CN103995096A - 一种用于模型试验的模拟顶管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模型试验的模拟顶管，A型钢管左端和B型钢管右端焊接，使A型钢管中心轴线和B型钢管中心轴线重合，A型钢管穿过模型试验箱右侧壁上的圆形孔，B型钢管2穿过模型试验箱左侧壁上的圆形孔，使A型钢管和B型钢管保持水平，O型密封圈分别嵌在模型试验箱右侧壁和左侧壁上的预留圆形孔凹槽内，B型钢管左端焊接一水平加载板，在距B型钢管左端安装一反力架，反力架上焊接一千斤顶，千斤顶顶在水平加载板上，将泥浆注入B型钢管和土体的空隙中，通过压力传感器来测试注浆压力。本发明结构合理、简单，操作方便，能用于顶管开挖引发地层变形的模型试验中，模拟真实施工状况中顶管顶进、注浆过程。

Description

一种用于模型试验的模拟顶管

技术领域

本发明涉及岩土力学试验技术领域，更具体涉及一种用于模型试验的模拟顶管，适用于模拟现场条件的顶管施工模型试验中。

背景技术

顶管施工技术是在不开挖地表的情况下，以液压为动力将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进，直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。其具备以下优点：施工精度高、适用土质广、适用管径范围广、施工成本较低、对周边环境影响较小。随着我国城市化进程加速，顶管技术广泛应用于城市给排水、煤气、电力、通信等地下管网以及公路、铁路隧道建设中。

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并使土层的物理、力学指标产生变化，引起管道周围土体产生变形，使土层发生移动，产生地面和地下土体的移动。同时，在顶管施工中，为了减小顶进时顶管所受摩阻力及顶管施工对周边地表沉降的影响，需要对管道与周边土体的空隙以一定压力注入浆液。目前针对地层变形和减阻注浆，其物理、力学指标的确定基本依靠经验公式和现场测试，无法在施工前在试验室内测定。因此，为了更好地模拟现场顶管开挖施工环境，有必要研制一种用于模拟顶管施工地层变形和减阻注浆效应模型试验的模拟顶管。

经对现有技术文献检索发现，专利-顶管注浆减阻的室内模拟实验系统（申请号：201210137982.X）公开了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，专利-平行顶管顶进施工模拟装置（申请号：201110109981.X）公开了一种建筑工程技术领域的平行顶管顶进施工模拟装置。这两个专利都没有同时研究地层损失和注浆减阻两个因素对顶管施工的影响，且没有对模型试验中模拟顶管的制作方法、操作方式等进行描述。可见，目前尚无能用于模拟顶管施工引发地层变形和注浆减阻效应模型试验的模拟顶管。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种用于模型试验的模拟顶管，该装置可以用于模拟顶管施工引发地层变形和注浆减阻效应模型试验；试验过程中采用一边推进模拟顶管一边注浆的方式，既考虑了地层变形又考虑了注浆减阻的影响，模拟效果更接近于真实施工情况。该试验装置结构合理、操作方便，主要用于模拟顶管施工引发地层变形和注浆减阻效应模型试验。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种用于模型试验的模拟顶管，由A型钢管、B型钢管、水平加载板、顶管支撑架、第一O型密封圈、第二O型密封圈、反力架支座、地锚、千斤顶、千斤顶压力传感器、泥浆输送管、压力传感器、注浆泵、泥浆桶组成。其特征在于：A型钢管左端和B型钢管右端焊接在一起，且使A型钢管中心轴线和B型钢管中心轴线重合；A型钢管穿过模型试验箱右侧壁上的圆形孔，B型钢管穿过模型试验箱左侧壁上的圆形孔； B型钢管左端焊接一水平加载板，焊接后的B型钢管放置在顶管支撑架上。在距B型钢管左端水平加载板约0.1－0.3m处安装一反力架支座，地锚穿过反力架支座上的圆柱形孔将反力架固定在地面上。反力架支座上焊接一千斤顶，千斤顶和水平加载板正对，千斤顶连接千斤顶压力传感器。带有外螺纹的泥浆输送管左端拧在带有内螺纹的B型钢管右端注浆孔中，泥浆输送管右端连接压力传感器、注浆泵和泥浆桶。

所述的A型钢管是外径为0.3~0.6m、壁厚为30~50mm、长约为3~5m的普通碳素钢管，其外表光滑。

所述的B型钢管是壁厚、长度与A型钢管壁厚、长度相同的普通碳素钢管，其外径和A型钢管内径一致，约为0.27~0.55m，其外表光滑。B型钢管右端端部管壁截面一周开4~6个注浆孔，孔径约10mm，孔身带内螺纹。带有外螺纹的泥浆输送管左端拧在带有内螺纹的B型钢管右端部注浆孔中，泥浆输送管右端顺序连接泥浆压力传感器、注浆泵和泥浆桶。

所述的水平加载板采用一直径与B型钢管外径相同的圆形钢板制成，水平加载板和B型钢管焊接在一起。

所述模型试验箱采用厚度约为30mm的钢板制作，大致为长3~5m、高4m、宽4m的长方体箱，模型试验箱左侧壁和右侧壁中部距模型试验箱底约1/3~1/2箱体高度处分别开一圆形孔，所述二圆形孔的圆心处于同一高程。模型试验箱左侧壁上的圆形孔直径比B型钢管外径大0.01~0.05mm，模型试验箱右侧壁上的圆形孔直径比A型钢管外径大0.01~0.05mm，沿二圆形孔内壁中央制作一个宽度10~12mm、深度10~12mm凹槽。

所述的第一O型密封圈和第二O型密封圈是具有圆形截面的环行橡胶密封圈，第一O型密封圈内径比A型钢管外径略小，其截面直径和模型试验箱右侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致，用来防止浆液外流。第二O型密封圈内径比B型钢管外径略小，其截面直径和模型试验箱左侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致，用来防止浆液外流。

所述的反力架安装在模型试验箱左侧、距模型试验箱左侧壁6.0~10.0m处，所述的反力架采用型钢制作，由反力架支柱和反力架支座构成，反力架支柱高约为3m，截面边长约0.15m，反力架支座是边长约为1m，厚度约50mm的正方形钢板，反力架支柱底端焊接在支座上，反力架支座四个角各制作一个直径约为10mm的圆柱形孔，地锚穿过反力架支座圆柱形孔将反力架固定在地面上。

所述的地锚为桩式地锚，其直径和反力架支座上圆柱形孔直径相匹配。

所述的顶管支撑架安装在模型试验箱左侧、距模型试验箱左侧壁3.0~5.0m处，所述的顶管支撑架采用工字钢制作，由支撑架支座、支撑架支柱和直径比B型钢管直径大10~20mm的半圆环柱体构成。支撑架支柱底端焊接在支撑架支座上，上端焊接半圆环柱体，焊接后的顶管支撑架半圆环柱体圆心和模型试验箱圆形孔圆心高度一致。

所述的千斤顶采用液压式千斤顶，可匀速顶进，行程为3.0~5.0m。千斤顶焊接在固定于地面的反力架上，轴心与模型试验箱端部洞口中心对中，顶推力经水平加载板均匀传递到B型钢管和A型钢管上。千斤顶连接有压力传感器，可在试验中测定顶推力大小。

一种用于模型试验的模拟顶管的使用方法和工作过程是： 

1）填土：模型试验箱中分层均匀地填入土体，填土过程中安装相关监测元件。土体填至模型试验箱预留圆形孔时停止填土。

2）安装模拟顶管：将第一O型密封圈安装在模型试验箱右侧壁上的圆形孔的凹槽内，将第二O型密封圈安装在模型试验箱左侧壁上的圆形孔的凹槽内。将焊接在一起的B型钢管和A型钢管由模型试验箱右侧壁上的圆形孔向左穿入模型箱，然后，继续向左移动，B型钢管穿过模型试验箱左侧壁上的圆形孔。继续向左移动B型钢管和A型钢管，直至A型钢管1左端距离模型试验箱1左侧壁50mm处。

3）继续填土与静置：安装完顶管后继续填土到预定位置，填土完毕后静置24小时。

4）连接注浆管道与注浆泵：将带有外螺纹的泥浆输送管左端拧在带有内螺纹的B型钢管右端部注浆孔中，泥浆输送管右端顺序连接泥浆压力传感器、注浆泵和泥浆桶。

5）安装反力架：距模型试验箱左侧壁6.0~10.0m处安装一反力架，反力架底部固定在地面上。反力架上焊接千斤顶，将千斤顶的活塞顶在水平加载板上。

6）模拟顶推过程：千斤顶顶推力经水平加载板均匀传递到B型钢管和A型钢管上，A型钢管缓慢地从模型试验箱中抽出，与此同时，B型钢管缓慢顶进模型试验箱，在此过程中通过注浆泵和泥浆输送管将泥浆注入B型钢管和土体之间的空隙中，通过泥浆压力传感器来测试注浆压力。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1）本发明构造简单、操作方便，可用于模拟顶管施工中引起的地层变形和注浆减阻施工过程的模型试验中。

2）试验中可通过改变A型钢管和B型钢管的外径差来研究不同的超挖厚度对地层损失的影响；

3）配合使用A型钢管和B型钢管、顶推系统和注浆系统可模拟真实施工状况中顶管顶进、注浆过程。

4）使用O型密封圈可以起到止水防渗的作用，防止了所注浆液的外流。

申请者利用本模拟顶管用在了模拟顶管开挖模型试验中，发现模拟顶管开挖引发的地层应力、变形特征，以及摩阻力分布规律均与工程实际保持了较高的吻合度，较好的反映出顶管隧道开挖地层变形状态和摩阻力分布的特点与演化规律，满足了模拟现场顶管隧道开挖顶进施工的需求，对于推动顶管施工技术的发展具有重要意义。

附图说明

图1为一种用于模型试验的模拟顶管示意图。

图2为一种用于模型试验的模拟顶管中焊接后的A型钢管和B型钢管剖面图。

图3为一种用于模型试验的模拟顶管中A型钢管、O型密封圈和模型试验箱连接剖面图。

其中：1. A型钢管，2.B型钢管，3.水平加载板，4.顶管支撑架，5.模型试验箱，6. 第一O型密封圈，7. 第二O型密封圈，8.反力架，9.地锚，10.千斤顶，11.千斤顶压力传感器（MA18E型或SML-H-8型），12.泥浆输送管，13.泥浆压力传感器（BST6600-EB型或PT124B-2512型），14.注浆泵，15.泥浆桶，16.土体，17.泥浆。

                   具体实施方式

实施例1：

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

如图1、图2、图3所示，一种用于模型试验的模拟顶管，由A型钢管1、B型钢管2、水平加载板3、顶管支撑架4、第一O型密封圈6、第二O型密封圈7、反力架支座8、地锚9、千斤顶10、千斤顶压力传感器11、泥浆输送管12、泥浆压力传感器13、注浆泵14、泥浆桶15等构成。其特征在于：A型钢管1左端和B型钢管2右端焊接在一起，且使A型钢管1中心轴线和B型钢管2中心轴线重合；A型钢管1穿过模型试验箱右侧壁上的圆形孔，B型钢管2穿过模型试验箱左侧壁上的圆形孔，且使A型钢管1和B型钢管2保持水平；将第一O型密封圈6和第二O型密封圈7分别嵌在模型试验箱5右侧壁和左侧壁上的预留圆形孔凹槽内；B型钢管2左端焊接一水平加载板3，焊接后的B型钢管2放置在顶管支撑架4上。在距模型试验箱5左侧壁约6.0~10.0m处安装一反力架8，地锚9穿过反力架支座8上的圆柱形孔将反力架支座8固定在地面上。反力架8上焊接一千斤顶10，千斤顶10和水平加载板3正对，千斤顶10连接千斤顶压力传感器11。带有外螺纹的泥浆输送管12左端拧在带有内螺纹的B型钢管2右端部注浆孔中，泥浆输送管12右端顺序连接泥浆压力传感器13、注浆泵14和泥浆桶15。

所述的A型钢管1是外径为0.3~0.6m、壁厚为30~50mm、长约为3~5m的普通碳素钢管，其外表光滑。

所述的B型钢管2是外径和A型钢管1内径一致，约为0.27~0.55m，壁厚、长度和A型钢管相同的普通碳素钢管，其外表光滑。B型钢管右端端部管壁截面一周开4~6个注浆孔，孔径约10mm，孔身带内螺纹。

所述的水平加载板3采用一直径略大于B型钢管2外径的圆形钢板制成，水平加载板3和B型钢管2焊接在一起。

所述模型试验箱采用厚度约为30mm的钢板制作，大致为长3~5m、高4m、宽4m的长方体箱，模型试验箱5左侧壁和右侧壁中部距模型试验箱5底约1/3~1/2箱体高度处分别开一圆形孔，所述二圆形孔的圆心处于同一高程。模型试验箱5左侧壁上的圆形孔直径比B型钢管2外径大0.01~0.05mm，模型试验箱5右侧壁上的圆形孔直径比A型钢管1外径大0.01~0.05mm，沿二圆形孔内壁中央制作一个宽度10~12mm、深度10~12mm凹槽。

所述的第一O型密封圈6和第二O型密封圈7是具有圆形截面的环行橡胶密封圈，第一O型密封圈6内径比A型钢管1外径略小，其截面直径和模型试验箱5右侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致，用来防止浆液外流。第二O型密封圈7内径比B型钢管2外径略小，其截面直径和模型试验箱5左侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致，用来防止浆液外流。

所述的反力架8安装在模型试验箱5左侧、距模型试验箱5左侧壁6.0~10.0m处，所述反力架8采用型钢制作，由反力架支柱、反力架支座构成，反力架支柱高约为3m，截面边长约0.15m，反力架支座是边长约为1.0m，厚度约为50mm的正方形钢板，反力架支柱底端焊接在反力架支座上，反力架支座四个角各制作一个直径约为10mm的圆柱形孔，地锚9穿过反力架支座圆柱形孔将反力架8固定在地面上。

所述的地锚9为桩式地锚，其外径和反力架支座上圆柱形孔直径相匹配。

所述的顶管支撑架4安装在模型试验箱5左侧、距模型试验箱5左侧壁3.0~5.0m处，所述的顶管支撑架4采用工字钢制作，由支撑架支座、支撑架支柱和直径比B型钢管2直径大10~20mm的半圆环柱体构成。支撑架支柱底端焊接支撑架支座，上端焊接半圆环柱体，焊接后的顶管支撑架半圆环柱体圆心和模型试验箱圆形孔圆心高度一致。

所述的千斤顶10采用液压式千斤顶，可匀速顶进，行程为3.0~5.0m。千斤顶10焊接在固定于地面的反力架上，轴心与模型试验箱5左侧壁上预设的圆形孔的圆心对中，顶推力经水平加载板均匀传递到B型钢管2和A型钢管1上。千斤顶10连接有压力传感器11，可在试验中测定顶推力大小。

一种用于模型试验的模拟顶管的使用方法和工作过程是： 

1）填土：模型试验箱5中分层均匀地填入土体16，填土过程中安装相关监测元件。土体16填至模型试验箱5预留圆形孔时暂停填土。

2）安装模拟顶管：将第一O型密封圈6安装在模型试验箱右侧壁上的圆形孔的凹槽内，将第二O型密封圈7安装在模型试验箱左侧壁上的圆形孔的凹槽内。将焊接在一起的B型钢管2和A型钢管1由模型试验箱5右侧壁上的圆形孔向左穿入模型箱，然后，继续向左移动，B型钢管2穿过模型试验箱5左侧壁上的圆形孔。再继续向左移动B型钢管2和A型钢管1，直至A型钢管1左端距离模型试验箱1左侧壁50mm处。

3）继续填土与静置：安装完顶管后继续填土到预定位置，填土完毕后静置24小时。

4）连接注浆管道与注浆泵：将带有外螺纹的泥浆输送管12左端拧在带有内螺纹的B型钢管2右端部注浆孔中，泥浆输送管12右端顺序连接泥浆压力传感器13、注浆泵14和泥浆桶15。

5）安装反力架：距模型试验箱5左侧壁6.0~10.0m处安装一反力架8，反力架8通过地锚9固定在地面上。反力架8上焊接千斤顶10，将千斤顶10的活塞顶在水平加载板3上。

6）模拟顶推过程：千斤顶10顶推力经水平加载板3均匀传递到B型钢管2和A型钢管2上，A型钢管1缓慢地从模型试验箱中抽出，与此同时，B型钢管2缓慢顶进模型试验箱，在此过程中通过注浆泵14和泥浆输送管12将泥浆17注入B型钢管2和土体16之间的空隙中，通过泥浆压力传感器13来测试注浆压力。

Claims (9)

1.一种用于模型试验的模拟顶管，它包括A型钢管（1）、B型钢管（2）、水平加载板（3）、顶管支撑架（4）、第一O型密封圈（6）、反力架支座（8）、地锚（9）、千斤顶压力传感器（11）、泥浆压力传感器（13）、注浆泵（14）、泥浆桶（15），其特征在于：A型钢管（1）左端和B型钢管（2）右端焊接，A型钢管（1）中心轴线和B型钢管（2）中心轴线重合；A型钢管（1）穿过模型试验箱右侧壁上的圆形孔，B型钢管（2）穿过模型试验箱左侧壁上的圆形孔，第一O型密封圈（6）和第二O型密封圈（7）分别嵌在模型试验箱（5）右侧壁和左侧壁上的预留圆形孔的凹槽内，B型钢管（2）左端焊接一水平加载板（3），焊接后的B型钢管（2）放置在顶管支撑架（4）上，在模型试验箱（5）左侧、距模型试验箱5左侧壁6.0~10.0m处安装反力架支座（8），地锚（9）穿过反力架支座（8）上的圆柱形孔，将反力架（8）固定在地面上，反力架支座（8）上焊接一千斤顶（10），千斤顶（10）和水平加载板（3）正对，千斤顶（10）连接千斤顶压力传感器（11），泥浆输送管（12）左端拧在带有内螺纹的B型钢管（2）右端部的注浆孔中，泥浆输送管（12）右端顺序连接泥浆压力传感器（13）、注浆泵（14）和泥浆桶（15）。

2.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的A型钢管（1）为外壁光滑、外径为0.3~0.6m、壁厚为30~50mm、长为3~5m的碳素钢管。

3.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的B型钢管（2）为外壁光滑、外径和A型钢管（1）内径一致，壁厚、长度和A型钢管（1）壁厚、长度相同的碳素钢管，B型钢管（2）右端端口部管壁截面一周开4~6个注浆孔，孔径10mm，孔身带内螺纹。

4.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的水平加载板（3）采用一直径与B型钢管（2）外径相同的圆形钢板制成，水平加载板（3）和B型钢管（2）焊接。

5.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述模型试验箱（5）采用厚度为30mm的钢板制作，长3~5m、高4m、宽4m的长方体箱，模型试验箱（5）左侧壁和右侧壁中部距模型试验箱（5）底1/3~1/2箱体高度处分别开一圆形孔，所述二圆形孔的圆心处于同一高程，模型试验箱（5）左侧壁上的圆形孔直径比B型钢管（2）外径大0.01~0.05mm，模型试验箱（5）右侧壁上的圆形孔直径比A型钢管（1）外径大0.01~0.05mm，沿二圆形孔内壁中央制作一个宽度10~12mm、深度10~12mm凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的第一O型密封圈（6）和第二O型密封圈（7）是圆形截面的环行橡胶密封圈，第一O型密封圈（6）内径比A型钢管（1）外径小，其截面直径和模型试验箱（5）右侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致，第二O型密封圈（7）内径比B型钢管（2）外径小，其截面直径和模型试验箱（5）左侧壁上的圆形孔的凹槽宽度一致。

7.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的反力架（8）采用型钢制作，由反力架支柱、反力架支座构成，反力架支柱高为3m，截面边长0.15m，反力架支座是边长为1.0m，厚度为50mm的正方形钢板，反力架支柱底端焊接在反力架支座上，反力架支座四个角各制作一个直径为10mm的圆柱形孔，地锚（9）穿过反力架支座圆柱形孔将反力架（8）固定在地面上。

8.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的地锚（9）为桩式地锚，其外径和反力架支座上圆柱形孔直径相匹配。

9.根据权利要求1所述的一种用于模型试验的模拟顶管，其特征在于：所述的顶管支撑架（4）安装在模型试验箱（5）左侧、距模型试验箱（5）左侧壁3.0~5.0m处，所述的顶管支撑架（4）采用工字钢制作，由支撑架支座、支撑架支柱和直径比B型钢管（2）直径大10~20mm的半圆环柱体构成，支撑架支柱底端焊接支撑架支座上，上端焊接半圆环柱体，焊接后的顶管支撑架半圆环柱体圆心和模型试验箱圆形孔圆心高度一致。