(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

盾構法施工是目前隧道建設廣泛應用的技術之一[1]。管片作為盾構施工隧道襯砌的受力主體，承受多種載荷，包括水、土壓力以及推進油缸的推進反力等，因此需要有較好的力學性能[2]。管片結構一定程度上依賴于整環(huán)力學性能試驗而進行設計優(yōu)化，管片的力學性能試驗成為一項不可或缺的工作。

目前國內學者已對圓形隧道管片力學性能試驗臺做了大量設計研究工作。孫百鋒等[3-5]基于斜井隧道管片設計了集加載系統(tǒng)和數據采集系統(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，利用無粘結鋼絞線施加環(huán)箍力模擬水壓力，并通過現場試驗證明其有效性。王瑞娜等[6]采用組合桁架結構形式設計了管片力學性能加載裝置，可滿足變徑與重復拆卸等要求。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，結構簡單可靠。

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

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量影響，僅能從結構力學角度接近管片環(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，市政基礎建設逐漸由地上轉至地下[13]，微型盾構施工技術發(fā)展迅速，迫切需要對微型隧道管片的力學性能進行測試研究。在此基礎上，本文立足于微型隧道管片，設計并制造了力學性能試驗臺，設計了載荷模擬方案，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，并設計了數據采集系統(tǒng)，可采集應變、位移、環(huán)箍力、集中力等數據。

1 總體方案設計

如圖1所示為微型隧道管片力學性能試驗臺，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，結構簡單可靠。試驗臺設有3種加載裝置，可實現水平、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構，可臥可立，故可實現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較小的管片；立式加壓適用于埋深較深且自重效應較小的管片[12]。此外，可實現單環(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 試驗臺結構圖

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)產生均布環(huán)箍力。設單環(huán)管片所受環(huán)箍力為F。環(huán)箍力F與水頭H的關系為

(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。

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)設計

基于以上功能要求，設計試驗臺液壓系統(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，低壓泵驅動液壓油缸快進；高壓溢流閥13控制系統(tǒng)最高壓力為25 MPa，高壓泵驅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可無級調節(jié)液壓油缸施加載荷。液控單向閥22和蓄能器25實現保壓功能，當油液壓力低于設定下限，高壓泵工作補油。

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內電磁球閥17不得電，確保電機8無負載啟動，驅動雙聯泵6工作。10 s后電磁球閥17得電，電磁換向閥23左位得電，雙聯泵驅動水平加載油缸26快進。當油缸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保證加載力達到設定值。當達到設定值時，壓力傳感器24發(fā)送電流信號，電機停止工作，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8頻繁啟停。當加載壓力低于設定下限值，電機8工作，高壓泵啟動，為液壓系統(tǒng)補壓。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進行壓力控制，可減少其閥芯開閉次數，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無級調壓功能，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)設計參數。

表2 液壓系統(tǒng)設計參數

環(huán)箍加載油缸通過拉力實現對管片的環(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。

當工作壓力P>7 MPa時，活塞桿直徑取為

d1=0.7D1

(7)

聯立式(6)、式(7)，得D1=173.2 mm，d1=121.2 mm。取標準值，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，取標準值D2=160 mm。選擇速比為2，則桿徑取標準值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行液壓參數計算，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)下雙聯泵啟動，驅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)可確定雙聯泵輸出流量

Qp≥K(∑Qmax)=KQ

(9)

式中，∑Qmax為 4個油缸同時推進時的最大流量；K為泄露系數，取1.1。

因此，雙聯泵的輸出流量為Qp≥1.1×6.43=7.07 L/min。

設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，電機所需功率為1.11 kW。低壓狀態(tài)所需的電機功率高于高壓狀態(tài)，所以系統(tǒng)電機選1.11 kW，取標準值為1.5 kW。

4 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)所采集的數據包括應變、位移、環(huán)箍力、水平集中力、垂直集中力5部分。系統(tǒng)總體架構及觸摸顯示屏主界面分別如圖5、圖6所示。

管片力學性能試驗中，應變片粘貼在管片內表面，其電阻隨著管片受力變形，按照一定比例關系變化，經過應變儀即可得到應變值。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，經換算即可得當前加載力。所有數據經AD模塊轉換為數字量傳輸至PLC，可被觸摸顯示屏調取并直觀顯示，且可傳輸至工控機進行數據分析。

圖5 數據采集系統(tǒng)框架圖

圖6 觸摸顯示屏主界面圖

5 結論

(1)設計并制造了微型隧道管片力學性能試驗臺。給出載荷模擬方案。設計試驗臺液壓系統(tǒng)，分析了功能要求、工作原理及計算選型。設計試驗臺數據采集系統(tǒng)，可采集微型隧道管片加載過程中的受力及變形數據，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計，可對外徑為0.9～1.2 m的管片進行力學性能試驗，且考慮管片埋深及自身重力效應影響，可選擇臥式或立式試驗。

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