(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 202210514389.6 (22)申请日 2022.05.11 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 申请人 济南轨道交通 集团有限公司 (72)发明人 廖少明　马思浩　何君佐　刘孟波　 王永志　王钦山　左付超　孙占刚　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 专利代理师 叶敏华 (51)Int.Cl. E21D 11/08(2006.01) G01D 21/02(2006.01) G05B 13/04(2006.01) (54)发明名称 一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控 制系统 (57)摘要 本发明涉及一种管片隧道纵横向伺服式预 应力自动控制系统， 包括预应力钢索张拉部及伺 服式自动控制装置， 预应力钢索张拉部包括盾构 隧道环向预应力管和纵向预应力加固结构， 伺服 式自动控制装置包括智能监测单元和智能调节 单元， 智能监测单元实时监测隧道参数， 智 能调 节单元根据监测的隧道参数， 通过综合分析横向 和纵向的变形调节过程的动态数据， 结合纵横向 力学相互作用关系， 对纵横向的预应力进行动态 调节。 与现有 技术相比， 本发明能够实时监测、 分 析盾构隧道受力变形状态， 并对 预应力钢绞线进 行自动张拉、 对隧道受力变形进行全周期控制， 通过数据实时反馈对纵、 环向预应力进行动态调 节， 能够有效缓解甚至消除隧道接缝变形及纵向 不均匀沉降现象。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 114991812 A 2022.09.02 CN 114991812 A 1.一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在于， 包括预应力钢索张 拉部及其连接的伺服式自动控制装置， 所述预应力钢索张拉部包括盾构隧道环向预应力管 和纵向预应力加固结构， 所述伺服式自动控制装置包括智能监测单元和智能调节单元， 所 述智能监测单元用于实时监测隧道参数， 所述智能调节单元根据监测的隧道参数， 通过综 合分析横向和纵向的变形调节过程的动态数据， 结合纵横向力学相互作用关系， 对纵横向 的预应力进行动态调节。 2.根据权利要求1所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述盾构隧道环向预应力管包括设置在固定端管片和连接处管片环向钢筋(6)笼内的 空心波纹管(5)， 所述波纹管(5)内穿设环向预应力钢绞线(15)， 所述环向预应力钢绞线 (15)采用双圈预应力筋形式， 所述环向预应力钢绞线(15)从管片内壁孔道(11)穿入后伸 出， 所述环向预应力钢绞线(15)的两端分别与预应力筋锚固装置相连接 。 3.根据权利要求2所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述预应力筋锚固装置包括梯形壳体(12)， 所述梯形壳体(12)的两个侧壁上分别开设 有槽口(14)， 所述一个侧壁上的槽口(14)连接固定端锚具， 另一个侧壁上的槽口(14)连接 张拉端锚具。 4.根据权利要求3所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述纵向预应力加固结构包括由纵向预应力钢绞线(16)连接的固定端管片、 区间管片 和连接处管片， 所述固定端管片和连接处管片均由第一标准块、 第一邻接块、 第一封顶块连 接组成， 所述第一标准块、 第一邻接块、 第一封顶块依 次连接组成衬砌环结构， 所述第一标 准块、 第一邻接块、 第一封顶块沿纵向方向的两端均开设有凹槽(4)， 所述纵向预应力钢绞 线(16)的两端在凹槽(4)位置通过钢绞线锁具固定 。 5.根据权利要求4所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述区间管片由第二标准块、 第二邻接块、 第二封顶 块连接组成， 所述第二标准块、 第二 邻接块、 第二封顶块依 次连接组成衬砌环结构， 所述区间管片的中部开设有用于穿设纵向 预应力钢绞线(16)的孔洞(9)。 6.根据权利要求4所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述固定端 管片和连接处管片沿纵向方向的两端面分别配合设置有应力 传递板(2)， 所 述应力传递板(2)之间通过钢筋(6)相连接， 所述应力传递板(2)中部开设有用于穿设纵向 预应力钢绞线(16)的孔洞(3)。 7.根据权利要求4所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述智能监测单元包括监测设备及其连接的信息传输设备， 所述信息传输设备连接至 智能调节单元， 所述监测设备包括用于测量拱顶下沉、 水平收敛和周边位移的激光扫描仪 (24)， 用于测量管片张开量的测缝计(17)， 用于测量端面压力的压力盒(18)、 用于测量钢绞 线拉力的钢索测力计(2 2)以及用于测量管片应力应 变的钢筋计(23)。 8.根据权利要求7所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述智能调节单元包括数据分析模块及其连接的自动控制 子系统， 所述数据分析模块 用于对监测参数进行分析， 综合分析横向和纵向变形调节过程的动态数据， 并根据纵横向 力学相互作用关系， 统筹对纵横向进行动态调节； 所述自动控制子系统根据数据分析模块输出的信号， 对应控制张拉端锚具的拉力。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114991812 A 29.根据权利要求8所述的一种管片隧道纵横向伺服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述纵横向力学相互作用关系具体是将所有影响隧道纵向力学性能的横向影响因子作 为评价指标， 以组成一个多因素相互作用关系矩阵， 从而定量计算隧道纵向力学参数， 所述 关系矩阵的组成原则是： 将横向影响因子依 次放置在该矩阵的主对角线上， 每个影响因子 的值表示由于该影响因子的作用而导致 纵向力学性能变化的具体影响程度， 若某个影响因 子与其它影响因子的作用放置在该 因子所在行中主对角线以外的其它位置， 则其值表示由 于该影响因子与其它影响因子之间的相互作用而导致 纵向力学性能变化的具体影响程度， 所述关系矩阵为： 其中， Vi,i为第i个横向影响因子， Vi,j为横向影响因子i作用于影响因子j而对隧道 纵向 力学性能所产生的影响， Vj,i为横向影响因子i受到影响因子j的作用而对隧道纵向力 学性 能所产生的影响， δp、 δc分别为纵向、 环向张开量， Fp、 Fc分别为纵向、 环向预应力， Kp为纵向曲 率， Dc为水平收敛， σp、 σc分别为纵向、 环向衬砌内力， Pp、 Pc分别为纵向、 环向端面压力； 所述动态调节 的具体过程为： 首先分析纵向和横向张开的变化速率和绝对量值， 若纵 向张开的变化速率或绝对量值大于预设的纵向控制值， 则优先对纵向预应力进行分级调 整， 每级调整的同时分析各监测值； 如果环向的监测 值趋向于更危险或者纵向的张开量无 法调节， 则根据纵横向力学相互作用关系对环向预应力进行分级调整， 最后使纵向和横向 张开的变化速率和绝对量值趋近于一个理想的状态， 各监测值均在控制范围之内； 如果无 法调节至理想状态， 则控制器发出报警， 以通过 人工措施进行补救； 若横向张开的变化速率或绝对量 值大于预设的横向控制值同理。 10.根据权利要求8所述的一种管片隧道纵横向伺 服式预应力自动控制系统， 其特征在 于， 所述自动控制子系统包括设置在张拉端锚具位置的反力架(19)和微型液压千斤顶 (20)， 所述微型液压千斤顶(20)通过分布式马达(21)连接至智能控制模块， 所述智能控制 模块与数据分析模块连接， 所述智能控制模块 安装在管片内侧。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114991812 A 3