一种隧道盾构管片现场监测系统论文和设计-黄斌

全文摘要

本实用新型针对目前盾构隧道管片采用缩小模型进行力学试验检测推算管片各项数据及性能的不足，提供一种隧道盾构管片现场监测系统，该系统包括盾构隧道管片和监测机构，所述盾构隧道管片由一块封顶块，两块连接块及三块标准块构成；所述监测机构包括管片内力检测组件、混凝土应变检测组件、土压力检测组件以及水压力检测组件，所述管片内力检测组件包含沿管片环向分布的复数个钢筋测力计以及安装在连接块与封顶块邻接面的至少一个钢筋测力计，所述混凝土应变检测组件包括环向装设在管片上的复数个混凝土应变计，所述土压力检测组件包括在管片表面安装的土压力计，所述水压力检测组件包括分别装设在管片的至少一个孔隙水压力计。

主设计要求

1.隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：该系统包括盾构隧道管片和监测机构，所述盾构隧道管片由一块封顶块（6），两块连接块（1,5）及三块标准块（2,3,4）构成；所述监测机构包括管片内力检测组件、混凝土应变检测组件、土压力检测组件以及水压力检测组件，所述管片内力检测组件包含沿管片环向分布的复数个钢筋测力计A以及安装在连接块与封顶块邻接面的至少一个钢筋测力计B，所述混凝土应变检测组件包括环向装设在管片上的复数个混凝土应变计（9），所述土压力检测组件包括在管片表面安装的土压力计（10），所述水压力检测组件包括分别装设在管片的至少一个孔隙水压力计（11）。

设计方案

2.根据权利要求1所述的隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：所述管片在其内部环向布置有12个振弦式钢筋测力计A（7），所述的12个振弦式钢筋测力计A（7）分设在一块封顶块（6），两块连接块（1,5）及三块标准块（2,3,4）上，每个振弦式钢筋测力计A（7）布置在每块管片的中轴线位置且其密贴内外弧面；在所述连接块（1,5）与封顶块（6）的两个邻接侧分别设有2个振弦式钢筋测力计计B（8），所述的2个振弦式钢筋测力计B（8）沿管片宽度方向等距密贴于管片中侧。

3.根据权利要求1所述的隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：所述土压力计（10）的数量为6个，分设在一块封顶块，两块连接块及三块标准块外侧。

4.根据权利要求1所述的隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：在管片的底端和顶端各布设有一个孔隙水压力计。

5.根据权利要求1所述的隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：所述的管片全环内侧埋设有12个混凝土应变计，所述的12个混凝土应变计2个一组被划分成6组分别对准一块封顶块，两块连接块及三块标准块。

6.根据权利要求1所述的隧道盾构管片现场监测系统，其特征在于：所述的一块封顶块、两块连接块及三块标准块之间之间通过弯螺栓连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及隧道盾构管片领域，具体涉及一种隧道盾构管片现场监测系统。

背景技术

目前，针对盾构施工过程中管片内力的研究主要针对某一施工阶段进行分析，然而施工是一个动态变化的过程，因此盾构与管片之间相互作用力也会随着盾构姿态的调整而产生变化，这方面的研究目前还很欠缺，无法对管片在施工过程中的内力做出较为准确的计算。众多盾构隧道工程实践表明，盾构姿态控制不良导致的千斤顶偏心推力、盾尾挤压管片的作用力等施工荷载是引起管片衬砌结构破损的主要原因，有必要对其影响展开定量的研究。然而，施工荷载是动态变化的，施工阶段，管片衬砌除了受土压力、水压力、自重、上覆荷载、地基抗力等荷载之外，还受到千斤顶推力、盾尾与管片接触力、管片拼装荷载等施工荷载作用，现有的研究假定荷载固定不变的做法不能全面反映其对管片结构受力特性的影响。当前，管片常用的检法为管片模型进行室内力学试验推算出管片的数据及性能，其准确度有待于验证。

实用新型内容

作为优选，所述管片在其内部环向布置有12个振弦式钢筋测力计A，所述的12个振弦式钢筋测力计A分设在一块封顶块，两块连接块及三块标准块上，每个振弦式钢筋测力计布置在每块管片的中轴线位置且其密贴内外弧面；在所述连接块与封顶块的两个邻接侧分别设有2个钢筋测力计B，所述的2个钢筋测力计B沿管片宽度方向等距密贴于管片中侧。

作为优选，所述土压力计的数量为6个，分设在一块封顶块，两块连接块及三块标准块外侧。

作为优选，在管片的底端和顶端各布设有一个孔隙水压力计。

作为优选，所述的管片全环内侧埋设有12个混凝土应变计，所述的12个混凝土应变计 2个一组被划分成6组分别对准一块封顶块，两块连接块及三块标准块。

作为优选，所述的一块封顶块、两块连接块及三块标准块之间通过弯螺栓连接。

本实用新型通过预先在管片内埋设应变应力计等测试元件进行施工过场实时测试，可以实现理论数值模拟与现场实测结果进行对比分析，可以较好地反映施工阶段盾构姿态变化(千斤顶推力大小、倾角及偏差)对管片结构受力的影响，为施工控制提供指导，以保证管片结构安全，并为管片设计提供参考；并为通过施工控制改善管片受力状态、保证施工安全、以及施工过程中既有邻近建筑物的保护提供相应指导。

附图说明

图1为本实用新型提供的应变应力计布置示意图；

图2为本实用新型提供的土压力计以及孔隙水压力计的布置示意图；

其中，1，5-连接块；2，3，4-标准块；6-封顶块；7-钢筋测力计A；8-钢筋测力计B；9-混凝土应变计；10-土压力计，11-孔隙水压力计。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供一种隧道盾构管片现场监测系统，该系统包括盾构隧道管片和监测机构，所述盾构隧道管片由一块封顶块6，两块连接块1,5及三块标准块2，3，4构成，另外，所述的环与环之间，一块封顶块6、两块连接块1，5及三块标准2，3，4块之间通过弯螺栓连接。

所述监测机构包括管片内力检测组件、混凝土应变检测组件、土压力检测组件以及水压力检测组件，所述管片内力检测组件包含沿管片环向分布的复数个钢筋测力计A 7以及安装在连接块与封顶块邻接面的至少一个钢筋测力计B 8，所述混凝土应变检测组件包括环向装设在管片上的复数个混凝土应变计9，所述土压力检测组件包括在管片表面安装的土压力计 10，所述水压力检测组件包括分别装设在管片的至少一个孔隙水压力计11。

如图1所示，在本实施例中，所述管片在其内部环向布置有12个振弦式钢筋测力计A，所述的12个振弦式钢筋测力计A7分设在一块封顶块6，两块连接块1,5及三块标准块2,3,4 上，每个振弦式钢筋测力计布置在每块管片的中轴线位置且其密贴内外弧面；在所述连接块 1,5与封顶块6的两个邻接侧分别设有2个钢筋测力计B 8，所述的2个钢筋测力计B 8沿管片宽度方向等距密贴于管片中侧。

如图2所示，所述土压力计10的数量为6个，分设在一块封顶块6，两块连接块1,5及三块标准块2,3,4外侧；在管片的底端和顶端各布设有一个孔隙水压力计11；所述的管片全环内侧埋设有12个混凝土应变计9，所述的12个混凝土应变计9 2个一组被划分成6组分别对准一块封顶块6，两块连接块1,5及三块标准块2,3,4。

在管片预制现场，事先在管片内埋设钢筋测力计7,8和混凝土应变计9，然后在盾构管片安装施工现场埋设孔隙水压力计11、土压力计10，可以得到施工现场的盾构周围水土压力、盾构姿态参数和管片内力的监测数据。同时，将实测数据与盾构姿态动力学模型三维有限元计算结果对比，验证模型计算的可靠性，从而更准确地计算出动态施工过程中管片实际所承受的荷载以及管片内力大小，为管片结构设计提供参考，并为通过施工控制改善管片受力状态、保证施工安全、以及施工过程中既有邻近建筑物的保护提供相应指导。

为了更加阐述本实用新型的实施方式，本实用新型还提供了所述的监测系统的测试元件的安装步骤以及具体测试方法，示例性地：

步骤一:准备工作。根据盾构隧道穿越土层和临近区间隧道的建(构)筑物分布情况，选择盾构施工风险等级较大的典型断面(不少于2个断面)；准备管片测试元器件，采用钢筋测力计和混凝土应变计分别测量管片的内力和变形，在管片表面安装土压力计测定土压力，在管片环的顶端和底端安装孔隙水压力计测量孔隙水压力。测试元器件布置的数量如表1所示：

表1测试元器件布置数量

步骤二:测试元器件布置。在盾构隧道管片预制厂钢筋胎模架上，沿管片内部环向埋设16 个振弦式钢筋测力计(共6块，每块2个)，布置于每块管片的中轴线位置，密贴内外弧面(称为第一类钢筋测力计)，共计12个，以测量拼装环已拼装管片受到新拼装管片的影响产生的受力状态的变化，如图1所示。在连接块和封顶块的邻接处，沿管片宽度方向等距密贴于管片中侧(第二类钢筋测力计)，每侧2个，计4个，以测量封顶块挤入时引起的邻接块管片的受力状态的变化，如图2所示。

管片周边土压力通过预先埋设在管片外的(柔性)土压力计直接量测，管片制作时将土压力计安装在每一环管片外侧，共计6个，混凝土浇筑后将土压力计表面混凝土去除并向外侧稍稍移出。盾构隧道周边水压力通过在管片外侧埋设孔隙水压力计进行测量，在管片顶底端各布设上下1个，现场量测土压力为总土压力，包含有效土压力和水压力，如图2所示。

步骤三:监测。

1)监测频率：在管片拼装阶段，每块管片拼装后均对已拼装的所有测试环管片进行1次人工采集数据。待拼装成环后采用自动采集，采集频率1次\/h。直到掘进面后5m～20m时测2 次\/d(1个星期内，共14次)，掘进面后<50m时测1次\/d(1个星期内，共7次)，掘进面后>50m 时测1次\/周(1个月内，共4次)。各监测项目在施工影响前应测得稳定的初始值，应少于两次；当监测值出现波动或异常或接近警戒值时应加密监测频率。

2)数据采集：施工过程数据采集采用解调仪自动采集信号，只需将解调仪放在指定位置即可，无需工作人员操作，测试完成后再取走解调仪，并进行数据结果分析。

步骤四:数据分析。通过布置的测力计，可得到管片的轴力和弯矩值，再分析实测数据，与模型计算值进行对比验证管片受力计算时力学模型的合理性。

对实测得到的水土压力值，从时间和空间分布上与理论计算值进行对比，能够为类似软土地区大直径盾构隧道设计过程中的水土压力取值、施工荷载作用下管片内力计算提供参考。并为工程的盾构施工控制提供指导，以保证管片的承载性能和受力变形在正常范围内。

本实用新型通过盾构隧道管片埋设钢筋测力计、应变计、土压力计和孔隙水压力计等测试元器件，对盾构管片进行监测，能及时地反映盾构姿态变化对管片的受力影响，有助于判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求，以确定和优化下一步的施工参数，达到优质安全、经济合理的目的。同时将所取得的数据，与理论数值计算结果相比较，可为地下盾构隧道特别是软土地区盾构隧道设计时充分考虑管片结构的安全性提供依据。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

设计图

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