CN111044375B - 一种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，包括控制室、油泵室、第一预埋矩形管、第二预埋矩形管和下沉井***；控制室和油泵室间隔着第一宽沟槽，控制室内设有第一电控柜和控制台，油泵室内设有伺服油泵和第二电控柜，电控柜与伺服油泵相连，油泵室下边连接管沟和第二宽沟槽，控制室和油泵室与下沉井***之间分别设有第一预埋矩形管和第二预埋矩形管；伺服油泵包括油箱，油箱包括油泵和滤芯，且油箱布置有油箱盖板支架网。本发明的有益效果是：本发明反力井整体***属于大型足尺试验，对研究盾构隧道管片在不同工况下的抗压、防渗能力具有十分重要的意义。且该试验方法将管片放置在井内，大大提高了试验的安全性。

Description

一种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置及方法

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道管片结构试验加载装置，适用于管片模型试验的加载，尤其是对大型足尺试验管片结构试验加载特别适用。

背景技术

随着我国经济建设的快速发展和城市化水平的不断提高，城市地铁隧道项目得到大规模的开发和利用。在既有地铁盾构隧道附近不可避免地要进行各种工程建设，引发了新的工程问题，严重时将导致既有盾构隧道结构纵向出现大范围不均匀变形，横向产生收敛变形，隧道接缝张开、螺栓断裂、接缝渗漏水、接头部位损坏、管片开裂等现象，甚至造成隧道结构发生破坏。原型整环管片结构试验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的缩尺效应，实现单块管片和接头力学加载试验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，相比于现场测试更具多面性、可重复操作性和灵活性。然而现有研究大多局限于理论计算、数值分析和缩尺寸模型试验，缺乏足尺寸试验验证，并且在运营地铁隧道内也无法进行承载力方面的现场试验。

在以往研究中，许多学者也做出相应的研究，目前主要为单环和多环足尺试验加载。单环加载的优点是试件变形大，效果明显且有24个千斤顶加载点。但整个试验过程繁琐，所需时间较长；试验过程控制难度大，无法单独控制每个千斤顶的力，仅三组荷载。多环采用对拉梁提供径向对拉力，以对结构导入弯矩内力；每根对拉梁上设4孔，钢绞线从孔内穿越，一端锚固于对拉梁，另一端锚固于另一对拉梁上的千斤顶以实现张拉。环箍梁提供环向环箍力以导入轴力模拟水压；环箍梁也同样设有孔位，钢绞线绕管片环一圈后张拉端与固定端设在同一根环箍梁上。该方法可以研究错缝拼装下管片的力学性能。但其操作较复杂，两边对称力大小一样导致不能单独控制每一点千斤顶的加载力。且两种类型的试验均把管片放在地面上，试验安全性具有挑战性。

综上所述，目前对管片进行受力分析的大型足尺试验存在着或多或少的问题，无法精确地真实地再现盾构衬砌结构实际受力状态下的力学行为特征，亟需通过改进技术来进行解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置及方法。

这种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，包括控制室、油泵室、第一预埋矩形管、第二预埋矩形管和下沉井***；控制室和油泵室间隔着第一宽沟槽，控制室内设有第一电控柜和控制台，油泵室内设有伺服油泵和第二电控柜，电控柜与伺服油泵相连，油泵室下边连接管沟和第二宽沟槽，控制室和油泵室与下沉井***之间分别设有第一预埋矩形管和第二预埋矩形管；伺服油泵包括油箱，油箱包括油泵和滤芯，且油箱布置有油箱盖板支架网，油泵和滤芯通过管道相通；下沉井***包括反力井、管片、水平加载装置、竖向加载装置和辅助安装支架；水平加载装置设于反力井与管片之间，水平加载装置包括反力井连接板、T型槽、水平加载油缸、分配梁和加载滚子；反力井内壁安装有辅助安装支架，辅助安装支架包括爬梯、爬梯活板和撑杆；反力井上设有吊拉装置，吊拉装置连接水平加载油缸，吊拉装置包括油缸吊梁、导轨、吊梁滑车和手拉葫芦；竖向加载装置设于管片的上方，竖向加载装置包括竖向加载立柱、竖向加载横梁、油缸吊挂板、竖向加载油缸和地槽。

作为优选：第一宽沟槽的宽度为第二宽沟槽的一半。

作为优选：第一预埋矩形管的数量较第二预埋矩形管多，第二预埋矩形管和第一预埋矩形管的顶面与地面平齐，第一预埋矩形管和第二预埋矩形管的顶边分别伸进第一宽沟槽和第二宽沟槽进行切槽。

作为优选：控制室和油泵室分别通过第一预埋矩形管和第二预埋矩形管连接下沉井***，其中油泵室与第二预埋矩形管之间设置第二宽沟槽。

作为优选：伺服油泵包括回油过滤器、循环过滤泵组、伺服泵组、控制输出阀组和油箱。

作为优选：反力井连接板连接在反力井壁上，反力井连接板通过T型槽连接水平加载油缸；水平加载油缸前端设置分配梁；加载滚子通过槽孔与分配梁相连，加载滚子贴合管片。

作为优选：爬梯与爬梯活板之间活动连接，撑杆两端分别连接爬梯和爬梯活板，爬梯活板、撑杆与爬梯形成三角结构。

作为优选：反力井顶部固定有油缸吊梁，油缸吊梁下部设有导轨，导轨下部的吊梁滑车通过手拉葫芦连接水平加载油缸。

作为优选：竖向加载横梁连接在竖向加载立柱顶部，油缸吊挂板设在竖向加载横梁上，油缸吊挂板下部连接竖向加载油缸，竖向加载立柱底部固定在地槽内。

这种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置的试验方法，包括以下步骤：

1)预埋仪器：管片拼装前先预埋测试仪器，测试仪器包括钢筋应变计、高精度箔式应变片、混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器，之后将管片在反力井中进行拼装，拼装后在管片环内外贴上应变片以及相应测试仪器；钢筋应变计及高精度箔式应变片呈均均匀分布，其中钢筋应变计安装在内外主筋上，高精度箔式应变片分别分布在钢筋应变计所在高度的管片的内外弧面，两者沿着管片高度分三次布设，其中第一排和第三排布设在距管片外边缘处；混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器布设在钢筋应变计及高精度箔式应变片旁侧，混凝土内埋式应变传感器沿管片高度分两次布设，与钢筋应变计位于同一高度处，表面应变传感器分布在管片中线处，内外弧面均需要布设；

2)试验场地和管片拼装：将水平加载装置放置在反力井中，反力井周边布置锚板，水平加载装置主要由若干台水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各均匀布设若干台水平加载油缸；管片可以在反力井中进行通缝或错缝拼装，利用对应数量的千斤顶对地铁隧道结构施加***压力，来模拟隧道结构承受的真实水土压力，研究其受力变形性能；试验过程可任意单独控制每个千斤顶的力；

3)加载装置：根据试验室现场条件采用伺服油泵分别带动水平加载油缸，每个伺服油泵分别带动一个水平加载油缸；油泵可进行本地和远程控制，操作方便；根据所用作动器的数量不同，电液伺服加载***可作单通道、多通道伺服同步协调加载***；

4)算出隧道的初始围压，在研究周围基坑开挖卸载工况下对盾构隧道的影响；

5)加载方案：首先将荷载分成对应若干组，从0KN开始加载，加到每一点所对应的初始围压；加载至初始围压后，每组千斤顶开始进行卸载，卸载理论计算目标值的1/6；需要注意的是每组荷载进行加载时，每次停留5-20min(等到数值稳定再进行下一级加载)；

6)数据采集：根据高精度箔式应变片、混凝土内埋式应变传感器、表面应变传感器和钢筋应变计等仪器测出钢筋应力和混凝土应力；螺栓经过加工，在接缝面所对应位置开凹槽，槽内贴应变片测出螺栓应力；裂缝综合测试仪和无线远距离结构裂缝检测***测出纵缝张角并根据千斤顶移动的距离测出管片环位移；

7)预期结果：分析基坑侧壁应力释放系数β、基坑开挖对不同埋深的隧道以及基坑开挖对不同距离的旁侧隧道的影响；通过与理论分析和室内模型试验结果相对比，研究实际工程中基坑开挖对隧道造成的影响。

本发明的有益效果是：

1.试验方式的优化

现有研究大多局限于理论计算、数值模拟和缩尺寸模型试验，缺乏足尺寸试验验证，并且在运营地铁隧道内也无法进行承载力方面的试验。本发明反力井整体***属于大型足尺试验，对研究盾构隧道管片在不同工况下的抗压、防渗能力具有十分重要的意义。且该试验方法将管片放置在井内，大大提高了试验的安全性。

2.布置方式和加载点的优化

加载***由54台1600kN水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各18台水平加载油缸，相邻两个之间的角度为20°。相对于以往对单环的研究，本发明不仅可以对单环管片受力进行研究且同时可以研究三环管片力学性能。管片可以进行通缝或错缝拼装，利用该设备(54个千斤顶)对地铁隧道结构施加***压力，来模拟隧道结构承受的真实水土压力，研究其受力变形性能。试验过程可任意单独控制每个千斤顶的力，每环有18组荷载。可以研究偏载作用下盾构隧道管片的受力与变形，与真实情况更加相近。

3.加载功能的优化

通过采用千斤顶对隧道结构施加***压力，来模拟隧道结构承受的真实水土压力，研究其受力性能；该足尺试验可以进行非对称加载，可以进行三环错缝拼装，研究管片环之间的作用。同时测试不同围压下隧道结构的位移、混凝土应变、钢筋应力、裂缝、螺栓应力、渗透系数、湿度等数据，通过对试验数据的分析得到数据的变化规律和影响因素。

在反力井底部放置防水垫层，通过在隧道内部充满水，来模拟隧道承受的水压力，研究衬砌在不同工况下的防水性能及渗透性。

4.液压加载***的优化

油缸吊梁与手拉葫芦配合，主要用于吊装水平加载油缸，吊梁配置导轨，导轨位置任意可调，并可在任意位置固定。同时水平加载油缸增加反力井连接板，带T型槽结构，可实现水平加载油缸安装高度任意可调。连接板设有微调螺钉，确保加载点水平加载油缸加载方向水平指向反力井圆心，调整完成后可灌注结构胶永久定位；反力井连接板上设置T型槽，保证水平加载油缸高度任意可调，适用于对试件不同高度进行加载。反力井连接板采用整体铸钢结构，周边及槽内均进行机加工保证平整度。

水平加载油缸前端为活动铰板，可直接对试件进行加载，也可以通过分配梁加载。分配梁前端设有位置可调的两个加载滚子，单环18个加载点可实现36个点均布荷载。

水平加载装置上设置有位移传感器和荷载传感器，位移传感器测量水平加载油缸活塞杆的位移，荷载传感器测得伺服缸输出的荷载，辅助装置主要完成对伺服缸的载荷加载施加及保护。可以精确测出水平加载油缸的位移以及荷载大小。水平加载***由54台1600kN水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各18台水平加载油缸，相邻两个之间的角度为20°。

5.供油***的优化

供油***采用标准化模块化设计，采用54台伺服油泵分别带动54台水平加载油缸，伺服泵组采用美国delta伺服电机+日本那智齿轮泵组，工作压力0-28MPa连续可调，静音效果好。另多配2套伺服泵组，供应急备换使用。配全封闭标准伺服油箱，4200L抗磨液压油，确保***为交钥匙工程。油泵可进行本地和远程控制，操作方便。根据所用作动器的数量不同，电液伺服加载***可作单通道、多通道伺服同步协调加载***。

伺服油源可以实现液压***参数包括压力、油温、液位的数字化，伺服油源由西门子S1200系列PLC控制器作为核心控制器，触摸屏可实现本地监视和操作，也可通过工业工控机远程监控和操作伺服油源。控制器、触摸屏、工控机之间通过以太网进行通讯。同时预留以太网接口，方便与其他***进行通讯。

每组油源设置27个伺服泵组模块通道，输出控制阀组分为上中下3层，每层9个通道。伺每个伺服泵组通道带一个伺服水平加载油缸。其中另供2个泵组模块，供应急更换备用。油管均采用不锈钢管制作，不易生锈及破损。

6.控制***的优化

电液伺服泵组是电液伺服***控制的核心，这一新兴控制方案一经推出便广泛地应用于电液位置，速度，加速度，力伺服***，相比传统普通泵组+阀控的控制方式除了具有节能高效、可靠性高等特点，还有体积小，结构紧凑，功率放大系数高，控制精度高，直线性好，死区小，灵敏度高，动态性能好以及响应速度快等优点。

控制***采用荷载、位移协同控制，荷载伺服控制时可设置活塞杆速度限位，避免接触试件瞬间产生较大载荷冲击和试件破坏后活塞杆过冲。各液压通道可实现压力串通，可实现任意层、任意数量通道的水平加载油缸串通工作。

7.竖向加载装置的优化

竖向加载过程中，竖向加载立柱固定在地槽上，竖向加载横梁高度任意可调，竖向加载油缸通过吊拉板挂在竖向加载横梁下方，位置任意可调，以适应不同直径的试件。并通过竖向加载控制***来控制竖向加载油缸等压加载。

8.进出功能优化

辅助安装支架用于辅助试验配件、传感器的安装等，主体结构采用爬梯结构形式，可沿爬梯进出管道井，同时装有爬梯活板，爬梯活板可沿爬梯调整安装位置，采用可翻转结构，也可快速放下。

附图说明

图1为反力井***的整体结构示意图；

图2为对应图1预埋矩形管示意图；

图3为对应图1宽沟槽示意图

图4为对应图1单组油源布置平面图；

图5为单组油源布置侧视图；

图6为对应图1水平加载装置结构示意图；

图7为对应图6水平加载装置三维示意图；

图8为对应图7反力井连接板结构示意图；

图9为对应图7加载滚子结构示意图；

图10为辅助安装支架结构示意图；

图11为辅助安装支架侧视图；

图12为反力井***的整体结构俯视图；

图13为吊装水平加载油缸的结构示意图；

图14为竖向加载装置结构示意图。

附图标记说明：控制室1、第一电控柜2、第一宽沟槽3、控制台4、伺服油泵5、第二电控柜6、油泵室7、管沟8、第一预埋矩形管9、第二宽沟槽10、第二预埋矩形管11、下沉井***12、水平加载装置13、反力井连接板14、T型槽15、水平加载油缸16、活动铰板17、固定铰板18、位移传感器19、荷载传感器20、分配梁21、加载滚子22、槽孔23、T型螺母24、第一螺栓25、回油过滤器26、循环过滤泵组27、伺服泵组28、控制输出阀组29、油箱盖板支架网30、油箱31、油泵32、滤芯33、爬梯34、打开状态的爬梯活板35、折叠状态的爬梯活板36、撑杆37、销轴38、油缸吊梁39、导轨40、吊梁滑车41、手拉葫芦42、竖向加载立柱43、压紧螺母44、竖向加载横梁45、油缸吊挂板46、第二螺栓47、竖向加载油缸48、地槽螺母49、地槽50。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1-图14所示，所述可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，包括控制室1、油泵室7和下沉井***12。下沉井***12包括反力井、管片、水平加载装置13、竖向加载装置和辅助安装支架。水平加载装置13设于反力井与管片之间，水平加载装置包括反力井连接板14、T型槽15、水平加载油缸16、分配梁21和加载滚子22；反力井连接板14连接在反力井壁上，反力井连接板14设有T型槽15并通过T型螺母24与连接板连接，连接板再通过第一螺栓25连接水平加载油缸16，水平加载油缸16可通过T型槽15上下移动；水平加载油缸16通过固定铰板18和活动铰板17连接分配梁21；加载滚子22通过槽孔23与分配梁21相连，加载滚子22位置可调，可在槽孔23上移动，加载滚子22贴合管片；反力井连接板14采用整体铸钢结构。反力井内壁安装有辅助安装支架，辅助安装支架包括爬梯34、爬梯活板和撑杆37；辅助安装支架的主体结构采用爬梯34，可沿爬梯34进出反力井，爬梯34上装有爬梯活板、撑杆37和销轴38，爬梯活板可沿爬梯34调整安装位置，采用可翻转结构；爬梯34和爬梯活板通过销轴38连接，撑杆37通过销轴38分别连接爬梯34和爬梯活板，爬梯活板、撑杆37与爬梯34形成三角结构。反力井上设有吊拉装置，吊拉装置连接水平加载油缸16，吊拉装置包括油缸吊梁39、导轨40、吊梁滑车41和手拉葫芦42；反力井上固定有油缸吊梁39，油缸吊梁39下部设有导轨40，导轨40下部的吊梁滑车41通过手拉葫芦42连接水平加载油缸16，吊梁滑车41可在导轨40内滑动；导轨40位置在油缸吊梁39上任意可调，并可在任意位置固定。竖向加载装置设于管片的上方，竖向加载装置包括竖向加载立柱43、竖向加载横梁45、油缸吊挂板46、竖向加载油缸48和地槽50；竖向加载横梁45设于竖向加载立柱43顶部并通过压紧螺母44固定，竖向加载横梁45可在竖向加载立柱43上进行上下移动，油缸吊挂板46通过第二螺栓47固定在竖向加载横梁45上，油缸吊挂板46可在竖向加载横梁45上水平移动，油缸吊挂板46下部连接竖向加载油缸48，竖向加载油缸48位于管片上方，竖向加载立柱43通过地槽螺母49固定在地槽50上。具体地：

如图1所示，本发明提出反力井整体***的试验装置，该装置主要包括控制室1、第一电控柜2、第一宽沟槽3、控制台4、伺服油泵5、第二电控柜6、油泵室7、管沟8、第一预埋矩形管9、第二宽沟槽10、第二预埋矩形管11、下沉井***12、水平加载装置13。该加载***放置在内径9.5米，深度4米的反力井中，反力井周边布置3层共54块锚板；加载***由54台1600kN水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各18台水平加载油缸，相邻两个之间的角度20°。56台伺服泵站安装在油泵室，控制***安装在隔壁的控制室，通过不锈钢管路将伺服泵站与水平加载油缸连接。

如图2所示，主要是第一预埋矩形管9和第二预埋矩形管11，第一预埋矩形管9的矩形管有36根，总长4120m；第二预埋矩形管11的矩形管有24根，总长2440mm；管道采用80*50*4mm的方管，方管顶面与地面平齐，顶边伸进沟槽部分切5mm深的槽，用于安装盖板。其中，第一预埋矩形管9用于走测试线，第二预埋矩形管11用于通油管供54台水平加载油缸用。

如图3所示，第一宽沟槽3和第二宽沟槽10分别为375mm宽沟槽和750mm宽沟槽，通过挖沟槽来对控制室1、油泵室7和下沉井***12之间进行地下管道的铺设。

如图4所示，该装置包括回油过滤器26、循环过滤泵组27、伺服泵组28。回油过滤器26、循环过滤泵组27、伺服泵组28的尺寸均为350*300mm，该装置总尺寸为1085mm*3020mm。根据试验室现场条件54个液压加载点分2组控制油源。每组油源设置27个伺服泵组模块通道，输出控制阀组分为上中下3层，每层9个通道。每个伺服泵组通道带一个水平加载油缸。其中另供2个泵组模块，供应急更换备用。油管均采用不锈钢管制作，不易生锈及破损。

如图5所示，该装置包括伺服泵组28、控制输出阀组29、油箱盖板支架网30、油箱31、油泵32、滤芯33。采用54台伺服油泵分别带动54台水平加载油缸，伺服泵组采用美国delta伺服电机+日本那智齿轮泵组，工作压力0-28MPa连续可调，静音效果好。另多配2套伺服泵组，供应急备换使用。配全封闭标准伺服油箱，4200L抗磨液压油，确保***为交钥匙工程。油泵可进行本地和远程控制，操作方便。伺服油源可以实现液压***参数包括压力、油温、液位的数字化，伺服油源由西门子S1200系列PLC控制器作为核心控制器，触摸屏可实现本地监视和操作，也可通过工业工控机远程监控和操作伺服油源。控制器、触摸屏、工控机之间通过以太网进行通讯。同时预留以太网接口，方便与其他***进行通讯。

如图6所示，该装置包括反力井连接板14、T型槽15、水平加载油缸16、活动铰板17、固定铰板18、位移传感器19、荷载传感器20、分配梁21、加载滚子22、槽孔23、T型螺母24、第一螺栓25。水平加载油缸16直接作用于测试对象，是电液伺服加载***的最终执行单元，采用低摩擦、高寿命的进口组合密封圈，确保伺服缸高的动、静态特性，启动压力＜0.1MPa，额定压力25MPa下推力1760kN，在28MPa(推力1980kN)下可长期工作，工作行程550mm，每个水平加载油缸加载速度0～1mm/s任意可调，压力控制精度不大于1‰FS。设置多种形式的荷载、限位保护有利于保护伺服缸机事件的安全。水平加载油缸16上设置有位移传感器19和荷载传感器20，位移传感器19测量水平加载油缸活塞杆的位移，荷载传感器20测得水平加载油缸输出的荷载，辅助装置主要完成对水平加载油缸的载荷加载施加及保护。可以精确测出水平加载油缸的位移以及荷载大小。该***可以适应不同的管片直径且分配梁21前端设有位置可调的两个加载滚子22，可以对单个加载点实现两倍点的均布加载。

如图7所示，该装置为水平加载装置三维示意图。图中可以看出水平加载油缸16后端设有反力井连接板14，反力井连接板14上设置T型槽15，通过拧紧或松开T型螺母24可以控制水平加载油缸在T型槽15内进行上下滑动。水平加载油缸16前端连接着分配梁21，分配梁21上开8个槽孔23且连接2个加载滚子22，加载滚子22可以在槽孔23允许的范围内进行移动，可以适应对不同管片的加载。进而整个水平加载装置可以适应不同直径和高度的管片且可以对单个加载点实现两倍点的均布加载。

如图8所示，反力井连接板上14设置T型槽15，保证水平加载油缸16高度任意可调，适用于对试件不同高度进行加载。反力井连接板14上采用整体铸钢结构，周边及槽内均进行机加工保证平整度。

如图9所示，水平加载油缸16前端为活动铰板17，可直接对试件进行加载，也可以通过分配梁21加载。分配梁21前端设有位置可调的两个加载滚子22，单环18个加载点可实现36个点均布荷载。

如图10所示，该装置包括爬梯34和爬梯活板等。辅助安装支架用于辅助试验配件、传感器的安装等，主体结构采用爬梯34结构形式，可沿爬梯34进出管道井，同时装有爬梯活板，爬梯活板可沿爬梯34调整安装位置，采用可翻转结构，也可快速放下。

如图11所示，该图为辅助安装装置侧视图。图中可以看出，爬梯活板可以通过销轴38连接在爬梯34上的任意位置，撑杆37可以通过销轴38连接爬梯34和爬梯活板，对爬梯活板起到支撑作用。

如图12所示，该图为反力井整体***的俯视图，每层各18台水平加载油缸16，相邻两个之间以角度20°进行加载实验，在每个水平加载油缸旁边设有爬梯34和爬梯活板，可以通过爬梯34和爬梯活板在井内对辅助实验配件、传感器等进行安装。在水平加载油缸上端设有吊梁39，可以对水平加载油缸的位置进行改变，从而适应不同直径的管片。在管片上方设有6个竖向加载装置，每个竖向加载装置的竖向加载横梁45上面通过油缸吊挂板46连接竖向加载油缸48来对管片施加竖向加载。竖向加载油缸48在竖向加载横梁45上的位置任意可调，以适应不同直径的试件。

如图13所示，该装置包括油缸吊梁39、导轨40、吊梁滑车41、手拉葫芦42等。油缸吊梁39上设有导轨40，吊梁滑车41位于导轨40下部，在导轨40内可进行滑动，手拉葫芦37通过吊梁滑车41挂在油缸吊梁39上，导轨40位置在油缸吊梁39上任意可调，并可在任意位置固定。油缸吊梁36与手拉葫芦37配合，用于吊装水平加载油缸，确定水平加载油缸位置，以确保适应不同直径的管片。

如图14所示，该竖向加载装置由竖向加载立柱43、压紧螺母44、竖向加载横梁45、油缸吊挂板46、第二螺栓47、竖向加载油缸48、地槽螺母49和地槽50等组成。竖向加载立柱43分别通过地槽螺母49和压紧螺母44固定在地槽50和竖向加载横梁45上，竖向加载横梁45高度任意可调；竖向加载油缸42通过油缸吊挂板43和第二螺栓47连接在竖向加载横梁41下方，位置任意可调，以适应不同直径的试件。

所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置的试验方法，包括以下步骤：

1)预埋仪器：管片拼装前先预埋一些如钢筋应变计、高精度箔式应变片、混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器等测试仪器，之后将管片在井中进行拼装，拼装后在管片环内外贴上应变片以及相应测试仪器。钢筋应变计及高精度箔式应变片每22.5°分布一组，其中钢筋应变计安装在内外主筋上，高精度箔式应变片分别分布在钢筋应变计所在高度的管片的内外弧面，两者沿着管片高度分三次布设，其中第一排和第三排布设在距管片外边缘约200mm处；混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器布设在钢筋应变计及高精度箔式应变片旁侧，两者距离约100mm，混凝土内埋式应变传感器沿管片高度分两次布设，与钢筋应变计在同一高度处，表面应变传感器分布在管片中线处，内外弧面均需要布设。

2)试验场地和管片拼装：该加载***放置在内径9.5米，深度4米的反力井中，反力井周边布置3层共54块锚板，加载***由54台1600kN水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各18台水平加载油缸，相邻两个之间的角度为20°。管片可以在反力井中进行通缝或错缝拼装，利用该设备(54个千斤顶)对地铁隧道结构施加***压力，来模拟隧道结构承受的真实水土压力，研究其受力变形性能。试验过程可任意单独控制每个千斤顶的力，每环有18组荷载。

3)加载***：根据试验室现场条件采用54台伺服油泵分别带动54台水平加载油缸，每个伺服油泵分别带动一个水平加载油缸。油泵可进行本地和远程控制，操作方便。根据所用作动器的数量不同，电液伺服加载***可作单通道、多通道伺服同步协调加载***。

4)实际案例：以杭州地铁二号线盾构隧道旁侧一项深基坑为例，位于萧山市区与金城路交叉口附近。算出隧道的初始围压，在研究周围基坑开挖卸载工况下对盾构隧道的影响。

5)加载方案：首先将荷载分成18组，从0KN开始加载，加到每一点所对应的初始围压。加载至初始围压后，每组千斤顶开始进行卸载，卸载理论计算目标值的1/6。需要注意的是每组荷载进行加载时，每次停留5-20min(等到数值稳定再进行下一级加载)。

6)数据采集：根据高精度箔式应变片(BX120-5AA)、混凝土内埋式应变传感器、表面应变传感器和钢筋应变计等仪器测出钢筋应力和混凝土应力；螺栓经过加工，在接缝面所对应位置开凹槽，槽内贴应变片测出螺栓应力。裂缝综合测试仪和PTS-S30无线远距离结构裂缝检测***测出纵缝张角并根据千斤顶移动的距离测出管片环位移。

7)预期结果：分析基坑侧壁应力释放系数β、基坑开挖对不同埋深的隧道以及基坑开挖对不同距离的旁侧隧道的影响。通过与理论分析和室内模型试验结果相对比，研究实际工程中基坑开挖对隧道造成的影响。

在反力井底部放置防水垫层，通过在隧道内部充满水，来模拟隧道承受的水压力，研究衬砌在不同工况下的防水性能及渗透性。可开展的试验项目有：

1、研究外部荷载作用下隧道结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载力等；

2、研究不同工况下现行盾构隧道结构设计理论的可靠性，用于修正设计分析模型，也可用于验证设计；

3、研究错缝拼装与通缝拼装时隧道结构承载能力及变形性能的比较；

4、研究邻近工程建设(基坑开挖、地面堆载、隧道穿越、桩基工程等)对既有地铁盾构隧道产生的不利影响(包括隧道变形、承载能力的下降、防渗能力的下降等)；

5、研究隧道出现裂缝后不同内部加固方法(内张钢圈加固法、芳纶布加固法、碳纤维布加固法等)对于提高结构受力性能的作用；

6、研究盾构隧道的开裂及渗水过程等。

Claims (9)

1.一种可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：包括控制室(1)、油泵室(7)、第一预埋矩形管(9)、第二预埋矩形管(11)和下沉井***(12)；控制室(1)和油泵室(7)间隔着第一宽沟槽(3)，控制室(1)内设有第一电控柜(2)和控制台(4)，油泵室(7)内设有伺服油泵(5)和第二电控柜(6)，电控柜与伺服油泵(5)相连，油泵室(7)下边连接管沟(8)和第二宽沟槽(10)，控制室(1)和油泵室(7)与下沉井***(12)之间分别设有第一预埋矩形管(9)和第二预埋矩形管(11)；伺服油泵(5)包括油箱(31)，油箱(31)包括油泵(32)和滤芯(33)，且油箱(31)布置有油箱盖板支架网(30)，油泵(32)和滤芯(33)通过管道相通；下沉井***(12)包括反力井、管片、水平加载装置(13)、竖向加载装置和辅助安装支架；水平加载装置(13)设于反力井内壁与管片之间，水平加载装置(13)包括反力井连接板(14)、T型槽(15)、水平加载油缸(16)、分配梁(21)和加载滚子(22)；水平加载装置(13)主要由若干台水平加载油缸(16)组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各均匀布设若干台水平加载油缸(16)；水平加载油缸(16)可沿T型槽(15)上下移动；每个伺服油泵(5)分别带动一个水平加载油缸(16)；反力井内壁安装有辅助安装支架，辅助安装支架包括爬梯(34)、爬梯活板和撑杆(37)；反力井上设有吊拉装置，吊拉装置连接水平加载油缸(16)，吊拉装置包括油缸吊梁(39)、导轨(40)、吊梁滑车(41)和手拉葫芦(42)；竖向加载装置设于管片的上方，竖向加载装置包括竖向加载立柱(43)、竖向加载横梁(45)、油缸吊挂板(46)、竖向加载油缸(48)和地槽(50)，竖向加载立柱(43)底部固定在地槽(50)内；反力井底部放置防水垫层；反力井连接板(14)连接在反力井内壁上，反力井连接板(14)通过T型槽(15)连接水平加载油缸(16)；水平加载油缸(16)前端设置活动铰板(17)、分配梁(21)；活动铰板(17)和分配梁(21)连接；加载滚子(22)通过槽孔(23)与分配梁(21)相连，加载滚子(22)贴合管片。

2.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：第一宽沟槽(3)的宽度为第二宽沟槽(10)的一半。

3.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：第一预埋矩形管(9)的数量较第二预埋矩形管(11)多，第二预埋矩形管(11)和第一预埋矩形管(9)的顶面与地面平齐，第一预埋矩形管(9)和第二预埋矩形管(11)的顶边分别伸进第一宽沟槽(3)和第二宽沟槽(10)进行切槽。

4.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：控制室(1)和油泵室(7)分别通过第一预埋矩形管(9)和第二预埋矩形管(11)连接下沉井***(12)，其中油泵室(7)与第二预埋矩形管(11)之间设置第二宽沟槽(10)。

5.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：伺服油泵(5)包括回油过滤器(26)、循环过滤泵组(27)、伺服泵组(28)、控制输出阀组(29)和油箱(31)。

6.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：爬梯(34)与爬梯活板之间活动连接，撑杆(37)两端分别连接爬梯(34)和爬梯活板，爬梯活板、撑杆(37)与爬梯(34)形成三角结构。

7.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：反力井顶部固定有油缸吊梁(39)，油缸吊梁(39)下部设有导轨(40)，导轨(40)下部的吊梁滑车(41)通过手拉葫芦(42)连接水平加载油缸(16)。

8.根据权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置，其特征在于：竖向加载横梁(45)连接在竖向加载立柱(43)顶部，油缸吊挂板(46)设在竖向加载横梁(45)上，油缸吊挂板(46)下部连接竖向加载油缸(48)。

9.一种如权利要求1所述的可对管片进行大型足尺试验的反力井加载装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预埋仪器：管片拼装前先预埋测试仪器，测试仪器包括钢筋应变计、高精度箔式应变片、混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器，之后将管片在反力井中进行拼装，拼装后在管片环内外贴上应变片以及相应测试仪器；钢筋应变计及高精度箔式应变片呈均匀分布，其中钢筋应变计安装在内外主筋上，高精度箔式应变片分别分布在钢筋应变计所在高度的管片的内外弧面，两者沿着管片高度分三次布设；混凝土内埋式应变传感器和表面应变传感器布设在钢筋应变计及高精度箔式应变片旁侧，混凝土内埋式应变传感器沿管片高度分两次布设，与钢筋应变计位于同一高度处，表面应变传感器分布在管片中线处，内外弧面均布设；

2)试验场地和管片拼装：将水平加载装置放置在反力井中，反力井周边布置锚板，水平加载装置主要由若干台水平加载油缸组成，分上、中、下三层呈360度分布，每层各均匀布设若干台水平加载油缸；管片在反力井中进行通缝或错缝拼装，利用对应数量的千斤顶对地铁隧道结构施加***压力，来模拟隧道结构承受的真实水土压力，研究其受力变形性能；

3)加载装置：根据试验室现场条件采用伺服油泵分别带动水平加载油缸，每个伺服油泵分别带动一个水平加载油缸；根据所用作动器的数量不同，电液伺服加载***作单通道、多通道伺服同步协调加载***；

4)算出隧道的初始围压，在研究周围基坑开挖卸载工况下对盾构隧道的影响；

5)加载方案：首先将荷载分成对应若干组，从0KN开始加载，加到每一点所对应的初始围压；加载至初始围压后，每组千斤顶开始进行卸载；每组荷载进行加载时，每次停留5-20min；

6)数据采集：根据高精度箔式应变片、混凝土内埋式应变传感器、表面应变传感器和钢筋应变计测出钢筋应力和混凝土应力；螺栓经过加工，在接缝面所对应位置开凹槽，槽内贴应变片测出螺栓应力；裂缝综合测试仪和无线远距离结构裂缝检测***测出纵缝张角并根据千斤顶移动的距离测出管片环位移；

7)预期结果：分析基坑侧壁应力释放系数β、基坑开挖对不同埋深的隧道以及基坑开挖对不同距离的旁侧隧道的影响；通过与理论分析和室内模型试验结果相对比，研究实际工程中基坑开挖对隧道造成的影响。

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