深中通道沉管隧道最終接頭MGB 滑軌摩擦系數試驗研究

韓濤，刑長利，何平，呂迎雪，朱嶺

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.中鐵武漢大橋工程咨詢監理有限公司，湖北 武漢 430050；4.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中通道沉管隧道[1]最終接頭為水下作業部分，不確定性因素比較多，設計單位對多種方案比選后，最終確定使用水下整體推出式最終接頭方案。最終接頭推出段長度為4.6 m，設置于E23管節擴大段內，E23 管節沉放后控制推出段結構緩慢推出與E24 管節對接，完成最終接頭施工，最終接頭構造如圖1 所示，推出段底部與擴大段接觸位置設置了MGB 材料的滑軌。滑軌結構多用于陸上大型結構物的輔助出運，如青蘭山原油碼頭工程中使用了MGE 滑軌通過陸上卷揚機牽引將沉箱放到臺車上，完成了11 個大型圓沉箱出運[2]，此外臨港海洋重工建造基地大多采用滑道作為海工產品的出運平臺[3]；港珠澳大橋在管節澆筑完成后也使用了聚四氟乙烯（PTFE）滑軌作為管節陸上頂推過程中的滑移軌道[4-6]，在方案選型過程中滑軌的靜摩擦系數按0.07 考慮[7]；大連灣海底隧道最終接頭采用頂進節段法，也使用了聚四氟乙烯滑軌滑行，并進行了縮尺模型試驗，不銹鋼板與聚四氟乙烯板之間的滑動摩擦系數按照0.1 考慮[8]。

圖1 最終接頭構造示意圖Fig.1 Schematic diagram of final joint construction

深中通道沉管隧道最終接頭首次采用了水下整體推出式對接方式，對接難度大，對結構受力分析的要求極高，底部滑動接觸面為防腐涂層與MGB 材料，滑軌是對接方案中的重要組成部分，因此對其摩擦特性[9]進行了試驗研究。

1 滑軌方案

最終接頭滑軌主要由30 mm 的MGB 材料、55 mm 鋼墊板和15 mm 環氧樹脂組成（圖2），單塊MGB 材料平面尺寸為500 mm×480 mm，MGB材料與鋼板采用螺栓連接，鋼板外側焊接耳板增加結構的抗剪性能并設置調平螺栓對鋼板進行調平。滑軌頂面的MGB 材料與推出段底部直接接觸，MGB 材料[10]機械性能穩定，具有自潤滑、摩擦系數小、免維護、耐磨損、耐腐蝕、能承受重載荷、抗沖擊、抗老化、機加工性能好等特性，因此多用于大型重載、有腐蝕不易加油的工件上或重大工程項目中。

圖2 滑軌剖面結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of slide-rail section structure

2 試驗方法

2.1 試驗條件

為測試工程現場摩擦情況，設計了專用的試驗結構，試驗荷載按照不少于施工現場荷載的1.5倍考慮，結構尺寸由結構軟件進行計算，確保在試驗過程中結構不會發生較大的變形，試驗的滑軌平放于試驗結構中間，模擬的最終接頭推出段結構豎向受力采用千斤頂加載，在試驗裝置一端用水平千斤頂控制推出段與滑軌的相對運動，模擬現場推出情況。千斤頂上下反力箱梁結構均與相同材質的滑軌接觸，保證上下摩擦力一致。試驗用滑軌及試驗結構見圖3。

圖3 滑軌摩擦系數試驗結構Fig.3 Friction coefficient test structure of slide-rail

試驗前對滑軌和與滑軌接觸的箱梁表面平整度進行了測量，確保平整度滿足設計要求，試驗模型中與滑軌接觸的箱梁表面先用氣泵配合金剛砂進行噴砂除銹，除銹后立刻滾涂玻璃鱗片漆防腐涂層，72 h 后對涂層厚度、涂層的粘接強度進行測試，確保試驗條件與原型一致。

2.2 MGB 滑軌摩擦系數測試

對滑軌中單塊MGB 材料的摩擦系數進行了試驗測試，首先用豎向千斤頂加載，然后用末端的水平千斤頂控制推出部分結構由靜止狀態緩慢起動，千斤頂荷載用油壓傳感器測量，位移數據用拉線傳感器測量，所有信號同步采集，試驗模擬的推出段結構的上下滑軌為對稱布置，假設試驗中豎向千斤頂的荷載為N，滑軌的摩擦力為μN，其中μ 為摩擦系數，水平千斤頂的推力為F，推出結構本身重量相對荷載可以忽略，則滑軌摩擦系數的計算公式為：μ=F/（2N）

根據水平千斤頂頂推起動期間推力峰值計算靜摩擦系數，在結構勻速運動后計算動摩擦系數。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

最終接頭推出段底部與滑軌直接接觸的部分為玻璃鱗片漆防腐涂層，施工期間的工況包括陸上和水下的推拉過程，不同工況下推出段和滑軌之間的荷載及潤滑情況均有所區別。為測量不同潤滑和施工荷載工況下滑軌和防腐涂層之間的摩擦系數，進行了不同工況的試驗，然后根據千斤頂荷載計算了對應的摩擦系數。此外，為與廠家摩擦系數對比，進行了油態的摩擦系數測試，測試使用的潤滑油為3 號通用鋰基潤滑脂。

試驗荷載為170～1 025 kN，不同荷載作用下摩擦系數的試驗結果見表1—表3 和圖4。

表1 摩擦系數測量結果（干摩擦）Table 1 Friction coefficient t measurement results(dry friction)

表2 摩擦系數測量結果（水潤滑）Table 2 Friction coefficient measurement results(water lubrication)

表3 摩擦系數測量結果（油潤滑）Table 3 Friction coefficient measurement results(oil lubrication)

圖4 摩擦系數試驗結果Fig.4 Friction coefficient test results

根據試驗結果，可以看出：

1）在干摩擦情況下，靜摩擦系數范圍為0.181～0.266，滑動摩擦系數范圍為0.150～0.226；

2）在水潤滑情況下，靜摩擦系數范圍為0.138～0.223，滑動摩擦系數范圍為0.106～0.149；

3）在油潤滑情況下，摩擦系數范圍為0.084～0.106。

總體來看，隨荷載的增加靜摩擦系數和滑動摩擦系數均有減小的趨勢，在干摩擦和水潤滑情況下，靜摩擦系數略大于滑動摩擦系數，圖5 為油潤滑工況下荷載歷時曲線。

圖5 油潤滑試驗荷載變化歷時曲線Fig.5 Load change duration curve of oil lubrication test

從圖5 可以看出，在油潤滑情況下推出段在起動到勻速運動的過程中水平千斤頂推力變化較小，因而靜摩擦系數與滑動摩擦系數相差不大。

3.2 與廠家摩擦系數對比

根據MGB 廠家的資料，該產品在三態（干態，水態，油態）工況下摩擦系數變化小，而且各態動靜摩擦系數相差小，干態的摩擦系數約為0.045～0.065，水態的摩擦系數約為0.022～0.04，油態的摩擦系數約為0.016～0.03，不同廠家的摩擦系數略有區別，但差別不大。

需要指出的是，廠家提供的摩擦系數并未對靜摩擦和動摩擦系數進行區分，也未說明摩擦界面情況，根據國家標準GB/T 3960—2016《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》[11]，試驗測試結果為MGB材料與45 號鋼制作的試驗環之間的滑動摩擦系數。本研究中得到的是施工荷載作用下玻璃鱗片漆防腐涂層與MGB 材料之間的摩擦系數，因此二者存在差別，此外，研究中采用的滑板和防腐涂層材料由深中通道項目部直接提供，與現場材料一致，可以認為本課題的試驗結果可直接反映現場的摩擦情況。

4 結語

通過對深中通道最終接頭的滑軌摩擦特性試驗，得到以下主要結論：

1）MGB 材料的摩擦系數并不是固定不變的，隨著荷載的增加，靜摩擦系數和滑動摩擦系數均有減小的趨勢。

2）在最終接頭水下推出時由于存在水潤滑。與陸上干摩擦相比摩擦系數有所減小。

3）油潤滑情況下摩擦系數較小，且油潤滑情況下靜摩擦和滑動摩擦系數差別不大。

4）MGB 材料廠家給出的摩擦系數為根據國標在特定條件下的測試結果，并不能反映實際工程中的接觸面情況，因此不能直接應用于設計中。根據本研究可以看出，摩擦系數與荷載大小有關，建議對于摩擦力影響較大的工程根據現場荷載、接觸面條件等重新進行摩擦系數測試。