CN209962568U - 一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置，包括顶管隧道、盾构隧道、顶升系统、箱体、土体以及监测系统；顶管隧道包括被对称切割后的若干个管节，盾构隧道的端部设有便于放置顶管的半圆形开口，顶管的直径侧平齐盾构隧道的一侧端面，盾构隧道包括若干顺序拼接的管环，各个管环包括圆形阵列拼接的管片；顶升系统安装在盾构隧道内用于承托顶管，顶升系统包括伸缩件，伸缩件的上端连接顶管，伸缩件的下端连接盾构隧道的内壁；箱体收纳盾构隧道、顶管隧道和顶升系统，箱体在一对正对的侧壁上设置开孔，盾构隧道的首尾两端贴合在侧壁的开孔位置，顶管隧道的直径侧贴合侧壁，箱体内其他位置填充土体；监测系统包括监测土体位移变化的第一监测装置和监测盾构隧道变形和应力的第二监测装置。

Description

一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及地下建筑工程领域，特别是涉及一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置。

背景技术

盾构隧道施工过程中常遇盾构机通过竖井的情况，尤其在电力、输水等市政管道盾构施工中，因井的间距相对小，上述现象更为凸显，盾构机每过一个竖井都涉及到盾构进出洞的问题，若采用常规先开挖竖井后隧道施工的方案，需要做大量的进出洞辅助措施，风险大且工期长。相比之下，先隧道施工后开挖竖井的先隧后井施工法很好的弥补了常规方案存在的不足，并具有造价低、地面交通干扰少等特点，因此进几年在各类工程中得到了愈来愈多的应用。

先隧后井工法盾构隧道实施后，垂直顶升开挖法是形成竖井最为经济合理的方案。

竖井垂直顶升施工过程中，盾构隧道上覆、下卧土层的扰动特性决定了垂直顶升时顶进力大小与土层加工范围，盾构管片变形特征则影响着隧道结构的安全性和耐用性；当前土体扰动特性及加固范围主要依靠经验判断，管片变形可通过简化理论估算，然而实际工程条件极为复杂，通过经验和简化理论计算所得数值准确率低且离散性大，因此运动试验模拟至关重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种盾构竖井垂直顶升试验装置，用于模拟竖井垂直顶升过程中土体与结构的力学相应规律，可模拟不同结构地形和地质条件，为竖井垂直顶升施工力学行为研究提供一个平台。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置，包括顶管隧道、盾构隧道、顶升系统、箱体、土体以及监测系统；顶管隧道包括被对称切割后的若干个管节，盾构隧道的端部设有便于放置顶管的半圆形开口，顶管的直径侧平齐盾构隧道的一侧端面，盾构隧道包括若干顺序拼接的管环，各个管环包括圆形阵列拼接的管片；顶升系统安装在盾构隧道内用于承托顶管，顶升系统包括伸缩件，伸缩件的上端连接顶管，伸缩件的下端连接盾构隧道的内壁；箱体收纳盾构隧道、顶管隧道和顶升系统，箱体在一对正对的侧壁上设置开孔，盾构隧道的首尾两端贴合在侧壁的开孔位置，顶管隧道的直径侧贴合侧壁，箱体内其他位置填充土体；监测系统包括监测土体位移变化的第一监测装置和监测盾构隧道变形和应力的第二监测装置。

作为上述方案的改进，顶升系统还包括止推架和反力扩散块，反力扩散块固定在盾构隧道内，止推架和伸缩件的下端连接反力扩散块，止推架的上端临时地承托顶管。

作为上述方案的改进，盾构隧道在半圆形开口处可拆卸地设置有开口管片，开口管片盖住顶管隧道的上端。

作为上述方案的改进，第一监测装置包括呈网格状分布的栅栏以及设置在栅栏内部交点上的位移监测点，各个位移监测点均贴合箱体的侧壁。

作为上述方案的改进，箱体贴合顶管的该侧侧壁设为透明玻璃，栅栏为的材料为木条，位移监测点为塑料片，透明玻璃的外侧设置有对应栅栏初始安装时的走线布局的刻度。

作为上述方案的改进，塑料片与透明玻璃之间设有润滑油。

作为上述方案的改进，第二监测装置包括若干应变计和若干位移计，应变计绕盾构隧道的开口环环形分布并安装在相邻两环管片上，位移计水平和竖直设置并安装在盾构隧道内部。

作为上述方案的改进，箱体的开孔直径介于盾构隧道的内径和外径之间，盾构隧道的端部与箱体之间设有橡胶垫。

本实用新型的有益效果：1、此试验装置结构简单、造价低廉、可重复利用，同时拆装简易，各部件制作方便，能够随时根据试验目的和条件调整结构参数，具有很好的泛用性。2、该试验方法等效缩小试验装置后进行试验，可以精细模拟盾构竖井垂直顶升过程，监测系统可以反馈详细的参数，具有透明侧壁的箱体可以让试验员直观地观察和记录下模型变化，明确顶升施工对土体结构的影响规律。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1是试验装置的立体图；

图2是试验装置的主视图；

图3是盾构隧道和顶管隧道组合后的示意图；

图4是盾构隧道的管环拼接示意图；

图5是顶升系统的示意图；

图6是第二监测装置的示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但其仅是为了便于描述本实用新型的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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实用新型的限制。

本实用新型中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。在本实用新型的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图6，本实用新型为一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置。

试验装置包括箱体1、盾构隧道3、顶管隧道4、土体2以及监测系统，该装置模拟实际的工程施工过程。首先分析实际土体、盾构隧道3和顶管隧道4的结构参数，根据相似理论和刚度等效原理，选用与实际土体和结构参数近似的用于试验的土体2、盾构隧道3和顶管隧道4。盾构隧道3和顶管隧道4也按照实际结构情况由多个部件组成。力学性能相似的土体2具有相似的密度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角等。该试验装置等比例缩小，由于试验装置缩小，此时需要调整模型的刚度，比如说盾构隧道3和顶管隧道4采用塑料管道或合成材料，盾构隧道3自身的拼接处使用塑料片或铁丝。

本实施例中，基于对称性，顶管隧道4包括被对称切割后的若干个管节，俯视地看，每一个顶管均为半圆形；顶管的上下两端设置凹凸面，如此相邻的两个顶管之间为承插式连接。盾构隧道3的端部设有便于放置顶管的半圆形开口，相应地盾构隧道3在该半圆形开口的位置设置一个开口管片，用于临时遮盖。开口管片与盾构隧道3为一体式，即两者外壁的弧度相同。顶管隧道4的直径侧平齐盾构隧道3的一侧端面。

盾构隧道3包括若干顺序拼接的管环，各个管环包括圆形阵列拼接的管片。该方案正是模拟实际的盾构隧道3和顶管隧道4的结构。

顶升系统安装在盾构隧道3内用于承托顶管隧道4，顶升系统包括伸缩件，伸缩件的上端连接顶管隧道4，伸缩件的下端连接盾构隧道3的内壁。伸缩件可选的有电动推杆、液压千斤顶、丝杆螺母机构和摇臂机构；其中丝杆螺母机构利用丝杆旋转推动螺母上升，此时螺母与顶管可拆卸连接即可；对于摇臂机构，可以设置一个转动副和直线运动副，摇臂往复地进行直线运动顶升顶管隧道4。

本实施例中，顶升系统还包括止推架8和反力扩散块9，反力扩散块9通过粘接或螺钉固定在盾构隧道3内，止推架8和伸缩件的下端连接反力扩散块9，止推架8的上端设置活动支架10实现临时地承托顶管隧道4。止推架8确保每一节的顶管只能上升不能下降，这样就能够反复地从下面放入顶管。一节又一节的顶管在顶升过程中会推动土体2，并形成顶管隧道4，这也正是本试验装置所需要的。为了减少顶管与箱体1之间的摩擦，在顶管隧道4与箱体1之间设置润滑油。

箱体1收纳盾构隧道3、顶管隧道4和顶升系统，箱体1在一对正对的侧壁上设置开孔，盾构隧道3的首尾两端贴合在侧壁的开孔位置，顶管隧道4的直径侧贴合侧壁，箱体1内其他位置填充土体2。箱体1的开孔直径介于盾构隧道3的外径和内径之间，盾构隧道3的端部与箱体1之间设有橡胶垫，避免土体2从盾构隧道3与箱体1之间的缝隙流出。

监测系统包括监测土体2位移变化的第一监测装置和监测盾构隧道3变形和应力的第二监测装置。

在其他实施例中，第一监测装置为埋于土体2中的距离传感器，这些距离传感器与箱体1外的无线接收端通讯，并把无线接收端作为固定基准，相应地距离传感器可以通过角度和距离反馈位移量。当土体2运动时，距离传感器相对固定基准移动，无线接收端可以将这些距离传感器的变量传递到计算机，然后计算机运算并显示箱体1内距离传感器的变化情况，或者对比距离传感器前后距离的变化并显示出来。这个时候箱体1可以是非透明状。距离传感器呈网格状均匀分布，能均匀反映土体2的变化，并且放置在贴合箱体1的侧壁。

作为优选，第一监测装置包括呈网格状分布的栅栏以及设置在栅栏内部交点上的位移监测点11，各个位移监测点11均贴合箱体1的侧壁。栅栏嵌于土体2外侧面的表面，端面与土体2的外侧面齐平。箱体1贴合顶管的该侧侧壁设为透明玻璃，栅栏采用细木条结构或者丝网结构这一类轻质材料，位移监测点11为塑料片，通过螺小钉或粘胶固定连接栅栏内部的交点。细木条、细绳和塑料片都是轻质材料，不会干扰土体2物理力学性质。透明玻璃的外侧设置有对应栅栏初始安装时的走线布局的刻度，比如栅栏为网格状，刻度也为网格状。当土体2运动时，细木条被带动，操作者能够通过透明玻璃直观的看到位移监测点11的运动，并且与刻度对比。作为优选，塑料片与透明玻璃之间设有润滑油，减少塑料片与箱体1的摩擦力。

在其他实施例中，第二监测装置包括若干应变计12和若干超声波距离传感器，应变计12绕盾构隧道3的外围环形分布并安装在相邻两个管片之间。盾构隧道3内成对地设置超声波距离传感器，如果盾构隧道3变形，两个超声波距离传感器位置会发生变化，计算机能够细致地换算出两个超声波距离传感器之间的位置关系。超声波距离传感器在盾构隧道3内可以根据需要分布，可以监测盾构隧道3的上下距离，也可以监测盾构隧道3的左右距离。

作为优选，使用若干位移计13替代超声波距离传感器。位移计13为杆状，位移计13水平和竖直设置并安装在盾构隧道3内部。具体参照图6的右边，在靠近半圆形开口的位置，位移计13分布在半圆形开口的左右两侧，测量竖直位移；同时位移计13也测量水平位移。具体参照图6的左侧，在避开半圆形开口的位置，位移计13竖直地设置一个，水平地设置一个。

一种应用上述模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1.分析实际土体、盾构隧道3和顶管隧道4的结构参数，根据相似理论和刚度等效原理，选用与实际土体和结构参数近似的用于试验的土体2、盾构隧道3和顶管隧道4。

S2.制作箱体1和模型，将管片拼接成盾构隧道3，并在盾构隧道3端部制作半圆形开口，以及制作对应的开口管片，开口管片与盾构隧道3临时连接，选取直径略小于半圆形开口端的顶管，然后布置第二监测装置。本实施例中便是把应变计12和位移计13安装到盾构隧道3。在箱体1与盾构隧3轴向对应的两侧设置开孔，所开孔的尺寸介于盾构隧道3的内径和外径之间。

S3.填充部分土体2，同时布置第一监测装置，即一边回填一边把栅栏及塑料片摆好；放入模型确保盾构隧道3的轴线与箱体1两侧开孔的中心线重合，在这个过程中往盾构隧道3和箱体1之间放入橡胶垫，然后继续回填土体2至平齐盾构隧道3的顶部。盾构隧道3所在的高度范围内不必要设置栅栏和塑料片。

S4.通过箱体1侧面的开孔往盾构隧道3内放入顶升系统和第一节的顶管，伸缩件将顶管顶升至与开口管片的底部紧贴，开口管片通过螺栓5连接顶管。

S5.松开开口管片与盾构隧道3的连接，并与首节的顶管连接，继续填充土体2至设计高度，同时布置第一监测装置。

S6.伸缩件将第一节顶管顶升至设计高度，同时记录下顶升过程中第一监测装置和第二监测装置的反馈，这个时候可以放入止推架8，通过活动支架10托住顶出的顶管然后就可以回缩伸缩件，重新放入新的顶管，继续顶升、监控、止推、回缩以及放入新的顶管的过程，完成整个模拟试验。

作为优选，土体2在回填的时候采用分层填充的方法，每次也都要压实整平，每层土体2的分界面保留便于相邻层的土体2衔接的粗糙度。

实施例一，采用直径为600mm、厚度为30mm、环宽为150mm的PE管模拟盾构隧道3，包括一块20°的封顶块、两块62°的相邻块及三块72°的标准块，满足1：10的相似比。盾构隧道3包括四个管环，总长度为600mm，盾构隧道3的纵环缝接头6分别有12个和11个，根据相似理论和刚度等效原理，通过10mm宽的塑料薄片与螺栓5构成纵环缝接头6。顶管隧道4用直径为180mm、厚度为20mm、环宽为200mm的PE管模拟，盾构隧道3配合顶管的开口为直径95mm的半圆环。反力扩散块9的宽度为200mm，底部与盾构隧道3贴合，中点的高度为30mm。

箱体1的长宽高分别为610mm×1100mm×1750mm，为全玻璃透明箱体，土体2每隔100mm填充一次，相应地，塑料片以100mm@100mm的网格状布置。箱体1的透明侧壁的厚度为20mm，箱体1开孔的下端距箱体1底面间距为300mm。顶管隧道4与箱体1之间以及各个塑料片与箱体1之间涂抹黄油。液压千斤顶的高度为288mm、最大行程为203mm、直径为60mm、型号为TRC108型。

1、此试验装置结构简单、造价低廉、可重复利用，同时拆装简易，各部件制作方便，能够随时根据试验目的和条件调整结构参数，具有很好的泛用性。2、该试验方法等效缩小试验装置后进行试验，可以精细模拟盾构竖井垂直顶升过程，监测系统可以反馈详细的参数，具有透明侧壁的箱体1可以让试验员直观地观察模型变化，明确顶升施工对土体2结构的影响规律。

Claims (8)

1.一种盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：包括顶管隧道、盾构隧道、顶升系统、箱体、土体以及监测系统；

顶管隧道包括被对称切割后的若干个管节，盾构隧道的端部设有便于放置顶管的半圆形开口，顶管的直径侧平齐盾构隧道的一侧端面，盾构隧道包括若干顺序拼接的管环，各个管环包括圆形阵列拼接的管片；

顶升系统安装在盾构隧道内用于承托顶管，顶升系统包括伸缩件，伸缩件的上端连接顶管，伸缩件的下端连接盾构隧道的内壁；

箱体收纳盾构隧道、顶管隧道和顶升系统，箱体在一对正对的侧壁上设置开孔，盾构隧道的首尾两端贴合在侧壁的开孔位置，顶管隧道的直径侧贴合侧壁，箱体内其他位置填充土体；

监测系统包括监测土体位移变化的第一监测装置和监测盾构隧道变形和应力的第二监测装置。

2.根据权利要求1所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：顶升系统还包括止推架和反力扩散块，反力扩散块固定在盾构隧道内，止推架和伸缩件的下端连接反力扩散块，止推架的上端临时地承托顶管。

3.根据权利要求2所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：盾构隧道在半圆形开口处可拆卸地设置有开口管片，开口管片盖住顶管隧道的上端。

4.根据权利要求1所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：第一监测装置包括呈网格状分布的栅栏以及设置在栅栏内部交点上的位移监测点，各个位移监测点均贴合箱体的侧壁。

5.根据权利要求4所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：箱体贴合顶管的该侧侧壁设为透明玻璃，栅栏的材料为木条，位移监测点为塑料片，透明玻璃的外侧设置有对应栅栏初始安装时的走线布局的刻度。

6.根据权利要求5所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：塑料片与透明玻璃之间设有润滑油。

7.根据权利要求1所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：第二监测装置包括若干应变计和若干位移计，应变计绕盾构隧道的开口环环形分布并安装在相邻两环管片之间，位移计水平和竖直设置并安装在盾构隧道内部。

8.根据权利要求1所述的盾构竖井垂直顶升模型试验装置，其特征在于：箱体的开孔直径介于盾构隧道的内径和外径之间，盾构隧道的端部与箱体之间缝隙设有橡胶垫。

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