微型隧道管片力學(xué)性能試驗臺設(shè)計與研究

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

盾構(gòu)法施工是目前隧道建設(shè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一[1]。管片作為盾構(gòu)施工隧道襯砌的受力主體，承受多種載荷，包括水、土壓力以及推進(jìn)油缸的推進(jìn)反力等，因此需要有較好的力學(xué)性能[2]。管片結(jié)構(gòu)一定程度上依賴于整環(huán)力學(xué)性能試驗而進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，管片的力學(xué)性能試驗成為一項不可或缺的工作。

目前國內(nèi)學(xué)者已對圓形隧道管片力學(xué)性能試驗臺做了大量設(shè)計研究工作。孫百鋒等[3-5]基于斜井隧道管片設(shè)計了集加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)于一體的試驗臺，該平臺利用貝雷架及液壓油缸施加集中載荷模擬土壓力，利用無粘結(jié)鋼絞線施加環(huán)箍力模擬水壓力，并通過現(xiàn)場試驗證明其有效性。王瑞娜等[6]采用組合桁架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了管片力學(xué)性能加載裝置，可滿足變徑與重復(fù)拆卸等要求。張曉光[7]在小直徑隧道管片的抗彎承載試驗中采用了簡支梁對稱加載裝置，該裝置由壓力表、液壓油缸和試驗架等組成，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

后超等[8]設(shè)計了管片抗彎性能試驗裝置，并基于.NET框架研發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件，可實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。何川等[9-11]針對大斷面水下隧道管片結(jié)構(gòu)特點，提出了原型試驗加載方案，并設(shè)計出一套多功能加載試驗系統(tǒng)，既可進(jìn)行管片加載試驗，又可進(jìn)行管片接頭力學(xué)試驗。

上述研究對象多為外徑約6 m的大直徑管片環(huán)，且未考慮管片自身質(zhì)量影響，僅能從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度接近管片環(huán)實際受力狀態(tài)[12]，無法滿足淺埋深管片的實驗要求，具有一定局限性。近年來，市政基礎(chǔ)建設(shè)逐漸由地上轉(zhuǎn)至地下[13]，微型盾構(gòu)施工技術(shù)發(fā)展迅速，迫切需要對微型隧道管片的力學(xué)性能進(jìn)行測試研究。在此基礎(chǔ)上，本文立足于微型隧道管片，設(shè)計并制造了力學(xué)性能試驗臺，設(shè)計了載荷模擬方案，分析了試驗臺液壓系統(tǒng)的功能特性、工作原理及計算選型，并設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采集應(yīng)變、位移、環(huán)箍力、集中力等數(shù)據(jù)。

1 總體方案設(shè)計

如圖1所示為微型隧道管片力學(xué)性能試驗臺，由反力架、液壓油缸、推力板、支撐板、環(huán)箍套及鋼絞線等組成。反力架由槽鋼拼接而成，結(jié)構(gòu)簡單可靠。試驗臺設(shè)有3種加載裝置，可實現(xiàn)水平、垂直及環(huán)箍加壓。水平、垂直加壓裝置一端由液壓油缸施加壓力，另一端為旋動伸縮式支撐板，配合完成加載試驗。如圖2所示為旋動式伸縮支撐板。環(huán)箍加壓裝置由液壓油缸配合環(huán)箍套、鋼絞線完成環(huán)箍加載試驗。

試驗臺反力架為正方體鋼結(jié)構(gòu)，可臥可立，故可實現(xiàn)管片臥式加壓與立式加壓。立式加壓模式如圖1所示，適用于埋深較深且自重效應(yīng)較小的管片；立式加壓適用于埋深較深且自重效應(yīng)較小的管片[12]。此外，可實現(xiàn)單環(huán)或多環(huán)管片加壓試驗。試驗臺可兼容多種尺寸管片，適用范圍為外徑0.9 ～1.2 m的微型隧道管片。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 旋動式伸縮支撐板實物圖

2 載荷模擬方案

圖3 載荷模式示意圖

如圖3所示為隧道管片受力示意圖[3]，圖中PW為水壓，P為垂直土壓，q為水平土壓，Pk為地層抗力。

為模擬隧道管片實際受力情況，環(huán)箍加載油缸配合環(huán)箍套及鋼絞線對管片施加環(huán)箍力模擬水壓力，水平加載油缸和垂直加載油缸施加集中力模擬地層抗力和土壓力。

對于水壓模擬試驗，鋼絞線緊箍于環(huán)箍套周圍，環(huán)箍加載油缸拉拽鋼絞線，對管片環(huán)產(chǎn)生均布環(huán)箍力。設(shè)單環(huán)管片所受環(huán)箍力為F。環(huán)箍力F與水頭H的關(guān)系為

(1)

式中，γ為水的容重；b為管片寬度；R為管片外徑；n為試驗管片環(huán)數(shù)。

對于土壓模擬試驗，分別由水平加載油缸和垂直加載油缸施加載荷，模擬隧道管片所受水平土壓和垂直土壓。對于垂向載荷，略去剪力及軸力的高階影響，將其視為均質(zhì)圓環(huán)，若以變形等效，有[9-10]

UyA=UyB

(2)

(3)

(4)

式中，UyA、MA分別為管片受垂直土壓P而產(chǎn)生的變形量和彎矩；UyB、MB為管片受垂直加載油缸施加載荷P1而產(chǎn)生的變形量和彎矩。水平土壓試驗方法亦同。

對于地層抗力模擬試驗，由水平加載油缸施加載荷，模擬隧道管片所受地層抗力，有[9-10]

(5)

式中，P2為水平加載油缸所施加載荷。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1 液壓系統(tǒng)功能要求

如表1所示，為試驗臺液壓系統(tǒng)功能要求。

表1 液壓系統(tǒng)功能要求

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

基于以上功能要求，設(shè)計試驗臺液壓系統(tǒng)。如圖4所示，為試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖。低壓溢流閥11控制系統(tǒng)最高壓力為6 MPa，低壓泵驅(qū)動液壓油缸快進(jìn)；高壓溢流閥13控制系統(tǒng)最高壓力為25 MPa，高壓泵驅(qū)動液壓油缸施加載荷。3個電磁換向閥23分別控制3組液壓油缸伸縮。減壓閥20配合比例電磁溢流閥21可無級調(diào)節(jié)液壓油缸施加載荷。液控單向閥22和蓄能器25實現(xiàn)保壓功能，當(dāng)油液壓力低于設(shè)定下限，高壓泵工作補(bǔ)油。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

對于地層抗力模擬試驗，水平加載油缸26工作。系統(tǒng)啟動10 s內(nèi)電磁球閥17不得電，確保電機(jī)8無負(fù)載啟動，驅(qū)動雙聯(lián)泵6工作。10 s后電磁球閥17得電，電磁換向閥23左位得電，雙聯(lián)泵驅(qū)動水平加載油缸26快進(jìn)。當(dāng)油缸26帶動推力板接觸管片環(huán)試件，系統(tǒng)壓力逐漸上升到6 MPa，低壓溢流閥13閥芯打開，低壓泵輸出油液直接流回油箱1。此時高壓泵驅(qū)動水平加載油缸26施壓，高壓溢流閥13控制系統(tǒng)壓力不高于25 MPa。減壓閥20和比例電磁溢流閥21保證加載力達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時，壓力傳感器24發(fā)送電流信號，電機(jī)停止工作，液控單向閥22鎖緊油缸，液壓系統(tǒng)自動保壓，蓄能器25可提高單次保壓時間，避免電機(jī)8頻繁啟停。當(dāng)加載壓力低于設(shè)定下限值，電機(jī)8工作，高壓泵啟動，為液壓系統(tǒng)補(bǔ)壓。土壓、水壓模擬試驗液壓系統(tǒng)工作原理與地層抗力模擬試驗基本相同。

基于節(jié)能環(huán)保原則，利用高壓溢流閥13的控制油路對低壓溢流閥11進(jìn)行壓力控制，可減少其閥芯開閉次數(shù)，降低發(fā)熱量，減少能量損失，且可降低流體噪聲。選用減壓閥20和比例電磁溢流閥21代替比例電磁減壓閥實現(xiàn)無級調(diào)壓功能，可提高壓力控制精度，提高載荷穩(wěn)定性。

3.3 計算與選型

表2所示為液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。

表2 液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

環(huán)箍加載油缸通過拉力實現(xiàn)對管片的環(huán)箍作用。單個液壓油缸拉力F1為300 kN，因此液壓缸的缸徑為

(6)

式中，P為液壓系統(tǒng)的工作壓力，取25 MPa。

當(dāng)工作壓力P>7 MPa時，活塞桿直徑取為

d1=0.7D1

(7)

聯(lián)立式(6)、式(7)，得D1=173.2 mm，d1=121.2 mm。取標(biāo)準(zhǔn)值，D1=180 mm，d1=125 mm。

單個水平或垂直加載油缸的推力F2為500 kN，因此液壓缸的缸徑為159.6 mm，取標(biāo)準(zhǔn)值D2=160 mm。選擇速比為2，則桿徑取標(biāo)準(zhǔn)值d2=110 mm。

由于土壓模擬試驗中4根液壓油缸同時工作，而水壓模擬試驗和地層抗力模擬試驗均為2個液壓油缸工作。因此基于土壓模擬試驗進(jìn)行液壓參數(shù)計算，滿足其試驗要求的選型元件，亦滿足其它試驗要求。 低壓狀態(tài)下雙聯(lián)泵啟動，驅(qū)動液壓油缸快速伸出接觸管片環(huán)。液壓油缸最大伸出速度為v=80 mm/min，則4個液壓油缸同時動作所需要的流量Q為

Q=nvs

(8)

由式(8)可確定雙聯(lián)泵輸出流量

Qp≥K(∑Qmax)=KQ

(9)

式中，∑Qmax為 4個油缸同時推進(jìn)時的最大流量；K為泄露系數(shù)，取1.1。

因此，雙聯(lián)泵的輸出流量為Qp≥1.1×6.43=7.07 L/min。

設(shè)定高壓泵輸出流量為1.5 L/min。所以低壓泵輸出的流量為：Qp1=Qp-Qp2=7.07-1.5=5.57 L/min。

在高壓狀態(tài)下，只有高壓泵工作，驅(qū)動液壓油缸施加靜載荷。

液壓油缸工作壓力P為25 MPa，所以液壓泵工作壓力為

Pp2≥P+∑ΔP

(10)

式中，P為推進(jìn)液壓油缸最高工作壓力，取25 MPa；∑ΔP為泵到執(zhí)行元件間的總管路損失，取2 MPa。

所以泵的工作壓力為Pp2=25+2=27 MPa。

由于高壓加載狀態(tài)下，低壓泵輸出的液壓油直接流回油箱，只有高壓泵工作，電機(jī)的功率為1.06 kW，而低壓狀態(tài)下是由高低壓組合泵同時供油，電機(jī)所需功率為1.11 kW。低壓狀態(tài)所需的電機(jī)功率高于高壓狀態(tài)，所以系統(tǒng)電機(jī)選1.11 kW，取標(biāo)準(zhǔn)值為1.5 kW。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、位移、環(huán)箍力、水平集中力、垂直集中力5部分。系統(tǒng)總體架構(gòu)及觸摸顯示屏主界面分別如圖5、圖6所示。

管片力學(xué)性能試驗中，應(yīng)變片粘貼在管片內(nèi)表面，其電阻隨著管片受力變形，按照一定比例關(guān)系變化，經(jīng)過應(yīng)變儀即可得到應(yīng)變值。位移傳感器可測量管片變形量。環(huán)箍加載油缸、水平加載油缸及垂直加載油缸均配有壓力傳感器，可實時測得油液壓力，經(jīng)換算即可得當(dāng)前加載力。所有數(shù)據(jù)經(jīng)AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸至PLC，可被觸摸顯示屏調(diào)取并直觀顯示，且可傳輸至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖

圖6 觸摸顯示屏主界面圖

5 結(jié)論

(1)設(shè)計并制造了微型隧道管片力學(xué)性能試驗臺。給出載荷模擬方案。設(shè)計試驗臺液壓系統(tǒng)，分析了功能要求、工作原理及計算選型。設(shè)計試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采集微型隧道管片加載過程中的受力及變形數(shù)據(jù)，滿足試驗要求。

(2)與已有研究對比，本試驗臺是以微型隧道管片為試驗對象而設(shè)計，可對外徑為0.9～1.2 m的管片進(jìn)行力學(xué)性能試驗，且考慮管片埋深及自身重力效應(yīng)影響，可選擇臥式或立式試驗。

(3)本試驗臺僅可對管片所受水壓、土壓及地層抗力進(jìn)行模擬試驗，但未對管片接頭抗彎、抗剪性能試驗進(jìn)行設(shè)計。在后續(xù)研究中，將對管片接頭抗彎、抗剪性能進(jìn)行試驗臺的設(shè)計與優(yōu)化。