用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置

摘要

本发明公开了一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，包括试验箱、管节系统、加载系统、注浆系统以及测试系统，试验箱内填充土体，若干平行的所述管节系统通过试验箱两对侧壁上的方孔贯穿试验箱内部，每对所述方孔之间安装有导向轨，所述管节系统包括相互连接的导向机头和顶进管节，所述导向机头为一两端开口的方形钢管，所述导向机头设置有供导向轨穿过的导轨槽。本发明所提供的一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，装置简单，可操作性强，模拟多种工况时，试验装置构件可重复利用，兼容性强，试验装置本身最大限度的符合了工程实际情况，获取的试验数据可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，属于地下结构工程施工技术领域。

背景技术

顶管技术是在不开挖地表的情况下，利用液压油缸从始发工作井将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进，直至接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。圆形顶管技术在我国发展比较早，目前施工工艺较成熟。近年来，随着市政建设的高速发展以及隧道掘进技术的日益提高，许多地下结构的断面尺寸越做越大，同时为了提高地下空间的利用率并节约成本，往往把顶管断面做成矩形形式。从隧道的使用功能来分析，公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、人行地道、地下共同沟的断面形式也是以矩形最为经济适用。矩形顶管是在圆形顶管的基础上逐渐发展起来的一种非开挖施工技术，与圆形断面相比，不但其有效使用面积可以增大20%以上，对通道空间的规划利用更加方便，而且还可以减少地下掘进土方量。矩形顶管自1999年在我国首次出现工程实例以来，得益于城市地下空间建设的时代需求以及施工工艺的不断改进，在市政公共设施建设中具有巨大的应用前景。矩形顶管技术作为一种不开槽的暗挖施工方法，其最大的优越性在于避免了作业面对地上建筑物或构筑物的直接影响。但作为一种地下隧道开挖方法，矩形顶管施工也不可避免地会对管节周围土体产生扰动，使土体出现卸载或加载等复杂的力学行为，引发土体产生复杂的变形。在矩形顶管工程实践中，因为没有形成完善的理论基础指导体系，目前存在着较多地依靠工程经验，经验指导多于理论分析的情况。此外，数值模拟的研究手段也有误差大，与实际脱节的应用局限性。而室内模型试验室作为一种可靠经济的研究手段，可以较为全面客观的反应矩形顶管施工全过程对周围土体的扰动情况，试验模拟装置的制备是能否实现研究目标的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，可以对各种地质条件下的长距离、多根平行、大截面、浅覆土等复杂工况进行模拟，管节周围能形成有效的泥浆套，试验装置简单，可操作性强。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，包括试验箱、管节系统、加载系统、注浆系统以及测试系统，试验箱内填充土体，若干平行的所述管节系统通过试验箱两对侧壁上的方孔贯穿试验箱内部，每对所述方孔之间安装有导向轨；

所述管节系统包括相互连接的导向机头和顶进管节，所述导向机头为一两端开口的方形钢管，所述导向机头设置有供导向轨穿过的导轨槽，所述顶进管节为带夹层的两端开口方形钢管，所述顶进管节在沿长度方向四个侧面均匀设置有若干排冒浆孔，所述顶进管节两端夹层封盖面设置有注浆孔；

所述加载系统与顶进管节的末端相连，所述注浆系统与注浆孔相连，所述 测试系统与试验箱内部的土体相连。

所述导向机头的前开口内焊接有模拟刀盘的切土网格。

所述试验箱上方无盖，沿所述管节系统顶进方向的两侧壁为透明材质，所述顶进管节在长度方向沿外侧画有距离刻度。

所述方孔配备有封盖，所述方孔下方的侧壁底部设置有排水孔，同一侧壁上的若干排水孔均与总阀门相连。

所述顶进管节与导向机头之间通过连接环连接，所述连接环由两段矩形钢管拼接而成，两段矩形钢管的外包尺寸略小于所连接的顶进管节和导向机头的内尺寸。

所述加载系统包括加载气缸、顶力传感器和支座反力架，所述加载气缸一端固定于支座反力架上，另一端与顶进管节连接，所述顶力传感器与加载气缸相连。

所述注浆系统包括相互连接的拌浆桶、流量计、空压机和输浆管，所述输浆管与注浆孔相连，且输浆管上设置有压力表。

所述测试系统包括相互连接的位移计、应变采集器和计算机，所述位移计通过固定支架固定于试验箱中。

所述导向轨包括槽形钢，所述槽形钢的槽内底面焊接有T形截面的长条钢。

所述顶进管节和加载气缸之间设置有方形顶铁，所述方形顶铁包括方形钢板和焊接在其中部的矩形钢管，所述矩形钢管的外包尺寸略小于顶进管节的内尺寸，所述方形钢板的边缘设置有与注浆孔相对应的通孔。

本发明所达到的有益效果：

1．试验箱内设置的导向轨与带导轨槽的导向机头，实现了对矩形顶进管节在顶进过程中的导向，由于导向轨的体积较小，对土体受力影响较小；而现有的施工模拟装置采用在管节推进路线上预埋一根贯穿试验箱体的通长管节，后续顶进管节在与这根通长管节连接后，通过将通长管节顶出箱体来模拟管节顶进的过程，这与实际施工情况完全不符。因此本发明能更好地模拟实际施工的土层情况。

2. 顶进管节在沿长度方向四个侧面设置有若干排冒浆孔，可使管节周围形成有效的泥浆套，顶进管节两端夹层封盖面设置有注浆孔，可实现在顶进管节的过程中同步注浆。

因此，本发明所提供的一种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，装置简单，可操作性强，模拟多种工况时，试验装置构件可重复利用，兼容性强，试验装置本身最大限度的符合了工程实际情况，获取的试验数据可靠性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中试验箱的侧视图；

图3 为本发明中试验箱的俯视图；

图4 为本发明中导向轨的结构示意图；

图5为本发明中导向机头的结构示意图；

图6为本发明中顶进管节的结构示意图；

图7为本发明中注浆孔的布置示意图；

图8为本发明中连接环的结构示意图；

图9为本发明中方形顶铁的结构示意图；

图10 为实施例中的位移计测点布置图；

图11 为实施例中不同顶进距离时沿顶进方向的地表沉降图；

图12为实施例中不同顶进距离时垂直顶进方向的地表沉降图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至9所示的种用于矩形顶管顶进施工全过程模拟的试验装置，包括试验箱1、管节系统、加载系统、注浆系统以及测试系统，试验箱1内填充土体2，平行的所述管节系统通过试验箱1两对侧壁上的方孔贯穿试验箱1内部，每对所述方孔之间安装有导向轨10；

所述管节系统包括相互连接的导向机头8和顶进管节3，所述导向机头8为一两端开口的方形钢管，所述导向机头8设置有供导向轨10穿过的导轨槽，所述顶进管节3为带夹层的两端开口方形钢管，所述顶进管节3在沿长度方向四个侧面均匀设置有4排冒浆孔19，所述顶进管节3两端夹层封盖面四侧设置有注浆孔18；

所述加载系统与顶进管节3的末端相连，所述注浆系统与注浆孔18相连，所述 测试系统与试验箱1内部的土体2相连。

所述导向机头8的前开口内焊接有模拟刀盘的切土网格，所述切土网格由薄钢板构成。

所述试验箱1上方无盖，沿所述管节系统顶进方向的两侧壁由两块2厘米厚的有机玻璃组成，垂直于顶进方向的两块侧板以及底板均由6毫米厚的钢板组成，钢板与有机玻璃通过铆接连接成箱体。

所述方孔配备有封盖，所述方孔下方的侧壁底部设置有排水孔20，同一侧壁上的若干排水孔20均与总阀门相连，在浇水固结土体2时，通过总阀门控制排水。

所述顶进管节3与导向机头8之间通过连接环11连接，所述连接环11由两段矩形钢管拼接而成，两段矩形钢管的外包尺寸略小于所连接的顶进管节3和导向机头8的内尺寸。

所述加载系统包括加载气缸6、顶力传感器4和支座反力架5，所述加载气缸6一端固定于支座反力架5上，另一端与顶进管节3连接，所述顶力传感器4与加载气缸6相连。

所述注浆系统包括相互连接的拌浆桶17、流量计16、空压机15和输浆管9，所述输浆管9与注浆孔18相连，且输浆管9上设置有压力表14。拌浆桶17中的浆液经过空压机15的高压泵送，由输浆管9流入顶进管节3的注浆孔18中，再通过冒浆孔19进入土体2，注浆液的流量通过流量计16测得，注浆液的压力通过压力表14测得。

所述测试系统包括相互连接的位移计12、应变采集器13和计算机，所述位移计12通过固定支架固定于试验箱1中，所述位移计12通过导线连接到应变采集器13进行数据实时采集，再通过计算机上安装的软件进行实时处理。所述位移计12采用振弦式多点位移计。

所述导向轨10包括槽形钢，所述槽形钢的槽内底面焊接有T形截面的长条钢。

所述顶进管节3和加载气缸6之间设置有方形顶铁7，所述方形顶铁7包括方形钢板和焊接在其中部的矩形钢管，所述矩形钢管的外包尺寸略小于顶进管节3的内尺寸，所述方形钢板的边缘设置有与注浆孔18相对应的通孔。

本装置通过以下方式实现矩形顶管施工模拟：

第一步：确定试验方案。根据项目研究需要达到的目标，确定拟开展的试验研究内容。包括考虑上覆土层厚度、注浆条件以及顶管间距等试验条件不同情况下的土体的变形及顶力的变化情况，给出测点布设的数量及位置。利用相似性原理确定试验箱1、顶进管节3、导向机头8、冒浆孔19的尺寸。

第二步：根据第一步确定的试验方案，估算出试验用土量。在工程现场顶管管节所处地层处进行现场钻孔取土，由工程现场运送至实验室；

第三步：填土固结。在试验箱1侧面有机玻璃上标出某工况填土的深度，将导向机头8由侧壁一方孔放入导向轨10上，然后将两侧方孔用封盖封住。从试验箱1底部开始分层填土，每一层填土厚度控制在10厘米以内，每层填土采用堆载压实。填土达到预定位置后，在土体2内加足量水，打开排水孔20，排水固结1~ 2小时，再关闭排水孔20，不排水固结24小时；

第四步：布置测量系统。土体2固结完成后，按照试验方案中的测点布置，将若干振弦式多点位移计用固定支架固定在土体2的表面，在每个位移计12的触针与土体2之间平放一边长1厘米的方形玻璃块，各位移计12统一连入应变采集器13，用一台计算机进行数据的自动实时存储；

第五步：拌制注浆液。根据试验方案中设定的某工况的注浆液配比，将膨润土、CMC、纯碱和水分别称重后，在拌浆桶17进行搅拌完成膨润土泥浆配制；

第六步：打开试验箱体两侧的方孔封盖，首先在导向机头8底部的导槽内，以及导向轨10的T形导轨上全长涂抹润滑脂，在顶进管节3的上表面用记号笔标记出距离刻度；然后将顶进管节3一端通过连接环11接入预埋在箱体内的导向机头8，顶进管节3的另外一端通过方形顶铁7与气缸6连接，气缸6支承在固定于地面的支座反力架5上，其轴心与顶进管节3中心对中，顶进过程中通过连接在气缸6上的顶力传感器4测读顶力值；

第七步：顶进操作。将输浆管9与顶进管节3一端的注浆孔18相连，开动加载气缸6顶进，一边顶进，一边将第五步拌制好的浆液从拌浆桶17注入到顶进管节3的夹层中，浆液再由顶进管节3外侧四排冒浆孔19注入到周围土体中，实现同步注浆，直至导向机头8沿着导向轨10从试验箱1另外一侧的方孔被顶出。顶进过程中的顶管距离由顶进管节侧面的刻度数读出，注浆量、注浆压力分别由流量计16及压力表14读出，各时刻的土体变形由位移计12通过应变采集器13适时记录。

图11给出了在上覆土厚20厘米，有同步注浆的工况下，不同顶进距离时土体2沿着顶进方向的地表沉降图，由图可以看出，总体竖向位移以沉降位移为主，位移的最大值在距离靠近气缸一侧的箱子面板0.75米至1米的范围内。

图12给出了在上覆土厚10厘米，由图可以看出，有同步注浆的工况下，不同顶进距离时土体2沿垂直于顶进方向的地表沉降图。由图12可以看出，总体竖向位移也是以沉降位移为主，竖向位移的最大值在顶管轴线上方的，顶管两侧的地表几乎没有沉降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。