站立式管片试验平台研制与应用

庄欠伟（1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.上海盾构设计试验研究中心有限公司，上海 200137)

1 大断面矩形盾构隧道管片试验

在我国部分特大城市核心区和旧城区，随着城市地下空间的逐步开发，可利用的地下空间已经越来越少，而由施工引发的对周围环境的影响已经成为亟待解决的问题。

通常盾构法隧道的断面形状为圆形，易于实现全断面切削和相对合理的结构受力体系，但同时也存在着空间利用率低、地下空间占用大等不足。以矩形隧道为代表的异形隧道相比常规圆形隧道，其合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积，降低了工程造价；同时能充分利用结构断面，提高有效面积的使用率[1]。对大断面矩形盾构技术的研究，是矩形断面盾构技术的一种崭新尝试，其中对于盾构管片的设计是矩形断面盾构技术研究中的重中之重。大断面矩形盾构管片试验对初步设计完成的管片进行结构加载试验，为其提供试验数据支持及指导性意见[2]。

鉴于国内尚无大断面矩形盾构隧道衬砌结构应用实例，相关设计计算理论也不完善，因此有必要通过结构试验研究掌握矩形衬砌结构的极限承载力，了解结构的薄弱部位和影响结构承载力的主要因素，以确定结构正常使用和结构安全的界限状态。但是，目前国内大型隧道管片试验均为平放式试验，不能模拟管片自重对其结构受力性能的影响，而在隧道埋深较浅的情况下，由于顶覆土压力较小，所以管片自重对其结构受力影响是不能忽略的[3]。因此，可以考虑将管片竖起来进行加载试验。本文介绍设计研制站立式管片加载试验平台的方法以及试验验证结果。

2 站立式管片加载试验框架结构设计

在站立式管片试验时，考虑到管片自重及上下部土压不等，需要对管片进行非对称加载。为此，提出管片试验平台的非对称全方位加载这一概念[4]。站立式管片试验平台整体放置效果如图1所示。

图1 试验平台整体放置效果图

试验平台根据矩形管片形状，设计外加载框架；将管片放置在框架内部，管片和框架中间设置液压缸；利用液压缸试验对管片进行加载。

试验平台通过添加纵向加载油缸，对多环拼装的管片结构施加纵向轴力，模拟盾构管片环间作用力，如图2所示。图2 为图1 中 A-A 局部剖面图。

图2 纵向加载油缸示意图

该管片试验平台由上主框、下主框、主框连接块、拉杆以及油缸角度调整垫块组成，其构造如图3所示。

图3 试验平台构造示意图

加载油缸可通过添加角度调整垫块的方式，满足不同曲率半径的管片的试验要求；通过调整连接框架的长度及安装位置，可以进行不同尺寸及不同比例的异形管片试验。本次试验时将主框连接块安装于主框的左右两侧，最终试验装置长13.7 m、高11.0 m、宽3.8 m。试验采用的管片长10.7 m、宽8.2 m，单环宽度1.2 m；试验采用一个整环加两个半环结构，三环总环宽2.4 m。

3 加载系统设计

常规的管片试验均为水平放置。水平放置的管片试验在面对此类隧道管片结构时，其荷载的力学简化具有一定的局限性，无法考虑管片实际受力状态（自重边界条件），只能从结构力学上接近。圆形管片试验在不考虑重力作用时一般均为对称加载，而在站立式管片试验时，考虑到管片自重及上下部土压不等，需要对管片进行非对称加载。为此，提出管片试验平台的非对称全方位加载这一概念。

该系统在进行荷载施加时，采用不同的阀块对各方向油缸进行荷载控制，各个加载力之间无须保持对称关系，只需满足各方向的施加荷载其合力为零即可。

本次试验将油缸分为11个分区共计22组，每组4只油缸。11个分区分别由11个阀块进行油压控制。分区的布置图如图3所示。

图3 试验加载分区布置图

4 闭环压力控制系统

根据试验荷载加载要求，采用电磁阀（执行部件）控制液压缸进行加载，在液压缸（被控对象）上设置压力传感器（检测元件），将检测信号与设定信号对比，计算出偏差，控制器根据偏差再调整执行部件。

本系统的过程控制采用闭环控制模式。通常闭环控制系统由控制器、执行部件、被控对象以及反馈检测元件几部分组成。其基本原理框图如4所示。

图4 基本原理图

在闭环控制系统中，控制器是系统的核心，其控制算法决定了系统的控制特性和控制效果，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。PID 控制器是一种线性控制器，根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t），即：e（t）= r（t）－c（t），将偏差e（t）的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。

本次液压闭环控制系统采用了 PLC，组成了控制精度高、响应速度快的电液比例闭环控制系统，其中 PID 控制算法在程序中实现，灵活性高，成本低。

5 平台荷载性能设计验证

根据隧道管片设计极限破坏荷载，对加载装置设计方案进行有限元计算，分析其在极限工况加载情况下的受力情况。极限工况下，每环对应 2 个千斤顶，每组 4 个千斤顶，考虑 1.5 倍的安全系数，实际模型中每个千斤顶作用力如表1所示。

表1 荷载加载表kN

利用 Solidworks Simulation 软件对站立式加载试验框进行建模和有限元计算，分析钢结构各部件受力情况。有限元计算结果显示最大应力为 190 MPa，材料允许应力为 235 MPa，最大变形量 5 mm，满足试验加载要求。

利用该平台对矩形管片进行加载试验。试验过程中采集了每个分区的加载压力设定值和实际值，其中 8号分区加载压力设定值与实际值对比结果如图5所示。设定值为加载设定值曲线，实际值为加载实际值曲线。通过图5 可以看出，液压闭环压力控制系统可以很好地完成闭环控制，试验压力实际值在设定值附近波动，最终趋于设定值。

图5 8号分区加载压力设定值与实际值对比图

试验中不仅对液压系统进行压力检测，还通过放置传感器对管片钢结构的受力情况进行了监测。其中 K 17 测点的监测结果与有限元计算结果对比如图6所示。图6 中 3 个粗点为有限元计算荷载值。曲线为该点传感器监测载荷曲线。对比显示，有限元计算荷载值与监测值较好吻合。

图6 K 17 测点监测值与计算值对比图

6 结 语

该平台研制后完成了矩形管片极限工况的三环试验。通过试验验证该平台可以满足站立式管片加载试验需求。试验过程中，平台的加载控制系统稳定可靠，加载荷载误差在允许范围内，加载框架变形与理论值基本吻合。

目前国内大型隧道管片试验均为平放式试验，其不能模拟管片自重对其结构受力性能的影响，而在隧道埋深较浅的情况下，由于顶覆土压力较小，所以管片自重对其结构受力影响是不能忽略的。从上述试验验证结果来看，将管片竖起来进行加载试验是解决这一问题的较好方法，可供国内大断面矩形盾构隧道管片试验借鉴。