TBM盾构斜井管片力学性能试验装置设计与施工*
孙百锋
（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津300300）
[摘要]新街台格庙矿区盾构斜井管片共分为7片，管片内径6600mm，外径7300mm，采用错缝拼装.为检验管片全部采用321贝雷片和型钢等制式器材，结构简捷合理、受力明确，方便施工.介绍了盾构管片力学性能试验反力 各项力学性能是否满足本项目盾构斜井施工需要，进行管片力学性能的试验.设计了试验反力装置，该反力装置装置的受力设计及施工安装工艺等，并有针对性地采取了安全措施.节省了大量材料及人工费用，经济效益较好.
[关键词]TBM；盾构；斜井；力学性能；试验；设计；施工
[中图分类号]U455
[文献标识码]A[文章编号]1002-8498（2016）20-0126-03
Design and Construction ofTBM Shield Shaft Segment Mechanical Testing Device
Sun Baifeng
( Ghina Railaoy Consruction Bridge Engineering Barena Group Go. Ld. Tianjin 300300 China)
Abstract : New Street Taigemiao Mine Shaft Shield is divided into seven segments the inner diameter ofthe tube sheet is 6 600mm the outer diameter of the tube sheet is 7 300mm the staggered joint assembly is appiled. In order to test whether the mechanical properties of the tube sheet meets the constructionneeds of the project deviated shield the mechanical property tes of the tube sheet was condueted. Thereaction device was designed which used in all 321 Bailey and steel as standard equipenent simple andconstruction force installation process and other mechanical properties test tunnel segments reaction reasonable structure clear force convenient construction. This article describes the design andapparatus and the security measures were taken which saves a lot of material and labor costs havingbetter economic efficieney.
Key words : TBM; shields; inclined shaft ;mechanical properties; testing ;design; construction
拼装.每环管片块与块间共采用10颗M24环向弯螺栓及4颗M24环向斜螺栓连接：相邻仰拱块间采新街台格庙矿区TBM盾构施工斜井工程位于用3颗M24纵向弯螺栓和4颗M24斜向直螺栓连
1工程概况
1.1工程位置情况
鄂尔多斯市境内，斜井坡度-10.5%（6°下坡），长接，其余环间共采用16颗M24的纵向弯螺栓连接.6553m，最大埋深685m，采用双模式盾构（具有闭工程主体结构断面如图1所示. 式和开式两种掘进模式）掘进施工.斜井包含明槽段及盾构掘进段2部分，其中明槽段长150.309m，盾构掘进段长6402.691m.含水层地下水位理深1.500-4.000m 水位标高1269.13-1318.45m.
1.3试验项目情况
该试验采用等效转换原理，在地面上模拟管片在实际工况下承受的各种荷载（水压、土压），对管片进行分级加载，测量管片在不同荷载作用下的应 变和位移，分析不同工况下管片的受力和变形规律，研究管片的力学性能.本文结合试验项目的特点，介绍了反力装置的设计与施工.
1.2管片设计情况
斜井开挖直径7.62m，净直径6.6m，管片厚350mm，环宽1500mm，管片共分为7片，采用错缝
2试验装置设计
采用自制的“盾构斜井管片力学性能试验装置”进行试验研究.该装置中，采取卧式加载方式，利用16根15.24的无黏结张拉钢绞线对管片
Fig. 1 Shield segment ring structure 图1盾构管片圆环构造
施加环向荷载，以此模拟水压；利用贝雷架和4个100t的液压千斤顶施加集中荷载，模拟土压力和地层抗力.试验装置如图2所示.
图2力学性能试验装置Fig. 2 Mechanical property test device
2.1环向荷载施加与控制设计]
1)环向荷载施加
环箍荷载通过无黏结钢绞线进行，张拉处采用2个4孔扇锚背靠背方式进行连接，连接方式如图3 所示.4个锚孔中，两侧的2个锚孔作为钢绞线的张拉端，中间的2个锚孔作为锚固端，锚具在2根钢绞线的张拉下实现自身的受力平衡.同一扁锚连接的2根钢绞线同步张拉，施加荷载必须一致.
图3钢绞线张拉示意Fig. 3 Steel wire tensioning
沿管片高度方向，张拉钢绞线分上、中、下3组进行布置，上、下各6根钢绞线，中间4根钢绞线.16根钢绞线形成8组张拉环.张拉时，按从管片中 部向上下两侧对称张拉的顺序，共分为8个张拉环依次张拉.安装好的16根钢绞线如图4所示.
2）环不方控制设计
图4钢绞线安装示意Fig. 4 Installation of steel wire
错固端安装穿心式力传感器，测量钢绞线拉力，保 为精确控制每根钢绞线张拉力，在每根钢绞线证每根钢绞线达到设计的张拉力.根据设计水压情况，环向荷载共计最大施加2811kN，分级张拉.
2.2集中荷载施加与控制设计
作为反力梁，在贝雷架内侧分别用2个100：的液压 集中荷载的施加采用4组贝雷架十字交叉千斤顶作用于管片上，如图5所示.
图5反力架加载示意
Fig. 5 Loading of the reaetion force
个千斤顶尾部安装压力传感器，分级加载.根据管 为准确掌握每个液压千斤顶施加的荷载，在每片受力工况模拟，最大集中荷载施加1486.8kN.
2.3加载反力架设计检算
为节约材料方便现场施工，反力架采用321贝雷梁主梁及加强弦杆做反力装置，通过千斤顶在2 个方向分级施加荷载3.
2.3.1材料参数及计算荷载
1）钢材弹性模量E=206×10²N/mm²；剪变模10/℃C；密度p=7850kg/m². 量G=79×10²N/mm²；线膨胀系数α=12×
2）321贝雷片参数：材料16Mn：杆件承担混凝土的弹性挠度取构件跨度的L/400.
3）Q235钢材应力取值：a=140MPa ag=145 MPa r = 85MPa .
4）16Mn钢材应力取值：a=273MPa，7= 208 MPa .
5）试验荷载：1500kN.
6）结构自重：由软件自动换算.
2.3.2建模思路及边界条件
该反力架采用MidasCivil三维结构软件建立空间整体模型进行整体分析.计算模型中将底
固接，另一侧释放张拉方向约束.建立模型如图6拼装完毕后，按照同样的方法拼装其他四环贝雷所示.
篮贝雷片、分配横梁、加强弦杆以梁单元模拟，对上弦杆，将两侧的贝雷片进行连接成环，上弦杆放弦杆释放梁端约束模拟较接，对一侧贝雷片底端置在临时托架上，防止跨中变形过大.贝雷片单环片，然后进行花窗的连接，将5组贝雷片连接成整体.
4）然后进行反力加载点处纵横分配梁的安装，在紧贴管片位置，通过加垫橡胶垫片及钢板防止管 片在集中荷载作用下混凝土表面破环.
5）反力架安装完毕后进行环向钢绞线及纵横向千斤顶安装，安装完毕后进行环向钢绞线的预张拉，然后环向及纵横向的力交替施加，及时测量.
图6整体计算模型Fig. 6 The overall caleulation model
3.2施工注意事项
试验过程中为避免钢绞线在工作过程中突然断裂等风险，确保试验安全”，应注意以下事项：①千斤顶安装位置应准确测量定位，确保千斤顶位于管片环纵横轴线上，避免偏载：②环向钢绞线施加 荷载时，位于同一个锚具上面的2根钢绞线要同步对称张拉，防止受力不均造成锚具损坏：③连接花窗要按照设计安装，同时，花窗连接螺栓要拧紧，防正贝雷片受力过大，远离贝雷片张拉端侧向外张 开；④张拉现场应有明显标志，与该工作无关的人员严禁人内，张拉或退模时，千斤顶后面不得站人，以防预应力筋拉断或锚具、楔块弹出伤人：5作业应由专人负责指挥，操作时严禁模踩及碰撞钢绞线：6在高压油管的接头应加防护套，以防喷油伤 人：管片周围设安全防护网，确保施工安全.防护网设置采用现场钢筋焊接方式.
2.3.3计算工况确定
反力，分别对桁架在不同阶段的强度、刚度、稳定性 根据试验加载过程，分级用千斤顶对桁架施加进行计算.
2.3.4整体有限元计算结果
积位移值7.2mm，位移满足规范要求：②结构应力 计算结果如下：①结构位移结构整体模型累
贝雷片最大组合应力为265.9MPa，小于允许应力值：③结构整体稳定性屈曲稳定系数为11.2，结构整体稳定性满足要求.
3试验装置施工
该反力装置设计”全部采用标准杆件，销轴连接，安装方便，安装时使用场地内现有的门式起重机进行安装.由于2片贝雷片间距较小，安装时要注意先后顺序.
4结语
3.1反力架施工工艺
本文结合新街项目TBM斜井盾构管片力学性精度和技术都有较好的控制，降低了造价，通过采取各项保证施工的配套措施，确保工程施工进度和质量能满足使用要求.
片安装（安装单片）一安装另一增贝雷片（单片）→上层拉杆安装（单根）→重复上述安装步骤贝雷片及上下层弦杆一安装横梁一安装竖向分配梁一安 装圆弧钢板一安装千斤顶及传感器一环向钢绞线预张拉一纵横向反力施加.
参考文献：
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2）为保证安装位置准确，管片安装前先进行反支座及管片的安装.反力架贝雷片每环中心距 力架及管片各块段的放样，根据放样结果进行管片仅有225mm，扣除贝雷片弦杆跨度，剩余间距仅为49mm，所以安装顺序非常重要.
3）安装时先将5根下弦杆分别组拼好后，穿过管片，放在管片下，然后用门式起重机吊装单片贝 雷片与下弦杆进行销轴连接，采取临时固定措施，防止贝雷片倾覆，再用门式起重机吊装另一片贝雷片与弦杆方璐行销轴连接，临时固定后，吊装
（下转第137页）
点交汇杆件（含节点半刚性程度）的刚度比为mK（K 结合的办法得到其节点半刚性调整系数m，并取其节=K=K，x，K分别为计算立杆段上、下节点交汇的横杆线刚度之和与立杆线刚度之和的比值），以mK从普钢标准GB50017的表D-2中查得μ值.其μ的取值步骤如下：①研究基准点架计算长度系数实 测值μ.的可用性，做必要调整后得到采用值μ.；②从“有侧移框架柱值表”中查得相应产.的节点刚度比K；③由K=m K，=mh/L （式中K=h/1取架体的中立杆值，且立、横杆的E/相同）得到m（=K_/b）；④以m为基点值，按相应架种的数据分析 所得m 值随h值的变化幅度（可暂取每增减0.1m m相应增减0.007-0.012）和随4 值的变化幅度（可暂取（0.005-0.007）/0.1m）补全同列、同行的m;值；使用③项的计算，用m得到相应的μ值；当μ取μ=β，并用β令行对μ值进行调整. 值含影响时，取μ=ββμ；当μ不含1影响时，
3）按式（1）确定基准架计算长度系数的采用值μ:
(1)
式中：B为考虑立杆纵距影响的调整系数.可依基准点架与对比架（L值变化）的μ值、结合相应的理论计算分析所得的L/-μ曲线确定，并宜转为式(2)：
( 2)
式中：6应按不同架种的不同等级产品分别确定.当L/1=1.2-2.0时，b值的初定值为0.75-0.9.β.为斜杆配置影响的调整系数.以基准点架斜杆b级配置的β =1.0 a级配置的β =0.87-0.80.当 斜杆配置需要分为三级时，则低、中、高配的B可取1.25-1.15;1.0；0.87-0.80.β 值还需通过试验测定加以改进.
基准架的μ值.可按由基准架产.值结合理论计算 4）确定基准点架步距h（= ）之外其他步距h得出的h-μ曲线（L为定值）和-μ曲线（h为定值）确定.当μ和μ相距较近时，可采用线性插入（内插或外插）值.
2）单独建立μ值超越方程的途径
当按3类节点半刚性情况建立计算模型和超越方程来解决的取值（也即JGJ300所采用的）时，则度的取值，计算模型的斜杆和剪刀撑配置，，和 应针对现存的工作不足和问题，包括3类节点初始刚h等参数影响的处置，各项导出式，p的取值（包括无斜杆配置）规定以及未能很好考虑产品能力与不同斜杆配置的差异等.做好持续的试验和研究工作，提升 其理论和计算的成熟性与覆盖性水平.
5）计算长度系数μ的取值（规定值、暂定值或建议值应在A的基础上，综合考虑测定工作与工程实际的出入情况，乘以适合的调整系数后给出，一般可取：
(3)
6）其他在μ的取值中未予考虑的影响因素可做以下处置：架高（含高宽比）和可调托、底座影响，分别以计算系数b和k纳入到设计式的抗力项中；立杆两端的伸出段a和a'以其等效刚度值（即a=aka，a′=ag’ka，k 为立杆与丝杆惯性矩之比） 和不会先于步距段失稳的要求，以式（4）进行验算：
参考文献：
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(4)
（未完待续）
取p，=2.85.此外，还同时对a和a'给出了限值. 式中：μ.为a和a'杆段的计算长度系数，可一律暂
（上接第128页）
因a和a'影响已纳人μ取值中，面a和a（丝杆工作高度）的影响又用可调支座影响系数k加以考虑，因此可做以下处置：①不再按“顶部”和 “其他部位"对μ取值；②不再使用=h2a及其他衍生的公式.
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3.4.5以试验和理论分析相结合的途径确定p的取值
1）与"有侧移框架柱”值衔接的途径
当采用“节点半刚性和有侧移框架柱”解决扣件、碗扣和插销架的取值（本“要点”后文的建议值取以此露在强）时，应按试验测定与计算分析相
