(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211115739.8 (22)申请日 2022.09.14 (71)申请人 中国地质大 学 （武汉） 地址 430074 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388号 (72)发明人 梁荣柱　王理想　康成　曹世安　 张志伟　于东东　吴文兵　 (74)专利代理 机构 武汉星泽知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42279 专利代理师 杨晓燕 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01) G01N 3/20(2006.01) G01N 3/06(2006.01) G01N 3/02(2006.01)G01B 21/32(2006.01) (54)发明名称 一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效 抗弯刚度的试验 装置及方法 (57)摘要 一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效 抗弯刚度的试验装置及方法， 装置包括试验平 台、 盾构隧道模型、 加载装置、 位移采集装置、 应 变采集装置； 试验平台包括底板、 钢柱、 钢梁、 位 移支架和盾构隧道模型支座； 盾构隧道模型包括 管片和螺栓， 盾构隧道模型由真实盾构隧道管片 按一定比例缩小及实际各种拼装 方式制作。 本发 明的盾构隧道模型严格按照真实盾构隧道拼装 方式制作， 可以模拟通缝无榫槽、 通缝有榫槽、 错 缝无榫槽、 错缝有榫槽等四种类型的盾构隧道； 通过测量盾构隧道模型的竖向位移和环缝处应 变， 可以研究不同结构特征不同拼装 方式的盾构 隧道纵向力学特性； 更好得到盾构隧道中性轴位 置和纵向等效抗弯刚度。 权利要求书2页 说明书7页 附图8页 CN 115452572 A 2022.12.09 CN 115452572 A 1.一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装置， 其特征在于， 包括 试验平台、 盾构隧道模型、 加载装置、 位移采集装置、 应 变采集装置； 所述试验平台包括底板、 钢柱、 钢梁、 位移支架和盾构隧道模型支座， 所述钢柱设置四 根、 安装在所述底板上， 所述钢梁对应设置四根、 分别连接在两两钢柱之间的上部， 所述底 板、 钢柱和钢梁连接构成一个钢架， 钢架用于固定所述位移支架和所述盾构隧道模型支座 并依靠自身重力提供反力； 所述位移支架安装于所述钢柱上； 所述盾构隧道模型支座包括 支座腿和支 座圆筒， 所述支 座腿焊接于所述底板上， 所述支 座圆筒安装在所述支 座腿上方、 用于固定所述盾构隧道模型， 并为所述盾构隧道模型提供反力； 所述盾构隧道模型包括管片和螺栓两部分， 所述管片包括封顶块、 邻接块、 标准块、 纵 向螺栓孔和环向螺栓孔， 所述管片由真实盾构隧道管片按一定比例缩小； 所述螺栓同样根 据真实盾构隧道螺 栓按同等比例缩小， 用于将所述管片连接拼装为所述盾构隧道模型； 所述加载装置包括加载绳圈、 挂钩和砝码， 所述加载绳圈套于所述盾构隧道模型加载 位置， 用于将所述挂钩与所述砝码的重力传递至所述盾构隧道模型； 所述挂钩挂于所述加 载绳圈底部， 用于安置所述砝码； 所述砝码安置于所述挂钩之上， 利用所述砝码自身重力为 所述盾构隧道模型施加荷载； 所述位移采集装置包括位移杆、 位移计和位移数据采集仪， 所述位移杆安装于所述位 移支架上； 所述位移计安装于所述位移杆上， 用于测量所述盾构隧道模型的竖向位移； 所述 位移数据采集仪通过位移采集装置导线与各个位移计连接， 用于采集所述位移计测量得到 的所述盾构隧道模型的竖向位移； 所述应变采集装置包括应变片和应变数据采集仪， 所述应变片均匀粘贴于所述盾构隧 道模型环缝处， 用于监测所述盾构隧道模型 的环缝应变数据； 所述应变数据采集仪通过应 变采集装置导线与各个 应变片连接， 用于采集各个 应变片监测得到的环缝应 变数据。 2.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述底板与所述钢柱的连接处、 所述钢柱与所述钢梁的连接处均焊接有三 角形钢板， 用于增强所述试验平台的整体刚度。 3.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述钢柱中部开有位移支架孔洞， 所述位移支架设置两根， 分别布置在两 侧的两根钢柱之间， 每根位移支架的两端安装在对应侧的两根钢柱的位移支架孔洞处； 两 根位移支架的中间位置开有位移孔， 所述 位移孔用于安装所述 位移杆。 4.根据权利要求3所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述 位移支架孔洞和位移 支架均为矩形； 所述 位移孔和位移杆均为圆形。 5.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述支座圆筒内径与所述盾构隧道模型外径相同， 以保证所述支 座圆筒与 所述盾构隧道模型紧密接触。 6.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述管片由真实盾构隧道管片按照30:1～ 40:1的比例缩小， 并采用3D打印 技术制作。 7.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述管片分为有榫槽和无榫槽两种； 所述盾构隧道模型拼装方式分为通缝权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115452572 A 2拼装和错缝拼装两种； 所述盾构隧道模型有通缝无榫槽、 通缝有榫槽、 错缝无榫槽、 错缝有 榫槽四种类型。 8.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述盾构隧道模型每个衬砌环有16个所述纵向螺栓孔和18个所述环向螺 栓孔。 9.根据权利要求1所述的一种测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚度的试验装 置， 其特征在于， 所述的位移杆为圆形截面杆， 所述位移杆上有距离刻度， 以便于所述位移 计的安装定位。 10.一种通过权利要求1 ‑9任一项所述的测试盾构隧道中性轴位置和纵向等效抗弯刚 度的试验 装置的试验方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 将所述底板、 钢柱、 钢梁三部分组装连接构成一个钢架； 步骤2、 将盾构隧道模型支座焊接 到底板之上； 步骤3、 使用螺栓将3D打印制作的无榫槽管片拼装为一个衬砌环， 再使用螺栓将多个衬 砌环按照通缝拼装和错缝拼装的方式， 分别连接组成通缝无榫槽盾构隧道模型和错缝无榫 槽模型； 使用螺栓将3D打印制作的有榫槽管片拼装为一个衬砌环， 再使用螺栓将多个衬砌 环按照通缝拼装和错缝拼装的方式， 分别连接组成通缝有榫槽盾构隧道模 型和错缝有榫槽 模型； 步骤4、 在盾构隧道模型的环缝处粘贴多个应变片， 粘贴应变片之前在环缝表面涂抹一 层乳胶， 待乳胶完全干燥之后将应 变片均匀粘贴于环缝处； 步骤5、 将盾构隧道模型安置于盾构隧道模型支座上， 调整盾构隧道模型位置， 确保盾 构隧道模型与左右两个盾构隧道模型支座接触长度相同； 步骤6、 在盾构隧道模型预先设定的加载位置处套入加载绳圈， 保证加载绳圈距离最近 的盾构隧道模型支座的距离相等， 以在盾构隧道模型加载点之间形成纯弯段； 步骤7、 将位移计按照设定刻度安装于位移杆上， 再将位移杆穿过盾构隧道模型内部； 将位移支架 穿过钢柱上预留的矩形位移支架 孔洞； 将位移杆左右两端分别插入位移支架上 预留的位移孔； 调整位移杆位置， 确保位移计顶在盾构隧道模型 拱底； 步骤8、 将位移计和应 变片分别连接 至位移数据采集仪和应 变数据采集仪； 步骤9、 将挂钩挂至加载绳圈底部； 步骤10、 待挂钩稳定后， 打开位移数据采集仪和应变数据采集仪， 开始采集数据初始 值； 步骤11、 将砝码挂至挂钩之上， 开始加载， 两个挂钩上的砝码数量保持一致； 加载至盾 构隧道模型 出现明显破坏， 停止加载； 步骤12、 更换不同的盾构隧道模型， 重 复步骤4‑步骤11， 即得到不同盾构隧道模型的竖 向位移和环缝应 变数据； 步骤13、 结果分析： 对位移采集装置测量得到的竖向位移数据进行处理， 得到盾构隧道 模型的纵向等效抗弯刚度； 对应变采集装置测量得到的应变数据进行 处理得到盾构隧道模 型的中性轴位置 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115452572 A 3