站立式管片試驗平臺研制與應用

莊欠偉（1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.上海盾構設計試驗研究中心有限公司，上海 200137)

1 大斷面矩形盾構隧道管片試驗

在我國部分特大城市核心區和舊城區，隨著城市地下空間的逐步開發，可利用的地下空間已經越來越少，而由施工引發的對周圍環境的影響已經成為亟待解決的問題。

通常盾構法隧道的斷面形狀為圓形，易于實現全斷面切削和相對合理的結構受力體系，但同時也存在著空間利用率低、地下空間占用大等不足。以矩形隧道為代表的異形隧道相比常規圓形隧道，其合理的形狀分布，減少了土地征用量和掘進面積，降低了工程造價；同時能充分利用結構斷面，提高有效面積的使用率[1]。對大斷面矩形盾構技術的研究，是矩形斷面盾構技術的一種嶄新嘗試，其中對于盾構管片的設計是矩形斷面盾構技術研究中的重中之重。大斷面矩形盾構管片試驗對初步設計完成的管片進行結構加載試驗，為其提供試驗數據支持及指導性意見[2]。

鑒于國內尚無大斷面矩形盾構隧道襯砌結構應用實例，相關設計計算理論也不完善，因此有必要通過結構試驗研究掌握矩形襯砌結構的極限承載力，了解結構的薄弱部位和影響結構承載力的主要因素，以確定結構正常使用和結構安全的界限狀態。但是，目前國內大型隧道管片試驗均為平放式試驗，不能模擬管片自重對其結構受力性能的影響，而在隧道埋深較淺的情況下，由于頂覆土壓力較小，所以管片自重對其結構受力影響是不能忽略的[3]。因此，可以考慮將管片豎起來進行加載試驗。本文介紹設計研制站立式管片加載試驗平臺的方法以及試驗驗證結果。

2 站立式管片加載試驗框架結構設計

在站立式管片試驗時，考慮到管片自重及上下部土壓不等，需要對管片進行非對稱加載。為此，提出管片試驗平臺的非對稱全方位加載這一概念[4]。站立式管片試驗平臺整體放置效果如圖1所示。

圖1 試驗平臺整體放置效果圖

試驗平臺根據矩形管片形狀，設計外加載框架；將管片放置在框架內部，管片和框架中間設置液壓缸；利用液壓缸試驗對管片進行加載。

試驗平臺通過添加縱向加載油缸，對多環拼裝的管片結構施加縱向軸力，模擬盾構管片環間作用力，如圖2所示。圖2 為圖1 中 A-A 局部剖面圖。

圖2 縱向加載油缸示意圖

該管片試驗平臺由上主框、下主框、主框連接塊、拉桿以及油缸角度調整墊塊組成，其構造如圖3所示。

圖3 試驗平臺構造示意圖

加載油缸可通過添加角度調整墊塊的方式，滿足不同曲率半徑的管片的試驗要求；通過調整連接框架的長度及安裝位置，可以進行不同尺寸及不同比例的異形管片試驗。本次試驗時將主框連接塊安裝于主框的左右兩側，最終試驗裝置長13.7 m、高11.0 m、寬3.8 m。試驗采用的管片長10.7 m、寬8.2 m，單環寬度1.2 m；試驗采用一個整環加兩個半環結構，三環總環寬2.4 m。

3 加載系統設計

常規的管片試驗均為水平放置。水平放置的管片試驗在面對此類隧道管片結構時，其荷載的力學簡化具有一定的局限性，無法考慮管片實際受力狀態（自重邊界條件），只能從結構力學上接近。圓形管片試驗在不考慮重力作用時一般均為對稱加載，而在站立式管片試驗時，考慮到管片自重及上下部土壓不等，需要對管片進行非對稱加載。為此，提出管片試驗平臺的非對稱全方位加載這一概念。

該系統在進行荷載施加時，采用不同的閥塊對各方向油缸進行荷載控制，各個加載力之間無須保持對稱關系，只需滿足各方向的施加荷載其合力為零即可。

本次試驗將油缸分為11個分區共計22組，每組4只油缸。11個分區分別由11個閥塊進行油壓控制。分區的布置圖如圖3所示。

圖3 試驗加載分區布置圖

4 閉環壓力控制系統

根據試驗荷載加載要求，采用電磁閥（執行部件）控制液壓缸進行加載，在液壓缸（被控對象）上設置壓力傳感器（檢測元件），將檢測信號與設定信號對比，計算出偏差，控制器根據偏差再調整執行部件。

本系統的過程控制采用閉環控制模式。通常閉環控制系統由控制器、執行部件、被控對象以及反饋檢測元件幾部分組成。其基本原理框圖如4所示。

圖4 基本原理圖

在閉環控制系統中，控制器是系統的核心，其控制算法決定了系統的控制特性和控制效果，控制器最常用的控制規律是 PID 控制。PID 控制器是一種線性控制器，根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成控制偏差e（t），即：e（t）= r（t）－c（t），將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控制對象進行控制。

本次液壓閉環控制系統采用了 PLC，組成了控制精度高、響應速度快的電液比例閉環控制系統，其中 PID 控制算法在程序中實現，靈活性高，成本低。

5 平臺荷載性能設計驗證

根據隧道管片設計極限破壞荷載，對加載裝置設計方案進行有限元計算，分析其在極限工況加載情況下的受力情況。極限工況下，每環對應 2 個千斤頂，每組 4 個千斤頂，考慮 1.5 倍的安全系數，實際模型中每個千斤頂作用力如表1所示。

表1 荷載加載表kN

利用 Solidworks Simulation 軟件對站立式加載試驗框進行建模和有限元計算，分析鋼結構各部件受力情況。有限元計算結果顯示最大應力為 190 MPa，材料允許應力為 235 MPa，最大變形量 5 mm，滿足試驗加載要求。

利用該平臺對矩形管片進行加載試驗。試驗過程中采集了每個分區的加載壓力設定值和實際值，其中 8號分區加載壓力設定值與實際值對比結果如圖5所示。設定值為加載設定值曲線，實際值為加載實際值曲線。通過圖5 可以看出，液壓閉環壓力控制系統可以很好地完成閉環控制，試驗壓力實際值在設定值附近波動，最終趨于設定值。

圖5 8號分區加載壓力設定值與實際值對比圖

試驗中不僅對液壓系統進行壓力檢測，還通過放置傳感器對管片鋼結構的受力情況進行了監測。其中 K 17 測點的監測結果與有限元計算結果對比如圖6所示。圖6 中 3 個粗點為有限元計算荷載值。曲線為該點傳感器監測載荷曲線。對比顯示，有限元計算荷載值與監測值較好吻合。

圖6 K 17 測點監測值與計算值對比圖

6 結 語

該平臺研制后完成了矩形管片極限工況的三環試驗。通過試驗驗證該平臺可以滿足站立式管片加載試驗需求。試驗過程中，平臺的加載控制系統穩定可靠，加載荷載誤差在允許范圍內，加載框架變形與理論值基本吻合。

目前國內大型隧道管片試驗均為平放式試驗，其不能模擬管片自重對其結構受力性能的影響，而在隧道埋深較淺的情況下，由于頂覆土壓力較小，所以管片自重對其結構受力影響是不能忽略的。從上述試驗驗證結果來看，將管片豎起來進行加載試驗是解決這一問題的較好方法，可供國內大斷面矩形盾構隧道管片試驗借鑒。