深埋隧道盾構管片足尺試驗加載平臺研究

2019-01-05 06:19:44莊欠偉上海隧道工程有限公司上海200233上海盾構設計試驗研究中心有限公司上海200137

建筑科技 2018年3期

莊欠偉（1.上海隧道工程有限公司，上海 200233；2.上海盾構設計試驗研究中心有限公司,上海 200137 )

在我國地下交通的建設中，盾構法隧道得到了廣泛的應用。盾構法隧道的襯砌結構主要采用混凝土管片，其設計作為盾構法施工中重要的一環，直接決定了盾構法施工約三成甚至更大比例的成本，并直接關系到施工的安全系數。如何在避免浪費的前提下設計出能夠確保安全的盾構管片，在很大程度上決定了一次盾構施工的好壞，因此必須事先對盾構管片的力學性能進行試驗，驗證各項設計指標。

由于在隧道施工現場進行盾構管片現場原位試驗[1-2]實施及監測難度較大，且試驗不具備可重復操作性，試驗成果也只針對特定管片形式以及特定水文地質條件，因此國內外盾構管片試驗通常采用模擬載荷進行試驗。為了更好地模擬管片在土體中的受力，需要設計出經濟并合理的試驗加載裝置。早期管片試驗多采用縮尺模型[3]，并采用相似模擬的方法對試驗數據進行分析，其結果具有一定的局限性。近年來國內外諸多學者開始越來越多地開展整環管片試驗[4-9]，采用的試驗加載裝置反力架形式主要包括垂直拉桿式[7-8]、中心拉桿式[5]以及環形加載框[4,6,9]等。

1 試驗概況

上海蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程采用超深埋盾構法進行隧道施工，為適應超深埋工況，其盾構管片采用了全新的結構設計，為確保管片結構的可靠，測試其實際受力性能，工程對其進行整環管片試驗，試驗分為單環試驗和三環試驗，同時包括常規工況試驗和極限破壞工況試驗。

工程所用管片內徑尺寸為 9 m，實際埋深為 50～60 m，與普通地鐵和公路隧道不同的是，排水調蓄隧道內部在不同調蓄水時期會流動不同深度的水體，使得管片承受非常復雜的內外載荷。這也對試驗加載平臺的設計提出了更高的要求。

2 試驗加載反力架設計

本項目管片具有尺寸大、埋深大、承載形式復雜等特點，根據相關設計與計算，在管片環向平均劃分為 30 段的區域中，最大受力區域擬加載的總載荷達約 7 000 kN，常規的拉桿式及環形加載框均難以承受該巨大載荷，因此考慮采用多種形式的加載框組合來提供反力支撐，即采用現有管片試驗加載框架進行少量改制，以提供約一半的載荷，并重新設計加工新的中心對拉式拉桿系統來補充提供另一半的載荷。

2.1 現有試驗平臺改造

上海隧道工程有限公司為大尺寸整環異形管片試驗設計了一套加載裝置[9]，其通過可重構式結構設計，可實現對不同管片形狀和尺寸的單環及三環足尺加載試驗，已先后應用于 11.5 m×6.9m類矩形管片[9]和 10.2 m×7.7m異形斷面管片[4]的單環及三環試驗。該試驗平臺加載框架采用上下主框分離式設計，如圖 1 所示，主框分為 4 塊，并可添加連接塊來改變整體尺寸。

圖1 現有管片試驗加載裝置結構示意

現利用該加載框架進行改制，包括添加新制主框連接塊以增大外形尺寸，以及調整主梁間距以適應更大環寬的管片試驗，表 1 為改制前后加載框架的主要參數對比。

表1 試驗加載裝置改制前后對比

改制后的框架滿足外徑尺寸最大達 10.5m、環寬 1.5 m的三環（1 個整環加 2 個半環）圓形管片進行試驗，同時主框與管片之間留有 1.6m的間距用于布置千斤頂和相關結構件。圖 2 為改制后的框架結構圖，圖 3 為采用該環形框架的油缸加載示意圖。

圖2 改制后的試驗加載框架圖

圖3 改制后的環形框加載示意圖

值得注意的是，試驗加載框架在經過尺寸接續擴大以及主梁間距加大之后，框架自身承載力略有下降，采用有限元分析方法對加載框架進行受力校核，可以發現在單點加載力≤ 800 kN 時，框架不會出現局部應力過大以及變形過大的不利情況。圖 4 為單點加載 1 000 kN 時加載框的受力情況。

圖4 加載框受力分析應力圖

2.2 拉桿結構設計

除對現有加載框架進行上述改制之外，還需設計一套拉桿式加載結構。單組拉桿結構加載示意圖如圖 5 所示，主部件 C形梁用于放置徑向和軸向油缸，分別用于提供管片徑向和軸向載荷，C形梁開口處通過軸向拉桿提供反力，各組 C形梁之間通過徑向拉桿連接到位于管片中間的中心圓臺上。

圖5 拉桿加載示意圖

15 組拉桿沿管片環向均勻布置，每組拉桿提供 8 000 kN 的徑向加載載荷以及 2 500 kN 的管片軸向載荷，所有拉桿及中心圓臺均位于原環形加載框內部，改制后的環形加載框以及新制的拉桿系統組合整體如圖 6 所示。

圖6 環形框架及中心拉桿組合式試驗平臺

拉桿系統中 C形梁的結構設計是關鍵，要在盡量小的空間內為油缸提供加載反力支撐，同時 C形梁自身不能有應力破壞以及大的變形。在軟件中對該部分結構進行反復計算和優化，最終確定結構形式由油缸外置式改為內置式，普通扁擔式改為 C形梁式。對 C形梁進行有限元計算分析，圖 7 和圖 8 分別為有限元網格劃分與加載以及最后受力情況應力分布圖，從圖中可以看出 C形梁整體受力比較均勻，少量應力集中部位在焊接制作過程中適當加強即可。