适用于分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置的制作方法

本发明属于地铁隧道施工，涉及一种分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置，并基于该支撑系统提供一种盾构半环始发下管片性能的监测方法。主要用于解决狭小空间盾构始发下管片性能难以量化等问题。

背景技术：

1、随着城市轨道交通的快速发展，地铁隧道的建设变得越来越重要。在地铁隧道的施工中，盾构法作为一种高效、安全的施工方法得到了广泛应用，而其中的盾构始发作为盾构法施工的关键工序，往往会碰到诸多问题。因此，根据工程特点，选择一种安全可靠、技术可行、经济合理的盾构始发方法意义重大。

2、地铁工程遇到施工场地狭小的大城市，会采用狭小空间工作井的方式进行盾构始发，具有节省工程投资、结构占地面积小等优点。相对于中小直径的土压平衡盾构，狭小空间工作井对微型泥水平衡盾构施工影响较大，具有设备要求高、技术难度大、实施风险高、施工效率低等缺点，导致盾构始发存在一定程度的困难，需要合理规划、部署，以免影响工期节点。

3、同时，在盾体下到狭小空间始发井拼装时，由于受盾构井长度、宽度和吊装孔的限制，其后空间经常不满足后续台车等工作场地的布置安排，因此需要采取特殊始发方式以满足始发要求，盾构分体半环始发是将盾构机及后配套台车分开连接，将管路和线路延长，把盾构机和部分台车下到洞内的始发方式，半环指部分负环仅安装半环，顶部管片不安装，留出吊装的空间，使在施工过程中，盾构井能正常进行吊装。

4、半环始发作为一种新颖的始发方式，能够在狭小空间进行正常施工的同时保障施工质量和施工进度，能够极好地适应目前城市地铁发展的需要。但由于半环始发与传统始发具有不同的受力结构，如对始发的半环管片进行有效地受力分析并得到具体数据，能够对管片安全性能的提高、后续盾构正常掘进乃至地铁安全运行提供高效的保障，也能够为各大城市施工场地狭小的盾构始发工程提供参数指导。但由于半环始发操作空间有限，对管片性能测试具有极大难度。

技术实现思路

1、为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种适用于分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置，半环始发具有对后支撑体系性能要求高、掘进参数技术控制精度要求高、半环管片拼装要求高及施工工效高等特点；同时，针对地铁施工盾构半环始发下操作空间狭小、管片各项数据无法精准读取等问题，开展对半环盾构管片的监测和纠偏。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种适用于分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置，包括反力架主体架、反力架受力支撑杆、钢支架管片底座、管片重量检测器、压阻式压力传感仪、垂直度测验系统和管片内部性能校核组件，所述反力架受力支撑杆固定在反力架主体架的后方，所述钢支架管片底座一端与反力架主体架的前方固定连接，所述管片重量检测器位于钢支架管片底座中部，所述压阻式压力传感仪位于反力架主体架与半环管片之间，所述压阻式压力传感仪与反力架主体架固定连接，所述垂直度测验系统位于压阻式压力传感仪的上方，所述垂直度测验系统与反力架主体架固定连接，所述管片内部性能校核组件安装于所述反力架主体架上用于测量管片内部受力性能。

4、所述反力架主体架起到支撑装置所有部件的作用，同时为盾构机向前推进提供反向压力。

5、进一步，所述反力架受力支撑杆共有四根，左右对称的四根钢杆分别设置于反力架主体架的后方的两侧，确保为盾构机提供始发支撑的反向压力，同时确保反力架支撑面始终保持垂直。

6、再进一步，所述钢支架管片底座的侧面为“凵”字形，一端与反力架主体架通过螺栓连接，且可拆卸进行循环利用，起到稳定安装半环管片的作用。

7、更进一步，所述管片重量检测器，根据负环管片的环数进行分段测，每段重量监测器设置有管片核定重量m及管片最大承重mmax；m为半环安装阶段的各环管片核定重量，m管片为半环管片的自重，f为两侧支架对管片的压力，以上参数符合公式为m＝m管片-fy/g；mmax为管片最大承重，m0为半环安装完成后大型设备进场过程对管片的动态重量，以上参数符合公式为mmax＝m+m0。

8、所述压阻式压力传感仪采用压敏电阻，压敏电阻由规则排列的小型压敏电阻组成，不同区域的电阻值会通过压力值变化而变化，从而反映半环管片对反力架的压力状态。

9、所述垂直度测验系统包括红外发射器、红外发射角度调节器、红外反射板和垂直度校核板，是一套安装于分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架上的管片垂直度测验系统，所述红外发射器位于压敏电阻上方，与反力架主体架通过螺栓连接，内部安装蓄电池后可向外发射红外光束；所述红外发射角度调节器连接红外发射器的光源，确保射出的光线始终在同一平面上进行角度变换；所述红外反射板为高清镜面材质，直接铺设在半环管片的截面上，可重复循环使用，用于接收红外发射器发射出的红外光线，并反射到垂直度校核板上，所述垂直度校核板位于洞门两侧，通过螺栓固定在洞门上，可随时进行安装和拆卸，垂直度校核板上标有垂直中线，中线两侧标有刻度，用于读取垂直度偏离数据。

10、所述管片内部性能校核组件包括连接杆、可拆卸式固定架、延伸杆、弹性压力传感器和应变片，是一套安装于反力架主体架上用于测量管片内部受力性能的校核装置。

11、所述连接杆分段段数等同于负环环数，各分段之间通过螺纹旋转连接，尾端连接杆与可拆卸式固定架直接焊接；所述可拆卸式固定架为“x”字型，使用螺栓与反力架主体架的矩形框架内部进行连接，起到固定连接杆的作用；所述延伸杆通过螺纹与连接杆连接，每段连接杆上环向分布有根延伸杆，配合弹性压力传感器共同校核半环管片内部各向压力数据；所述弹性压力传感器位于延伸杆的端部，为微弹性橡胶材料制成，可根据压力变化进行微小程度的形变；所述应变片贴在弹性压力传感器的表面，用于记录弹性压力传感器的形变，根据计算得出管片内部各方向的受力是否平衡。

12、本发明中，反力架作为盾构始发的重要受力构件，为盾构掘进提供强大推力，反力架具有足够的刚度和强度；通过对反力架的构造创新，设计了一种适用于分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置，起到半环始发下监测管片各项性能的作用。

13、自动校核半环管片垂直度：反力架左右两侧安装有红外发射器，根据角度调节可发射红外光线到半环始发下负环半环管片安装过程中的每一环管片的截面中心上，半环截面上安装有接受装置，将收到的红外信号进行接收，并反射到盾构始发洞门上安装的垂直度校核板上。垂直度符合要求时，红外信号将被接收于垂直度校核板的中线上；垂直度不符合要求且产生偏移时，根据测定接收位置来判断。采用下列公式判断沿盾构前进方向上半环管片左右垂直度偏移的角度：

14、

15、对盾构前进方向上半环管片左右垂直度进行纠偏后，采用下列公式来判断半环管片前后垂直度偏移的角度：

16、

17、式中：

18、θ1：前进方向上半环管片左右垂直度偏移的角度；

19、θ2：前进方向上半环管片前后垂直度偏移的角度；

20、lx：接收位置到中线的距离；

21、ly：接收位置到基点的竖向距离；

22、a：红外发射器相对于半环截面的高度；

23、n总：负环总环数；

24、n0：测量位置所在环数。

25、自动检验盾构推进方向半环管片所受压力：当盾构向前推进时，盾构千斤顶顶推半环管片过程会对反力架产生一个反向压力。反力架主体架前部安装有压阻式压力传感仪，当管片位置产生偏差时，反力架受到的压力不均会使压阻式压力传感仪上的压敏电阻的电阻值产生变化，通过电流数据的分析来判断压力的具体分布位置，从而检验盾构反推力是否平衡，进而验证反力架是否受力平衡，再根据反馈数据及时调节盾构千斤顶顶推力度，确保管片受力均匀。

26、监测半环管片重量及承重状态下性能指标：升级了原有盾构始发井需要浇筑始发台座的工序，使用可直接连接反力架的钢底座，在节省工时的同时在底座上安装管片重量检测器，可对负环每环管片进行重量鉴定，来校核盾构半环始发施工全过程中负环盾构管片的重量，并通过管片自重减去校核重量得到管片对钢底座支架两侧的压力。同时，可实时监测负环管片安装完成后，大型施工机械设备进场过程中对管片造成的动荷载。

27、对管片内部力学性能校核：在反力架上安装革新性的管片内部性能校核组件，负环每一环管片的安装都伴随着对应分段校核装置的安装。校核装置四周布置有四根校核纠偏杆，杆端安装有弹性压力传感器，通过弹性压力传感器体上贴有的应变片读取半环管片内部各位置的受力数据是否平衡。

28、本发明的装置可进行各构件之间的快速拼装，即可开展狭小始发环境下盾构半环始发的施工流程。实现了对半环盾构始发下管片的全状态监测及分析，从而减小狭小始发条件下始发井空间不足对盾构施工的影响效应。同时，施工完成后可对分体半环盾构始发下管片全状态监测反力架装置的各部件进行拆除以确保再次利用，并为相应城市地铁工程施工提供借鉴性意见。

29、本发明的有益效果主要表现在：1、自动校核半环管片垂直度；2、自动检验盾构推进方向半环管片所受压力；3、监测半环管片重量及承重状态下性能指标；4、对管片内部力学性能校核；5、操作简单、循环利用和适用范围广。