本發(fā)明涉及一種用于矩形頂管頂進(jìn)施工全過(guò)程模擬的試驗(yàn)裝置，屬于地下結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

頂管技術(shù)是在不開挖地表的情況下，利用液壓油缸從始發(fā)工作井將頂管機(jī)和待鋪設(shè)的管節(jié)在地下逐節(jié)頂進(jìn)，直至接收井的非開挖地下管道敷設(shè)施工工藝。圓形頂管技術(shù)在我國(guó)發(fā)展比較早，目前施工工藝較成熟。近年來(lái)，隨著市政建設(shè)的高速發(fā)展以及隧道掘進(jìn)技術(shù)的日益提高，許多地下結(jié)構(gòu)的斷面尺寸越做越大，同時(shí)為了提高地下空間的利用率并節(jié)約成本，往往把頂管斷面做成矩形形式。從隧道的使用功能來(lái)分析，公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、人行地道、地下共同溝的斷面形式也是以矩形最為經(jīng)濟(jì)適用。矩形頂管是在圓形頂管的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的一種非開挖施工技術(shù)，與圓形斷面相比，不但其有效使用面積可以增大20%以上，對(duì)通道空間的規(guī)劃利用更加方便，而且還可以減少地下掘進(jìn)土方量。矩形頂管自1999年在我國(guó)首次出現(xiàn)工程實(shí)例以來(lái)，得益于城市地下空間建設(shè)的時(shí)代需求以及施工工藝的不斷改進(jìn)，在市政公共設(shè)施建設(shè)中具有巨大的應(yīng)用前景。矩形頂管技術(shù)作為一種不開槽的暗挖施工方法，其最大的優(yōu)越性在于避免了作業(yè)面對(duì)地上建筑物或構(gòu)筑物的直接影響。但作為一種地下隧道開挖方法，矩形頂管施工也不可避免地會(huì)對(duì)管節(jié)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為，引發(fā)土體產(chǎn)生復(fù)雜的變形。在矩形頂管工程實(shí)踐中，因?yàn)闆](méi)有形成完善的理論基礎(chǔ)指導(dǎo)體系，目前存在著較多地依靠工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)多于理論分析的情況。此外，數(shù)值模擬的研究手段也有誤差大，與實(shí)際脫節(jié)的應(yīng)用局限性。而室內(nèi)模型試驗(yàn)室作為一種可靠經(jīng)濟(jì)的研究手段，可以較為全面客觀的反應(yīng)矩形頂管施工全過(guò)程對(duì)周圍土體的擾動(dòng)情況，試驗(yàn)?zāi)M裝置的制備是能否實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于矩形頂管頂進(jìn)施工全過(guò)程模擬的試驗(yàn)裝置，可以對(duì)各種地質(zhì)條件下的長(zhǎng)距離、多根平行、大截面、淺覆土等復(fù)雜工況進(jìn)行模擬，管節(jié)周圍能形成有效的泥漿套，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于矩形頂管頂進(jìn)施工全過(guò)程模擬的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)箱、管節(jié)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)箱內(nèi)填充土體，若干平行的所述管節(jié)系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)箱兩對(duì)側(cè)壁上的方孔貫穿試驗(yàn)箱內(nèi)部，每對(duì)所述方孔之間安裝有導(dǎo)向軌；

所述管節(jié)系統(tǒng)包括相互連接的導(dǎo)向機(jī)頭和頂進(jìn)管節(jié)，所述導(dǎo)向機(jī)頭為一兩端開口的方形鋼管，所述導(dǎo)向機(jī)頭設(shè)置有供導(dǎo)向軌穿過(guò)的導(dǎo)軌槽，所述頂進(jìn)管節(jié)為帶夾層的兩端開口方形鋼管，所述頂進(jìn)管節(jié)在沿長(zhǎng)度方向四個(gè)側(cè)面均勻設(shè)置有若干排冒漿孔，所述頂進(jìn)管節(jié)兩端夾層封蓋面設(shè)置有注漿孔；

所述加載系統(tǒng)與頂進(jìn)管節(jié)的末端相連，所述注漿系統(tǒng)與注漿孔相連，所述測(cè)試系統(tǒng)與試驗(yàn)箱內(nèi)部的土體相連。

所述導(dǎo)向機(jī)頭的前開口內(nèi)焊接有模擬刀盤的切土網(wǎng)格。

所述試驗(yàn)箱上方無(wú)蓋，沿所述管節(jié)系統(tǒng)頂進(jìn)方向的兩側(cè)壁為透明材質(zhì)，所述頂進(jìn)管節(jié)在長(zhǎng)度方向沿外側(cè)畫有距離刻度。

所述方孔配備有封蓋，所述方孔下方的側(cè)壁底部設(shè)置有排水孔，同一側(cè)壁上的若干排水孔均與總閥門相連。

所述頂進(jìn)管節(jié)與導(dǎo)向機(jī)頭之間通過(guò)連接環(huán)連接，所述連接環(huán)由兩段矩形鋼管拼接而成，兩段矩形鋼管的外包尺寸略小于所連接的頂進(jìn)管節(jié)和導(dǎo)向機(jī)頭的內(nèi)尺寸。

所述加載系統(tǒng)包括加載氣缸、頂力傳感器和支座反力架，所述加載氣缸一端固定于支座反力架上，另一端與頂進(jìn)管節(jié)連接，所述頂力傳感器與加載氣缸相連。

所述注漿系統(tǒng)包括相互連接的拌漿桶、流量計(jì)、空壓機(jī)和輸漿管，所述輸漿管與注漿孔相連，且輸漿管上設(shè)置有壓力表。

所述測(cè)試系統(tǒng)包括相互連接的位移計(jì)、應(yīng)變采集器和計(jì)算機(jī)，所述位移計(jì)通過(guò)固定支架固定于試驗(yàn)箱中。

所述導(dǎo)向軌包括槽形鋼，所述槽形鋼的槽內(nèi)底面焊接有t形截面的長(zhǎng)條鋼。

所述頂進(jìn)管節(jié)和加載氣缸之間設(shè)置有方形頂鐵，所述方形頂鐵包括方形鋼板和焊接在其中部的矩形鋼管，所述矩形鋼管的外包尺寸略小于頂進(jìn)管節(jié)的內(nèi)尺寸，所述方形鋼板的邊緣設(shè)置有與注漿孔相對(duì)應(yīng)的通孔。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

1．試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)置的導(dǎo)向軌與帶導(dǎo)軌槽的導(dǎo)向機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形頂進(jìn)管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中的導(dǎo)向，由于導(dǎo)向軌的體積較小，對(duì)土體受力影響較?。欢F(xiàn)有的施工模擬裝置采用在管節(jié)推進(jìn)路線上預(yù)埋一根貫穿試驗(yàn)箱體的通長(zhǎng)管節(jié)，后續(xù)頂進(jìn)管節(jié)在與這根通長(zhǎng)管節(jié)連接后，通過(guò)將通長(zhǎng)管節(jié)頂出箱體來(lái)模擬管節(jié)頂進(jìn)的過(guò)程，這與實(shí)際施工情況完全不符。因此本發(fā)明能更好地模擬實(shí)際施工的土層情況。

2.頂進(jìn)管節(jié)在沿長(zhǎng)度方向四個(gè)側(cè)面設(shè)置有若干排冒漿孔，可使管節(jié)周圍形成有效的泥漿套，頂進(jìn)管節(jié)兩端夾層封蓋面設(shè)置有注漿孔，可實(shí)現(xiàn)在頂進(jìn)管節(jié)的過(guò)程中同步注漿。

因此，本發(fā)明所提供的一種用于矩形頂管頂進(jìn)施工全過(guò)程模擬的試驗(yàn)裝置，裝置簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，模擬多種工況時(shí)，試驗(yàn)裝置構(gòu)件可重復(fù)利用，兼容性強(qiáng)，試驗(yàn)裝置本身最大限度的符合了工程實(shí)際情況，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中試驗(yàn)箱的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明中試驗(yàn)箱的俯視圖；

圖4為本發(fā)明中導(dǎo)向軌的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中導(dǎo)向機(jī)頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中頂進(jìn)管節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明中注漿孔的布置示意圖；

圖8為本發(fā)明中連接環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明中方形頂鐵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為實(shí)施例中的位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖；

圖11為實(shí)施例中不同頂進(jìn)距離時(shí)沿頂進(jìn)方向的地表沉降圖；

圖12為實(shí)施例中不同頂進(jìn)距離時(shí)垂直頂進(jìn)方向的地表沉降圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1至9所示的種用于矩形頂管頂進(jìn)施工全過(guò)程模擬的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)箱1、管節(jié)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)箱1內(nèi)填充土體2，平行的所述管節(jié)系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)箱1兩對(duì)側(cè)壁上的方孔貫穿試驗(yàn)箱1內(nèi)部，每對(duì)所述方孔之間安裝有導(dǎo)向軌10；

所述管節(jié)系統(tǒng)包括相互連接的導(dǎo)向機(jī)頭8和頂進(jìn)管節(jié)3，所述導(dǎo)向機(jī)頭8為一兩端開口的方形鋼管，所述導(dǎo)向機(jī)頭8設(shè)置有供導(dǎo)向軌10穿過(guò)的導(dǎo)軌槽，所述頂進(jìn)管節(jié)3為帶夾層的兩端開口方形鋼管，所述頂進(jìn)管節(jié)3在沿長(zhǎng)度方向四個(gè)側(cè)面均勻設(shè)置有4排冒漿孔19，所述頂進(jìn)管節(jié)3兩端夾層封蓋面四側(cè)設(shè)置有注漿孔18；

所述加載系統(tǒng)與頂進(jìn)管節(jié)3的末端相連，所述注漿系統(tǒng)與注漿孔18相連，所述測(cè)試系統(tǒng)與試驗(yàn)箱1內(nèi)部的土體2相連。

所述導(dǎo)向機(jī)頭8的前開口內(nèi)焊接有模擬刀盤的切土網(wǎng)格，所述切土網(wǎng)格由薄鋼板構(gòu)成。

所述試驗(yàn)箱1上方無(wú)蓋，沿所述管節(jié)系統(tǒng)頂進(jìn)方向的兩側(cè)壁由兩塊2厘米厚的有機(jī)玻璃組成，垂直于頂進(jìn)方向的兩塊側(cè)板以及底板均由6毫米厚的鋼板組成，鋼板與有機(jī)玻璃通過(guò)鉚接連接成箱體。

所述方孔配備有封蓋，所述方孔下方的側(cè)壁底部設(shè)置有排水孔20，同一側(cè)壁上的若干排水孔20均與總閥門相連，在澆水固結(jié)土體2時(shí)，通過(guò)總閥門控制排水。

所述頂進(jìn)管節(jié)3與導(dǎo)向機(jī)頭8之間通過(guò)連接環(huán)11連接，所述連接環(huán)11由兩段矩形鋼管拼接而成，兩段矩形鋼管的外包尺寸略小于所連接的頂進(jìn)管節(jié)3和導(dǎo)向機(jī)頭8的內(nèi)尺寸。

所述加載系統(tǒng)包括加載氣缸6、頂力傳感器4和支座反力架5，所述加載氣缸6一端固定于支座反力架5上，另一端與頂進(jìn)管節(jié)3連接，所述頂力傳感器4與加載氣缸6相連。

所述注漿系統(tǒng)包括相互連接的拌漿桶17、流量計(jì)16、空壓機(jī)15和輸漿管9，所述輸漿管9與注漿孔18相連，且輸漿管9上設(shè)置有壓力表14。拌漿桶17中的漿液經(jīng)過(guò)空壓機(jī)15的高壓泵送，由輸漿管9流入頂進(jìn)管節(jié)3的注漿孔18中，再通過(guò)冒漿孔19進(jìn)入土體2，注漿液的流量通過(guò)流量計(jì)16測(cè)得，注漿液的壓力通過(guò)壓力表14測(cè)得。

所述測(cè)試系統(tǒng)包括相互連接的位移計(jì)12、應(yīng)變采集器13和計(jì)算機(jī)，所述位移計(jì)12通過(guò)固定支架固定于試驗(yàn)箱1中，所述位移計(jì)12通過(guò)導(dǎo)線連接到應(yīng)變采集器13進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，再通過(guò)計(jì)算機(jī)上安裝的軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。所述位移計(jì)12采用振弦式多點(diǎn)位移計(jì)。

所述導(dǎo)向軌10包括槽形鋼，所述槽形鋼的槽內(nèi)底面焊接有t形截面的長(zhǎng)條鋼。

所述頂進(jìn)管節(jié)3和加載氣缸6之間設(shè)置有方形頂鐵7，所述方形頂鐵7包括方形鋼板和焊接在其中部的矩形鋼管，所述矩形鋼管的外包尺寸略小于頂進(jìn)管節(jié)3的內(nèi)尺寸，所述方形鋼板的邊緣設(shè)置有與注漿孔18相對(duì)應(yīng)的通孔。

本裝置通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)矩形頂管施工模擬：

第一步：確定試驗(yàn)方案。根據(jù)項(xiàng)目研究需要達(dá)到的目標(biāo)，確定擬開展的試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。包括考慮上覆土層厚度、注漿條件以及頂管間距等試驗(yàn)條件不同情況下的土體的變形及頂力的變化情況，給出測(cè)點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量及位置。利用相似性原理確定試驗(yàn)箱1、頂進(jìn)管節(jié)3、導(dǎo)向機(jī)頭8、冒漿孔19的尺寸。

第二步：根據(jù)第一步確定的試驗(yàn)方案，估算出試驗(yàn)用土量。在工程現(xiàn)場(chǎng)頂管管節(jié)所處地層處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土，由工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室；

第三步：填土固結(jié)。在試驗(yàn)箱1側(cè)面有機(jī)玻璃上標(biāo)出某工況填土的深度，將導(dǎo)向機(jī)頭8由側(cè)壁一方孔放入導(dǎo)向軌10上，然后將兩側(cè)方孔用封蓋封住。從試驗(yàn)箱1底部開始分層填土，每一層填土厚度控制在10厘米以內(nèi)，每層填土采用堆載壓實(shí)。填土達(dá)到預(yù)定位置后，在土體2內(nèi)加足量水，打開排水孔20，排水固結(jié)1~2小時(shí)，再關(guān)閉排水孔20，不排水固結(jié)24小時(shí)；

第四步：布置測(cè)量系統(tǒng)。土體2固結(jié)完成后，按照試驗(yàn)方案中的測(cè)點(diǎn)布置，將若干振弦式多點(diǎn)位移計(jì)用固定支架固定在土體2的表面，在每個(gè)位移計(jì)12的觸針與土體2之間平放一邊長(zhǎng)1厘米的方形玻璃塊，各位移計(jì)12統(tǒng)一連入應(yīng)變采集器13，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；

第五步：拌制注漿液。根據(jù)試驗(yàn)方案中設(shè)定的某工況的注漿液配比，將膨潤(rùn)土、cmc、純堿和水分別稱重后，在拌漿桶17進(jìn)行攪拌完成膨潤(rùn)土泥漿配制；

第六步：打開試驗(yàn)箱體兩側(cè)的方孔封蓋，首先在導(dǎo)向機(jī)頭8底部的導(dǎo)槽內(nèi)，以及導(dǎo)向軌10的t形導(dǎo)軌上全長(zhǎng)涂抹潤(rùn)滑脂，在頂進(jìn)管節(jié)3的上表面用記號(hào)筆標(biāo)記出距離刻度；然后將頂進(jìn)管節(jié)3一端通過(guò)連接環(huán)11接入預(yù)埋在箱體內(nèi)的導(dǎo)向機(jī)頭8，頂進(jìn)管節(jié)3的另外一端通過(guò)方形頂鐵7與氣缸6連接，氣缸6支承在固定于地面的支座反力架5上，其軸心與頂進(jìn)管節(jié)3中心對(duì)中，頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)連接在氣缸6上的頂力傳感器4測(cè)讀頂力值；

第七步：頂進(jìn)操作。將輸漿管9與頂進(jìn)管節(jié)3一端的注漿孔18相連，開動(dòng)加載氣缸6頂進(jìn)，一邊頂進(jìn)，一邊將第五步拌制好的漿液從拌漿桶17注入到頂進(jìn)管節(jié)3的夾層中，漿液再由頂進(jìn)管節(jié)3外側(cè)四排冒漿孔19注入到周圍土體中，實(shí)現(xiàn)同步注漿，直至導(dǎo)向機(jī)頭8沿著導(dǎo)向軌10從試驗(yàn)箱1另外一側(cè)的方孔被頂出。頂進(jìn)過(guò)程中的頂管距離由頂進(jìn)管節(jié)側(cè)面的刻度數(shù)讀出，注漿量、注漿壓力分別由流量計(jì)16及壓力表14讀出，各時(shí)刻的土體變形由位移計(jì)12通過(guò)應(yīng)變采集器13適時(shí)記錄。

圖11給出了在上覆土厚20厘米，有同步注漿的工況下，不同頂進(jìn)距離時(shí)土體2沿著頂進(jìn)方向的地表沉降圖，由圖可以看出，總體豎向位移以沉降位移為主，位移的最大值在距離靠近氣缸一側(cè)的箱子面板0.75米至1米的范圍內(nèi)。

圖12給出了在上覆土厚10厘米，由圖可以看出，有同步注漿的工況下，不同頂進(jìn)距離時(shí)土體2沿垂直于頂進(jìn)方向的地表沉降圖。由圖12可以看出，總體豎向位移也是以沉降位移為主，豎向位移的最大值在頂管軸線上方的，頂管兩側(cè)的地表幾乎沒(méi)有沉降。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。