莊欠偉（1.上海隧道工程有限公司，上海 200233；2.上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究中心有限公司,上海 200137 )

在我國(guó)地下交通的建設(shè)中，盾構(gòu)法隧道得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道的襯砌結(jié)構(gòu)主要采用混凝土管片，其設(shè)計(jì)作為盾構(gòu)法施工中重要的一環(huán)，直接決定了盾構(gòu)法施工約三成甚至更大比例的成本，并直接關(guān)系到施工的安全系數(shù)。如何在避免浪費(fèi)的前提下設(shè)計(jì)出能夠確保安全的盾構(gòu)管片，在很大程度上決定了一次盾構(gòu)施工的好壞，因此必須事先對(duì)盾構(gòu)管片的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

由于在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行盾構(gòu)管片現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)[1-2]實(shí)施及監(jiān)測(cè)難度較大，且試驗(yàn)不具備可重復(fù)操作性，試驗(yàn)成果也只針對(duì)特定管片形式以及特定水文地質(zhì)條件，因此國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)管片試驗(yàn)通常采用模擬載荷進(jìn)行試驗(yàn)。為了更好地模擬管片在土體中的受力，需要設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)并合理的試驗(yàn)加載裝置。早期管片試驗(yàn)多采用縮尺模型[3]，并采用相似模擬的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果具有一定的局限性。近年來國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開始越來越多地開展整環(huán)管片試驗(yàn)[4-9]，采用的試驗(yàn)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(huán)形加載框[4,6,9]等。

1 試驗(yàn)概況

上海蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程采用超深埋盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工，為適應(yīng)超深埋工況，其盾構(gòu)管片采用了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為確保管片結(jié)構(gòu)的可靠，測(cè)試其實(shí)際受力性能，工程對(duì)其進(jìn)行整環(huán)管片試驗(yàn)，試驗(yàn)分為單環(huán)試驗(yàn)和三環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)包括常規(guī)工況試驗(yàn)和極限破壞工況試驗(yàn)。

工程所用管片內(nèi)徑尺寸為 9 m，實(shí)際埋深為 50～60 m，與普通地鐵和公路隧道不同的是，排水調(diào)蓄隧道內(nèi)部在不同調(diào)蓄水時(shí)期會(huì)流動(dòng)不同深度的水體，使得管片承受非常復(fù)雜的內(nèi)外載荷。這也對(duì)試驗(yàn)加載平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2 試驗(yàn)加載反力架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目管片具有尺寸大、埋深大、承載形式復(fù)雜等特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算，在管片環(huán)向平均劃分為 30 段的區(qū)域中，最大受力區(qū)域擬加載的總載荷達(dá)約 7 000 kN，常規(guī)的拉桿式及環(huán)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(xiàn)有管片試驗(yàn)加載框架進(jìn)行少量改制，以提供約一半的載荷，并重新設(shè)計(jì)加工新的中心對(duì)拉式拉桿系統(tǒng)來補(bǔ)充提供另一半的載荷。

2.1 現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)改造

上海隧道工程有限公司為大尺寸整環(huán)異形管片試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套加載裝置[9]，其通過可重構(gòu)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管片形狀和尺寸的單環(huán)及三環(huán)足尺加載試驗(yàn)，已先后應(yīng)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(huán)及三環(huán)試驗(yàn)。該試驗(yàn)平臺(tái)加載框架采用上下主框分離式設(shè)計(jì)，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(xiàn)有管片試驗(yàn)加載裝置結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)利用該加載框架進(jìn)行改制，包括添加新制主框連接塊以增大外形尺寸，以及調(diào)整主梁間距以適應(yīng)更大環(huán)寬的管片試驗(yàn)，表 1 為改制前后加載框架的主要參數(shù)對(duì)比。

表1 試驗(yàn)加載裝置改制前后對(duì)比

改制后的框架滿足外徑尺寸最大達(dá) 10.5m、環(huán)寬 1.5 m的三環(huán)（1 個(gè)整環(huán)加 2 個(gè)半環(huán)）圓形管片進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)主框與管片之間留有 1.6m的間距用于布置千斤頂和相關(guān)結(jié)構(gòu)件。圖 2 為改制后的框架結(jié)構(gòu)圖，圖 3 為采用該環(huán)形框架的油缸加載示意圖。

圖2 改制后的試驗(yàn)加載框架圖

圖3 改制后的環(huán)形框加載示意圖

值得注意的是，試驗(yàn)加載框架在經(jīng)過尺寸接續(xù)擴(kuò)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(duì)加載框架進(jìn)行受力校核，可以發(fā)現(xiàn)在單點(diǎn)加載力≤ 800 kN 時(shí)，框架不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力過大以及變形過大的不利情況。圖 4 為單點(diǎn)加載 1 000 kN 時(shí)加載框的受力情況。

圖4 加載框受力分析應(yīng)力圖

2.2 拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除對(duì)現(xiàn)有加載框架進(jìn)行上述改制之外，還需設(shè)計(jì)一套拉桿式加載結(jié)構(gòu)。單組拉桿結(jié)構(gòu)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(tái)上。

圖5 拉桿加載示意圖

15 組拉桿沿管片環(huán)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(tái)均位于原環(huán)形加載框內(nèi)部，改制后的環(huán)形加載框以及新制的拉桿系統(tǒng)組合整體如圖 6 所示。

圖6 環(huán)形框架及中心拉桿組合式試驗(yàn)平臺(tái)

拉桿系統(tǒng)中 C形梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，要在盡量小的空間內(nèi)為油缸提供加載反力支撐，同時(shí) C形梁自身不能有應(yīng)力破壞以及大的變形。在軟件中對(duì)該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和優(yōu)化，最終確定結(jié)構(gòu)形式由油缸外置式改為內(nèi)置式，普通扁擔(dān)式改為 C形梁式。對(duì) C形梁進(jìn)行有限元計(jì)算分析，圖 7 和圖 8 分別為有限元網(wǎng)格劃分與加載以及最后受力情況應(yīng)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(yīng)力集中部位在焊接制作過程中適當(dāng)加強(qiáng)即可。

圖7 C形梁網(wǎng)格劃分及加載

圖8 C形梁應(yīng)力分布

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

由于試驗(yàn)載荷巨大，在實(shí)施中采用計(jì)算機(jī)控制分級(jí)加載，每級(jí)加載穩(wěn)定一定時(shí)間之后再進(jìn)行下一級(jí)加載，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采集與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按輸入與輸出來分，包括試驗(yàn)加載參數(shù)數(shù)據(jù)與管片受力與變形數(shù)據(jù)。

3.1 試驗(yàn)加載參數(shù)監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)加載參數(shù)主要包括各點(diǎn)加載力，通過液壓電控系統(tǒng)分級(jí)控制各加載點(diǎn)的千斤頂油壓，從而控制各點(diǎn)的加載力。

3.2 管片數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

管片的受力以及變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要包括以下 5 點(diǎn)。

（1）管片主筋應(yīng)力：在試驗(yàn)管片澆筑前在其主筋上設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)，用來測(cè)量其主筋受力。

（2）管片表面應(yīng)力：在試驗(yàn)管片內(nèi)外弧表面張貼應(yīng)變片以測(cè)量管片混凝土表面受力。

（3）管片接縫張角：在試驗(yàn)管片接縫處設(shè)置位移計(jì)，用來測(cè)量管片環(huán)間及環(huán)向接縫處張角位移。

（4）整環(huán)管片收斂變形：通過在管片環(huán)向布置激光傳感器來測(cè)量各加載點(diǎn)處管片的實(shí)際位移，綜合分析管片的整體變形情況。

（5）其他試驗(yàn)情況監(jiān)測(cè)：在試驗(yàn)多個(gè)角度布置高清攝像機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并錄制試驗(yàn)實(shí)施情況，減少人員靠近的危險(xiǎn)性。

4 管片性能試驗(yàn)

三環(huán)管片性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載平臺(tái)安裝的軸向拉桿采用分段加工，并將左右螺紋及螺母套接起來。管片大載荷試驗(yàn)平臺(tái)搭制完成之后，分別進(jìn)行了單環(huán)和三環(huán)的加載試驗(yàn)，并通過各點(diǎn)載荷的變化，分別模擬了隧道在不同埋深、不同蓄水高度以及施工注漿過程等工況。

圖9 為整環(huán)管片通過環(huán)形加載框和中心拉桿共同加載的示意圖。在完成三環(huán)極限載荷工況試驗(yàn)后，管片表面出現(xiàn)破壞裂紋，試驗(yàn)加載框架未發(fā)生大的變形或失效。

圖9 試驗(yàn)加載示意圖

試驗(yàn)過程中采集了每個(gè)分區(qū)的設(shè)定壓力和實(shí)際壓力，取其中一個(gè)分區(qū)某段時(shí)間，結(jié)果見圖 10 所示。設(shè)定值直線為加載設(shè)定值曲線，實(shí)際值為實(shí)際加載值曲線。

圖10 試驗(yàn)加載壓力曲線

5 結(jié) 語

盾構(gòu)管片大載荷試驗(yàn)加載平臺(tái)在蘇州河段深層排水調(diào)蓄隧道管片試驗(yàn)中成功應(yīng)用，其超大載荷的施加試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程應(yīng)用中尚屬先例。隨著超大直徑以及超深埋盾構(gòu)法隧道的推廣，環(huán)形加載框與中心對(duì)拉桿的組合式加載平臺(tái)或能繼續(xù)發(fā)揮更多作用。