基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置及方法

1.一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，包括：钢架支撑组件，其用于提供整体试验装置的支撑框架，包括支撑底梁(11)立柱(12)、反力顶梁(13)反力底梁(14)、横梁(15)和抗拉斜杆(16)，所述立柱(12)位于所述支撑底梁(11)上，所述反力顶梁(13)置于立柱(12)之间，所述反力底梁(14)采用箱型梁，并沿轴线设置数个孔洞，所述孔洞的内部设置有转轴(01)和制动销栓(02)，所述反力底梁(14)通过转轴(01)固定于两侧的所述支撑底梁(11)，所述抗拉斜杆(16)连接所述立柱(12)顶部和所述支撑底梁(11)两侧；运输系统，用于运输试验管片，其包括滑动钢槽(22)、井型钢架(21)、电动葫芦(23)和机械抓手(24)，所述滑动钢槽(22)由两根通过合页铰链(04)固定的角钢(05)相对拼装而成，所述滑动钢槽(22)可沿合页铰链(04)的转轴张开闭合，所述滑动钢槽(22)两侧开有圆形孔，圆形孔内设置锁定螺栓(221)，所述井型钢架(21)底部和侧边设置倒T型钢梁(08)，所述倒T型钢梁(08)的横肋可沿所述滑动钢槽(22)滑动，所述电动葫芦(23)置于所述反力顶梁(13)之上，所述机械抓手(24)通过钢索(241)与所述电动葫芦(23)相连接；竖向加载系统，用于对试验管片施加竖向力，其包括下压加载装置(31)、顶推加载装置(32)和H型钢梁(07)，所述下压加载装置(31)固定于所述反力顶梁(13)，所述顶推加载装置(32)与所述反力底梁(14)通过所述H型钢梁(07)相连接；水平加载系统，用于对试验管片施加水平力，其包括反力架(41)、圆筒(42)、水平千斤顶(43)、液压装置(44)、横向加载梁(45)、槽钢(06)和管片夹具(46)，所述水平千斤顶(43)和所述液压装置(44)置于所述圆筒(42)内，所述圆筒(42)顶面开孔并固定于所述反力架(41)和所述槽钢(06)，所述槽钢(06)腹板开孔，所述横向加载梁(45)置于槽钢(06)内部，所述管片夹具(46)顶板(462)通过合页铰链(04)与槽钢(06)上翼板连接，所述管片夹具(46)底板(463)固定于槽钢(06)下翼板，所述管片夹具(46)顶板(462)和底板(463)内侧设置橡胶垫(461)，所述管片夹具(46)顶板(462)和底板(463)开孔，并设置有固定螺栓(03)。 2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，还包括：支撑系统，用于支撑试验管片，置于所述支撑底梁(11)上，其包括铰支座(54)、承载钢板(53)、定位钢槽(55)、定位螺栓(551)、支撑平台(52)、定位千斤顶(51)和抗拉螺栓(56)，所述承载钢板(53)顶部设置所述铰支座(54)，所述承载钢板(53)的底部设置倒T型钢梁(08)，所述倒T型钢梁(08)的横肋可沿所述定位钢槽(55)左右滑动，所述支撑平台(52)底部设置倒T型钢梁(08)，所述倒T型钢梁(08)的横肋可沿所述滑动钢槽(22)滑动，所述定位千斤顶(51)和所述抗拉螺栓(56)置于所述承载钢板(53)和所述支撑底梁(11)之间；监测系统，用于监测试验过程中管片的受力和变形情况，其包括监测元件、传输线、数据采集器。 3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，所述下压加载装置(31)包括竖向千斤顶(317)、压力传感器(316)、垫块(313)和竖向加载梁(312)，所述垫块(313)设有半球形孔洞，内部设置球座(314)，所述球座(314)设置球头销栓(315)，所述竖向加载梁(312)底部采用弧形加载圆棒(311)，所述顶推加载装置(32)倒置于所述H型钢梁(07)内部，所述H型钢梁(07)的腹板开设圆形孔洞，所述压力传感器(316)置于位于所述H型钢梁(07)腹板的空洞内，所述顶推加载装置(32)的所述竖向加载梁(312)、所述垫块(313)、所述反力底梁(14)通过固定螺栓(03)固定于所述H型钢梁(07)上翼板和下翼板的内侧。 4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，所述液压装置(44)包括液压缸和液压软管(445)，所述液压缸置于所述顶面开孔的圆筒(42)内，液压软管(445)通过所述圆筒(42)顶部孔洞连接液压缸，所述液压缸包括缸体(441)、活塞(443)、活塞杆(444)和端盖(442)，所述定位钢槽(55)由两个角钢(05)相对拼装而成，角钢(05)通过合页铰链(04)固定在支撑平台(52)上，所述角钢(05)的一侧开设有条形孔，定位螺栓(551)穿过条形孔并可沿条形孔左右滑动。 5.根据权利要求2所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，所述监测系统包括多个传感器模块，用于实时监测试验过程中管片的受力和变形情况，所述传感器模块包括：压力传感模块，利用压力传感器(316)高灵敏度和高精度的特点，实时监测加载过程中试验管片所受的竖向和水平压力，并将压力信号转换为电信号传输至数据采集处理器；角度传感模块，利用角度传感器(61)实时监测试验管片在加载过程中的旋转角度变化，其中角度传感器(61)的测量范围为±30°，将角度信号转换为电信号传输至数据采集处理器；激光测距模块，利用激光测距仪(62)测量管片在加载过程中的位移变化；隧道断面扫描监测模块，利用隧道断面扫描监测仪(63)扫描试验管片在加载过程中的断面变化情况，所述隧道断面扫描监测仪(63)安装在试验管片的底部。 6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝足尺加载试验装置，其特征在于，所述监测系统还包括数据采集与处理模块，用于对各传感器模块采集到的数据进行实时采集和处理，所述数据采集与处理模块包括：数据采集器，通过信号线与各传感器模块连接，能够实时采集传感器模块传输过来的电信号，并将电信号转换为数字信号；数据处理单元，用于对采集到的数字信号进行实时处理和分析，生成管片的受力－变形曲线、角度变化曲线、位移变化曲线和断面变化曲线，所述数据处理单元能够对采集到的数据进行滤波、拟合和误差分析处理；数据传输单元，用于将处理后的数据通过有线或无线网络传输至远程监控终端，实现对试验过程的实时监控和远程控制；远程监控终端，用于通过数据传输单元接收处理后的数据，并在终端界面上实时显示管片的受力和变形情况。 7.一种基于物联网的盾构隧道管片环缝受力加载试验方法，依据如权利要求1-6任一项的盾构隧道管片环缝受力加载试验装置，其特征在于，包括以下步骤：S1、安装钢架支撑和安装运输系统；S2、安装竖向加载系统，将固定于反力底梁(14)上顶推加载装置(32)平放，张开滑动钢槽(22)，将井型钢架(21)底边倒T形钢梁(08)的横肋卡入滑动钢槽(22)，将管片吊装至井型钢架(21)上，通过滑动钢槽(22)将管片移动至指定水平位置；张开滑动钢槽(22)，待井型钢架(21)侧边倒T形钢梁(08)的横肋卡入滑动钢槽(22)，闭合滑动钢槽(22)，用机械抓手(24)固定井型钢架(21)，启动电动葫芦(23)，将管片提升指定高度；S3、组装支撑系统，将支撑系统底部倒T形钢梁(08)的横肋卡入滑动钢槽(22)，闭合滑动钢槽(22)，移动支撑系统至指定位置，张开滑动钢槽(22)，张开位于支撑平台(52)顶部的定位钢槽(55)，将承载钢板(53)底边倒T形钢梁(08)的横肋卡入定位钢槽(55)，闭合定位钢槽(55)，在承载钢板(53)上安装支座系统，并插入铰支座(54)处的制动销栓(02)；S4、安装监测系统；S5、打开管片夹具(46)的顶板(462)，并通过定位千斤顶(51)和定位钢槽(55)粗调管片夹具(46)的位置以接近管片，待初步调整位置结束后，拧紧位于管片夹具(46)顶板(462)与底板(463)之间的固定螺栓(03)以夹紧管片，撤除井型钢架(21)，启动水平加载系统，待加载至指定水平荷载之后，旋转反力底梁(14)使顶推加载装置(32)垂直于管片，通过定位千斤顶(51)和定位钢槽(55)精调管片的位置，使管片保持水平、左右对称且底部刚好与顶推加载装置(32)接触；S6、拔出位于下压加载装置(31)和顶推加载装置(32)的制动销栓(02)，拔出支座处的制动销栓(02)，启动竖向加载系统和隧道断面扫描检测仪(63)；S7、实施动态加载策略优化，通过部署高频压力传感器与激光位移计，实时采集管片环缝的应力分布与位移变化，并采用工业级RS485总线传输数据，保证传输延迟＜50ms；S8、基于云端算法模型分析实时数据，自动调整千斤顶压力或抗力弹簧参数，模拟不同地层条件对管片的影响，实现试验工况的智能切换，其中：输入参数包括地层类型编码、实时荷载偏差率和管片位移速率；模型训练数据源包括历史试验数据库和实时监测数据流；液压系统设置双冗余控制通道，主备系统切换时间＜300ms；地层模拟算法实现包括：软土地层，采用正弦波加载模式，模拟土体流变特性，相位差控制精度≤1；砂卵石地层，实施脉冲冲击加载，压力上升时间≤50ms；复合地层，应用强化学习算法动态生成加载曲线，通过Q-learning优化策略，工况切换时间＜10s；机器学习模型迭代机制，每完成10组试验后自动更新模型参数，采用迁移学习技术将新工况数据权重迁移至基础模型；S9、智能工况切换流程触发条件包括地层参数突变、管片局部应变超限和荷载偏差持续＞30s。 8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的盾构隧道管片环缝受力加载试验方法，其特征在于，所述S5管片的吊装和移动过程中，通过滑动钢槽(22)和机械抓手(24)的配合，实现管片的吊装和定位。