一种顶管施工的室内试验模拟系统
技术领域
本发明属于地下工程试验技术领域,具体涉及一种顶管施工的室内试验模拟系统。
背景技术
顶管法是一种非开挖的地下管道敷设施工方法,其具有施工成本低、适用范围广且对周围环境及地表沉降影响较小的特点。因此顶管法施工广泛的应用于城市管网及公路铁路隧道建设。采用顶管模型试验装置进行室内模型试验是研究顶管施工过程中顶力、摩阻力、顶进速度及注浆压力等控制因素对工作面周围地层影响的重要手段。经现有技术文献检索发现,中国专利申请号201210137982.X,发明名称:顶管注浆减阻的室内模拟试验系统,该专利技术公开了一种建筑工程技术领域顶管注浆减阻的室内模拟实验系统,该装置包括试验箱、竖向加载测试系统及注浆系统。该专利技术可用于测试顶管施工注浆后摩阻力,虽然用扩大了尺寸的“管节”模拟机头,但是并不能模拟刀盘切削土体造成的扰动,且因顶管模型需贯穿试验箱才能模拟顶进过程,因此需在试验箱两侧板开孔,在模拟同步注浆过程中,浆料会从管节与孔洞的缝隙中渗出导致注浆压力无法控制。中国专利文献号201289705Y,专利名称:一种模拟城市地铁盾构隧道施工的室内模型盾构装置,该专利技术公开了一种盾构机盾构隧道施工的模拟装置,该装置包括掘土机构、螺旋出土器及推进机构。该装置能模拟土压平衡式盾构机的动态掘进,出土、推进、拼装、脱环等施工的全过程,但是并不能用于顶管施工过程中同步注浆及摩阻力的研究,并且在顶进过程中刀盘扭矩及机头自重作用下顶进方向不可控,不能在实验室条件下控制顶进轴线偏差。这些模型装置或系统通常只能模拟顶管顶进施工中的一部分工况,均存在较大的局限性。
因此,需要提供一种针对上述现有技术不足的一种顶管施工的室内试验模拟系统。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,提供了一种可用于模拟顶管施工过程的模型实验装置,能够模拟顶管机机头刀盘切土、管段顶进及同步注浆等顶管施工过程。从而研究顶管施工过程中顶力、摩阻力、顶进速度及注浆压力等控制因素对工作面周围地层的影响。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种顶管施工的室内试验模拟系统,包括:
模型箱,所述模型箱包括箱体和铺设在所述箱体内的土体;所述箱体为顶部开口的刚性箱体;所述模型箱的侧壁设置有顶管通过口;
导轨限位机构,所述导轨限位机构位于所述模型箱的设有所述顶管通过口的侧壁的一侧,包括固定框架、直线导轨、顶管限位支撑和导轨滑块,所述直线导轨位于所述固定框架上,所述导轨滑块与所述直线导轨配合,并沿着所述直线导轨作直线运动,所述顶管限位支撑位于所述直线导轨一端的所述固定框架上,所述顶管限位支撑设置在所述顶管通过口处;所述固定框架有支撑承载作用;
顶管机构,所述顶管机构包括机头、管节和顶进机构,所述机头与所述管节的前端同轴连接,所述管节的末端与所述导轨滑块连接,所述顶进机构带动所述导轨滑块沿所述直线导轨运动,所述管节放置在所述顶管限位支撑的上方;
切土机构,所述切土机构包括刀盘,传动轴和刀盘驱动机构,所述刀盘位于所述机头的前端,所述刀盘与位于所述管节内的所述传动轴的前端连接,所述刀盘驱动机构与所述传动轴的末端连接,所述刀盘驱动机构通过所述传动轴带动所述刀盘转动;
注浆系统,所述注浆系统包括注浆站、注浆管路和贯穿于管节外壁的注浆口,所述注浆管路将所述注浆站和所述注浆口连通;
位移监测系统,所述位移监测系统包括位移传感器与传感器支架,所述传感器支架将所述位移传感器固定在所述箱体的上方。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述顶进机构包括顶进伺服电机、主动齿轮和齿条,所述顶进伺服电机与所述导轨滑块连接,所述主动齿轮装配在所述顶进伺服电机的输出轴,所述齿条位于所述直线导轨的侧壁,所述主动齿轮与所述齿条啮合。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述刀盘驱动机构包括刀盘伺服电机,所述切土机构还包括套筒,所述套筒的一端与所述刀盘伺服电机的转动轴刚性同轴连接,所述套筒的另一端套设在所述传动轴的末端,所述套筒与所述传动轴滑动配合,所述套筒的另一端的筒壁上设有至少一对反向相对的斜槽,传动轴的末端的外表面上对应斜槽设有至少一对相对的导向销。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述注浆站包括浆料罐、压力表和位于浆料罐侧壁的气管接口,所述浆料罐为密闭结构,所述气管接口与高压气管连接。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述注浆系统还包括电子天平,所述浆料罐放置在所述电子天平的称量部,所述注浆管路和所述高压气管均为软管。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述顶管限位支撑为限位滑轮,所述限位滑轮的外径与所述管节外径接触,从而支撑起所述管节;
优选地,所述管节的末端下部设置有出料口;
再优选地,所述机头的轴向投影区域覆盖所述管节的轴向投影区域。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述顶管通过口处设置有密封圈。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述刀盘驱动机构与所述导轨滑块连接,所述刀盘驱动机构与所述导轨滑块的连接处设置有第一压力传感器。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述顶进伺服电机与所述导轨滑块的连接处设置有第二压力传感器。
如上所述的一种顶管施工的室内试验模拟系统,优选,所述传动轴通过滑动轴承设置在所述管节和机头内部,所述滑动轴承分别安装在位于管节内的轴承座和位于机头内的轴承座内;所述轴承座为辐条式镂空轴承座。
与最接近的现有技术相比,本发明提供的技术方案具有如下优异效果:
本发明提供的顶管施工的室内试验模拟系统,通过设置在管节两端的直线导轨和限位滑轮,限制了顶管顶进过程中的轴线偏差,解决了实验室条件下顶进过程中由于刀盘扭矩作用导致的轴线偏差不可控的问题。通过在模型箱的顶管通过口处设置的密封圈,使管节和顶管通过口密闭连接,解决了因浆料渗漏导致的注浆压力不可控的问题,实现了稳压注浆减阻。通过在模型箱上方设置的位移监测系统,及时感知顶管过程中对周围土体的扰动情况。整个试验模拟系统工作形态接近实际场景,检测工况比较全面,对顶管施工的发展具有重要的意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
其中:
图1为本发明实施例的顶管施工的室内试验模拟系统示意图;
图2为本发明实施例的顶管施工的室内试验模拟系统右视图;
图3为本发明实施例的顶管施工的室内试验模拟系统局部放大示意图;
图4为本发明实施例的注浆系统示意图;
图5为本发明实施例的套筒结构示意图。
图中:1、模型箱;11、钢化玻璃侧板;12、顶管通过口;13、T型滑槽;14、长度标尺;15、高度标尺;16、盖板;17、移动轮;21、固定框架;22、直线导轨;23、导轨滑块;24、可调支脚;25、限位滑轮;31、机头;32、管节;33、顶进伺服电机;34、主动齿轮;35、齿条;36、出料口;37、第二压力传感器;41、刀盘;42、传动轴;421、导向销;43、刀盘伺服电机;44、套筒;441、斜槽;45、滑动轴承;46、第一压力传感器;51、注浆管路;52、注浆口;53、浆料罐;54、压力表;55、电子天平;61、光电位移传感器;62、传感器支架。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间部件间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的实施例,如图1至图5所示,本发明提供一种顶管施工的室内试验模拟系统,包括:模型箱1、导轨限位机构、顶管机构、切土机构、注浆系统和位移监测系统,切土机构和顶管机构均放置在导轨限位机构的导轨滑块23上,使刀盘41沿着直线导轨22的方向进入模型箱1内的土体内,刀盘41后方的机头31和管节32被及时顶入刀盘41旋挖出的孔洞内,注浆系统通过管节32上的注浆口52向管节32外壁进行注浆减阻,确保顺利顶管。位移监测系统位于箱体的上方,通过多个位移传感器检测箱体内土体的竖向位移,从而检测切土顶管施工对周围土体的影响。
模型箱1包括箱体和铺设在箱体内的相似材料土体;箱体为顶部开口的刚性箱体;模型箱1的对立侧壁设置有对应的顶管通过口12;为了便于观察模型箱1内土体材料的情况,箱体采用刚性框架(例如焊接钢框架)、透明刚性侧板(例如钢化玻璃侧板11)和刚性的底板(例如焊接钢制底板)制成。为了便于固定位移监测系统,在箱体的顶部的边框设置有滑槽(例如T型滑槽13)。为了便于观察各部件相对于箱体内土体的位置,在模型箱1的顶部边框和竖向边框分别设置有长度标尺14和高度标尺15。在本发明的实施例中,采用砂作为土体材料,铺砂高度为距模型箱1底板的高度为700mm,钢化玻璃侧板11中间位置处设置有顶管通过口12,并设置盖板16。在铺设相似材料土体时关闭盖板16,待试验操作开始时再打开盖板16,顶管通过口12的直径与机头31的直径一致,顶管通过口12的圆心距模型箱1底板的高度为300mm。模型箱1底部边框设置有移动轮17,便于模型箱1的移动。移动轮17设置有制动机构,当模型箱1放置好以后,制动机构进行制动,防止模型箱1工作时的位移。
导轨限位机构位于模型箱1设有顶管通过口12的侧壁的一侧,包括固定框架21、直线导轨22、顶管限位支撑和导轨滑块23。固定框架21与模型箱1刚性连接,直线导轨22位于固定框架21的上部,导轨滑块23与直线导轨22配合,并沿着直线导轨22作直线运动。顶管限位支撑位于直线导轨22一端的固定框架21上,顶管限位支撑靠近顶管通过口12。固定框架21有支撑承载作用,固定框架21的底部设置有可调支脚24。
优选地,顶管限位支撑采用限位滑轮25,限位滑轮25的外径与管节32的外径接触,从而支撑起管节32,防止管节32的前端因为重力等原因而产生径向位移。进一步地,为了使支撑效果更稳定,限位滑轮25至少设置有2个,多个限位滑轮25与管节32底部两侧的外表面接触。通过设置直线导轨22,配合限位滑轮25的使用,使导轨限位机构限制了顶管顶进过程中的轴线偏差,解决了实验室条件下顶进过程中由于刀盘41扭矩作用导致的轴线偏差不可控的问题。
顶管机构包括机头31、管节32和顶进机构。机头31与管节32的前端同轴刚性连接,管节32的末端与导轨滑块23连接,顶进机构带动导轨滑块23沿直线导轨22运动,管节32放置在限位滑轮25的上方。为了避免顶管过程中阻力过大,机头31的轴向投影区域覆盖所管节32的轴向投影区域。在本发明的实施例中,机头31的外径为103mm,管节32的外径为100mm。这样在顶管的过程中,只有机头31部位与土体的摩擦力比较大一些,管节32外壁受到的摩擦力比较小,有利于顶管。管节32的末端下部设置有出料口36,方便土料的排出。靠近机头31一端的管节32外壁均布有注浆口52,在本实施例中,注浆口52沿管节32长度方向的间距为50mm,沿管节32周向均布4个注浆口52。管节32的顶进长度为550mm。顶进机构包括顶进伺服电机33、主动齿轮34和齿条35,顶进伺服电机33与导轨滑块23连接,主动齿轮34装配在顶进伺服电机33的输出轴,齿条35位于直线导轨22的侧壁,主动齿轮34与齿条35啮合。在本发明的实施例中,顶进伺服电机33与导轨滑块23的连接处设置有第二压力传感器37,第二压力传感器37可以检测顶管过程中导轨滑块23受到的推动力。
在应用时,伺服电机运转,带动主动齿轮34沿着齿条35转动,从而实现了顶进机构带动导轨滑块23上的管节32沿着直线导轨22的方向直线运动。
切土机构包括刀盘41,传动轴42和刀盘41驱动机构,刀盘41位于机头31的前端,刀盘41与位于管节32内的传动轴42的前端连接,刀盘41驱动机构与传动轴42的末端连接,刀盘41驱动机构通过传动轴42带动刀盘41转动,从而实现切土动作。进一步地,刀盘41驱动机构包括刀盘伺服电机43,切土机构还包括套筒44,套筒44的一端与刀盘伺服电机43的转动轴刚性同轴连接,套筒44的另一端套设在传动轴42的末端,套筒44与传动轴42滑动配合,套筒44的另一端的筒壁上设有至少一对反向相对的斜槽441,传动轴42的末端的外表面上对应斜槽441设有至少一对相对的导向销421;斜槽441靠近刀盘伺服电机43的一端为收缩端,斜槽441的另一端为伸长端,斜槽441在套筒44径向截面上的投影由伸长端至收缩端的旋转方向与刀盘41的切土旋转方向一致。反向相对的斜槽441,其中一个斜槽441绕套筒44的轴线旋转180度时和相对的斜槽441重合。导向销421安装在斜槽441内,在本实施例中,为了减小滑动阻力,导向销421的外表设置有轴承结构(例如滚动轴承或者轴套),便于导向销421在斜槽441内的滑动。
传动轴42通过滑动轴承45固定在管节32和机头31的轴线处,滑动轴承45安装在管节32和机头31内的轴承座内;轴承座为辐条式的镂空轴承座,在支撑轴承的同时,不影响刀盘41切下的土料经过管节32运输至出料口36。优选地,滑动轴承45设置有两组,分别位于管节32内部的两个端部附近。刀盘41驱动机构与导轨滑块23连接,刀盘41驱动机构与导轨滑块23的连接处设置有第一压力传感器46。便于测量在工作时刀盘41受到的阻力。
在应用时,刀盘伺服电机43带动刀盘41旋转切土,导向销421滑动至斜槽441的伸长端,带动传动轴42伸出,使刀盘41与机头31之间留适量间隙,刀盘41旋转切土,机头31和管节32在顶进伺服电机33的驱动下,沿着直线导轨22进行直线顶进。刀盘41切下的土料进入机头31内部经过管节32运输至出料口36。在切土完成关闭模拟系统时,刀盘伺服电机43反转,使导向销421滑动至斜槽441的收缩端,带动传动轴42收缩,使刀盘41盖设在机头31的开口处,避免了静止状态下土从机头31开口处进入,使土体发生位移从而造成测量不准确。在刀盘41与机头31配合紧密时,导向销421刚好滑动至斜槽441的收缩端极限位置,避免传动轴42的过分收缩导致刀盘41与机头31之间接触受力过大而使刀盘41受损。
注浆系统包括注浆站、注浆管路51和贯穿于管节32外壁的注浆口52,多个注浆管路51将注浆站与管节32内的各个注浆口52分别连通;在应用时,注浆站将浆料经过注浆管路51运至注浆口52,注入管节32外壁与土体之间的间隙,从而实现减阻的技术效果,利于实现顺利顶管施工。
优选地,注浆站包括浆料罐53、压力表54和位于浆料罐53侧壁的气管接口,浆料罐53为密闭结构,气管接口与高压气管连接。在注浆时,通过往密闭的浆料罐53通入高压气体,增大浆料罐53内的压强,使浆料罐53内的浆料通过注浆管路51运输出去,为了便于观察浆料罐53内的压强,在浆料罐53的上方设置有压力表54,通过观察压力表54的压力变化,可以及时调整进气压力,从而实现恒压注浆,使注浆压力可控。本实施例在模型箱1侧壁的顶管通过口12处设置有密封圈,由于本发明提供的导轨限位机限制了顶管顶进过程中的轴线偏差,确保了管节32整体的顶进可控,当管节32进入模型箱1后,密封圈可以保证管节32与顶管通过口12处密封连接,避免注浆时浆料泄露,从而影响注浆压力的稳定。
进一步的,注浆系统还包括电子天平55,浆料罐53放置在电子天平55的称量部,注浆管路51和高压气管均为软管。在注浆过程中,通过电子天平55实时观察浆料罐53内浆料的减少情况,也可从侧面反应注浆的速度,也可以及时评估浆料罐53内浆余量,及时添加浆料,避免影响实验的正常进行。
位移监测系统包括位移传感器与传感器支架62,传感器支架62将位移传感器固定在箱体的上方。优选地,位移传感器使用光电位移传感器61,在应用时,传感器支架62通过螺栓固定在模型箱1上方的T型滑槽13内,用于检测试验过程中模型箱1内土体的竖向位移,传感器支架62与管节32的运动轴线垂直。顶管运动轴线的正上方架设一只光电位移传感器61,并以此为中心点,沿传感器支架62每隔100mm对称架设,共架设13只光电式位移传感器。
本发明的顶管施工的室内试验模拟系统在使用时,首先打开模型箱1一侧的盖板16,将顶进伺服电机33和刀盘伺服电机43打开,切土机构和顶管机构先后进入模型箱1的土体内进行顶管作业,待管节32注浆口52区域进入模型箱1后,打开注浆系统中注浆管路51的开关,使浆料注入管节32与土体之间的间隙内,从而实现减阻的效果。在注浆的同时打开高压气管的进气阀门,向浆料罐53内持续输入高压气体,保证浆料罐53内的压强稳定,从而实现稳压注浆。在顶进的过程中,通过第一压力传感器46和第二压力传感器37分别感知刀盘41受到的阻力和整个顶管过程中受到的摩阻力。在整个顶管过程中,通过设置在模型箱1上方的光位移传感器感知顶管过程中对周围土体的扰动情况。
综上所述,本发明提供的顶管施工的室内试验模拟系统,通过设置在管节两端的直线导轨和限位滑轮,限制了顶管顶进过程中的轴线偏差,解决了实验室条件下顶进过程中由于刀盘扭矩作用导致的轴线偏差不可控的问题。通过在模型箱的顶管通过口处设置的密封圈,使管节和顶管通过口密闭连接,解决了因浆料渗漏导致的注浆压力不可控的问题,实现了稳压注浆减阻。通过在模型箱上方设置的位移监测系统,及时感知顶管过程中对周围土体的扰动情况。整个试验模拟系统工作形态接近实际场景,检测工况比较全面,对顶管施工的发展具有重要的意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。