CN114878785A - 一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法，包括实验土箱和顶进机构，实验土箱中放置土体来模拟现场实际顶管施工过程中管节在各种条件下的受力特性、地层的变化特征以及泥浆套在管土试验系统中形成机制及效果，实验土箱的两侧箱壁采用可拆卸拼装有机玻璃板并带有开孔，可用于更换不同尺寸形状的的管节进行实验，同时方便观测管节在顶进过程中的实验情况。本发明结构简单、操作方便、效果可视化，可以模拟不同的地层条件，可以多次进行不同泥浆与不同土层之间的模拟实验，能够直观地看出减摩泥浆的成套效果，适用性强。

Description

一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法

技术领域

本发明属于顶管施工领域，尤其是一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法。

背景技术

近年来，随着城市化建设飞速发展，城市土地资源也来越稀缺，为了充分利用城市土地资源，城市地下空间的开发变得尤为重要，顶管法作为一种非开挖的施工方法，已经大量应用于地铁车站、地铁出入口过街联络通道、行人过街通道、下穿公路隧道、地下综合管廊、城市地下空间的互联互通工程、地下商业空间开发、地下停车场工程中。在施工过程中，不可避免的会对管节周围的土体产生扰动，引起土体变形等一系列地层变形，当变形严重时，就会危及到周围建筑物的安全，引发工程灾害。为减少管节与地层之间的摩阻力，顶进时通过管节上预留的压浆孔向顶管外壁注入一定量的触变泥浆，起到润滑减阻、填补和支撑的作用，有效地减小地层的扰动和沉降。现有的测量控制手段都是基于现场实际进行的，并没有理论指导依据，无法合理的预测，从而改进施工过程，同时减摩泥浆配合比不合理、泥浆套无法形成时，导致管土摩阻力过大，也会出现管节顶进困难、地层扰动大、引发“背土”效应等问题。因此，制作一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，合理研究地层变形，分析施工对周围土体的影响，进而提出有针对性地处理对策，确保实际施工过程的安全，是客观需要的且具有重要工程意义的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，包括导轨、反力架、第一支撑架、管节、第二支撑架、顶进机构和实验土箱；

所述实验土箱内放置有土体，所述实验土箱连接导轨，所述导轨上安装反力架，所述反力架连接第一支撑架，所述第一支撑架安装在导轨上，所述第一支撑架上放置有顶进机构，所述导轨上安装有第二支撑架，所述第二支撑架上放置有管节，所述顶进机构与管节在同一水平线上，所述实验土箱相对的两侧壁上设有开孔，所述顶进机构将管节通过开孔顶进实验土箱。

进一步的，所述实验土箱包括有机玻璃板和框架，所述框架外围设置有机玻璃板，所述实验土箱的顶面为敞开式。

进一步的，所述导轨与实验土箱底部的框架相连。

进一步的，所述开孔上装有可拆卸式的孔盖。

进一步的，所述实验土箱开孔外安装有外钢管，所述外钢管下侧设置有角钢。

进一步的，所述实验土箱内土体底部设置有若干第二千斤顶，每个所述第二千斤顶上部设置有正方体钢块，所述正方体钢块呈棋盘式分布。

进一步的，所述管节上开设有若干注浆孔，所述管节内放置有注浆管，所述注浆管的若干分支细管分别插入注浆孔。

进一步的，所述顶进机构为小型顶管机或第一千斤顶，所述第一千斤顶的一端装有顶板。

进一步的，所述实验土箱内设置有若干土压力计和位移计，所述管节内外壁设置有若干测量机构。

一种所述大型实验箱的实验方法，包括：

步骤1，选择开口大小合适的孔盖，安装在实验土箱的开孔上，调试顶进机构，调试注浆管与注浆孔连接，将正方体钢块的高度通过第二千斤顶调整到需要模拟的土层条件，在实验土箱中放置不同的填土并压实，在填土过程中添加放置土压力计和位移计，直至填充满整个实验土箱；

步骤2，将试验管节放置于实验土箱一侧的外钢管上，启动顶进机构，进行管节的一节一节的顶进工作，同时将减摩泥浆通过注浆管与注浆孔注入到管节外壁；

步骤3，随时观察记录土压力计和位移计的读数，同时观察土体内管节顶进时的扰动现象并作记录；

步骤4，管节顶进到实验土箱另一侧的外钢管时，关闭顶进机构，停止顶进工作，通过第二千斤顶调整正方体钢块的高度，模拟其它地层扰动条件，并作测量记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种用于研究顶管隧道的大型实验箱及实验方法，利用顶进机构向实验土箱中顶进管节来模拟实际的顶管施工，同时可以模拟不同地层条件下，顶管施工对周围土体带来的影响，可以进行不同泥浆与不同土层之间的模拟试验，适用性强，同时结构简单，操作方便，保证了实验的安全，实施成本低，具有良好的推广价值。

进一步的，实验土箱侧壁采用可拆卸拼装的透明有机玻璃板，能够直观地观测管节在顶进过程中减摩泥浆的成套效果，效果可视化。

进一步的，实验土箱侧壁的开孔上装有可拆卸式的孔盖，可用于更换不同尺寸形状的管节进行实验。

进一步的，实验土箱底部设置若干第二千斤顶，每个第二千斤顶上设置一个正方体钢块，若干正方体钢块呈棋盘式布置，填充满整个土箱底部，通过控制第二千斤顶的高低可以进行模拟不同的土体环境。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本发明的用于研究顶管隧道的大型实验箱的整体布局示意图。

图2为本发明的用于研究顶管隧道的大型实验箱的A-A剖面图。

图3为本发明的用于研究顶管隧道的大型实验箱的B-B剖面图。

其中：1-导轨，2-反力架，3-第一千斤顶，4-孔盖，5-第一支撑架，6-顶板，7-外钢管，8-管节，9-注浆孔，10-注浆管，11-有机玻璃板，12-角钢，13-第二千斤顶，14-正方体钢块，15-土压力计，16-位移计，17-框架，18-第二支撑架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

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定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图3，本发明提供一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，包括实验土箱和顶进机构，所述实验土箱由透明有机玻璃板11与用于固定有机玻璃板的框架17所构成，实验土箱的顶面为敞开式，实验土箱中放置土体，实验土箱底部设有与框架17相连的导轨1，导轨1上安装有反力架2，反力架2前设置一个第一千斤顶3的可拆卸式顶进机构，将其拆卸后也可以换成小型顶管机用作顶进机构，实验土箱的前后箱壁带有开孔，开孔尺寸符合顶进开挖面尺寸，并装有可拆卸式的孔盖4，孔盖4可以替换为其它带有开口的小玻璃板，可用于进行模拟其它尺寸顶管施工的过程；实验土箱及土中均可根据试验设计需要在不同位置设置若干个土压力计15和位移计16。

实验土箱外设置支撑架5、反力架2、第一千斤顶3或小型顶管机；所述反力架2上设有第一支撑架5，用于支撑所述第一千斤顶3，第一支撑架5安装在导轨1上，第一千斤顶3的活塞杆前端装有顶板6，所述顶板6的中心与管节8的中心对应；拆掉第一千斤顶3后，可在所述第一支撑架5上替换安装小型顶管机，以进行其它情况的实验。

实验土箱前后壁板的外侧安装有外钢管7，用于模拟始发井与接收井，同时在所述前壁外钢管7的下侧设置第二支撑架18，同时在前后壁的外钢管7的下侧设置角钢12用于固定，所述顶管顶进时有土体内的管节8和土体外的管节8，为方便注浆，所述所有管节8应在同一中心线上，所述管节8壁上开设有用于研究减摩泥浆用的若干个注浆孔9，同时注浆管10的若干分支细管由管节8内部进入，分别插入进注浆孔9，完成注浆的准备工作，所述管节8内外壁均可结合具体的试验要求来设置相应的测量机构。

为模拟土体扰动的环境条件，实验土箱内的底部设有若干第二千斤顶13，每个第二千斤顶13上部都设有正方体钢块14，若干正方体钢块14呈棋盘式布置，填充满整个土箱底部，通过控制第二千斤顶13的高低来进行模拟不同的土体环境。

具体实验方法：

选择好开口大小合适的孔盖4，安装在实验土箱前壁上，调试好用于加载顶进的顶进机构第一千斤顶3或者是小型顶管机，同时将注浆管10与注浆孔9连接调试好，将正方体钢块14的高度通过第二千斤顶13调整到需要模拟的土层条件，之后根据不同的实验要求，在实验土箱中放置不同的填土并压实，在填土过程中同时添加放置测量用的土压力计15和位移计16，直至填充满整个实验土箱；

将试验用的管节8放置于实验土箱前壁的外钢管7上，将所述顶进用的第一千斤顶3或小型顶管机启动，开始进行管节8的一节一节的顶进工作，同时将减摩泥浆通过注浆管10与注浆孔9注入到管节8的外壁，以减小顶进过程中的阻力，顶进时所有的管节8应在同一中心线；

在顶进过程中，随时观察土压力计15和位移计16的读数并作记录，同时观察土体中的管节8顶进时的扰动现象并作记录；

当管节8顶进到实验土箱后壁的外钢管7时，关闭第一千斤顶3或小型顶管机，顶进工作停止，此时可以根据具体的试验需求，通过第二千斤顶13调整正方体钢块14的高度，以模拟其它地层扰动条件，并作测量记录。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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。

Claims (10)

1.一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，包括导轨(1)、反力架(2)、第一支撑架(5)、管节(8)、第二支撑架(18)、顶进机构和实验土箱；

所述实验土箱内放置有土体，所述实验土箱连接导轨(1)，所述导轨(1)上安装反力架(2)，所述反力架(2)连接第一支撑架(5)，所述第一支撑架(5)安装在导轨(1)上，所述第一支撑架(5)上放置有顶进机构，所述导轨(1)上安装有第二支撑架(18)，所述第二支撑架(18)上放置有管节(8)，所述顶进机构与管节(8)在同一水平线上，所述实验土箱相对的两侧壁上设有开孔，所述顶进机构将管节(8)通过开孔顶进实验土箱。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述实验土箱包括有机玻璃板(11)和框架(17)，所述框架(17)外围设置有机玻璃板(11)，所述实验土箱的顶面为敞开式。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述导轨(1)与实验土箱底部的框架(17)相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述开孔上装有可拆卸式的孔盖(4)。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述实验土箱开孔外安装有外钢管(7)，所述外钢管(7)下侧设置有角钢(12)。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述实验土箱内土体底部设置有若干第二千斤顶(13)，每个所述第二千斤顶(13)上部设置有正方体钢块(14)，所述正方体钢块(14)呈棋盘式分布。

7.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述管节(8)上开设有若干注浆孔(9)，所述管节(8)内放置有注浆管(10)，所述注浆管(10)的若干分支细管分别插入注浆孔(9)。

8.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述顶进机构为小型顶管机或第一千斤顶(3)，所述第一千斤顶(3)的一端装有顶板(6)。

9.根据权利要求1所述的一种用于研究顶管隧道的大型实验箱，其特征在于，所述实验土箱内设置有若干土压力计(15)和位移计(16)，所述管节(8)内外壁设置有若干测量机构。

10.一种权利要求1～9任一项所述大型实验箱的实验方法，其特征在于，包括：

步骤1，选择开口大小合适的孔盖(4)，安装在实验土箱的开孔上，调试顶进机构，调试注浆管(10)与注浆孔(9)连接，将正方体钢块(14)的高度通过第二千斤顶(13)调整到需要模拟的土层条件，在实验土箱中放置不同的填土并压实，在填土过程中添加放置土压力计(15)和位移计(16)，直至填充满整个实验土箱；

步骤2，将试验管节(8)放置于实验土箱一侧的外钢管(7)上，启动顶进机构，进行管节(8)的一节一节的顶进工作，同时将减摩泥浆通过注浆管(10)与注浆孔(9)注入到管节(8)外壁；

步骤3，随时观察记录土压力计(15)和位移计(16)的读数，同时观察土体内管节(8)顶进时的扰动现象并作记录；

步骤4，管节(8)顶进到实验土箱另一侧的外钢管(7)时，关闭顶进机构，停止顶进工作，通过第二千斤顶(13)调整正方体钢块(14)的高度，模拟其它地层扰动条件，并作测量记录。

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