适用于断裂带处的韧性管片及其模拟实验装置和实验方法

本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种适用于断裂带处的韧性管片及其模拟实验装置和实验方法。

背景技术：

1、实际工程上，地铁盾构隧道难免会穿越一些不良地质带，例如：富水砂层、断裂带等。随着轨道交通及地下空间的不断发展，为了满足交通的需求，许多在建或拟建隧道工程都难以避免的需要穿越断裂带。然而在地震作用下，断裂带处会产生较大的剪切力和位移错动，这些不良因素可能会导致盾构管片接缝张开，从而引起结构渗漏以及混凝土局部破损。因此，在减轻地震作用方面，部分技术对盾构隧道管片的内部结构进行了研究，并设计出适用于穿越活断层的管片。由于断裂带不仅在地震下会发生错动，而且会通过连续缓慢滑动积累应变能，到达极限后突然错动。有研究人员通过对管片外围维护结构进行了研究，缓解因断裂带蠕滑错动而导致管片变形。同时还通过模型实验模拟断裂带蠕滑对于隧道结构的影响。

2、由于盾构隧道建设的成本较高，对于管片的拼装技术要求较高。目前已有的研究均不能明确断裂带处隧道破坏的位置。部分技术研究的管片，拼接安装较为复杂，增加了施工难度，难免保证施工的质量。而在管片外围设置围护结构，施工工序较多，施工难度更大，大大增加了制作成本。同时，模型实验仅了研究蠕滑错动对于隧道衬砌结构的影响，并没有研究地震作用下，断裂带突然错动对于隧道结构的影响。

3、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案，因此，亟待提出一种适用于断裂带处的新型智能韧性管片及模型实验装置与方法。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种适用于断裂带处的韧性管片及其模拟实验装置和实验方法，这种新型韧性管片在管片内部埋置了钢板，主要利用钢板的塑性和韧性大的特点，减轻断裂带发生严重错动时盾构隧道管片的破坏。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种适用于断裂带处的韧性管片，其包括弧形的管片主体，所述管片主体的中部设有剪切缝，所述剪切缝处设有剪切式力传感器，所述剪切缝内相对两侧的管片主体之间通过弹性构件连接；所述管片主体内埋有钢板构件和遇水膨胀止水条，所述遇水膨胀止水条位于所述钢板构件与管片主体之间；所述管片主体的上下两侧设有用于与相邻的管片主体连接的螺栓孔；

4、所述钢板构件包括位于上下两侧的固定钢板，所述钢板构件的左右两侧为可以左右移动的移动钢板，所述管片主体与移动钢板之间通过双作用式千斤顶连接。

5、其中，钢板构件设置在两个螺栓孔之间，所述剪切缝处填充混凝土。

6、此技术方案中，在韧性管片主体内埋设钢板构件，提高了结构整体的韧性，使得结构获得更高的安全储备，防止断裂带发生严重错动时造成盾构隧道管片在薄弱部位发生严重的破坏，保证后期修复后能正常运营。同时，采用在韧性管片主体内设置剪切缝，并在剪切缝处设置剪切式力传感器，利用剪切式力传感器可以起到定位破坏位置及传递地震信号的作用，而且可以通过剪切式力传感器传递的信号，启动双作用式千斤顶开始工作，将左右部分移动钢板分别往左右方向移动，使得管片内部局部出现薄弱位置，引导隧道破坏，避免管片在接缝处发生破坏，从而导致隧道内部出现渗漏等现象。钢板和管片中间设有遇水膨胀止水条，钢板和止水条都具有优良的韧性，可以有效避免因管片变形过大，而导致防水材料损坏，进而引起隧道渗漏。

7、另外，在韧性管片的管片主体和剪切缝混凝土通过弹性构件连接，使两者具有一定的整体性。当断裂带发生错动时，弹性构件受剪切力作用可以发生剪切变形，既保证了结构的整体性也使结构具有一定的自由度。

8、作为本发明的进一步改进，所述固定钢板、移动钢板为低碳钢板。

9、作为本发明的进一步改进，所述弹性构件为合金弹簧。

10、作为本发明的进一步改进，所述管片主体在位于移动钢板的外侧设有预留孔，所述双作用式千斤顶位于预留孔内，所述双作用式千斤顶的一端与管片主体连接，另一端通过连接件与移动钢板连接。

11、作为本发明的进一步改进，所述连接件为钢绞线。

12、作为本发明的进一步改进，所述管片主体的上下两侧设有用于设置膨胀止水条的凹槽。

13、作为本发明的进一步改进，所述管片主体连接形成管片环，相邻的管片主体之间通过螺栓连接，相邻的管片环之间通过螺栓连接。

14、作为本发明的进一步改进，相邻的管片主体的接缝内设有遇水膨胀止水条；相邻的管片环之间设有连接钢板，所述连接钢板与管片环的混凝土之间设有遇水膨胀止水条。采用此技术方案，在管片与管片的接缝处采用遇水膨胀止水条，在管片环与管片环的接缝处设置钢板，钢板和止水条都具有优良的韧性，可以有效避免因管片变形过大，而导致防水材料损坏，进而引起隧道渗漏。

15、作为本发明的进一步改进，所述连接钢板的厚度为1.5cm，宽度为25cm。

16、作为本发明的进一步改进，所述连接钢板为低碳钢板。

17、作为本发明的进一步改进，所述的适用于断裂带处的韧性管片包括位于两端的普通管片，所述普通管片与管片环之间通过螺栓连接，所述普通管片埋置在土体内，所述韧性管片位于在断裂面处。

18、本发明还公开了如上所述的适用于断裂带处的新型智能韧性管片的模拟实验装置，其包括底座，所述底座上设有反力架，所述反力架的顶部设有液压加载机构，所述底座上设有断层下盘和断层上盘，所述液压加载机构朝着断层下盘和断层上盘；

19、所述断层下盘包括断层下盘底板、两个断层下盘侧板、断层下盘前板和位于顶部的断层下盘顶板，所述断层上盘包括断层上盘底板、两个断层上盘侧板、断层上盘前板和位于顶部的断层上盘顶板；所述断层上盘前板和断层下盘前板的中部设有与待测试韧性管片外径尺寸一致的开孔，用于待测试韧性管片穿过；所述断层下盘底板通过固定构件与底板固定连接，所述断层上盘底板通过断层上盘千斤顶与底板连接；待测试的管片隧道位于断层上盘和断层下盘内，且首尾两端的普通管片分别与所述断层上盘前板、断层下盘前板密封连接；所述断层下盘和断层上盘之间设有断裂面模拟钢板，所述断裂面模拟钢板的中部设有与大小与管片隧道外径一致的孔洞，所述断裂面模拟钢板分别与断层下盘和断层上盘连接；所述反力架在位于断层上盘的上方设有吊钩。

20、作为本发明的进一步改进，所述反力架为倒u型，所述两个断层下盘侧板分别与断层下盘底板通过螺丝或者卡扣连接；所述两个断层上盘侧板分别与断层上盘底板通过螺丝或者卡扣连接。

21、本发明还公开了如上所述的适用于断裂带处的韧性管片的模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

22、步骤s1，安装所述的适用于断裂带处的韧性管片的模拟实验装置，将所述用于断裂带处的韧性管片的模拟实验装置固定在地面上，并将断层上盘千斤顶和固定构件通过螺栓固定在底座上；铺设第一层土体，土体的高度与断层下盘前板、断层上盘前板的中部开洞的底部平齐，铺设完土体后，对土体进行夯实；

23、步骤s2，将待测的管片隧道的首环管片通过螺栓以及密封垫安装在断层上盖前板上，在管片主体的剪切缝处贴上应变片，完成后依次拼接下一管片环以及应变片，重复上述操作直至所有用于试验的管片拼接完成；最后一管片环通过螺栓以及密封垫安装在断层下盖前板上；

24、步骤s3，在断裂面附近，管片主体之间通过高强螺栓进行加固处理，并在相邻的管片主体的接缝处设置遇水膨胀止水条，在相邻的管片环接缝处设置遇水膨胀止水条和钢板；

25、步骤s4，拼接完后，继续分次铺设土层，并对土体进行夯实，保证土体处于密实的状态；

26、步骤s5，将断层下盘顶板通过螺栓或者卡扣与断层下盘侧板、断层下盘前板对齐安装，将断层上盘顶板通过螺栓或者卡扣与断层上盘侧板、断层上盘前板对齐安装；

27、步骤s6，进行模拟地层蠕滑位移实验或模拟地震作用下断裂带突然错动实验；

28、所述模拟地层蠕滑位移实验包括如下步骤：

29、步骤s11，确保断层上盘千斤顶处于工作状态，使断层上盘千斤顶的倾斜角度与断裂面模拟钢板的倾斜角度相同，所述断层上盘千斤顶的顶部与断层上盘底板接触；

30、步骤s12，启动液压加载装置，给断层上盘施加向下的作用力，在断层上盘向下运动的同时，底部的断层上盘千斤顶也同时卸力，使断层上盘平稳运动；实验过程中，确保断层下盘处于固定状态；

31、步骤s13，待断层上盘位移达到实验设定值之后，液压加载机构停止工作；记录在实验过程中韧性管片的应变和局部变形情况，以及其他位置的受损情况；

32、所述模拟地震作用下断裂带突然错动实验包括如下步骤：

33、步骤s21，确保断层上盘千斤顶处于工作状态，使断层上盘千斤顶的倾斜角度与断裂面模拟钢板的倾斜角度相同，所述断层上盘千斤顶的顶部与断层上盘底板接触；

34、步骤s22，将断层上盘与位于其上的吊钩通过绳子固定；

35、步骤s23，拆除断层上盘底部的断层上盘千斤顶，使断层上盘处于悬空状态；

36、步骤s24，在断层上盘的底部放置缓冲垫；实验过程中，确保断层下盘处于固定状态；

37、步骤s25，拆除或剪断断层上盘的绳子，使其自由下落；记录在实验过程中韧性管片的应变和局部变形情况，以及其他位置的受损情况。

38、其中步骤s1中安装所述的适用于断裂带处的韧性管片的模拟实验装置包括：将断层上盘侧板和断层上盘底板通过螺栓或者卡扣对齐安装，断层下盘侧板和断层下盘底板通过螺栓或者卡扣对齐安装，并在断层上盘前板、断层下盘前板根据管片的试验尺寸进行开孔，断裂面模拟钢板，按照设计角度与断层上盘侧板、断层下盘侧板、断层上盘底板和断层下盘底板通过螺栓或者卡扣对齐安装，整个过程保证接缝的密封性。

39、通过模型实验，可以研究地震作用及蠕滑两种不同因素下，断裂带处韧性管片的受力状态及变形情况，为实际工程提供一定的参考价值。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

41、第一，本发明的技术方案的韧性管片在管片内部埋置钢板，提高结构整体的韧性，使得结构获得更高的安全储备，可以有效地减轻地震作用下断裂带发生错动对隧道结构的影响，保证隧道后期修复后可以继续运营；通过设置剪切缝，剪切缝处设置有剪切式力传感器，剪切式力传感器起到定位破坏位置以及传递地震信号的作用，通过传感器可以明确隧道即将发生破坏的位置；根据接收器接收到传感器传递的信号后，启动双作用式千斤顶工作，将左右部分可移动钢板分别往左右方向移动，使得管片内部局部出现薄弱位置，引导隧道破坏，避免管片在接缝处发生破坏，从而导致隧道内部出现渗漏等现象。

42、第二，采用本发明的技术方案，韧性管片主体和剪切缝混凝土通过弹性构件连接，使两者具有一定的整体性。当断裂带发生错动时，弹性构件受剪切力作用可以发生剪切变形，既保证了整体性也具有一定的自由度。将钢板构件设置在韧性管片主体的两个螺栓孔之间，韧性管片的拼装方式与普通管片一样，通过螺栓连接，既能提高管片的韧性及抗震性能，也不影响管片的正常拼装，解决了现在技术施工复杂的难题；

43、第三，采用本发明的模拟实验装置和实验方法进行模型实验，可以研究地震作用及蠕滑两种不同因素下，断裂带不同运动方式对新型韧性管片的受力状态及变形的影响，并可以及时对韧性管片进行优化完善，同时也可以为工程提供参考。