CN109556965A - 盾构管片力学性能模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构管片力学性能模拟试验装置，包含内外环反力架、内外环径向加载装置、轴向加载装置，内外环径向加载装置均匀分布于内外环各层反力环单元的侧壁，可对内外环反力架之间的试验管片内外全方向施加荷载；所述轴向加载装置的轴向千斤顶固设于千斤顶上顶铁与试验管片之间，当轴向千斤顶提供压力时，可对试验管片形成轴向压力，用于模拟管片间纵向约束力作用。本发明可根据试验需要进行单环衬砌管片或组合环1：1整环衬砌管片力学性能模拟试验装置，通过内外多向加载的方式对盾构管片的力学行为进行模拟，提高盾构隧道力学性能试验的质量和效率。

Description

盾构管片力学性能模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种盾构法隧道工程模拟试验装置，涉及一种隧道管片力学模拟试验装置。

背景技术

随着我国城市化的快速发展，城市地下排水管线已不能满足雨期城市排水的需要，尤其近年来，恶劣气候环境频现，特大暴雨使得我国多座城市经历内涝灾，已严重威胁城市的发展，地下深层管道排水隧道的建设正得到越来越多的应用。

针对深层排水隧道承受的较大的外部水土荷载和高内水压力，通过采用整环1：1衬砌管片力学性能试验，从而准确模拟出隧道在承受内水压力及外部水土荷载情况下的荷变过程，并对隧道管片结构的综合力学性能状况进行研究，从而更好地维护隧道结构安全性，延长隧道的使用寿命。整环1：1衬砌管片力学性能试验，其反力装置的结构性能以及加载方式的合理性是实验能否更好地模拟隧道实际受力情况的关键。由于能使管片结构产生足够的变形以至于破坏时的荷载较大，因此需要有足够强度与刚度的反力装置进行支撑。

目前，盾构隧道衬砌管片力学性能试验的反力装置主要有反力墙、水平对拉锚索、杆加中心圆筒以及立式加载架等。反力墙式加载装置存在占用空间大、不够灵活的缺点，无法适应多环隧道管片的试验，且会在荷载较大时产生墙体破坏；水平对拉锚索式反力装置通过锚索对拉在盾构管片表面产生压力，但这种压力较小且无法灵活改变；杆加中心圆筒式反力装置将杆穿过盾构管片，通过杆的拉力产生对盾构管片的压力，同时在圆筒处实现自平衡，但此类装置会对盾构管片产生破坏，降低的管片的承载性能；立式加载架考虑了盾构管片自身的重力，但结构无法处于稳定的平衡状态，在加载过程中会产生冲击力作用，加大对管片的破坏程度。此外，在试验中，当盾构管片所受荷载较大时，结构会发生大的径向变形与切向变形。因此，有必要研发一种新的具有精确导向的组合式多环隧道管片力学性能模拟试验装置。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种盾构管片力学性能模拟试验装置，该试验装置为整环1：1衬砌管片力学性能模拟试验装置，通过内外多向加载的方式对盾构管片的力学行为进行模拟，以提高隧道管片力学性能试验的质量和效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种盾构管片力学性能模拟试验装置，包含内外环反力架、内外环径向加载装置、轴向加载装置，所述内外环反力架均包括上下间隔设置的多层反力环单元及内外环固定架，上下相邻反力环单元之间通过垫块连接，最下层反力环单元与地面钢板之间设底座，内外环固定架固定内外环反力架，内外环径向加载装置均匀分布于内外环各层反力环单元的侧壁，可对内外环反力架之间的试验管片内外全方向施加荷载；所述内外环径向加载装置包括千斤顶顶座、径向千斤顶框架、径向千斤顶、千斤顶顶铁，千斤顶顶座紧贴反力环单元的侧壁固设，径向千斤顶通过千斤顶框架紧贴千斤顶顶座布设，千斤顶顶铁安装连接于径向千斤顶的活塞端部；所述轴向加载装置包括千斤顶上顶铁、竖向拉杆、轴向千斤顶，两根竖向拉杆分别固设于试验管片内弧面与外弧面两侧，拉杆上端与千斤顶上顶铁使用螺栓连接，拉杆下端与试验管片底座使用螺栓连接；轴向千斤顶固设于千斤顶上顶铁与试验管片之间，当轴向千斤顶提供压力时，可对试验管片形成轴向压力，用于模拟管片间纵向约束力作用。

进一步，所述反力环单元包括外壁翼缘环、内壁翼缘环以及内环梁，内环梁固接于外壁翼缘环与内壁翼缘环之间，并通过焊接与内外壁翼缘环连接。

进一步，所述千斤顶顶座包括顶座块、顶座块底挡板、顶座块固定卡码板、顶座连接板，顶座块紧贴内外环反力架的侧壁固定，一面为贴合反力架的弧形面，另一面为平面，与径向千斤顶端部相接；顶座块固设于千斤顶顶座的内部，水平向支撑千斤顶顶座；顶座块底挡板固设于千斤顶顶座底部；顶座块固定卡码板固设于千斤顶顶座的两侧；顶座连接板连接上下顶座块。

进一步，所述径向千斤顶框架包括千斤顶顶托、千斤顶框架、千斤顶抱箍及框架调整垫，千斤顶顶托焊接连接于千斤顶框架的上部；千斤顶框架通过框架调整垫安设在地面钢板上，千斤顶框架可上下搭接，采用螺栓连接；千斤顶抱箍将径向千斤顶与顶托连接成整体，千斤顶抱箍的上半圈与下半圈抱箍采用螺栓连接；框架调整垫固设于千斤顶框架底部。

进一步，所述千斤顶顶铁包括固定螺栓、调平球头，调平球头位于径向千斤顶活塞的端部，一面为弧面，一面为平面，弧面与径向千斤顶通过固定螺栓连接，平面部分接触受力结构。

进一步，所述内外环固定架包括中心面板、上横梁、下横梁、上立柱及下立柱，内外环固定架沿45°角布置；多根上、下横梁中心部位与中心面板焊接连接，上、下立柱布设于外环反力架的外壁及内环反力架的内壁，上、下立柱间及横梁与立柱之间以螺栓连接，横梁与立柱整体上组成一个稳定的固定装置，为内外环反力架提供水平支撑力。

进一步，所述轴向加载装置在平面上间隔15°布置。

进一步，所述径向千斤顶和轴向千斤顶与液压控制系统连接，液压控制系统包括控制器及人机界面、高压轴向柱塞泵、油管、油路分配控制阀、液压比例阀、控制阀、蓄能器以及高精度压力传感器，高压轴向柱塞泵液压压力通过所述油管分别与油路分配控制阀、液压比例阀以及蓄能器控制连接；每个径向千斤顶和轴向千斤顶通过油管与油路分配控制阀控制连接，由高压柱塞泵向整个液压控制系统提供压力控制；压力传感器安装于每个比例阀出口和径向千斤顶和轴向千斤顶油腔进口处，通过PID压力闭环控制按要求分级加载以及补或卸压，以达到千斤顶实际压力负载值等于试验要求设定值；蓄能器安装于高压轴向柱塞泵出口处，以消除在PID闭环控制中的固有频率干扰。

进一步，所述试验装置还包括支撑于试验管片下的多个管片底座，管片底座包括管片底架、挡板、滚轴及滚轴架，滚轴架及滚轴组成滚轴装置，管片底架设于滚轴装置上，挡板固设于底架与滚轴装置侧面，可使衬砌管片在试验中沿管片径向方向滑动。

本发明的盾构管片力学模拟试验装置的有益效果包括：

1)试验装置由多种重复部件组合而成，一方面可以通过组装进行单环衬砌管片或者组合环整环1：1衬砌管片的力学性能试验，另一方面可通过拆卸对试验装置进行维修与换新，以此保持试验装置的灵活性与耐久性；

2)单环主体反力环单元具有足够大的强度与刚度，其结构尺寸按照单环盾构管片在承受外水土荷载及内水压力的极限破坏条件下进行设计，通过控制主体反力环单元的变形与受力状态在安全范围内，保证结构具备一定的安全系数和变形量，可实现对国内外常见尺寸的深层排水隧道衬砌管片进行全过程加载直至极限破坏，并在试验过程中呈自平衡状态；

3)径向加载装置包含的液压千斤顶，通过千斤顶框架每隔15°布设于主体反力圆环单元侧壁，保持了试验加载方式的全面性及充分性，通过直接从衬砌管片外侧及内侧进行加载的方式(外侧为水土荷载，内侧为隧道内水压力)，保证了模拟试验尽可能的接近实际受力情况；

4)试验荷载由液压千斤顶传至千斤顶顶铁，再均匀地传递于盾构管片之上，可以使试验管片所受荷载更加接近于真实水土荷载及内水压力；

5)通过每个液压千斤顶活塞端部的调平球头及弧形顶铁，使千斤顶紧密贴合管片，避免管片发生切向变形，同时可使得千斤顶顶力方向始终垂直于管片表面。

6)通过压力传感器检测数值比对精准控制比例阀开度，实现整个系统压力的闭环控制，以提升试验荷载的控制精度能力。

附图说明

图1为本发明的盾构管片力学性能模拟试验装置的整体结构主视图；

图2为本发明的盾构管片力学性能模拟试验装置的结构俯视图；

图3为径向千斤顶顶座结构示意图；

其中：(a)竖向视图，(b)B-B剖视图，(c)A处局放大图；

图4为径向千斤顶框架结构示意图；

图5为径向千斤顶顶铁结构示意图；

图6为内外环反力环固定架结构平面示意图；

图7为轴向加载装置结构示意图；

图8为图7中A所示的千斤顶底座结构示意图；

图9为千斤顶液压控制系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

如图1所示，本发明提供的一种深层排水隧道衬砌管片力学模拟试验装置，包括内外环反力架1、内外环径向加载装置2和轴向加载装置3。具体地：

如图1、2所示，内外环反力架1包括上下间隔设置的多层反力环单元1-1，作为承担试验荷载的主体结构以及连接其他部件的基础，上下层相邻反力环单元1-1之间通过垫块连接，最下层反力环单元1-1与地面钢板基础之间设反力环单元底座4。内外环径向加载装置2均匀分布于内外环各层反力环单元1-1的侧壁，使每个径向加载装置2均可正常、全方位向位于内外环反力架中间的试验管片5施加荷载。每个反力环单元1-1由一个外壁翼缘环、一个内壁翼缘环以及一个内环梁组成，内环梁固接于外壁翼缘环与内壁翼缘环之间，通过焊接与内外壁翼缘环连接。内外环反力环单元1-1是承担试验荷载的主体结构，单环反力圆环单元可承担单环深层排水隧道管片的试验荷载，其结构尺寸按照单环盾构管片在极限破坏条件下的最不利的荷载进行设计，极限破坏条件下的荷载根据数值模拟计算结果进行取值。通过对反力环单元进行测试，控制反力环单元的变形与受力状态在安全范围内，保证结构具备一定的安全系数和变形量，从而实现对国内外常见尺寸的排水隧道衬砌管片进行全过程加载直至极限破坏。同时，反力环单元还作为连接其他部件并承担其重量的基础结构。

如图2、6所示，内环外环反力架1通过内外环固定架1-2连接成一个整体，形成一个整体的反力体系。内外环固定架1-2间隔45°角布置，多根上、下横梁6，7的中心部位和中心面板8焊接连接，上、下立柱9，10固设于外圈反力架的外壁及内圈反力架的内壁，上、下立柱9，10间及横梁与立柱之间通过螺栓连接成一个稳定的固定装置，为内外环反力架1提供支撑，保证了结构受力时反力系统的整体稳定性。

如图1、2所示，内外反力环单元可视试验需求自由组装，采用两环内外反力环单元可组装成单环衬砌管片力学性能模拟试验装置，采用四环内外反力环单位可组装成组合环整环1：1衬砌管片的力学性能模拟试验装置。本装置中底座承担了整个反力架系统的自重，上下相邻反力环单元之间通过垫块焊接连接，内外环固定架将内外反力架连接成一个整体，保证了结构的整体性和可靠性。

如图7所示，每个轴向加载装置3包括千斤顶上顶铁3-1、竖向拉杆3-3、轴向千斤顶3-2。两根竖向拉杆3-3分别固设于试验管片5内弧面与外弧面两侧，竖向拉杆3-3上端与千斤顶上顶铁3-1使用螺栓连接，竖向拉杆3-3下端与管片底座11使用螺栓连接；轴向加载装置3在平面上间隔15°布置，整环1：1衬砌管片力学性能模拟试验时，试验管片5位于轴向千斤顶3-2与管片底座11之间，当轴向千斤顶3-2提供压力时，可对试验管片5形成轴向压力，用于模拟管片间纵向约束力作用。

如图3、4、5所示，每个内外环径向加载装置2包括千斤顶顶座、径向千斤顶框架、径向千斤顶、千斤顶顶铁。径向加载装置在竖向翼缘部圆环的侧壁均匀分布若干千斤顶顶座，间隔15°，径向千斤顶通过千斤顶框架紧贴千斤顶顶座布设，千斤顶顶铁安装连接于千斤顶的活塞端部。

如图3(a)，(b)，(c)所示，千斤顶顶座包括顶座块2-1、顶座块底挡板2-2、顶座块固定卡码板2-3、顶座连接板2-4，顶座块2-1紧贴内外环反力架的侧壁固定，一面为贴合反力架的弧形面，另一面为平面，与径向千斤顶端部相接；顶座块2-1固设于千斤顶顶座的内部，水平向支撑千斤顶顶座；顶座块底挡板2-2固设于千斤顶顶座底部；顶座块固定卡码板2-3固设于千斤顶顶座的两侧；顶座连接板2-4连接上下顶座块2-1。

如图4所示，径向千斤顶框架包括千斤顶顶托2-5、千斤顶框架2-6、千斤顶抱箍2-7及框架调整垫2-8，千斤顶顶托2-5焊接连接于千斤顶框架2-6的上部；千斤顶框架2-6通过框架调整垫2-8安设在地面钢板上，千斤顶框架2-6可上下搭接，采用螺栓连接；千斤顶抱箍2-7将径向千斤顶与顶托连接成整体，千斤顶抱箍2-7的上半圈与下半圈抱箍采用螺栓连接；框架调整垫2-8固设于千斤顶框架2-6底部。

如图5所示，千斤顶顶铁包括固定螺栓2-9、调平球头2-10，调平球头2-10位于径向千斤顶活塞的端部，一面为弧面，一面为平面，弧面与径向千斤顶通过固定螺栓2-9连接，平面部分接触受力结构。

如图9所示，为精确控制液压千斤顶的压力，本发明装置还包括液压加载设备，该液压加载设备包括高压轴向柱塞泵、油管、油路分配控制阀、液压比例控制阀、蓄能器以及高精度压力传感器。根据结构荷载模型，将实际负载划分为试件的外部水土荷载和试件的内水压力荷载，以控制试验荷载下结构的变形与内力较实际地层中相接近为原则，对多组荷载进行取值，同时按照荷载分组将液压千斤顶分为不同组，每组千斤顶通过油路分配控制阀和油管连接至压力控制泵，保证了试验过程中同组液压千斤顶压力变化过程完全一致。根据对地层荷载模拟精细度的不同，液压千斤顶布设间隔可从15°至180°间任意调节，调节分度值为15°。高压柱塞泵通过PID压力闭环控制系统负责向整套液压设备提供油压，实现了试验分级加载试验过程压力的稳定及小幅值的分级加载与补/卸压，达到了全试验过程的精细化控制。

如图2所示，在进行试验时，需将试验管片置于内、外环反力架之间。试验前，地面以钢板覆盖作为基础，对整个试验装置根据试验项目需求进行组装，整套试验装置平放在钢板上。试验时，主要通过内外环主体反力架提供荷载反力。

如图8所示，为更好地实现本发明上述目的，本发明的试验装置还包括供均匀分布且支撑于试验管片下的多个管片底座11，管片底座11包括管片底架11-1、挡板11-2、滚轴11-3及滚轴架11-4。滚轴架11-4及滚轴11-3组成滚轴装置，管片底架11-1设于滚轴装置上，挡板11-2固设于管片底架11-1与滚轴装置上，最终使衬砌管片可沿管片的径向方向滑动。在使用时，先将试验管片5放置于管片底架11-1之上，而滚轴装置平放于地面钢板，可在滚轴11-3上涂抹黄油以减小摩擦力。管片底座11沿试验管片环向布置，间隔15°，布置于地面钢板上，多个管片底座11共同承载试验管片的重量。以此，当试验管片5受到荷载而产生变形或位移时，试验管片5隔空于地面而不会与地面产生摩擦，进而有效减小管片受力变形时的水平摩擦力，使管片受力状态更接近于真实地层。

完成上述实施过程后，应能体现出本发明以下特点：

本发明装置针对国内外常见尺寸的深层排水隧道衬砌管片的单环或组合环整环1：1衬砌管片力学性能试验，可以精确模拟通缝、错缝等不同拼装形式的衬砌管片在外部水土荷载及内水压力下发生复杂力学变化的真实过程，并能在实验管片趋于破坏的试验状态下实现试验荷载的精准控制，保证了试验装置的安全性，为实验获得更加准确的数据提供了充分的保障。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种盾构管片力学性能模拟试验装置，包含内外环反力架、内外环径向加载装置、轴向加载装置，其特征在于：所述内外环反力架均包括上下间隔设置的多层反力环单元及内外环固定架，上下相邻反力环单元之间通过垫块连接，最下层反力环单元与地面钢板之间设底座，内外环固定架固定内外环反力架，内外环径向加载装置均匀分布于内外环各层反力环单元的侧壁，可对内外环反力架之间的试验管片内外全方向施加荷载；所述内外环径向加载装置包括千斤顶顶座、径向千斤顶框架、径向千斤顶、千斤顶顶铁，千斤顶顶座紧贴反力环单元的侧壁固设，径向千斤顶通过千斤顶框架紧贴千斤顶顶座布设，千斤顶顶铁安装连接于径向千斤顶的活塞端部；所述轴向加载装置包括千斤顶上顶铁、竖向拉杆、轴向千斤顶，两根竖向拉杆分别固设于试验管片内弧面与外弧面两侧，拉杆上端与千斤顶上顶铁使用螺栓连接，拉杆下端与试验管片底座使用螺栓连接；轴向千斤顶固设于千斤顶上顶铁与试验管片之间，当轴向千斤顶提供压力时，可对试验管片形成轴向压力，用于模拟管片间纵向约束力作用。

2.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述反力环单元包括外壁翼缘环、内壁翼缘环以及内环梁，内环梁固接于外壁翼缘环与内壁翼缘环之间，并通过焊接与内外壁翼缘环连接。

3.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述千斤顶顶座包括顶座块、顶座块底挡板、顶座块固定卡码板、顶座连接板，顶座块紧贴内外环反力架的侧壁固定，一面为贴合反力架的弧形面，另一面为平面，与径向千斤顶端部相接；顶座块固设于千斤顶顶座的内部，水平向支撑千斤顶顶座；顶座块底挡板固设于千斤顶顶座底部；顶座块固定卡码板固设于千斤顶顶座的两侧；顶座连接板连接上下顶座块。

4.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述径向千斤顶框架包括千斤顶顶托、千斤顶框架、千斤顶抱箍及框架调整垫，千斤顶顶托焊接连接于千斤顶框架的上部；千斤顶框架通过框架调整垫安设在地面钢板上，千斤顶框架可上下搭接，采用螺栓连接；千斤顶抱箍将径向千斤顶与顶托连接成整体，千斤顶抱箍的上半圈与下半圈抱箍采用螺栓连接；框架调整垫固设于千斤顶框架底部。

5.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述千斤顶顶铁包括固定螺栓、调平球头，调平球头位于径向千斤顶活塞的端部，一面为弧面，一面为平面，弧面与径向千斤顶通过固定螺栓连接，平面部分接触受力结构。

6.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述内外环固定架包括中心面板、上横梁、下横梁、上立柱及下立柱，内外环固定架沿45°角布置；多根上、下横梁中心部位与中心面板焊接连接，上、下立柱布设于外环反力架的外壁及内环反力架的内壁，上、下立柱间及横梁与立柱之间以螺栓连接，横梁与立柱整体上组成一个稳定的固定装置，为内外环反力架提供水平支撑力。

7.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述轴向加载装置在平面上间隔15°布置。

8.根据权利要求1所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述径向千斤顶和轴向千斤顶与液压控制系统连接，液压控制系统包括控制器及人机界面、高压轴向柱塞泵、油管、油路分配控制阀、液压比例阀、控制阀、蓄能器以及高精度压力传感器，高压轴向柱塞泵液压压力通过所述油管分别与油路分配控制阀、液压比例阀以及蓄能器控制连接；每个径向千斤顶和轴向千斤顶通过油管与油路分配控制阀控制连接，由高压柱塞泵向整个液压控制系统提供压力控制；压力传感器安装于每个比例阀出口和径向千斤顶和轴向千斤顶油腔进口处，通过PID压力闭环控制按要求分级加载以及补或卸压，以达到千斤顶实际压力负载值等于试验要求设定值；蓄能器安装于高压轴向柱塞泵出口处，以消除在PID闭环控制中的固有频率干扰。

9.根据权利要求1-8任一所述的盾构管片力学性能模拟试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括支撑于试验管片下的多个管片底座，管片底座包括管片底架、挡板、滚轴及滚轴架，滚轴架及滚轴组成滚轴装置，管片底架设于滚轴装置上，挡板固设于底架与滚轴装置侧面，可使衬砌管片在试验中沿管片径向方向滑动。