CN102278117B - 平行顶管顶进施工模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种建筑工程技术领域的平行顶管顶进施工模拟装置，包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构、施工模拟机构和测试模块，模拟箱体内设有模拟土体且多根连接管节平行贯穿于模拟箱体内部，支撑机构和施工模拟结构分别设置于连接管节的两端，测试模块与模拟箱体相连。本发明可以对大直径、长距离、复杂地层、江中江中浅覆土等条件下各种不同参数的平行顶管施工进行模拟试验，为现场施工提供技术指导，并为今后类似条件顶管施工的研究提供经验。

Description

平行顶管顶进施工模拟装置

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的装置，具体是一种平行顶管顶进施工模拟装置。

背景技术

顶管法施工是借助于主顶油缸及中继间等的顶推力，把掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随掘进机后的管道埋设在工作井与接收井之间，这是一种非开挖的铺设地下管道的施工方法。随着城市经济的发展和城市规模的扩张，地铁、越江隧道、污水管道等各种市政工程的建设也越来越多。顶管施工由于其对周围环境影响小且成本相对较低等优势得到了广泛的应用。顶管法作为一种不开槽施工方法，其最大的优越性在于采用不开槽的暗挖方式，从而避免了作业面对地上建筑物或构筑物的直接影响。但是作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为，土体的应力状态不断发生变化，引起管道周围土体产生变形，使土体产生移动。当土体变形超过一定范围时，会严重危及邻近建(构)筑物基础、邻近建(构)筑物、路面和地下管线的安全，引起一系列环境岩土问题。

经对现有的技术文献检索发现，中国专利文献号CN201289705Y，公开日2009-8-12，记载了一种“模拟城市地铁盾构隧道施工的室内模型盾构装置”，包括：A.掘土机构圆形盾壳通过隔板分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴前端连接刀盘，后端通过传动齿轮与刀盘电机相连。B.螺旋出土器螺旋杆前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与出土器电机相连；出土套筒前、后端分别固定在隔板、机舱上，其后部开出土孔。C.推进机构机舱尾部分布四个纵向千斤顶。该技术可以实现对盾构施工全过程的动态实时模拟，但无法实现对于复杂地形、长距离的平行顶管施工相关的研究，应用有局限性。为了模拟各种条件下顶管施工、预测土体变形，需要具有广泛适应性的模型试验系统。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种平行顶管顶进施工模拟装置，可以对大直径、长距离、复杂地层、江中浅覆土等条件下各种不同参数的平行顶管施工进行模拟试验，为现场施工提供技术指导，并为今后类似条件顶管施工的研究提供经验。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构、施工模拟机构和测试模块，其中：模拟箱体内设有模拟土体且多根连接管节平行贯穿于模拟箱体内部，支撑机构和施工模拟结构分别设置于连接管节的两端，测试模块与模拟箱体相连。

所述的模拟箱体采用有机玻璃制成的无盖装置，该模拟箱体的相对两个侧面分别设有一排开孔，另一个侧面设有一排排水孔，所述的开孔和排水孔上设有孔盖或阀门。

所述的连接管节由既有管节和与之相连接的后续管节组成，该连接管节上设有注浆孔。

所述的既有管节和后续管节的连接处设有螺纹及加固铁片。

所述的支撑机构包括：支座反力架、千斤顶、压力传感器和顶铁，其中：顶铁的一侧与连接管节相连，另一侧与千斤顶相连，千斤顶固定设置于支座反力架上并与压力传感器相连接。

所述的顶铁为O形铁片，其直径大于连接管节的外径。

所述的施工模拟机构包括：依次连接的储浆桶、压力泵、浆液分流器、导浆管和注浆喷口，其中：浆液分流器由总阀、流量计、压力计和四只支管与相应的分阀组成，注浆喷口位于连接管节内且两端分别与连接管节和导浆管相连。

所述的注浆喷口为L形铁管结构且管身上设有螺纹。

所述的测试模块包括：位移计、测斜仪、固定支架和应变测试系统，其中：位移计和测斜仪分别设置于模拟土体的内部和表面并与应变测试系统相连，固定支架固定设置于模拟箱体的顶部并与位移计和测斜仪固定连接。

所述的应变测试系统使用静态应变测试系统，包括位移计的数据采集器和连接电脑的处理软件，可以实现监测数据的实时处理、分析。

本装置通过以下方式进行模拟：

第一步、设计试验装置尺寸。根据相似原理和顶管设计资料，在充分利用模拟箱体空间的原则上，设计模拟箱体开孔位置、大小和上覆土厚度，并确定既有管节、后续管节的尺寸(包括长度、壁厚、直径)。确定顶进管节后布置位移计位置。

第二步、根据现场地质勘测结果，选定上覆土、下衬土层的试验用土。

第三步、布置试验装置。

①布置注浆系统。在连接管节上连接注浆喷口，并连好注浆系统，用清水代替浆液检查注浆系统是否连通。

②模拟现场环境。在模拟箱体中先填充下衬土层，再由预留孔铺设既有管节，最后填充上覆土。为真实反映现场施工环境，需在箱中加适量水，并固结足够时间。

③布置加载系统。千斤顶轴心与顶管中心对应，并留适当的顶进距离。

④布置测试系统。按预定位置安放固定支架和位移计，由于测斜仪需埋在土中，故应在填充试验用土前安放。

第四步、配制浆液。按施工现场数据，按一定膨润土：CMC：纯碱：水的比例配制膨润土泥浆，存放在储浆桶中。

第五步、开始顶进。开动千斤顶开始顶进，并按顶进距离记录顶力、注浆量、注浆压力和位移计的数据。其中位移计的测量结果可用应变测试系统自动读取。

第六步、重复第三步至第五步，测试不同既有管线数时平行顶管顶进所造成的影响。

第七步、分析试验数据。通过不同参数的平行顶管顶进试验，可以分析平行顶管施工对周围环境的影响和影响土层位移大小的因素。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过模拟顶管施工的关键技术，包括换管与顶进、触变泥浆注浆操作、多管平行施工等，实现对平行顶管单管施工和多管施工的室内试验研究，填补顶管施工技术、特别是平行顶管研究的空白。

附图说明

图1模型试验装置系统示意图。

图2模拟箱体侧面及开孔尺寸图。

图3注浆喷口详图。

图4带注浆孔的连接管节。

图5位移计各测点位置及尺寸示意图。

图6单管与多管试验顶力-顶程对比图。

图7单管与多管试验1号测点变形对比图。

图8单管与三管试验剖面变形对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：模拟箱体1、连接管节2、支撑机构3、施工模拟机构4和测试模块5，其中：模拟箱体1内设有模拟土体6且多根连接管节2平行贯穿于模拟箱体1内部，支撑机构3和施工模拟结构分别设置于连接管节2的两端，测试模块5与模拟箱体1相连。

所述的模拟箱体1采用有机玻璃制成的无盖装置，该模拟箱体1的相对两个侧面分别设有一排开孔7，另一个侧面设有一排排水孔8，所述的开孔7和排水孔8上设有孔盖或阀门。

所述的连接管节2由既有管节9和与之相连接的后续管节10组成，该连接管节2上设有注浆孔。

所述的既有管节9和后续管节10的连接处设有螺纹及加固铁片。

所述的支撑机构3包括：支座反力架11、千斤顶12、压力传感器13和顶铁14，其中：顶铁14的一侧与连接管节2相焊接，另一侧与千斤顶12相连，千斤顶12固定设置于支座反力架11上并与压力传感器13相连接。

所述的顶铁14为O形铁片，其直径大于连接管节2的外径。

所述的施工模拟机构4包括：依次连接的储浆桶15、压力泵16、浆液分流器17、导浆管18和注浆喷口19，其中：浆液分流器17由总阀、流量计、压力计和四只支管与相应的分阀组成，注浆喷口19位于连接管节2内且两端分别与连接管节2和导浆管18相连。

所述的注浆喷口19为L形铁管结构且管身上设有螺纹。

所述的测试模块5包括：位移计20、测斜仪21、固定支架22和应变测试系统23，其中：位移计20和测斜仪21分别设置于模拟土体6的表面和内部并与应变测试系统23相连，固定支架22固定设置于模拟箱体1的顶部并与位移计20和测斜仪21固定连接。

所述的应变测试系统23使用DH3816静态应变测试系统，包括位移计的数据采集器和连接电脑的处理软件，可以实现监测数据的实时处理、分析。

本装置通过以下方式进行模拟：

第一步、设计试验装置尺寸。根据相似原理和顶管设计资料，在充分利用模拟箱体1空间的原则上，设计模拟箱体1开孔7位置、大小和上覆土厚度，并确定既有管节9、后续管节10的尺寸(包括长度、壁厚、直径)。确定顶进管节后布置位移计位置。

第二步、根据现场地质勘测结果，选定上覆土、下衬土层的试验用土。

第三步、布置试验装置。

⑤布置注浆系统。在连接管节2上连接注浆喷口19，并连好注浆系统，用清水代替浆液检查注浆系统是否连通。

⑥模拟现场环境。在模拟箱体1中先填充下衬土层，再由预留孔铺设既有管节9，最后填充上覆土。为真实反映现场施工环境，需在箱中加适量水，并固结足够时间。

⑦布置加载系统。千斤顶12轴心与顶管中心对应，并留适当的顶进距离。

⑧布置测试系统。按预定位置安放固定支架22和位移计20，由于测斜仪需埋在土中，故应在填充试验用土前安放。

第四步、配制浆液。按施工现场数据，按一定膨润土：CMC：纯碱：水的比例配制膨润土泥浆，存放在储浆桶15中。

第五步、开始顶进。开动千斤顶12开始顶进，并按顶进距离记录顶力、注浆量、注浆压力和位移计的数据。其中位移计的测量结果可用应变测试系统自动读取。

第六步、重复第三步至第五步，测试不同既有管线数时平行顶管顶进所造成的影响。

第七步、分析试验数据。通过不同参数的平行顶管顶进试验，可以分析平行顶管施工对周围环境的影响和影响土层位移大小的因素。

如图1所示，本实施例包括：模拟箱体1，模拟土体6，开孔7(5条)，排水孔8；既有管节9(3节)，后续管节10(3节)；支座反力架11，千斤顶12，压力传感器13，顶铁14；储浆桶15，压力泵16，浆液分流器17，导浆管18(4条)，注浆喷口19(4只)；位移计20(13只)，固定支架22，应变测试系统23。

本实施例为三管平行试验，即模拟左右两线平行顶管施工结束后，中间顶管施工所产生的影响。具体实现步骤如下：

1)根据设计资料，选择开孔位置，如图2所示，在模拟箱体1两端对称开孔，一排共5个，孔径110mm，间距依次为165mm、220mm、220mm、165mm，高500mm。

2)选用外径110mm、壁厚5mm的PVC管制作连接管节，其中既有管节9长2.2m，做3节，在一端50mm处开品字形分布的注浆孔，孔径8mm，带螺纹，如图4所示；后续管节10长0.5m，做3节，并制作配套连接铁片。

3)选用细砂作为模拟土体6，并准备足量的细砂。

4)连接注浆系统与既有管节9，导浆管18由无注浆孔一侧伸入连接管节中，并经注浆喷口45连接注浆孔。然后用清水检查注浆系统是否有堵塞或漏浆。

5)布置模拟箱体1内器材，模拟顶管施工环境。其中，安放3根既有管节9，连接注浆系统的一根放在中间。模拟土体6厚度取750mm。模拟箱体1内填土后，需加如足量水，打开排水孔8，排水固结1～2h；再关闭排水孔8，不排水固结24h。

6)布置加载系统。将千斤顶12后座固定在支座反力架11上，并与顶进管节中心对准。

7)按图5所示位移计位置，布置测试系统，其中A～E位移计位于顶进顶管轴线上方，顶进时沿A到E的方向。

8)按膨润土∶CMC∶纯碱∶水为1∶0.016∶0.004∶9配制膨润土浆液，储存在储浆桶15中。

9)开动千斤顶12和压力泵16，进行顶进试验，并记录测试数据。

顶力-顶程图如图6所示，顶力随膨润土浆液使用量的增加而减少，增加后续管节10后顶管处于停止状态，继续顶进需要更大的顶力。单管试验与多管试验相比发现，平行顶管受已施工的管节影响，所需的顶力变小。

A号测点的变形-顶程图如图7所示，变形是先隆起后沉降的过程，顶管顶至测点下方，隆起达到最大值。单管试验与多管试验相比发现，平行顶管顶进时后施工的管线隆起变形和沉降变形都较小。

剖面土体变形-顶程图如图8所示，表示的是试验中顶管顶进过程中施工过测点后产生的沉降槽。单管试验与多管试验相比发现，平行顶管施工时后施工的管线沉降较小。

Claims (8)

1.一种平行顶管顶进施工模拟装置，其特征在于，包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构、施工模拟机构和测试模块，其中：模拟箱体内设有模拟土体且多根连接管节平行贯穿于模拟箱体内部，支撑机构和施工模拟结构分别设置于连接管节的两端，测试模块与模拟箱体相连；

所述的施工模拟机构包括：依次连接的储浆桶、压力泵、浆液分流器、导浆管和注浆喷口，其中：浆液分流器由总阀、流量计、压力计和四只支管与相应的分阀组成，注浆喷口位于连接管节内且两端分别与连接管节和导浆管相连。

2.根据权利要求1所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的模拟箱体采用有机玻璃制成的无盖装置，该模拟箱体的相对两个侧面分别设有一排开孔，另一个侧面设有一排排水孔，所述的开孔和排水孔上设有孔盖或阀门。

3.根据权利要求1所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的连接管节由既有管节和与之相连接的后续管节组成，该连接管节上设有注浆孔。

4.根据权利要求3所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的既有管节和后续管节的连接处设有螺纹及加固铁片。

5.根据权利要求1所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的支撑机构包括：支座反力架、千斤顶、压力传感器和顶铁，其中：顶铁的一侧与连接管节相焊接，另一侧与千斤顶相连，千斤顶固定设置于支座反力架上并与压力传感器相连接。

6.根据权利要求5所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的顶铁为O形铁片，其直径大于连接管节的外径。

7.根据权利要求1所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的注浆喷口为L形铁管结构且管身上设有螺纹。

8.根据权利要求1所述的平行顶管顶进施工模拟装置，其特征是，所述的测试模块包括：位移计、测斜仪、固定支架和应变测试系统，其中：位移计和测斜仪分别设置于模拟土体的表面和内部并与应变测试系统相连，固定支架固定设置于模拟箱体的顶部并与位移计和测斜仪固定连接。 

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