微型隧道管片力学性能试验台设计与研究

2019-06-25

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2019年2期

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043)

盾构法施工是目前隧道建设广泛应用的技术之一[1]。管片作为盾构施工隧道衬砌的受力主体，承受多种载荷，包括水、土压力以及推进油缸的推进反力等，因此需要有较好的力学性能[2]。管片结构一定程度上依赖于整环力学性能试验而进行设计优化，管片的力学性能试验成为一项不可或缺的工作。

目前国内学者已对圆形隧道管片力学性能试验台做了大量设计研究工作。孙百锋等[3-5]基于斜井隧道管片设计了集加载系统和数据采集系统于一体的试验台，该平台利用贝雷架及液压油缸施加集中载荷模拟土压力，利用无粘结钢绞线施加环箍力模拟水压力，并通过现场试验证明其有效性。王瑞娜等[6]采用组合桁架结构形式设计了管片力学性能加载装置，可满足变径与重复拆卸等要求。张晓光[7]在小直径隧道管片的抗弯承载试验中采用了简支梁对称加载装置，该装置由压力表、液压油缸和试验架等组成，结构简单可靠。

后超等[8]设计了管片抗弯性能试验装置，并基于.NET框架研发了数据采集软件，可实现高精度的数据采集。何川等[9-11]针对大断面水下隧道管片结构特点，提出了原型试验加载方案，并设计出一套多功能加载试验系统，既可进行管片加载试验，又可进行管片接头力学试验。

上述研究对象多为外径约6 m的大直径管片环，且未考虑管片自身质量影响，仅能从结构力学角度接近管片环实际受力状态[12]，无法满足浅埋深管片的实验要求，具有一定局限性。近年来，市政基础建设逐渐由地上转至地下[13]，微型盾构施工技术发展迅速，迫切需要对微型隧道管片的力学性能进行测试研究。在此基础上，本文立足于微型隧道管片，设计并制造了力学性能试验台，设计了载荷模拟方案，分析了试验台液压系统的功能特性、工作原理及计算选型，并设计了数据采集系统，可采集应变、位移、环箍力、集中力等数据。

1 总体方案设计

如图1所示为微型隧道管片力学性能试验台，由反力架、液压油缸、推力板、支撑板、环箍套及钢绞线等组成。反力架由槽钢拼接而成，结构简单可靠。试验台设有3种加载装置，可实现水平、垂直及环箍加压。水平、垂直加压装置一端由液压油缸施加压力，另一端为旋动伸缩式支撑板，配合完成加载试验。如图2所示为旋动式伸缩支撑板。环箍加压装置由液压油缸配合环箍套、钢绞线完成环箍加载试验。

试验台反力架为正方体钢结构，可卧可立，故可实现管片卧式加压与立式加压。立式加压模式如图1所示，适用于埋深较深且自重效应较小的管片；立式加压适用于埋深较深且自重效应较小的管片[12]。此外，可实现单环或多环管片加压试验。试验台可兼容多种尺寸管片，适用范围为外径0.9 ～1.2 m的微型隧道管片。

图1 试验台结构图

图2 旋动式伸缩支撑板实物图

2 载荷模拟方案

图3 载荷模式示意图

如图3所示为隧道管片受力示意图[3]，图中PW为水压，P为垂直土压，q为水平土压，Pk为地层抗力。

为模拟隧道管片实际受力情况，环箍加载油缸配合环箍套及钢绞线对管片施加环箍力模拟水压力，水平加载油缸和垂直加载油缸施加集中力模拟地层抗力和土压力。

对于水压模拟试验，钢绞线紧箍于环箍套周围，环箍加载油缸拉拽钢绞线，对管片环产生均布环箍力。设单环管片所受环箍力为F。环箍力F与水头H的关系为

(1)

式中，γ为水的容重；b为管片宽度；R为管片外径；n为试验管片环数。

对于土压模拟试验，分别由水平加载油缸和垂直加载油缸施加载荷，模拟隧道管片所受水平土压和垂直土压。对于垂向载荷，略去剪力及轴力的高阶影响，将其视为均质圆环，若以变形等效，有[9-10]

UyA=UyB

(2)

(3)

(4)

式中，UyA、MA分别为管片受垂直土压P而产生的变形量和弯矩；UyB、MB为管片受垂直加载油缸施加载荷P1而产生的变形量和弯矩。水平土压试验方法亦同。

对于地层抗力模拟试验，由水平加载油缸施加载荷，模拟隧道管片所受地层抗力，有[9-10]

(5)

式中，P2为水平加载油缸所施加载荷。

3 液压系统设计

3.1 液压系统功能要求

如表1所示，为试验台液压系统功能要求。

表1 液压系统功能要求

3.2 液压系统设计

基于以上功能要求，设计试验台液压系统。如图4所示，为试验台液压系统原理图。低压溢流阀11控制系统最高压力为6 MPa，低压泵驱动液压油缸快进；高压溢流阀13控制系统最高压力为25 MPa，高压泵驱动液压油缸施加载荷。3个电磁换向阀23分别控制3组液压油缸伸缩。减压阀20配合比例电磁溢流阀21可无级调节液压油缸施加载荷。液控单向阀22和蓄能器25实现保压功能，当油液压力低于设定下限，高压泵工作补油。

图4 液压系统原理图

对于地层抗力模拟试验，水平加载油缸26工作。系统启动10 s内电磁球阀17不得电，确保电机8无负载启动，驱动双联泵6工作。10 s后电磁球阀17得电，电磁换向阀23左位得电，双联泵驱动水平加载油缸26快进。当油缸26带动推力板接触管片环试件，系统压力逐渐上升到6 MPa，低压溢流阀13阀芯打开，低压泵输出油液直接流回油箱1。此时高压泵驱动水平加载油缸26施压，高压溢流阀13控制系统压力不高于25 MPa。减压阀20和比例电磁溢流阀21保证加载力达到设定值。当达到设定值时，压力传感器24发送电流信号，电机停止工作，液控单向阀22锁紧油缸，液压系统自动保压，蓄能器25可提高单次保压时间，避免电机8频繁启停。当加载压力低于设定下限值，电机8工作，高压泵启动，为液压系统补压。土压、水压模拟试验液压系统工作原理与地层抗力模拟试验基本相同。

基于节能环保原则，利用高压溢流阀13的控制油路对低压溢流阀11进行压力控制，可减少其阀芯开闭次数，降低发热量，减少能量损失，且可降低流体噪声。选用减压阀20和比例电磁溢流阀21代替比例电磁减压阀实现无级调压功能，可提高压力控制精度，提高载荷稳定性。

3.3 计算与选型

表2所示为液压系统设计参数。

表2 液压系统设计参数

环箍加载油缸通过拉力实现对管片的环箍作用。单个液压油缸拉力F1为300 kN，因此液压缸的缸径为

(6)

式中，P为液压系统的工作压力，取25 MPa。

当工作压力P>7 MPa时，活塞杆直径取为

d1=0.7D1

(7)

联立式(6)、式(7)，得D1=173.2 mm，d1=121.2 mm。取标准值，D1=180 mm，d1=125 mm。

单个水平或垂直加载油缸的推力F2为500 kN，因此液压缸的缸径为159.6 mm，取标准值D2=160 mm。选择速比为2，则杆径取标准值d2=110 mm。

由于土压模拟试验中4根液压油缸同时工作，而水压模拟试验和地层抗力模拟试验均为2个液压油缸工作。因此基于土压模拟试验进行液压参数计算，满足其试验要求的选型元件，亦满足其它试验要求。低压状态下双联泵启动，驱动液压油缸快速伸出接触管片环。液压油缸最大伸出速度为v=80 mm/min，则4个液压油缸同时动作所需要的流量Q为

Q=nvs

(8)

由式(8)可确定双联泵输出流量

Qp≥K(∑Qmax)=KQ

(9)

式中，∑Qmax为 4个油缸同时推进时的最大流量；K为泄露系数，取1.1。

因此，双联泵的输出流量为Qp≥1.1×6.43=7.07 L/min。

设定高压泵输出流量为1.5 L/min。所以低压泵输出的流量为：Qp1=Qp-Qp2=7.07-1.5=5.57 L/min。

在高压状态下，只有高压泵工作，驱动液压油缸施加静载荷。

液压油缸工作压力P为25 MPa，所以液压泵工作压力为

Pp2≥P+∑ΔP

(10)

式中，P为推进液压油缸最高工作压力，取25 MPa；∑ΔP为泵到执行元件间的总管路损失，取2 MPa。

所以泵的工作压力为Pp2=25+2=27 MPa。

由于高压加载状态下，低压泵输出的液压油直接流回油箱，只有高压泵工作，电机的功率为1.06 kW，而低压状态下是由高低压组合泵同时供油，电机所需功率为1.11 kW。低压状态所需的电机功率高于高压状态，所以系统电机选1.11 kW，取标准值为1.5 kW。

4 数据采集系统

数据采集系统所采集的数据包括应变、位移、环箍力、水平集中力、垂直集中力5部分。系统总体架构及触摸显示屏主界面分别如图5、图6所示。

管片力学性能试验中，应变片粘贴在管片内表面，其电阻随着管片受力变形，按照一定比例关系变化，经过应变仪即可得到应变值。位移传感器可测量管片变形量。环箍加载油缸、水平加载油缸及垂直加载油缸均配有压力传感器，可实时测得油液压力，经换算即可得当前加载力。所有数据经AD模块转换为数字量传输至PLC，可被触摸显示屏调取并直观显示，且可传输至工控机进行数据分析。