大型盾构隧道建设前或新型盾构隧道结构研发后, 原型整环管片结构试验^[1,2]成为检验隧道结构稳定性和优化结构设计必不可少的研究手段。由于其克服室内模型试验^[3]的缩尺效应, 实现单块管片和接头力学加载试验^[4]无法达到的结构整体性, 可多工况模拟管片结构在不同拼装方式、不同水文地质条件、不同受力模式下的受力状态, 相比于现场测试^[5]更具多面性、可重复操作性和灵活性。

原型管片结构试验应尽可能地呈现管片结构位于实际地层条件时的多种常规受力状态及极限破坏状态^[6], 故为保证试验正常进行, 须对试验加载装置进行专门设计。试验装置须达到一定强度以满足试验最大荷载量的同时保证足够的安全储备, 也应达到一定刚度, 以确保加载装置的形变能控制在一定范围内, 从而获取试件在极限状态下的力学性能。另外, 试验加载装置设计应符合管片结构的边界条件、变形条件及支承方式^[7]。最终, 试验装置应构造简单、用材经济。

由于盾构管片存在自重大、拼装精度要求高、拼装安全风险大等原因, 国内外关于盾构管片结构的原型试验都基于平躺式^[8,9], 但平躺式盾构管片力学加载试验无法考虑实际管片拼装误差和管片自重对管片结构内力和形变的影响^[10]。异形盾构隧道断面有类矩形也有类圆形, 未来主要应用于地铁车站和出入场线、城市下立交、公铁隧道等浅覆土工程。前期大量数值计算已证明自重对异形盾构管片结构内力和形变的重要影响。因此, 寻找一种既满足拼装精度又安全高效的站立式盾构管片拼装方法对研究错缝拼装条件下异形盾构衬砌结构力学特征和形变规律显得尤为重要。

本文介绍异形盾构管片结构试验装置和拼装方法, 并通过对试验结果的分析, 证明站立式试验方法的科学性, 为未来站立式管片结构试验提供可借鉴的操作方法。

异形盾构管片基于上海④淤泥质黏土地层 (覆土10m) 运营阶段设计。如图 1所示, 整环管片宽10.7 m、高8.2 m, 管片幅宽1.2 m、厚0.5 m, 共6分块 (1块封顶块F, 2块邻接块L1, L2, 3块标准块B1, B2, B3) , 采用错缝拼装形式。

本次试验将三环异形盾构管片 (即前、后两半环和1个中间整环) 错缝拼装后置于可重构式钢结构加载反力架中。沿断面中轴线对称的22组千斤顶加载点 (每组4台千斤顶, 半环1台, 整环2台, 共88台千斤顶) 环向分布于管片结构外弧面, 并采用PLC液压控制系统通过11个油路精确施加模拟地层荷载值。管片底部铺设8组颗粒型弹性橡胶支座用以模拟土体与结构之间的相互作用, 并可平衡结构外力。30组纵向夹紧装置均匀环向分布于管片结构端面, 模拟管片纵向荷载 (每组夹紧力为500kN) 且确保三环管片的整体稳定性。

如图 2所示, 由上框体、下框体、框体连接块、拉杆以及千斤顶角度调整垫块等组成的钢结构加载框架沿盾构管片的外壁轮廓封闭围合。下框体的底部形成平面, 以供框体竖向放置。该装置长13.7m、高11m、宽3m, 总用钢量150t。为使结构受力合理、钢材用量经济, 不同构件采用不同型钢。其中, 主框架及主要连杆采用700×300×13×24H型钢, 外框架采用I50b, 拉杆采用I40a, 横向拉杆连接处连杆采用I390×200×15×20, 其余连杆及加腋杆采用I340×300×15×20, 加肋板为20mm厚钢板。

为确定此框架结构安全性, 根据预测的异形盾构管片极限覆土埋深 (17m) , 采用2.0倍安全系数 (即每个加载点荷载为2倍的极限覆土荷载) 将地层反力施加于钢架作用点位置, 通过MIDAS GTS NX建立有限元模型进行计算, 得出钢框架最大位移量 (6.08mm) 位于结构两腰处, 满足试验要求 (见图3) 。

管片站立式拼装过程中, 为确保管片结构真圆度以及作为临时支撑确保管片稳定, 特设计管片支撑架, 采用15号方管 (壁厚16mm) 进行一次性整体焊接, 共2 376.18kg, 详细尺寸如图 4所示。

管片结构内尺寸为9.7m×7.2m, 支撑架宽和高都分别相对减小26mm和73mm, 目的是为橡胶垫块预留一定空间, 避免拼装过程中管片与钢支撑架之间刚性接触。

由于单块管片自重较大 (约10t) , 没有程序化的设计和机械手辅助且管片结构前后处于悬空状态, 使得站立式异形盾构管片拼装相较于传统盾构拼装机管片拼装难度大很多。鉴于此, 在进行管片起吊前, 在AutoCAD软件中先计算获得各块管片形心坐标以及每块管片起吊用吊缆的长度R₁和R₂ (见图 5) , 使起吊后的管片初步呈拼装姿态, 线缆长度如表1所示。

钢加载框架和管片拼装流程如下。

1) 为获得较平整试验场地, 需对原厂区试验范围地面找平, 并铺设3cm厚钢板, 并在钢结构加载框架底部一定范围内铺1层5cm厚干砂。

2) 安装完下框架后, 定位安装用于支承橡胶支座的8个支梁, 并随即铺设橡胶支座。

3) 在下框架上找出框架竖向对称轴, 并通过AutoCAD软件在设计图纸上定位出中间整环B2块与下框架轴对称位置对应处, 随即安装中间整环和前、后环的B2块。

4) 根据事先计算好的吊缆长度起吊并运送中间整环B3块至框架范围, 使其一端与中间整环B2块初步相连, 另一端在未松吊缆情况下通过多次调节背靠千斤顶的伸出量并测量两块管片相应环向手孔间距离 (丈量弦长) 至设计长度, 使B3块最终确定拼装位置, 预紧环向螺栓至设计值。

5) 为防止管片结构失稳, 管片拼装顺序应为一左一右。根据步骤4) 陆续完成管片中间整环B1块、前环B3块及后环B3块、后环B1块安装。

6) 用20t起重机将管片支撑架吊至指定位置, 内支撑架的一面用[20与外框架焊接, 防止管片支撑架倾倒。

7) 安装前环B1块。

8) 由于管片顶部距离厂房屋顶的空间不足以起重机运行, 因此采用25t汽车式起重机将中间整环L1块吊至框架内。先使其一端与B1块初步相连, 调节支撑架角点处橡胶垫块的厚度和管片外弧面千斤顶伸出量, 使两者分别与L1块内、外接触, 内、外弧面的夹持可保证L1块稳定。按照同样的方法完成中间整环L2块拼装。需要说明的是, 中间环L1和L2应稍靠向千斤顶一侧, 两者呈略微张开状, 以备中间整环F块插入。

9) 拼装中间环F块。至此, 中间整环完成闭合, 管片结构整体趋于稳定。

10) 陆续拼装后环L1和L2块、前环L1和L2块、后环F块和前环F块。三环管片拼装结束, 并重新校核环、纵向螺栓预紧力。

11) 安装纵向加紧装置。

12) 打开车间顶棚, 通过200t汽车式起重机分别将上框架的左、右2部分吊至指定位置, 完成钢架环向闭合。

拆除内支撑时, 须先切割支撑架顶部三角顶点一小部分, 使支撑架整体可吊离管片内弧面至少50mm距离。如图6所示, 将1根焊有吊耳1、吊耳2和吊耳3 (吊耳承载力150kN) 的H型钢扁担梁 (规格为 428mm×407mm×20mm×3mm, 长6m) 穿过支撑架, 使之位于支撑架对称中心所在竖直方向。吊耳1连接起重机, 吊耳2连接固定于钢框架的手拉葫芦, 用起重机和手拉葫芦多次起吊支撑架使之离开管片内壁一定距离, 确保支撑架平衡。

将手拉葫芦上吊钩挂于吊耳3, 下吊钩勾住内支撑上对称于扁担梁的吊耳4和吊耳5连线的中点。抬起内支撑使之离地40mm左右, 拽动手动链条, 使内支撑沿着扁担梁慢慢滑出管片结构。安装钢框架的前后端面拉杆后, 异形盾构管片力学试验装置拼装完成。

自重状态和设计覆土条件下管片结构弯矩和形变如图7和图8所示。

如图7所示, 管片结构由于环向接头的存在使弯矩分布非轴对称。设计状态下, 管片顶板和底板承受正弯矩, 最大正弯矩位于管片拱顶中间位置;管片两侧承受负弯矩, 最大负弯矩位于管片右拱肩靠下侧。4个零弯矩分布在拱肩和拱脚靠竖向对称轴位置。与正矩形管片相比, 异形盾构管片变弧度设计大大减小4个拐角处的应力集中, 提高管片承载力。与设计状态不同的是, 自重状态下, 管片最大负弯矩位于左拱腰处, 4个零弯矩正好位于拱肩和拱脚位置。

管片结构自重45t, 占10m埋深时管片上覆水土压力 (2 020kN) 的22.28%, 其自重状态下的最大正弯矩 (99.52kN·m) 占覆土10m (631.73kN·m) 的15.75%。当覆土降至3m时, 管片自重占上覆水土压力 (968.8kN) 的比例增至46.45%, 最大正弯矩占覆土3m最大正弯矩 (232.21kN·m) 的比例为42.86%。比例之高充分说明浅覆土条件下自重对管片结构内力的重要影响。

管片整体呈竖向闭合、水平向张开的“横鸭蛋”形形变特征 (见图8) 。分别选取竖直和水平对称轴位置管片结构相对位移量作为异形管片竖向闭合量和水平向张开量。自重状态下, 异形管片竖向闭合量 (9.17mm) 占覆土10m (23.80mm) 的38.53%, 水平向张开量 (9.10mm) 占覆土10m (22.42mm) 的40.59%。自重引起的结构形变所占比例之大进一步证明异形盾构管片站立式试验方法的科学性和必要性。

自重状态下的管片结构响应数据在以往管片试验案例中皆未获得, 自重状态下异形盾构管片结构响应数据如图9所示。

如图9所示, 异形管片最大混凝土拉应变为97.86με, 位于管片拱顶内弧面, 最大混凝土压应变 (-41.27με) 位于右拱肩靠竖向对称轴位置外弧面;最大主筋拉应变为81.51με, 位于管片拱底内弧面处, 最大主筋压应变则为-68.65με, 位于管片拱底外弧面靠左拱脚处;最大环向螺栓拉应变为137.24με, 位于管片顶板右侧螺栓孔;最大纵向螺 栓拉应变 (43.50με) 则位于管片水平对称轴左侧;最大块间错台量为0.71mm, 位于管片底板右侧纵向接缝处;最大纵向接缝张开量为0.80mm, 位于管片右侧纵向接缝外侧。

本文提出一种适用于异形盾构管片结构试验的加载框架设计方案, 并对框架安全性进行有限元验证。详述异形盾构管片力学试验框架和管片拼装流程以及钢支撑架的拆除方案, 为未来站立式原型管片结构试验提供可借鉴的操作方法。给出自重状态和覆土状态下异形管片结构内力和形变特征, 确定管片结构自重对异形管片内力和形变的重要影响, 证明异形盾构管片站立式试验方法的科学性。