CN214426961U - 一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，涉及水利施工技术领域。该装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括土体模型箱、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构和装配式管道模型，牵拉机构与掘进头部机构前端连接，装配式管道模型一端连接掘进头部机构的后端，顶进机构连接装配式管道模型的另一端。在土体模型箱内依据地勘资料制备土体模型，将装配式管道结构顶管施工离心模拟装置移动至土工离心机工作吊篮内，启动离心机，顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能。本实用新型能够保证原型管节所受荷载水平与原型基本一致，进而最大限度地反映原型力学行为，实现其力学性能的准确测试。

Description

一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置

技术领域

本实用新型涉及水利施工技术领域，具体涉及一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置。

背景技术

顶管施工是一种工程建设中常用的非开挖施工方法。因其对土体的扰动较小，引发的地面建筑物沉降变形较小，对交通的干扰较小，在地铁、跨江隧道、排污管道、综合管廊等市政工程中具备一定优势。具体而言，顶管施工过程中，在线路两端分别设置工作井、接收井，在工作井内布置掘进机头、管道、液压千斤顶等设备，掘进机头刀盘切割土体并通过出土机等设备进行排土，同时借助顶进设备产生的推力克服管道与周围土体的摩擦力，将管道逐段顶入直至掘进机头到达接收井，完成地下管道结构的铺设。

随着工程建设中对断面尺寸的要求逐渐增大，往往需要采用预制装配式结构制作管道。对于掘进机头及后续管道构成的整体而言，在掘进机头部位承受迎面土水压力，在后续管道结构外表面承受土水压力、摩阻力，在管道结构末端承受顶力。对于各管段而言，处于不同位置的管段受力差异较大，靠近掘进机头处的管段轴力较小，而接近顶进设备的管段所受轴力较大，另外，装配式管道除存在不同管道间的横向接头外，还存在管段内不同预制结构间的纵向接头，在轴力、土水压力、摩阻力作用下，接头处受力变形较为复杂。为保障施工及后续服役阶段管道结构的安全稳定，需要对接头力学性能进行测试。

如图1所示，现有接头性能测试试验中，针对接头局部制作模型，搭建反力架，利用液压千斤顶对结构施加外力以模拟接头局部受力情况，测试接头局部的受力变形特征。

该技术方案存在以下缺点：(1)外荷载仅能作用于离散分布的若干个离散点，与实际工程中结构外侧土水压力荷载沿作用面连续分布的情况差异较大；(2)难以在外表面施加摩阻力；(3)接头局部的受力变形受管道结构整体的力学行为影响，换言之，某接头的受力变形受管段内其他接头的力学行为影响，此类试验中难以反应这一效应；(4)试验结果受接头约束条件的影响较大。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，以解决现有技术中模拟接头局部受力情况时模拟环境与实际情况差异较大，试验结果不准确的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

该装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括土体模型箱、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构和装配式管道模型，土体模型箱内设有土体模型，土体模型箱相对的两侧壁上开设有掘进开口，顶进机构与牵拉机构分别设置在土体模型箱的两侧，掘进头部机构由掘进开口穿过土体模型，牵拉机构与掘进头部机构前端连接，装配式管道模型一端连接掘进头部机构的后端，顶进机构连接装配式管道模型的另一端。

进一步地，所述的牵拉机构包括牵拉液压作动器、滑轮和牵拉导索，牵拉导索一端连接牵拉液压作动器，另一端绕过滑轮后连接掘进头部机构。

进一步地，所述的顶进机构包括顶进液压作动器，顶进液压作动器通过传力钢板连接装配式管道模型的另一端。

进一步地，所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置还包括一个外部支撑箱，土体模型箱固定在外部支撑箱的内侧中部，顶进机构与牵拉机构分别固定在外部支撑箱内部两侧。

进一步地，所述的外部支撑箱的底部设置有一个后端垫板，装配式管道模型设置在后端垫板上侧。

进一步地，所述的装配式管道模型由多个管体依次叠加的构成，每个管体由多段管壁组合构成，相邻管壁端部相互插接。

进一步地，所述的掘进头部机构为一个掘进筒体，掘进筒体的截面形状与装配式管道模型的截面形状相同，掘进筒体前端封闭设置。

上述装配式管道结构顶管施工离心模拟装置的模拟方法包括以下步骤：

在土体模型箱内依据地勘资料制备土体模型，连接顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构、装配式管道模型；

将装配式管道结构顶管施工离心模拟装置移动至土工离心机工作吊篮内，启动离心机稳定提升离心加速度至Ng，其中N为倍数，g为重力加速度，N≤300；

调节顶进机构提供的推力及牵拉机构提供的拉力，实现掘进头部机构及装配式管道模型的逐步顶进，顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能。

进一步地，在装配式管道模型外表面进行润滑减阻处理，用以模拟原型顶进过程中泥浆减阻效果。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型在土体模型箱内制备与施工现场一致的土体模型，调节顶进机构提供的推力及牵拉机构提供的拉力，实现掘进头部机构及装配式管道模型的逐步顶进，在顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能，与现有测试试验方式相比，本实用新型能够保证原型管节所受荷载水平(外表面土压力、水压力、摩阻力，内部轴向应力)与原型基本一致，进而最大限度地反映原型力学行为，实现其力学性能的准确测试。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为现有技术中接头性能测试试验模型示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置的立体图；

图3为本实用新型实施例提供的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置的俯视图；

图4为图3中A-A处剖视图；

图5为本实用新型实施例土体模型箱的示意图；

图6为本实用新型实施例装配式管道模型的立体图；

图7为本实用新型实施例装配式管道模型的主视图；

图8为本实用新型实施例掘进头部机构的立体图；

图中：1-外部支撑箱2-土体模型箱3-土体模型4-装配式管道模型 5-顶进液压作动器6-传力钢板7-牵拉液压作动器8-牵拉导索9-滑轮10-掘进头部机构11-前端垫板12-后端垫板13-作动器台座14-掘进开口15-管体16-上管壁17-中间管壁18-下管壁19-插头。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

参见图2～4，该装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括外部支撑箱 1、土体模型箱2、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构10和装配式管道模型 4，土体模型箱2固定在外部支撑箱1的内侧中部。土体模型箱2内设有土体模型3，顶进机构与牵拉机构分别设置在土体模型箱2的两侧并固定在外部支撑箱1内，掘进头部机构10穿过土体模型3，牵拉机构与掘进头部机构10前端连接，装配式管道模型4一端连接掘进头部机构10的后端，顶进机构连接装配式管道模型4的另一端。外部支撑箱1为包含底板与侧壁的箱体，用于支撑土体模型箱2、顶进机构、牵拉机构等内部结构。土体模型箱2置于外部支撑箱1中部底板上，同样为包含底板与侧壁的箱体。

牵拉机构包括牵拉液压作动器7、滑轮9和牵拉导索8，牵拉导索8一端连接牵拉液压作动器7，另一端绕过滑轮9后连接掘进头部机构10。在外部支撑箱1的底部设置有一个前端垫板11，前端垫板11设置在土体模型箱2的前侧，滑轮9通过螺栓固定在前端垫板11上，掘进头部机构10前端通过牵拉导索8、滑轮9与牵拉液压作动器7相连，可在拉力作用下向前移动，通过螺栓将牵拉液压作动器7固定于外部支撑箱1的内壁上。

顶进机构包括顶进液压作动器5，顶进液压作动器5通过传力钢板6连接装配式管道模型4的另一端，装配式管道模型4可在推力作用下向前移动。外部支撑箱1内固定有作动器台座13，顶进液压作动器5通过螺栓固定在作动器台座13上。外部支撑箱1的底部设置有一个后端垫板12，装配式管道模型 4设置在后端垫板12上侧。掘进头部机构10与装配式管道模型4间为平面接触，仅可传递压力及摩阻力。

参见图5，土体模型箱2相对的两侧壁上开设有掘进开口14，便于装配式管道模型4及掘进头部机构10的顶进，掘进头部机构10由掘进开口14穿过土体模型3，在掘进开口14与装配式管道模型4间设置橡胶止水带，在掘进开口14与掘进头部机构10间设置橡胶止水带，防止顶进过程中土体模型3 内的水体渗漏。

参见图6～7，装配式管道模型4由多个管体15依次叠加的构成，每个管体15由多段管壁组合构成，相邻管壁端部相互插接。用以模拟原型装配式管道。本实施例中的管壁包括上管壁16、下管壁18和中间管壁17，两个中间管壁17分别连接在上管壁16与下管壁18之间，且上管壁16与中间管壁17通过插头19连接，中间管壁17与下管壁18之间也通过插头19连接。

参见图8，掘进头部机构10为一个掘进筒体，掘进筒体的截面形状与装配式管道模型4的截面形状相同，掘进筒体前端封闭设置，掘进筒体对应原型顶进中待顶进空间的原始土体。

上述装配式管道结构顶管施工离心模拟装置的模拟方法包括以下步骤：

在土体模型箱2内依据地勘资料制备土体模型3，连接顶进液压作动器 5、牵拉液压作动器7、掘进头部机构10、装配式管道模型4和垫板等结构；

将装配式管道结构顶管施工离心模拟装置移动至土工离心机工作吊篮内，在完成数据采集设备连线及调试后，启动离心机稳定提升离心加速度至 Ng，其中N为倍数，g为重力加速度，N最大可以至300；利用土工离心机提供的超重力场重现原型应力，进而模拟作用于管道模型的外表面土压力、水压力、摩阻力。

基于离心模型试验相似理论，在保证原型、模型土体材料、几何相似的情况下，能够重现原型应力场。达到预设离心加速度并稳定一段时间后，通过调节顶进液压作动器5提供的推力及牵拉液压作动器7提供的拉力，实现掘进头部机构10及装配式管道模型4的逐步顶进，调节顶进机构提供的推力及牵拉机构提供的拉力，可模拟原型装配式管道内部纵向轴向应力，实现掘进头部机构10及装配式管道模型4的逐步顶进，顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能。

本实用新型在土体模型箱2前、后两侧铺设前端垫板11与后端垫板12，保证掘进头部机构10、装配式管道模型4等结构始终处于同一水平面，垫板与外部支撑箱1底板间通过螺栓固接。为模拟原型顶进过程中泥浆减阻效果，在装配式管道模型4外表面进行润滑减阻处理。

本实用新型在土体模型箱2内制备与施工现场一致的土体模型3，调节顶进机构提供的推力及牵拉机构提供的拉力，实现掘进头部机构10及装配式管道模型4的逐步顶进，在顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能，与现有测试试验方式相比，本实用新型能够保证原型管节所受荷载水平 (外表面土压力、水压力、摩阻力，内部轴向应力)与原型基本一致，进而最大限度地反映原型力学行为，实现其力学性能的准确测试。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括土体模型箱(2)、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构(10)和装配式管道模型(4)，土体模型箱(2)内设有土体模型(3)，土体模型箱(2)相对的两侧壁上开设有掘进开口(14)，顶进机构与牵拉机构分别设置在土体模型箱(2)的两侧，掘进头部机构(10)由掘进开口(14)穿过土体模型(3)，牵拉机构与掘进头部机构(10)前端连接，装配式管道模型(4)一端连接掘进头部机构(10)的后端，顶进机构连接装配式管道模型(4)的另一端。

2.根据权利要求1所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的牵拉机构包括牵拉液压作动器(7)、滑轮(9)和牵拉导索(8)，牵拉导索(8)一端连接牵拉液压作动器(7)，另一端绕过滑轮(9)后连接掘进头部机构(10)。

3.根据权利要求1所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的顶进机构包括顶进液压作动器(5)，顶进液压作动器(5)通过传力钢板(6)连接装配式管道模型(4)的另一端。

4.根据权利要求1所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置还包括一个外部支撑箱(1)，土体模型箱(2)固定在外部支撑箱(1)的内侧中部，顶进机构与牵拉机构分别固定在外部支撑箱(1)内部两侧。

5.根据权利要求4所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的外部支撑箱(1)的底部设置有一个后端垫板(12)，装配式管道模型(4)设置在后端垫板(12)上侧。

6.根据权利要求1所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的装配式管道模型(4)由多个管体(15)依次叠加的构成，每个管体(15)由多段管壁组合构成，相邻管壁端部相互插接。

7.根据权利要求1所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置，其特征在于：所述的掘进头部机构(10)为一个掘进筒体，掘进筒体的截面形状与装配式管道模型(4)的截面形状相同，掘进筒体前端封闭设置。

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