòu)(2)的力學(xué)性能參數(shù)進行測試，并將測試數(shù)據(jù)輸入計算機分析計算，得到測試結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法，其 特征是所述的A步安裝環(huán)箍錨索時，還在隧道結(jié)構(gòu)(2)上設(shè)置錨索定位裝置(8),該定位裝置(8)由隧道結(jié)構(gòu)(2)內(nèi)表面的固定3干(8a),外表面的定位 桿(8b)以及隧道結(jié)構(gòu)(2)上、下表面的連接橫桿"c)組成，通過連接橫桿 (8c )將固定桿(8a )和定位桿(8b )連接并固定在隧道結(jié)構(gòu)(2 )上；定位桿 (8b)的內(nèi)表面設(shè)有與環(huán)箍錨索(5)的數(shù)量及形狀匹配的錨索定位槽，每條環(huán) 箍錨索(5)置于相應(yīng)的錨索定位槽內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法， 其特征是所述的B步墊設(shè)減摩層時，減摩層(7)從前環(huán)箍梁(h)處起至端部 止分為摩擦系數(shù)遞減的3-5段的具體作法為端部處的減摩段由一層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，前環(huán)箍梁(3a)處的減摩層由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成，且在兩層聚四氟乙烯之間涂有潤滑劑，其余的減摩段由兩層聚四氟乙烯塊構(gòu)成。
全文摘要
一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水壓原型試驗方法，其作法是A.安裝環(huán)錨索將隧道結(jié)構(gòu)(2)豎起地置于地面；前、后兩個環(huán)箍梁(3a、3b)豎直地設(shè)置于隧道結(jié)構(gòu)(2)的外表面，帶載荷計的環(huán)箍錨索(5)交替地錨固在前、后環(huán)箍梁(3a、3b)上，環(huán)箍錨索(5)的另一端則固定在對應(yīng)環(huán)箍梁(3a、3b)的千斤頂(6)的頂桿上。B.墊設(shè)減摩層在隧道結(jié)構(gòu)(2)與環(huán)箍錨索(5)間對稱地墊設(shè)摩擦系數(shù)遞減的3-5段減摩層。C.測試用千斤(6)頂將環(huán)箍錨索(5)拉緊，并通過相應(yīng)的測量儀器對載荷量及隧道結(jié)構(gòu)(2)的力學(xué)性能進行測試、分析。該方法較真實地模擬環(huán)境水壓對水下隧道結(jié)構(gòu)的作用，為其設(shè)計和施工提供依據(jù)，保證隧道建設(shè)和營運安全。
文檔編號G01L1/00GK101319942SQ20081004561
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者川 何, 孫繼東, 增 張, 彭志忠, 蘇宗賢, 閆朝濤 申請人:西南交通大學(xué)