管片檢漏和抗彎抗拔試驗(yàn)自控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李世林 姜會(huì)增，2 孔德順，2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；2.北京華橫科技有限公司，北京 100081）

隨著高速、重載鐵路和城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，隧道直徑越來(lái)越大，使得隧道的預(yù)制混凝土襯砌管片朝著大口徑、大厚度和大噸位方向發(fā)展。預(yù)制混凝土襯砌管片作為隧道的結(jié)構(gòu)骨架和防水主體，其質(zhì)量關(guān)系到隧道安全運(yùn)營(yíng)。預(yù)制混凝土襯砌管片的檢漏、抗彎和抗拔作為管片質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于工程質(zhì)量驗(yàn)收中。

2006年羅云峰等［1］以廣州地鐵管片的抗彎、螺栓抗拔試驗(yàn)及檢漏試驗(yàn)為背景，對(duì)管片在試驗(yàn)過(guò)程中的受力、檢漏情況與其在隧道土體和施工過(guò)程中實(shí)際可能的受力、檢漏情況之間的差異進(jìn)行了比較分析和討論，為后來(lái)管片生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。池偉杰等［2］結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管片檢漏試驗(yàn)的專(zhuān)用設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝方法進(jìn)行總結(jié)。為了規(guī)范管片檢漏、抗彎抗拔試驗(yàn)過(guò)程和要求，國(guó)家制定了GB/T 22082—2008《預(yù)制混凝土襯砌管片》，并于2017年進(jìn)行了修訂［3］。賈琦等［4］和鞠麗艷［5-6］結(jié)合管片標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管片的試驗(yàn)檢驗(yàn)展開(kāi)分析，確定管片三環(huán)拼裝試驗(yàn)、抗彎性能試驗(yàn)、檢漏試驗(yàn)及管片抗拔性能試驗(yàn)作為基本驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為管片質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法和成品抽驗(yàn)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。朱阿祥等［7］模擬混凝土管片受彎性能、破壞形態(tài)、裂縫形成規(guī)律及變形特點(diǎn)，并與規(guī)范中承載力和撓度指標(biāo)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)對(duì)稱(chēng)傾角鋼筋混凝土梁有較好的適用性。在設(shè)計(jì)管片試驗(yàn)裝置時(shí)不僅要考慮試驗(yàn)效果，還要考慮試驗(yàn)裝置的適應(yīng)性。朱建文等［8］針對(duì)新型高承載力盾構(gòu)隧道管片接頭預(yù)埋件結(jié)構(gòu)，開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗拉性能試驗(yàn)，確定管片接頭預(yù)埋件結(jié)構(gòu)破壞力學(xué)模式。白占偉等［9］針對(duì)管片試驗(yàn)裝置空間小、加載力小、無(wú)法應(yīng)用于大直徑管片試驗(yàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

為了規(guī)范管片生產(chǎn)和試驗(yàn)，中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心2018年9月20日發(fā)布了《鐵路隧道鋼筋混凝土管片》和《城市軌道交通預(yù)制混凝土襯砌管片》CRCC 產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施細(xì)則。兩個(gè)認(rèn)證細(xì)則進(jìn)一步規(guī)范、完善管片檢漏、抗彎和抗拔試驗(yàn)要求、步驟和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有的預(yù)制混凝土襯砌管片的檢漏、抗彎和抗拔試驗(yàn)裝置（設(shè)備），在試驗(yàn)過(guò)程中以手動(dòng)操作為主，人工記錄。這種試驗(yàn)精度差，自動(dòng)化程度低，人工觀測(cè)記錄容易造成誤判、漏判，致使預(yù)制混凝土管片的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。結(jié)合管片認(rèn)證實(shí)施細(xì)則，北京華橫科技有限公司設(shè)計(jì)制造的管片檢漏試驗(yàn)自控裝置和管片抗彎抗拔試驗(yàn)自控裝置，可以有效改善現(xiàn)有的管片撿漏和抗彎試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，減少因人為操作而引起的管片試驗(yàn)誤差，提高管片認(rèn)證的自動(dòng)化程度、檢驗(yàn)精度和檢驗(yàn)結(jié)果的公正性。該系統(tǒng)已應(yīng)用到黃河隧道工程中，取得良好的試驗(yàn)效果。

1 管片檢漏試驗(yàn)

1.1 管片檢漏試驗(yàn)方法

管片在隧道內(nèi)安裝后，整個(gè)外弧面與土體及地下水相接觸，承受地下水滲透壓力的作用，而試驗(yàn)中的管片整個(gè)外弧面也承受一定水壓力的作用，二者的滲透狀態(tài)基本吻合，試驗(yàn)結(jié)果能較真實(shí)地反映管片實(shí)際抗地下水滲透的能力。該試驗(yàn)主要目的是檢驗(yàn)管片的密實(shí)性和抵抗?jié)B透的能力，采用水壓系統(tǒng)對(duì)管片外弧面施加水壓。試驗(yàn)過(guò)程采用分級(jí)增加水壓的方式，每次增量等級(jí)為0.2 MPa，每級(jí)持續(xù)時(shí)間為10 min，并且增壓速度為0.05 MPa/min，當(dāng)水壓達(dá)到設(shè)計(jì)值后，須持續(xù)2 h，以檢測(cè)管片在設(shè)計(jì)水壓下管片側(cè)邊滲水高度值是否超標(biāo)。

1.2 管片檢漏試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的管片檢漏試驗(yàn)裝置為手動(dòng)調(diào)壓泵和檢漏結(jié)構(gòu)架，如圖1所示。調(diào)壓選用電子調(diào)壓表控制，精度較差。檢漏裝置為整體結(jié)構(gòu)，測(cè)試管片的全部測(cè)區(qū)，在使用過(guò)程中容易變形，出現(xiàn)漏水和測(cè)不準(zhǔn)現(xiàn)象；連接選用較大的螺柱，管片局部受力較大，容易損壞管片結(jié)構(gòu)。

圖1 管片檢漏裝置

為了實(shí)現(xiàn)管片檢漏試驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化，設(shè)計(jì)的管片檢漏裝置［10］包括：加載系統(tǒng)（高壓水泵）、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)水容器和檢漏結(jié)構(gòu)架，其中檢漏控制系統(tǒng)原理如圖2 所示。加載系統(tǒng)與儲(chǔ)水容器連通，加載系統(tǒng)用于給待測(cè)管片施加水壓；控制系統(tǒng)與加載系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)用于控制加載系統(tǒng)給待測(cè)管片提供所需的水壓。

圖2 檢漏控制系統(tǒng)原理

管片控制系統(tǒng)功能包括檢漏試驗(yàn)一鍵啟動(dòng)、暫停、停止、手動(dòng)調(diào)整、輸入滲透高度、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，如圖3所示。控制系統(tǒng)在試驗(yàn)開(kāi)始后自動(dòng)計(jì)算各等級(jí)理論水壓，同時(shí)壓力變送器檢測(cè)到的管片檢漏試驗(yàn)壓力反饋到控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)置值時(shí)，控制系統(tǒng)控制加載系統(tǒng)繼續(xù)增加壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)置值時(shí)，控制系統(tǒng)控制調(diào)壓閥的開(kāi)度，減小系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)管片在整個(gè)檢漏過(guò)程自動(dòng)控制。試驗(yàn)完成后自動(dòng)生成檢漏試驗(yàn)報(bào)告，如圖4所示。

圖3 檢漏控制界面

圖4 預(yù)制混凝土襯砌管片檢漏試驗(yàn)報(bào)告樣式

管片檢漏裝置根據(jù)管片的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，把管片檢漏測(cè)區(qū)分開(kāi)加工，減少加工過(guò)程中檢漏裝置整體結(jié)構(gòu)的變形和管片檢漏過(guò)程中受壓變形。連接螺栓選用小規(guī)格、螺栓群方式，以減少螺栓擰緊力矩，使管片檢漏過(guò)程中受力均勻，減少因管片局部受力不均勻而受到破壞的情況，保證管片檢漏過(guò)程順利進(jìn)行。

1.3 濟(jì)南黃河隧道砌管片撿漏試驗(yàn)

濟(jì)南黃河隧道工程為雙管雙層盾構(gòu)法隧道，橫斷面分為上下兩層，上層道路有3條車(chē)行道，下層中間布置軌道交通M2 線區(qū)間，行車(chē)方向左側(cè)為疏散通道，右側(cè)為地鐵排煙道和電纜廊道。隧道管片外徑15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，厚度0.65 m，寬度2 m。每環(huán)管片分為9+1 塊，其中9 塊為標(biāo)準(zhǔn)塊，隧道承受的最大水壓約0.65 MPa，管片最大抗彎載荷100 kN。

管片檢漏試驗(yàn)初期須排空內(nèi)腔的空氣，保障管片受力均勻。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管片檢漏裝置內(nèi)腔初始?jí)毫χ瞪?0%的試驗(yàn)壓力時(shí)減壓至0 后再繼續(xù)循環(huán)加壓，才能保證試驗(yàn)過(guò)程壓力值上升平穩(wěn)，原因是檢漏裝置排氣不徹底，升高壓力值時(shí)內(nèi)腔部分空氣會(huì)對(duì)水壓產(chǎn)生干擾。這是由于空氣可以壓縮，水不可以壓縮，殘留空氣與水壓升降存在非線性關(guān)系。黃河隧道管片檢漏過(guò)程所使用的檢漏控制系統(tǒng)如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程增壓平穩(wěn)，檢漏結(jié)構(gòu)架變形小，檢漏過(guò)程中結(jié)構(gòu)架沒(méi)有發(fā)生泄漏現(xiàn)象，滿足自動(dòng)檢漏功能要求。

圖5 管片檢漏控制系統(tǒng)

2 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)裝置

2.1 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)方法

管片在隧道中主要受土方擠壓力的作用，而管片抗彎試驗(yàn)載荷模擬實(shí)際工況的載荷，該試驗(yàn)主要目的是檢驗(yàn)管片整體承載能力和受壓后管片結(jié)構(gòu)的變形量。同時(shí)管片抗拔試驗(yàn)為了檢驗(yàn)管片預(yù)埋螺孔套管的承載能力，用于評(píng)定整環(huán)管片預(yù)埋螺栓套管的抗拉強(qiáng)度。

管片抗彎試驗(yàn)是采用液壓系統(tǒng)對(duì)管片外弧面施加載荷時(shí)，檢查管片結(jié)構(gòu)的變形量和裂紋情況。試驗(yàn)過(guò)程采用分級(jí)增加載荷的方式，先按管片設(shè)計(jì)載荷的20%逐級(jí)加載至設(shè)計(jì)載荷的80%，再按設(shè)計(jì)載荷的10%逐級(jí)加載至設(shè)計(jì)載荷的90%，繼續(xù)按照設(shè)計(jì)載荷的5%逐級(jí)加載至設(shè)計(jì)載荷的100%。每次加載時(shí)間為5 min，每級(jí)持續(xù)時(shí)間為30 min，自控系統(tǒng)記錄施加的荷載值、管片受力變形值及裂紋寬度。

2.2 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)

管片抗彎、抗拔設(shè)備［11］包括：加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油缸）和抗彎結(jié)構(gòu)架。其中管片抗彎、抗拔控制系統(tǒng)原理如圖6 所示。設(shè)計(jì)的管片抗彎、抗拔自控系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加載荷和試件上外載荷和結(jié)構(gòu)變形值，根據(jù)檢測(cè)的載荷值，自動(dòng)施加載荷和調(diào)節(jié)施加載荷的速度。

圖6 抗彎、抗拔控制系統(tǒng)原理

為了實(shí)現(xiàn)精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的施加載荷值和施加速度，選用高精度溢流調(diào)壓閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)［12］，實(shí)現(xiàn)加載速度0.5 MPa/s，載荷檢測(cè)精度為0.3% FS，滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

管片抗彎、抗拔自控系統(tǒng)功能還包括一鍵啟動(dòng)、暫停、停止、手動(dòng)調(diào)整、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。系統(tǒng)界面見(jiàn)圖7。

圖7 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)自控系統(tǒng)界面

控制系統(tǒng)在試驗(yàn)開(kāi)始前根據(jù)抗彎、抗拔試驗(yàn)要求自動(dòng)計(jì)算各等級(jí)理論載荷，力值傳感器自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)載荷值并反饋到控制系統(tǒng)。當(dāng)傳感器的力值低于設(shè)置值，控制系統(tǒng)控制油泵繼續(xù)加載；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)置值時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)溢流調(diào)壓閥的開(kāi)度，減小系統(tǒng)壓力。位移傳感器自動(dòng)檢測(cè)管片和抗彎試驗(yàn)架變形值，當(dāng)變形值或者變形速率超過(guò)設(shè)置值時(shí)，停止加載并報(bào)警，試驗(yàn)人員檢查問(wèn)題，等全部問(wèn)題解決后方可繼續(xù)試驗(yàn)。管片抗彎、抗拔試驗(yàn)完成后自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告，見(jiàn)圖8。

根據(jù)黃河隧道管片抗彎載荷要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)的抗彎試驗(yàn)架承載力為1500 kN。設(shè)計(jì)中為了減少管片抗彎試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)重量，選用精軋螺紋鋼作為加強(qiáng)筋分擔(dān)垂直載荷。通過(guò)在立柱頂端和下縱梁梁端之間設(shè)置拉桿（索），使原來(lái)的梁柱剛架式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱骸⒅⒗瓧U（索）組合結(jié)構(gòu)。抗彎試驗(yàn)裝置采用有限元分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并校核該結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖9（a），應(yīng)變見(jiàn)圖9（b）。

由圖9 可知：抗彎試驗(yàn)臺(tái)最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜拉桿位置，其值為279.53 MPa，小于精軋螺紋鋼的容許應(yīng)力1080 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上橫梁跨中位置的下翼緣，其值為278.38 MPa，小于結(jié)構(gòu)材料Q345B 容許應(yīng)力305 MPa，反力架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算滿足使用要求。最大位移出現(xiàn)在上橫梁跨中位置豎向處，其值為8 mm，小于設(shè)計(jì)要求值20 mm。應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。選用這種受力方式可以提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和降低結(jié)構(gòu)重量，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算和安全評(píng)估，抗彎試驗(yàn)架整體質(zhì)量為10 t。

圖8 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)報(bào)告樣式

圖9 抗彎試驗(yàn)架有限元分析

管片抗彎試驗(yàn)中存在施加的載荷和抗彎結(jié)構(gòu)架變形同步關(guān)系，設(shè)計(jì)的管片力傳感器同時(shí)具有位移檢測(cè)功能，如圖10所示。這種傳感器可以監(jiān)測(cè)管片施加的載荷值和抗彎試驗(yàn)架變形量，方便評(píng)估設(shè)計(jì)的管片抗彎試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具有安全檢測(cè)功能。同時(shí)管片預(yù)埋螺栓套管抗拔試驗(yàn)中，管片自控系統(tǒng)中的力傳感器和位移傳感器可以相互校核，提高管片預(yù)埋螺栓套管抗拔試驗(yàn)的測(cè)試精度。

圖10 油缸、位移傳感器和力傳感器集成

2.3 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)過(guò)程

黃河隧道管片抗彎試驗(yàn)等級(jí)最大為1000 kN。為使試驗(yàn)安全順利進(jìn)行，試驗(yàn)前須進(jìn)行安全教育，自控系統(tǒng)須專(zhuān)業(yè)人員操作，試驗(yàn)過(guò)程須安全人員全程監(jiān)管。管片抗彎試驗(yàn)過(guò)程中的自控系統(tǒng)力或者結(jié)構(gòu)變形值出現(xiàn)超限時(shí)，立刻停止試驗(yàn)，異常解決后方可繼續(xù)。

在黃河隧道管片抗彎試驗(yàn)中（圖11），當(dāng)控制系統(tǒng)施加的載荷達(dá)到最大值1000 kN 時(shí)，位移傳感器檢測(cè)到的變形值為12 mm。變形值為抗彎試驗(yàn)臺(tái)的變形值和管片的變形值之和，去除抗彎試驗(yàn)臺(tái)的變形值8 mm，管片變形值為4 mm，小于設(shè)計(jì)值（8 mm）。抗彎試驗(yàn)臺(tái)滿足強(qiáng)度要求。

圖11 管片抗彎、抗拔試驗(yàn)過(guò)程

管片抗彎試驗(yàn)過(guò)程中，管片的變形值須安裝位移傳感器檢測(cè)，并且位移傳感器須定期標(biāo)定方可使用。位移傳感器不能受管片抗彎試驗(yàn)的影響。同時(shí)力傳感器須定期進(jìn)行標(biāo)定，確保整個(gè)管片抗彎、抗拔控制系統(tǒng)的力值、位移值和管片應(yīng)變值的精確性。

管片的抗拔試驗(yàn)可以采用如圖10所示的油缸+力和位移為一體的傳感器結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行試驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)在檢測(cè)抗拔試驗(yàn)中油缸所施加載荷的同時(shí)可以監(jiān)測(cè)管片抗拔時(shí)螺栓瞬間位移的變化量。常規(guī)隧道中管片抗拔試驗(yàn)最大載荷為450 kN，文中所設(shè)計(jì)的油缸+力和位移為一體的傳感器結(jié)構(gòu)最大載荷為1000 kN，傳感器檢測(cè)精度為0.1%FS，所設(shè)計(jì)的量程和精度都滿足常規(guī)管片抗拔試驗(yàn)的需求，在實(shí)驗(yàn)室抗拔試驗(yàn)中效果良好。由于黃河隧道管片尺寸結(jié)構(gòu)超大，吊裝不能采用螺栓吊耳而使用軟吊帶，不必進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，不作詳述。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有預(yù)制混凝土襯砌管片的檢漏、抗彎和抗拔試驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化，以提高試驗(yàn)過(guò)程中的精度、自動(dòng)化程度，解決試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確以及容易造成質(zhì)量隱患的問(wèn)題。優(yōu)化后的管片檢漏、抗彎和抗拔試驗(yàn)自控裝置消除了管片試驗(yàn)過(guò)程人為操作的誤差，為管片標(biāo)準(zhǔn)的推廣和生產(chǎn)質(zhì)量的提高提供了一種新的檢測(cè)方法。在濟(jì)南黃河隧道工程中應(yīng)用效果顯著，提高了檢漏和抗彎試驗(yàn)測(cè)試精度，解決了撿漏試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)裝置漏水現(xiàn)象和抗彎試驗(yàn)中抗彎裝置變形大的問(wèn)題。該系統(tǒng)仍需繼續(xù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高管片抗彎、抗拔試驗(yàn)安全性和適應(yīng)性，降低成本，更好地適應(yīng)實(shí)際工程。