CN104533470B - 一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、加载系统、控制系统和试验用盾构管片。全钢加载反力架竖直站立放置，将拼装成环的三环管片竖直站立于全钢加载反力架内。管片顶板和两侧采用环向千斤顶加载，环向千斤顶固定于全钢加载反力架预留孔内。考虑地层抗力条件下分别计算各分段管片的实际所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点。管片底板采用液囊使管片受力自平衡。通过纵向拉杆系统模拟盾构掘进过程中作用于管片上的顶推力。控制系统包括千斤顶油压控制系统和液囊水压控制系统。本发明可真实地模拟管片在不同地层条件下的力学行为特征，为异形盾构管片的设计和异形盾构隧道的施工提供依据，试验结果更符合客观事实。

Description

一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置

技术领域

本发明涉及一种异形盾构管片的力学试验加载装置，具体涉及一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，属于隧道工程技术领域。

背景技术

盾构管片是隧道结构的重要组成部分，承担着周边地层的水土压力。国内外对盾构管片的试验研究可分为四类：室内模型试验、单块盾构管片和接头力学试验、盾构管片现场试验和原型盾构管片力学加载试验。但是前三类管片试验研究方法在探索、研究管片结构力学特性和变形破坏模式等方面虽具有一定的科学和工程价值，但也存在着诸多不足和局限，主要体现在：

室内模型试验一般基于一定的相似比（<1:1），采用相似材料能模拟实际隧道结构和土体的相互作用，试验成本低的同时能获得一般管片力学特征规律，所得研究成果具有一定的参考价值。但是模型试验所带来的缩尺效应以及相似模拟方法（包括相似材料的选取和开挖方法的模拟）的局限性使得研究成果并不能完全真实地应用于工程实际。

单块盾构管片和接头力学试验采用的是足尺试件，在力学上克服了缩尺效应所带来的不足，在研究单块管片和接头承载力和破坏模式上具有很高的工程价值。但是单块管片和接头力学试验不能全面地考虑整环管片结构的力学整体性以及与土体之间的相互作用，很难研究整环管片在实际工程施工期间和使用期间的力学特征。

盾构管片现场试验针对隧道结构特征，能够反映拼装、成环、推进等施工过程和隧道长期运营过程中的结构内力和变形模式进行详细的监测分析，掌握第一手监测数据，所得数据最具说服力，为工程的实施和后期的运营提供最真实的参考价值。但现场试验布置和监测的难度可想而知，最大局限在于所测数据只是针对特定地区的水文地质条件和管片形式（尺寸和分块），对其他工程只具备一定的参考价值。

管片设计直接关系到隧道的结构安全、施工质量、工程投资等，故世界各国新建的许多大型隧道工程都进行了1∶1整环原型盾构管片的试验研究，以验证结构设计的合理性、可行性，以及施工质量控制要求，并提出优化建议，为取得更好的技术和经济效益。原型整环盾构管片力学加载试验克服了室内模型试验的缩尺效应，实现了单块管片和接头试验所不能达到的结构整体性，可多工况模拟管片结构在不同水文地质条件、不同受力模式下的力学行为，相比于管片现场测试更具多面性和灵活性。总体上，原型整环盾构管片力学加载试验在研究管片实际状态下的力学特征和变形模式上最具说服力。

然而，不同的整环管片试验其管片所受荷载的计算方法和试验荷载施加方法不尽相同。首先，现有的管片力学试验全部采用平躺式放置，不考虑管片自重以及管片底部边界条件。其次，由于考虑到管片试验自平衡，几乎所有的试验荷载都采用径向对称的形式，无法管片两侧荷载随着深度增加而形成的梯形分布规律。再者，不同的管片力学试验条件下，管片受力往往只能偏重于几个关键部位受力逼近实际受力，而无法实现与真实管片受力的全面接近。

由于异形盾构管片非常规圆形或矩形，且实际工程中常位于浅覆土，管片自重对结构受力影响很大，不能忽略。提出一种能适用于不同类型的异形盾构管片力学试验加载装置对研究异形盾构管片在不同地层条件下、不同的施工工况下的力学行为特征和破坏模式至关重要。因此本申请人通过将盾构管片“竖直站立”放置，在考虑管片自重条件的前提下提出了一种适用于三环原型异形盾构管片力学试验的加载装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，该加载方法能够满足管片在自重条件下，通过管片顶板和两侧千斤顶径向加载水土荷载、管片底板设置液囊支承两种方式，实现异形盾构管片在实际地应力条件下的力学行为规律探索。

本发明是通过如下技术方案实现的：

站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、纵向拉杆系统、环向千斤顶、千斤顶油压控制系统、液囊水压控制系统和试验用管片，其中：

所述全钢加载反力架由上中段1.1、下中段1.4、左侧段1.2和右侧段1.3通过螺栓连接而成环状结构，竖直站立放置，所述全钢加载反力架通过斜撑和紧固件固定于场地上；

所述环状结构的全钢加载反力架内弧面顶部及两侧开有若干个预留孔1.5，所述预留孔1.5内设置环向千斤顶7，所述环状结构的全钢加载反力架内弧面底部设有屉盒2，屉盒2底部设有滚珠以形成滚动支承；

所述试验用管片为三环异形盾构管片，包括前半环3.1、中全环3.2和后半环3.3，由若干个管片环组成环状结构，所述三环异形盾构管片通过拼装机拼装成环状结构，并运送至全钢加载反力架内固定位置，三环异形盾构管片呈竖直站立状位于全钢加载反力架内，三环异形盾构管片底部设有液囊4，且液囊4置于屉盒2内；

所述纵向拉杆系统由第一夹板5.1、垫板5.2、第二夹板5.3、第一拉杆5.5和第二拉杆5.6组成，第一夹板5.1和第二夹板5.3分别位于第一拉杆5.5和第二拉杆5.6的两端，第一夹板5.1与第二夹板5.3之间设有垫板5.2，纵向千斤顶5.4位于第一夹板5.1和垫板5.2之间，管片位于第二夹板5.3和垫板5.2之间，纵向千斤顶5.4的反力通过第一拉杆5.5和第二拉杆5.6施加于管片上。若干组纵向拉杆系统均匀分布管片环上以模拟盾构掘进过程中作用于管片上的顶推力；

将三环异形盾构管片分成若干计算段管片，分别计算各计算段管片的所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶7沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点，中全环各加载点设置两个环向千斤顶7，前半环3.1和后半环3.3各设置一个环向千斤顶7，三环管片所受地层抗力经力学简化计算，以一对平衡力的形式叠加设置在管片水平对称轴位置加载点的环向千斤顶上；

所述千斤顶油压控制系统基于闭环控制方法，由若干个千斤顶油压控制单元组成，将环向千斤顶7和纵向千斤顶5.4进行人为分组，形成若干组分组千斤顶8，由分组千斤顶8、电磁阀9、压力传感器10、电磁比例减压阀11、电磁换向阀12和泵站13依次连接组成一个油压控制单元，每一个油压控制单元单独设定压力，当电磁阀9得电时，通过压力传感器10测量分组千斤顶8的压力，并对测量的压力值和设定的压力值进行比较，通过控制电磁换向阀12的通断和电磁比例减压阀11的开度来调整泵站13的供、回油，完成分组千斤顶的行程动作使之达到需要的压力值。当设定值大于测量值时，电磁比例减压阀11的比例增大，电磁换向阀12右边得电，分组千斤顶压力增大；当设定值小于测量值时，电磁比例减压阀11的比例减小，电磁换向阀12左边得电，分组千斤顶压力减小；

所述液囊水压控制系统由输水管道14、水泵15、水压力传感器16、PID控制器17、变频器18和液囊4组成，在连接液囊4的输水管道14上设置水压力传感器16，水压力传感器16的输出端连接PID控制器17，PID控制器17的输出端连接变频器18，变频器18的输出端连接水泵15，水泵15连接输水管道14，将水压力传感器15获得的水压力信号输入PID控制器17与试验所需设定水压力值进行PID运算，通过控制变频器18的输出电压和频率实现对水泵15供水量的指定，最终使液囊水压值稳定在设定值附近，实现恒压供水。

本发明中，为防止千斤顶直接与管片刚性接触，在对应加载点的位置设置梁式橡胶支垫6，并采用焊接钢板将其固定于管片加载点位置，其中中全环3.2、前半环3.1和后半环3.3各设置一根橡胶支垫。

本发明中，三环管片错缝拼装，在考虑避开接缝的前提下，对管片人为划分计算段，将弧状分段管片考虑成直线状即弧形管片转化为折线多边形形式，对分段管片所受水土压力值进行简化计算，与实际分段管片所受水土合力误差控制在0.5%之内。

本发明中，异形盾构管片地层抗力考虑了与管片水平对称轴呈上下各30°的计算范围，在试验条件下，将地层抗力简化成一对集中力。

相比于国内外原型盾构管片力学加载方法，本发明取得了如下有益的技术效果：

1、建立可拆卸式全钢加载反力架，将环向千斤顶安装在框架内弧面预留孔内，通过环向千斤顶的伸缩完成力的加、卸载，操作简单方便；

2、将拼装机拼装成环的三环异形盾构“竖直站立”放置在全钢加载反力架内，实现了管片“平躺式”加载无法考虑的管片自重问题；

3、把液囊作为管片底板的边界条件比较合理地考虑了管片底板与土体的接触特性；

4、通过千斤顶油压控制系统和液囊水压控制系统，实现了加载系统对管片荷载施加的精确控制；

5、通过此加载装置可以模拟管片在不同地层条件下的力学行为特征，试验获得的管片内力和变形结果与真实的管片内力和变形差别控制在5%左右，加载方式合理有效，可以实现对异形管片的结构承载力和破坏模式的研究。所得试验成果可以优化管片设计参数，并为实际施工提供依据和参考。

附图说明

图1为本试验加载装置的三维示意图；

图2为管片分段及千斤顶编号示意图；

图3纵向拉杆系统示意图；

图4千斤顶油压控制单元工作原理图；

图5液囊水压控制工作原理图；

1.1全钢加载反力架上中段、1.2全钢加载反力架左侧段、1.3全钢加载反力架右侧段、1.4全钢加载反力架下中段、1.5预留孔、2屉盒、3.1前半环、3.2中全环、3.3后半环、4液囊、5纵向拉杆系统、5.1第一夹板、5.2垫板、5.3第二夹板、5.4纵向千斤顶、5.5第一拉杆、5.6第二拉杆、6橡胶支垫、7环向千斤顶、8分组千斤顶、9电磁阀、10压力传感器、11电磁比例减压阀、12电磁换向阀、13泵站、14输水管道、15水泵、16水压力传感器、17PID控制器、18变频器。

具体实施方式

如图1所示，一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、纵向拉杆系统、环向千斤顶和试验用管片。

所述全钢加载反力架由上中段1.1、下中段1.4、左侧段1.2和右侧段1.3通过螺栓连接而成环状结构，竖直站立放置，所述全钢加载反力架通过斜撑和紧固件固定于场地上；

所述环状结构的全钢加载反力架内弧面顶部及两侧开有若干个预留孔1.5，所述预留孔1.5内设有环向千斤顶7，所述环状结构的全钢加载反力架内弧面底部设有屉盒2，屉盒2底部设有滚珠以形成滚动支承；

所述试验用管片为三环异形盾构管片，包括前半环3.1、中全环3.2和后半环3.3，通过拼装机拼装成环状结构并运送至全钢加载反力架内固定位置，三环异形盾构管片呈竖直站立状于全钢加载反力架内，环状的三环异形盾构管片底部设有液囊4，且液囊4置于屉盒2内；

如图5所示，本试验加载装置共采用7个液囊，由1个液囊水压控制系统进行控制。液囊水压控制系统由输水管道14、水泵15、水压力传感器16、PID控制器17、变频器18和液囊4组成。在连接液囊4的输水管道14上设置水压力传感器16，把水压力传感器16获得的水压力信号输入PID控制器17与试验所需设定水压力值进行PID运算，通过控制变频器18的输出电压和频率实现对水泵15供水量的指定，最终使液囊水压值稳定在设定值附近，实现恒压供水。

如图2所示，以环向千斤顶7加载避开接缝为前提，将管片顶板人为分为11个计算段，两侧各分为7个计算段，分别计算各计算段管片的所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点，即共25个加载点。每个加载点由4个环向千斤顶组成，其中中全环设置两个环向千斤顶，两个半环各设置一个环向千斤顶。NO1段千斤顶编号分别为0101-0104，成一分组，纳入第1油压控制单元。呈对称分布的两组千斤顶由于千斤顶压力大小相等，可成一分组，形成独立油压控制单元，如NO2和NO2’段千斤顶编号分别为0201-0204和0205-0208，其中：0201和0205为前半环千斤顶、0202-0203和0206-0207为中全环千斤顶、0204和0208为后半环千斤顶，形成第2油压控制单元。以此类推，直至NO13和NO13’段的千斤顶形成第13油压控制单元。管片所受地层抗力经力学简化计算，以一对平衡力的形式叠加设置在管片水平对称轴位置，即NO10和NO10’段的环向千斤顶上。

如图1所示，为防止环向千斤顶直接与管片刚性接触，在对应加载点的位置设置梁式橡胶支垫6，并采用焊接钢板将其固定于管片加载点位置，其中中全环和两个半环各设置一根橡胶支垫；

如图3所示，所述纵向拉杆系统由第一夹板5.1、垫板5.2、第二夹板5.3、第一拉杆5.5和第二拉杆5.6组成，第一夹板5.1和第二夹板5.3分别位于第一拉杆5.5和第二拉杆5.6的两端，第一夹板5.1与第二夹板5.3之间设有垫板5.2，纵向千斤顶5.4位于第一夹板5.1和垫板5.2之间，管片位于第二夹板5.3和垫板5.2之间，将纵向千斤顶5.4的反力通过第一拉杆5.5和第二拉杆5.6施加于管片上。本加载装置需设置30个纵向拉杆系统，且30个纵向千斤顶纳入第14油压控制单元。

如图4所示，所述千斤顶油压控制系统共由14个千斤顶油压控制单元组成。由分组千斤顶8、电磁阀9、压力传感器10、电磁比例减压阀11、电磁换向阀12和泵站13组成一个油压控制单元。每一个油压控制单元单独设定压力，当电磁阀9得电时，通过压力传感器10测量分组千斤顶8的压力，并对测量的压力值和设定的压力值进行比较，通过控制电磁换向阀12的通断和电磁比例减压阀11的开度来调整泵站13的供、回油，完成分组千斤顶的行程动作使之达到需要的压力值。当设定值大于测量值时，电磁比例减压阀11的比例增大，电磁换向阀12右边得电，分组千斤顶压力增大；当设定值小于测量值时，电磁比例减压阀11的比例减小，电磁换向阀12左边得电，分组千斤顶压力减小。

Claims (4)

1.一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、纵向拉杆系统、环向千斤顶、千斤顶油压控制系统、液囊水压控制系统和试验用管片，其特征在于：

所述全钢加载反力架由上中段（1.1）、下中段（1.4）、左侧段（1.2）和右侧段（1.3）通过螺栓连接而成环状结构，竖直站立放置，所述全钢加载反力架通过斜撑和紧固件固定于场地上；

所述环状结构的全钢加载反力架内弧面顶部及两侧开有若干个预留孔（1.5），所述预留孔（1.5）内设置环向千斤顶（7），所述环状结构的全钢加载反力架内弧面底部设有屉盒（2），屉盒（2）底部设有滚珠以形成滚动支承；

所述试验用管片为三环异形盾构管片，包括前半环（3.1）、中全环（3.2）和后半环（3.3），由若干个管片环组成环状结构，所述三环异形盾构管片通过拼装机拼装成环状结构，并运送至全钢加载反力架内固定位置，三环异形盾构管片呈竖直站立状位于全钢加载反力架内，三环异形盾构管片底部设有液囊（4），且液囊（4）置于屉盒（2）内；

所述纵向拉杆系统由第一夹板（5.1）、垫板（5.2）、第二夹板（5.3）、第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）组成，第一夹板（5.1）和第二夹板（5.3）分别位于第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）的两端，第一夹板（5.1）与第二夹板（5.3）之间设有垫板（5.2），纵向千斤顶（5.4）位于第一夹板（5.1）和垫板（5.2）之间，管片位于第二夹板（5.3）和垫板（5.2）之间，纵向千斤顶（5.4）的反力通过第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）施加于管片上；

若干组纵向拉杆系统均匀分布管片环上以模拟盾构掘进过程中作用于管片上的顶推力；

将三环异形盾构管片分成若干计算段管片，分别计算各计算段管片的所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶（7）沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点，中全环（3.2）各加载点设置两个环向千斤顶（7），前半环（3.1）和后半环（3.3）各设置一个环向千斤顶（7），三环管片所受地层抗力经力学简化计算，以一对平衡力的形式叠加设置在管片水平对称轴位置加载点的环向千斤顶上；

所述千斤顶油压控制系统基于闭环控制方法，由若干个千斤顶油压控制单元组成，将环向千斤顶（7）和纵向千斤顶（5.4）进行人为分组，形成若干组分组千斤顶（8），由分组千斤顶（8）、电磁阀（9）、压力传感器（10）、电磁比例减压阀（11）、电磁换向阀（12）和泵站（13）依次连接组成一个油压控制单元，每一个油压控制单元单独设定压力，当电磁阀（9）得电时，通过压力传感器（10）测量分组千斤顶（8）的压力，并对测量的压力值和设定的压力值进行比较，通过控制电磁换向阀（12）的通断和电磁比例减压阀（11）的开度来调整泵站（13）的供、回油，完成分组千斤顶的行程动作使之达到需要的压力值，当设定值大于测量值时，电磁比例减压阀（11）的比例增大，电磁换向阀（12）右边得电，分组千斤顶压力增大；当设定值小于测量值时，电磁比例减压阀（11）的比例减小，电磁换向阀（12）左边得电，分组千斤顶压力减小；

所述液囊水压控制系统由输水管道（14）、水泵（15）、水压力传感器（16）、PID控制器（17）、变频器（18）和液囊（4）组成，在连接液囊（4）的输水管道（14）上设置水压力传感器（16），水压力传感器（16）的输出端连接PID控制器（17），PID控制器（17）的输出端连接变频器（18），变频器（18）的输出端连接水泵（15），水泵（15）连接输水管道（14），将水压力传感器（16）获得的水压力信号输入PID控制器（17）与试验所需设定水压力值进行PID运算，通过控制变频器（18）的输出电压和频率实现对水泵（15）供水量的指定，最终使液囊水压值稳定在设定值附近，实现恒压供水。

2.根据权利要求1所述的站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，其特征在于：为防止千斤顶直接与管片刚性接触，在对应加载点的位置设置梁式橡胶支垫（6），并采用焊接钢板将其固定于管片加载点位置，其中中全环（3.2）、前半环（3.1）和后半环（3.3）各设置一根橡胶支垫。

3.根据权利要求1所述的站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，其特征在于：三环管片错缝拼装，在考虑避开接缝的前提下，对管片人为划分计算段，将弧状分段管片考虑成直线状，即弧形管片转化为折线多边形形式，对分段管片所受水土压力值进行简化计算，与实际分段管片所受水土合力误差控制在0.5%之内。

4.根据权利要求1所述的站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，其特征在于：异形盾构管片地层抗力考虑了与管片水平对称轴呈上下各30°的计算范围，在试验条件下，将地层抗力简化成一对集中力。