一种盾构隧道管片衬砌相似试验模型

摘要

本发明公开了一种盾构隧道管片衬砌相似试验模型，包括由相似材料整体浇注而成管片环、管片环上开有模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽，其特征在于：所述的管片环分为上部区域（1a）、下部区域（1b）、左侧区域（1c）、右侧区域（1d），上部区域（1a）和下部区域（1b）的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽（2a）开在管片环的内侧，左侧、右侧区域的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽（2b）开在管片环的外侧。该种试验模型能够更好的模拟盾构隧道管片接头部位的力学特性，尤其可以很好的模拟盾构隧道管片衬砌的大变形及渐进性破坏过程；试验误差小，能对隧道的设计、施工及维护加固提供更加准确、可靠的试验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道试验模型。 

背景技术

目前，盾构隧道由于其自身的优点，在城市轨道交通、越江跨海通道以及市政管道等的建设中得到了越来越广泛的应用。盾构隧道主要采用环向接头将多个弧形的单层衬砌管片拼接成管片环，再通过纵向接头将管片环以通缝或错缝方式拼装成盾构隧道。由于工程水文地质条件的复杂性、隧道规模及细部构造的差异，以及盾构隧道对工程安全的高要求，通常需要通过模型试验研究揭示盾构隧道管片衬砌结构的力学特性。鉴于盾构隧道管片接头的复杂性，在实施盾构隧道模型试验过程中，如何考虑盾构隧道管片接头的力学效应是一个重要的问题。 

通过对现有技术的文献检索发现，在已有的模型试验中，模拟盾构隧道的力学特性采用的相似试验模型主要有以下两种： 

第一种相似试验模型以修正惯用法作为理论依据，用管片衬砌环整体抗弯刚度的降低等效盾构隧道管片接头部位抗弯刚度的降低，来考虑管片环向接头对盾构隧道管片衬砌结构力学特性的影响。从而采用材质均匀金属管、有机材料管等圆形结构作为相似试验模型材料，根据盾构隧道横向刚度等效原则，确定出相似试验模型衬砌厚度，该相似试验模型在试验过程中仅能近似模拟管片衬砌结构的整体力学特征，但是由于无法反映管片衬砌接头部位的局部应力集中效应及接头转动等力学特性，模型试验得到的隧道管片的内力和变形规律与原型隧道差别较大。 

第二种相似试验模型为同济大学发明专利(公开号：CN101299008A)，该模型管片采用配置的相似材料整体浇注而成，对于环向接头、纵向接头的刚度弱化效应，通过在对应于环向接头、纵向接头部位的管片环外侧切割出相应的凹槽予以实现，凹槽深度根据等效刚度原理通过计算进行确定。 

上述两种模型中，第二种相似模型由于其在处理管片接头该模型在一定程度上保证了模型相似比的要求，与实际情况更为接近，因此被广泛接受并使用。但实际上管片环在以竖向荷载为主的外荷载作用下，其不同部位的变形及内力 分布是有区别的：拱顶、拱底部位受正弯矩作用，位移指向管片内侧，该部位管片环内侧受拉；左拱腰、右拱腰部位受负弯矩作用，位移指向管片外侧，该部位管片环外侧受拉。实际管片环的接头（相邻管片的螺栓连接部位）应表现为管片环受拉侧张开，而该模型用于模拟管片接头的凹槽均开在管片环外侧，导致管片环位于拱顶及拱底的接头（内侧连续，无凹槽）无法张开，从而造成不该有的应力集中，其变形及受力状态与实际不相符合。试验数据误差大，尤其在模拟盾构隧道管片衬砌结构承受极限荷载发生大变形及渐进性破坏时，这种由于接头处理方式带来的误差更将会被放大。难以对隧道的设计、施工及维护提供准确、可靠的试验数据。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种盾构隧道管片衬砌相似试验模型，该种试验模型能够更好的模拟盾构隧道管片接头部位的力学特性，尤其可以很好的模拟盾构隧道管片衬砌的大变形及渐进性破坏过程；试验误差小，能对隧道的设计、施工及维护加固提供更加准确、可靠的试验数据。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种盾构隧道管片衬砌相似试验模型，包括由相似材料整体浇注而成管片环、管片环上开有模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽，其特征在于：所述的管片环分为上部区域、下部区域、左侧区域、右侧区域；上部区域和下部区域的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽开在管片环的内侧，左侧、右侧区域的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽开在管片环的外侧。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

本发明在采用凹槽模拟接头部位刚度弱化时，考虑了管片环不同部位在外荷载下的受力及变形特性，对整个管片环进行了分区处理：其中，上部、下部（拱顶、拱底）区域受正弯矩作用，位移指向管片内侧，该区域管片环内侧受拉，相应的凹槽开在管片环内侧；而左侧、右侧（左拱腰、右拱腰）区域受负弯矩作用，位移指向管片外侧，该区域管片环外侧受拉，相应的凹槽开在管片环外侧。从而实现了管片环在受拉侧开槽，在外荷载作用下可以正确模拟管片环所有接头的张开效应，消除不该有的应力集中，使其变形及受力状态与实际相符，进而减小试验数据误差。尤其在模拟盾构隧道管片衬砌结构承受极限荷 载发生大变形及渐进性破坏时，这种接头处理方式使试验模型的变形、受力、破坏及失稳等更符合实际管片环相关特性，更为显著地减小试验数据误差。从而能对隧道的设计、施工及维护提供更准确、可靠的试验数据。 

上述的管片环的上部区域、下部区域、左侧区域、右侧区域均分，即每个区域的弧度为90°。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 

附图说明

图1为本发明实施例的相似试验模型的结构示意图。图中，虚线为管片环的四个区域的分界线。 

具体实施方式

实施例 

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种盾构隧道管片衬砌相似试验模型，包括由相似材料整体浇注而成管片环、管片环上开有模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽。管片环分为上部区域1a、下部区域1b、左侧区域1c、右侧区域1d；上部区域1a和下部区域1b的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽2a开在管片环的内侧，左侧、右侧区域的模拟管片接头刚度弱化效应的凹槽2b开在管片环的外侧。 

本例管片环的上部区域1a、下部区域1b、左侧区域1c、右侧区域1d均分，即每个区域的弧度为90°。 

每个区域的具体位置为：上部区域1a和下部区域1b为沿管片环的垂直轴线±45°，左侧区域1c、右侧区域1d为沿管片环的水平轴线±45°。