CN110057676A - 一种顶管隧道施工过程模型试验用坑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，包括在地面挖设的工作井模拟坑、模型体坑和接收井模拟坑；所述模型体坑的两侧分别连接有工作井模拟坑和接收井模拟坑；所述模型体坑与所述工作井模拟坑之间通过公用的工作井井壁相连；所述模型体坑与接收井模拟坑之间通过接收井井壁相连；所述模型体坑、工作井模拟坑和接收井模拟坑的外围通过顶进反力墙连接；试验时在所述工作井模拟坑、模型体坑、接收井模拟坑的内部用调配好的土体填筑模型体。本发明结构简单，制作简易，实施成本低，且能够有效的实现试验模拟的效果。

Description

一种顶管隧道施工过程模型试验用坑

技术领域

本发明涉及顶管隧道施工过程中大体积模型体试验台技术，是一种模型试验用坑，用于顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验，是岩土工程中的地质力学模型试验的模型体试验台，具体涉及一种顶管隧道施工过程模型试验用坑。

背景技术

随着社会的发展及人口密度的迅速增长，人们对城市地下空间开发的步伐也在加快，而轨道交通、城市管廊以及地下电力管网等作为城市地下空间开发利用的主要形式，常常需要穿越建（构）筑密集区。由于传统明挖顺作法施工在这些区域受到严重限制，因此采用对地面和周围环境影响都相对较小的暗挖施工方法称为趋势和必然。其中，顶管法因其不阻碍交通、不破坏环境、噪音少、污染少，对周围居民影响较小，同时开挖量小、作业面小、施工工期短、综合成本低等优点，成为了一种比较常见和重要的暗挖施工方法。

由于顶管施工过程较为复杂，且对周围城市的建构筑物也会产生一定的影响，因此国内外相关学者也开展了一些相关研究。

考虑前端顶管机的掘进施工过程，相关室内或模型试验研究目前较少，少数试验中尚未考虑开挖施工过程的影响。因此探索顶管法施工大比尺物理模型试验的新方法，研发其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。

通常模型试验中采用的试验台架都采用钢架焊接或者螺栓连接的方式拼装而成一个密闭空间，用以容纳模型体，同时对模型体施加压力，模拟真实工程环境中岩土体的受力状态。本试验中鉴于模型体较大且无需施加顶部和侧向压力，因此试验台架系统选用试验坑的设计思路。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是用于模型体较大且无需施加顶部和侧向压力的试验台架系统的设计，该试验台架结构简单，便于实施。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，包括在地面挖设的工作井模拟坑、模型体坑和接收井模拟坑；

所述模型体坑的两侧分别连接有工作井模拟坑和接收井模拟坑；

所述模型体坑与所述工作井模拟坑之间通过公用的工作井井壁相连；

所述模型体坑与接收井模拟坑之间通过接收井井壁相连；

所述模型体坑、工作井模拟坑和接收井模拟坑的外围通过顶进反力墙连接；

试验时在所述工作井模拟坑、模型体坑、接收井模拟坑的内部用调配好的土体填筑模型体。

进一步的，所述接收井井壁和/或工作井井壁上设置有模拟用预留顶进施工口。

进一步的，所述接收井井壁和/或所述工作井井壁上设置有模拟用既有管线模拟开口。

进一步的，所述工作井模拟坑的坑底、模型体坑的坑底、接收井模拟坑的坑底、顶进反力墙、工作井井壁和接收井井壁均为浇筑混凝土挡墙。

进一步的，所述顶进反力墙、工作井井壁和接收井井壁为素混凝土浇筑的挡墙。

进一步的，所述顶进反力墙、工作井井壁和接收井井壁为内设有钢筋的混凝土浇筑的挡墙。

进一步的，所述工作井模拟坑和所述接收井模拟坑的内部尺寸为长2m、宽1.5m、深2.5m；所述模型体坑的内部尺寸为长3m、宽3m、深2.5m。

进一步的，所述顶进反力墙、工作井井壁和接收井井壁的厚度为30cm。

进一步的，所述接收井井壁和工作井井壁沿深度方向的垂直中轴线上设置有一个模拟用预留顶进施工口，所述预留顶进施工口与模型体坑的坑底距离为1m。

进一步的，所述接收井井壁和所述工作井井壁上设置有两个模拟用既有管线模拟开口，一个既有管线模拟开口位于预留顶进施工口正下方且与模型体坑的坑底距离为0.4m，另一个位于预留顶进施工口同一水平面且与预留顶进施工口距离为0.6m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明适用于模型体较大且无需施加顶部和侧向压力，因此试验台架系统选用试验坑的设计思路，该模型试验用坑结构简单，制作简易，实施成本低，且能够有效的实现试验模拟的效果。

附图说明

图1为本发明的模型试验用坑平面布置图；

图2为本发明实施例1的模型试验用坑示意图；

图3为本发明实施例2的模型试验用坑剖面图；

图4为本发明实施例1的工作井井壁预留开口布置示意图。

图中：1-工作井模拟坑、2-模型体坑、3-接收井模拟坑、4-顶进反力墙、5-工作井井壁、6-接收井井壁、7-预留顶进施工口、8-既有管线模拟开口。

具体实施方式

实施例1

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

如图1、图2和图4所示，通常模型试验中采用的试验台架都采用钢架焊接或者螺栓连接的方式拼装而成一个密闭空间，用以容纳模型体，同时对模型体施加压力，模拟真实工程环境中岩土体的受力状态。本试验中鉴于模型体较大且无需施加顶部和侧向压力，因此试验台架系统选用试验坑的设计思路。

通过在试验场地内根据试验尺寸要求挖坑，然后在周边浇筑混凝土挡墙方式制作，试验时在内部用调配好的土体填筑模型体，通过在模型体内进行顶管开挖施工模拟，研究顶管掘进施工中周边土体及其他结构的变形和应力变化规律。请参照附图，本实验中试验坑平面布置如图所示，其中，1为工作井模拟坑，2为模型体坑，3为接收井模拟坑，4为顶进反力墙，5为工作井井壁，6为接收井井壁，7为预留顶进施工口，8为既有管线模拟开口。

模型试验用坑包括在地面挖设的工作井模拟坑1、模型体坑2、接收井模拟坑3；模型体坑2的两侧分别连接工作井模拟坑1和接收井模拟坑3；模型体坑2与工作井模拟坑1之间通过公用的工作井井壁5相连；模型体坑2与接收井模拟坑3之间通过公用的收井井壁6相连。为在试验中模拟现场开挖时的实际状况，收井井壁6和/或工作井井壁5上设置有模拟用预留顶进施工口7，也可以设置既有管线模拟开口8。模型体坑2、工作井模拟坑1、接收井模拟坑3的外围通过顶进反力墙4连接。工作井模拟坑1的坑底、模型体坑2的坑底、接收井模拟坑3的坑底、顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6均为浇筑混凝土挡墙。

对于试验压力要求不高的情况，顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6采用素混凝土浇筑的挡墙，但是在试验压力要求较高的情况，需要根据实际的模拟工况，顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6采用内设有钢筋的混凝土浇筑的挡墙。

在进行模拟试验时，在工作井模拟坑1、模型体坑2、接收井模拟坑3的内部用调配好的土体填筑模型体，用来模拟施工现场的土体情况。

作为一个实施例，在其模拟试验中，工作井模拟坑1和接收井模拟坑3的内部尺寸为长2m、宽1.5m、深2.5m；模型体坑2的内部尺寸为长3m、宽3m、深2.5m。顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6的厚度为30cm，厚素混凝土浇筑，内部不含钢筋。如果其他情况下采用本试验方法，应根试验中顶进推力和模型体静止土压力，按照钢筋混凝土结构设计手册中的方法和要求进行墙体设计。本模型试验用坑尺寸满足本实验要求，如果其他情况下需借鉴本方法开展试验，需按照钢筋混凝土设计原理等知识进行设计和验算，所涉及知识为本专业基础，从事本专业的人都懂也都知道该如何计算，在此不再赘述。

在此次试验模拟中，接收井井壁6和工作井井壁5沿深度方向的的垂直中轴线上设置有一个模拟用预留顶进施工口7，预留顶进施工口7与模型体坑2的坑底距离为1m；接收井井壁6和工作井井壁5上设置有两个模拟用既有管线模拟开口8，一个既有管线模拟开口8位于预留顶进施工口7正下方且与模型体坑2的坑底距离为0.4m，另一个位于预留顶进施工口7同一水平面且与预留顶进施工口7距离为0.6m。模型体填筑以及试验不考虑既有管线影响时，预留口都可以封闭，开挖试验时相应预留口都可以打开。本试验方案中按照下图所示进行进施工口和既有管线模拟开口的设计，用以研究顶进施工对水平临近管线和下部临近管线的影响。如果采用本方法进行其他相关类似试验研究，具体预留开口的位置及其相邻距离根据所要研究的内容进行确定。

实施例2

如图1和图3所示，通常模型试验中采用的试验台架都采用钢架焊接或者螺栓连接的方式拼装而成一个密闭空间，用以容纳模型体，同时对模型体施加压力，模拟真实工程环境中岩土体的受力状态。本试验中鉴于模型体较大且无需施加顶部和侧向压力，因此试验台架系统选用试验坑的设计思路。

通过在试验场地内根据试验尺寸要求挖坑，然后在周边浇筑混凝土挡墙方式制作，试验时在内部用调配好的土体填筑模型体，通过在模型体内进行顶管开挖施工模拟，研究顶管掘进施工中周边土体及其他结构的变形和应力变化规律。请参照附图，本实验中试验坑平面布置如图所示，其中，1为工作井模拟坑，2为模型体坑，3为接收井模拟坑，4为顶进反力墙，5为工作井井壁，6为接收井井壁，7为预留顶进施工口。

模型试验用坑包括在地面挖设的工作井模拟坑1、模型体坑2、接收井模拟坑3；模型体坑2的两侧分别连接工作井模拟坑1和接收井模拟坑3；模型体坑2与工作井模拟坑1之间通过公用的工作井井壁5相连；模型体坑2与接收井模拟坑3之间通过公用的收井井壁6相连。为在试验中模拟现场开挖时的实际状况，收井井壁6和/或工作井井壁5上设置有模拟用预留顶进施工口7。模型体坑2、工作井模拟坑1、接收井模拟坑3的外围通过顶进反力墙4连接。工作井模拟坑1的坑底、模型体坑2的坑底、接收井模拟坑3的坑底、顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6均为浇筑混凝土挡墙。

对于试验压力要求不高的情况，顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6采用素混凝土浇筑的挡墙，但是在试验压力要求较高的情况，需要根据实际的模拟工况，顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6采用内设有钢筋的混凝土浇筑的挡墙。

在进行模拟试验时，在工作井模拟坑1、模型体坑2、接收井模拟坑3的内部用调配好的土体填筑模型体，用来模拟施工现场的土体情况。

作为一个实施例，在其模拟试验中，工作井模拟坑1和接收井模拟坑3的内部尺寸为长2m、宽1.5m、深2.5m；模型体坑2的内部尺寸为长3m、宽3m、深2.5m。顶进反力墙4、工作井井壁5、接收井井壁6的厚度为30cm，厚素混凝土浇筑，内部不含钢筋。如果其他情况下采用本试验方法，应根试验中顶进推力和模型体静止土压力，按照钢筋混凝土结构设计手册中的方法和要求进行墙体设计。本模型试验用坑尺寸满足本实验要求，如果其他情况下需借鉴本方法开展试验，需按照钢筋混凝土设计原理等知识进行设计和验算，所涉及知识为本专业基础，从事本专业的人都懂也都知道该如何计算，在此不再赘述。

在此次试验模拟中，接收井井壁6和工作井井壁5沿深度方向的的垂直中轴线上设置有一个模拟用预留顶进施工口7，预留顶进施工口7与模型体坑2的坑底距离为1m；模型体填筑以及试验不考虑既有管线影响时，预留口都可以封闭，开挖试验时相应预留口都可以打开。本试验方案中按照下图所示进行进施工口和既有管线模拟开口的设计，用以研究顶进施工对水平临近管线和下部临近管线的影响。如果采用本方法进行其他相关类似试验研究，具体预留开口的位置及其相邻距离根据所要研究的内容进行确定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，包括在地面挖设的工作井模拟坑（1）、模型体坑（2）和接收井模拟坑（3）；

所述模型体坑（2）的两侧分别连接有工作井模拟坑（1）和接收井模拟坑（3）；

所述模型体坑（2）与所述工作井模拟坑（1）之间通过公用的工作井井壁（5）相连；

所述模型体坑（2）与接收井模拟坑（3）之间通过接收井井壁（6）相连；

所述模型体坑（2）、工作井模拟坑（1）和接收井模拟坑（3）的外围通过顶进反力墙（4）连接；

试验时在所述工作井模拟坑（1）、模型体坑（2）、接收井模拟坑（3）的内部用调配好的土体填筑模型体。

2.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述接收井井壁（6）和/或工作井井壁（5）上设置有模拟用预留顶进施工口（7）。

3.根据权利要求1或2所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述接收井井壁（6）和/或所述工作井井壁（5）上设置有模拟用既有管线模拟开口（8）。

4.根据权利要求3所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述工作井模拟坑（1）的坑底、模型体坑（2）的坑底、接收井模拟坑（3）的坑底、顶进反力墙（4）、工作井井壁（5）和接收井井壁（6）均为浇筑混凝土挡墙。

5.根据权利要求4所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述顶进反力墙（4）、工作井井壁（5）和接收井井壁（6）为素混凝土浇筑的挡墙。

6.根据权利要求4所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述顶进反力墙（4）、工作井井壁（5）和接收井井壁（6）为内设有钢筋的混凝土浇筑的挡墙。

7.根据权利要求5所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述工作井模拟坑（1）和所述接收井模拟坑（3）的内部尺寸为长2m、宽1.5m、深2.5m；所述模型体坑（2）的内部尺寸为长3m、宽3m、深2.5m。

8.根据权利要求6所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述顶进反力墙（4）、工作井井壁（5）和接收井井壁（6）的厚度为30cm。

9.根据权利要求7所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，所述接收井井壁（6）和工作井井壁（5）沿深度方向的垂直中轴线上设置有一个模拟用预留顶进施工口（7），所述预留顶进施工口（7）与模型体坑（2）的坑底距离为1m。

10.根据权利要求9所述的一种顶管隧道施工过程模型试验用坑，其特征在于，

所述接收井井壁（6）和所述工作井井壁（5）上设置有两个模拟用既有管线模拟开口（8），一个既有管线模拟开口（8）位于预留顶进施工口（7）正下方且与模型体坑（2）的坑底距离为0.4m，另一个位于预留顶进施工口（7）同一水平面且与预留顶进施工口（7）距离为0.6m。