CN114412471A - 一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法，试验用竖向管道掘进装置包括液压千斤顶、模型主体单元、注浆泵、数据量测单元，模型主体单元由模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型组成，注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；数据量测单元，由位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个组成；使用方法包括：顶进切土过程、注浆排土处理、监测观察；本发明可以模拟真实工程下的顶管排土过程，在液压千斤顶和螺旋取土器向上顶升过程中观察监测项目数据变化，从而探究竖向顶管施工全过程对周边地表及盾构隧道模型的影响。

Description

一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及竖向顶管施工技术领域，尤其涉及一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法。

背景技术

随着城市化进程的推进，产生了一系列诸如排水、电力、通信、燃气等问题，城市综合地下管廊系统便应运而生。在城市综合管廊的建设中，为了保证通风的需要，竖井的建设往往是技术重点之一。现有竖井施工方法可统一归为明挖法，明挖法施工，存在破坏周边环境、对居民生活造成不便、施工风险较大等缺点，对环境、周边交通及居民的生活的影响较大。

相比较而言，顶管法由于具有可在繁华市区施工，不需大面积开挖及大面积破坏道路等优点而被广泛运用于管道建设中。在此背景下，竖向顶管技术得到了快速的发展。竖向顶管技术是指在综合管廊上方开口，顶管机竖直向上切削土体，在不断排土的过程中完成竖向立管施工的方法。其材料的搬运和供给都在地下隧道中进行，因此地上施工作业只有顶管机的回收，对周边环境影响较小，可以在列车轨道间、闹市高层区、大型车辆无法进入的山顶等困难施工场所进行竖井施工。相比明挖法施工，可以大大节约施工周期，减少地面交通管制带来的时间成本和经济成本，拥有良好的发展及运用前景。

竖向顶管作为一种全新的施工方法，国内外现有成果较少，仍处于探索阶段，现有的成果大多从理论和数值模拟的角度进行研究，而试验分析较少，且现有试验研究无法实现排土过程。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法，用以模拟实际工程中竖向顶管向上顶升过程，为该项技术更好地应用于实际提供一定的思路与借鉴。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种试验用竖向管道掘进装置，包括：液压千斤顶、模型主体单元、注浆泵、数据量测单元，所述模型主体单元由模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型组成，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体且放置于支架上，模型箱顶部开凹槽；所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成，放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型由顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器、发动机、漏斗、排土管、发动机组成。所述液压千斤顶顶住顶管机身的下端面，后螺旋取土器的中心连杆从顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋取土器的中心连杆之间封闭仅留有第二通孔，通过该第二通孔将上部结构于下侧发动机连接，漏斗安装在顶管下部，在顶管下部侧面开两个通孔组成排土管；所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；所述数据量测单元，由位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个组成；所述位移传感器固定在模型箱上方的凹槽上用于测量地表位移；所述应变片贴在下册隧道的内侧用于测量所述盾构隧道模型内侧应变；所述土壤应力传感器放在刀盘中心用于测量所述顶管机身顶部土压力。

进一步地，还包括支架，所述模型箱放置于支架上。

进一步地，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体。

进一步地，所述模型箱顶部开凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

进一步地所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成。

进一步地，所述掘进刀盘包括刀盘面板、切刀和先行刀，刀盘面板处还有开口用于排土，横向支撑和径向支撑用于稳定刀盘面板。所述切刀和先行刀安装在所述径向支撑上。

进一步地，所述螺旋取土器外径同所述顶管机身内径。

进一步地，所述应变片固定于所述盾构隧道模型内侧，所述土壤应力传感器固定于所述掘进刀盘中心处。

第二方面，本发明实例还提供一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法，该方法在第一方面所述的装置中实现，该方法包括：

顶进切土过程：启动所述液压千斤顶，让加载装置对所述顶管机身进行顶升；同时发动机发动旋转，带动螺旋取土机和掘进刀盘进行旋转，切割顶进下来的土体。

注浆排土处理：在加载过程中，打开注浆泵并通过注浆管向掘进刀盘处进行注浆，注浆材料选择膨润土材料。同时进行排土过程，随着所述掘进刀盘和所述螺旋取土器的旋转，所述顶管机身内部砂土落入所述顶管机身底部漏斗处，通过漏斗的引导，将落下来的砂土引入到下侧的排土管中，进行相应的排土过程。

监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

根据上述技术方案，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明可通过在砂土层表面布置位移传感器测量地表位移，可通过在盾构隧道模型内侧固定应变片测量盾构隧道模型内侧应变，并可通过在掘进刀盘中心处固定土壤应力传感器测量顶管机身顶部土压力。在液压千斤顶向上顶升过程中观察监测项目数据变化，从而探究竖向顶管施工全过程对周边地表及盾构隧道模型的影响。

(2)本发明设计了一种排土过程，通过掘进刀盘的旋转切削，顶管机身顶部的砂土会落在螺旋取土器上，并随着发动机的旋转顶升，砂土会逐渐落入顶管机身底部，通过在顶管机身底部漏斗和排土管的组合，将实验过程中的土体排出到装置外面，从而模拟真实工程下的顶管排土过程。

附图说明

图1为本发明实施例的一种试验用竖向管道掘进装置的整体结构正视图。

图2为本发明实施例的盾构隧道模型放置于模型箱内部示意图。

图3为本发明实施例的竖向顶管模型剖切示意图。

图4为本发明实施例的掘进刀盘示意图。

图5为本发明实施例的位移计布点示意图。

图6为本发明实施例的隧道管片分节情况以及应变片布点示意图。

附图标记：1、模型箱；2、盾构隧道模型；3、固定件；4、顶管机身；5、发动机；6、排土管；7、液压千斤顶；8、底部支架；9、掘进刀盘；10、中心连杆；11、螺旋；12、漏斗；13、径向支撑；14、环向支撑；15、先行刀；16、切刀；17、开口；18、位移传感器；19、传感器支架；20、应变片；21、砂土；22、螺旋取土器；23、注浆管；24、注浆泵；25、土壤应力传感器；26、隧道的第一通孔。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式，应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种试验用竖向管道掘进装置，包括：

一种试验用竖向管道掘进装置，其特征在于，包括：液压千斤顶7、模型主体单元、注浆泵24、数据量测单元。所述模型主体单元由模型箱1、盾构隧道模型2和竖向顶管模型组成，所述模型箱1为顶部不加盖的矩形箱体且放置于支架8上，模型箱1顶部开凹槽；如图6所示，所述盾构隧道模型2由多个半圆柱体依次连接而成，放置于所述模型箱1底部，所述模型箱1底部和盾构隧道模型2中心处留有第一通孔26，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型由顶管机身4、掘进刀盘9和螺旋取土器6、漏斗12、排土管6、发动机5组成。所述液压千斤顶7顶住顶管机身的下端面，后螺旋取土器6的中心连杆10从顶管机身4底部穿过后与所述螺旋取土器6及掘进刀盘9固定连接，所述顶管机身4的底部与所述螺旋取土器6的中心连杆10之间封闭仅留有第二通孔，通过该第二通孔将上部结构于下侧发动机5连接，漏斗12安装在顶管下部，在顶管下部侧面开两个通孔组成排土管6；所述注浆泵24和所述注浆孔通过注浆管23相连通；所述数据量测单元，由位移传感器18、应变片20、土壤应力传感器25中的一个或多个组成；所述位移传感器18固定在模型箱1上方的凹槽上用于测量地表位移；所述应变片20贴在下册隧道的内侧用于测量所述盾构隧道模型内侧应变；所述土壤应力传感器25放在刀盘9中心用于测量所述顶管机身4顶部土压力，还可包括底部支架8所述模型箱1放置于支架8上。

本实施例中，如图2所示，所述模型箱1为顶部不加盖的矩形箱体。所述模型箱1顶部开凹槽，所述凹槽安装有固定件3，所述位移传感器18通过传感器支架19固定在所述固定件3上，若试验所用位移传感器18为接触式传感器，可在所述砂土21表层铺设玻璃布，防止接触式位移传感器接触砂土21表面后刺入砂土内部，若试验所用位移传感器18为激光位移传感器可不做此考虑。

本实施例中，如图3所示，所述螺旋取土器22外径小于所述顶管机身4内径，便于储存掉落至竖向顶管模型内部的砂土21并便于排土的开始与停止，所述土壤应力传感器25固定于所述掘进刀盘9中心处。

本实施例中，如图4所示，所述掘进刀盘5包括切刀16、先行刀15、开口17、径向支撑13、环向支撑14，所述切刀16和先行刀15安装在所述刀盘径向支撑13上，用以对已经破坏的砂土21进行切割，环向支撑14用于稳定刀盘面板的稳定，开口17用于把切割下来的土体引导到下部的顶管机身4内部。

本实施例中，位移计布点如图5所示。

本实施例中，如图6所示，为了模拟真实工程中盾构管片环并考虑到试验可操作性，所述盾构隧道模型2由多个半圆柱体依次连接而成，所述应变片20固定于所述盾构隧道模型2内侧，固定完毕后在应变片20表面涂抹硅橡胶并用黑色绝缘胶带固定，以起绝缘保护作用，应变片20连接导线于模型箱1通孔处拉出并作编号处理以方便区分。

本发明还提供一种试验用竖向管道掘进装置及其使用方法，该方法在上述装置中实现，该方法包括：

试验前处理：提前将螺旋取土器22充满砂土，防止竖向顶管模型开挖前砂土21便掉落在螺旋取土器22上对试验造成干扰，向所述模型箱1内注砂土21至标高处并做好防水和防漏砂处理；

顶进切土过程：启动所述液压千斤顶7和发动机5，让加载装置液压千斤顶7对所述顶管机身4进行顶升，并同时发动机5带动所述掘进刀盘5和螺旋取土机22旋转切割土体；

注浆排土处理：加载前，打开注浆泵24并通过注浆管23向掘进刀盘9处进行注浆，注浆材料选择膨润土材料。同时进行排土过程，所述顶管机身4内部砂土21落在所述漏斗12上而不会落入所述顶管机身4底部，在加载过程中，随着所述掘进刀盘9和所述螺旋取土器22的旋转，所述顶管机身4内部砂土21流入所述排土管6内部，通过排土管6将砂土21排出到装置外收集起来。

监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

本实施例中试验用竖向管道掘进装置的拆卸回收：待各项工作完成后，从模型箱1顶部，依次对位移传感器18、传感器支架19、砂土21、顶管机身4、掘进刀盘9、螺旋取土器22、盾构隧道模型2等材料或构件进行及时的整理回收。必要时，模型箱1可从底部支架8上取出，对模型箱1内进行清理，以便下次试验使用。

本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种试验用竖向管道掘进装置，其特征在于，包括：液压千斤顶、模型主体单元、注浆泵、数据量测单元和支架，所述模型主体单元由模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型组成，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体且放置于支架上，模型箱顶部开凹槽；

所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成，放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔；

所述竖向顶管模型由顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器、发动机、漏斗、排土管和发动机组成；

所述液压千斤顶顶住顶管机身的下端面，后螺旋取土器的中心连杆从顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋取土器的中心连杆之间封闭仅留有第二通孔，通过该第二通孔将上部结构于下侧发动机连接，漏斗安装在顶管下部，在顶管下部侧面开两个通孔组成排土管；

所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；所述数据量测单元，由位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个组成；所述位移传感器固定在模型箱上方的凹槽上用于测量地表位移；所述应变片贴在下册隧道的内侧用于测量所述盾构隧道模型内侧应变；

所述土壤应力传感器放在刀盘中心用于测量所述顶管机身顶部土压力。

2.根据权利要求1所述的一种试验用竖向管道掘进装置，其特征在于，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

3.根据权利要求1所述的一种试验用竖向管道掘进装置，其特征在于：所述掘进刀盘包括刀盘面板、切刀和先行刀，刀盘面板处还有开口用于排土，横向支撑和径向支撑用于稳定刀盘面板，切刀和先行刀安装在径向支撑上。

4.根据权利要求1所述的一种试验用竖向管道掘进装置，其特征在于：所述螺旋取土器外径同所述顶管机身内径。

5.一种试验用竖向管道掘进装置使用方法，其特征在于：该方法在权利要求1所述的装置中实现，该方法包括：

S1、顶进切土过程：启动所述液压千斤顶，让加载装置对所述顶管机身进行顶升；同时发动机发动旋转，带动螺旋取土机和掘进刀盘进行旋转，切割顶进下来的土体；

S2、注浆排土处理：在加载过程中，打开注浆泵并通过注浆管向掘进刀盘处进行注浆，注浆材料选择膨润土材料，同时进行排土过程，随着所述掘进刀盘和所述螺旋取土器的旋转，所述顶管机身内部砂土落入所述顶管机身底部漏斗处，通过漏斗的引导，将落下来的砂土引入到下侧的排土管中，进行相应的排土过程；

S3、监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

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