一種用于模型試驗的模擬頂管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于模型試驗的模擬頂管，A型鋼管左端和B型鋼管右端焊接，使A型鋼管中心軸線和B型鋼管中心軸線重合，A型鋼管穿過模型試驗箱右側壁上的圓形孔，B型鋼管2穿過模型試驗箱左側壁上的圓形孔，使A型鋼管和B型鋼管保持水平，O型密封圈分別嵌在模型試驗箱右側壁和左側壁上的預留圓形孔凹槽內，B型鋼管左端焊接一水平加載板，在距B型鋼管左端安裝一反力架，反力架上焊接一千斤頂，千斤頂頂在水平加載板上，將泥漿注入B型鋼管和土體的空隙中，通過壓力傳感器來測試注漿壓力。本發明結構合理、簡單，操作方便，能用于頂管開挖引發地層變形的模型試驗中，模擬真實施工狀況中頂管頂進、注漿過程。
【專利說明】一種用于模型試驗的模擬頂管
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖土力學試驗【技術領域】，更具體涉及一種用于模型試驗的模擬頂管，適用于模擬現場條件的頂管施工模型試驗中。
【背景技術】
[0002]頂管施工技術是在不開挖地表的情況下，以液壓為動力將頂管機和待鋪設的管節在地下逐節頂進，直到頂管接收井的非開挖地下管道敷設施工工藝。其具備以下優點:施工精度高、適用土質廣、適用管徑范圍廣、施工成本較低、對周邊環境影響較小。隨著我國城市化進程加速，頂管技術廣泛應用于城市給排水、煤氣、電力、通信等地下管網以及公路、鐵路隧道建設中。
[0003]作為一種地下開挖方法，頂管施工也不可避免地會對管道周圍的土體產生擾動，擾動的結果是使周圍的土體出現卸載或加載等復雜的力學行為并使土層的物理、力學指標產生變化，引起管道周圍土體產生變形，使土層發生移動，產生地面和地下土體的移動。同時，在頂管施工中，為了減小頂進時頂管所受摩阻力及頂管施工對周邊地表沉降的影響，需要對管道與周邊土體的空隙以一定壓力注入漿液。目前針對地層變形和減阻注漿，其物理、力學指標的確定基本依靠經驗公式和現場測試，無法在施工前在試驗室內測定。因此，為了更好地模擬現場頂管開挖施工環境，有必要研制一種用于模擬頂管施工地層變形和減阻注漿效應模型試驗的模擬頂管。
[0004]經對現有技術文獻檢索發現，專利-頂管注漿減阻的室內模擬實驗系統(申請號:201210137982.X)公開了一種頂管注漿減阻的室內模擬實驗系統，專利-平行頂管頂進施工模擬裝置(申請號:201110109981.X)公開了一種建筑工程【技術領域】的平行頂管頂進施工模擬裝置。這兩個專利都沒有同時研究地層損失和注漿減阻兩個因素對頂管施工的影響，且沒有對模型試驗中模擬頂管的制作方法、操作方式等進行描述。可見，目前尚無能用于模擬頂管施工引發地層變形和注漿減阻效應模型試驗的模擬頂管。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是在于提供了一種用于模型試驗的模擬頂管，該裝置可以用于模擬頂管施工引發地層變形和注漿減阻效應模型試驗；試驗過程中采用一邊推進模擬頂管一邊注漿的方式，既考慮了地層變形又考慮了注漿減阻的影響，模擬效果更接近于真實施工情況。該試驗裝置結構合理、操作方便，主要用于模擬頂管施工引發地層變形和注漿減阻效應模型試驗。
[0006]為了實現上述的目的，本發明采用以下技術措施:
一種用于模型試驗的模擬頂管，由A型鋼管、B型鋼管、水平加載板、頂管支撐架、第一 O型密封圈、第二 O型密封圈、反力架支座、地錨、千斤頂、千斤頂壓力傳感器、泥漿輸送管、壓力傳感器、注漿泵、泥漿桶組成。其特征在于:A型鋼管左端和B型鋼管右端焊接在一起，且使A型鋼管中心軸線和B型鋼管中心軸線重合；A型鋼管穿過模型試驗箱右側壁上的圓形孔，B型鋼管穿過模型試驗箱左側壁上的圓形孔；B型鋼管左端焊接一水平加載板，焊接后的B型鋼管放置在頂管支撐架上。在距B型鋼管左端水平加載板約0.1 — 0.3m處安裝一反力架支座，地錨穿過反力架支座上的圓柱形孔將反力架固定在地面上。反力架支座上焊接一千斤頂，千斤頂和水平加載板正對，千斤頂連接千斤頂壓力傳感器。帶有外螺紋的泥漿輸送管左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管右端注漿孔中，泥漿輸送管右端連接壓力傳感器、注漿泵和泥漿桶。
[0007] 所述的A型鋼管是外徑為0.3~0.6m、壁厚為30-50mm、長約為3~5m的普通碳素鋼
管，其外表光滑。
[0008]所述的B型鋼管是壁厚、長度與A型鋼管壁厚、長度相同的普通碳素鋼管，其外徑和A型鋼管內徑一致，約為0.27、.55m，其外表光滑。B型鋼管右端端部管壁截面一周開4飛個注漿孔，孔徑約10mm，孔身帶內螺紋。帶有外螺紋的泥漿輸送管左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管右端部注漿孔中，泥漿輸送管右端順序連接泥漿壓力傳感器、注漿泵和泥漿桶。
[0009]所述的水平加載板采用一直徑與B型鋼管外徑相同的圓形鋼板制成，水平加載板和B型鋼管焊接在一起。
[0010]所述模型試驗箱采用厚度約為30mm的鋼板制作，大致為長3~5m、高4m、寬4m的長方體箱，模型試驗箱左側壁和右側壁中部距模型試驗箱底約1/3~1/2箱體高度處分別開一圓形孔，所述二圓形孔的圓心處于同一高程。模型試驗箱左側壁上的圓形孔直徑比B型鋼管外徑大0.01-0.05mm,模型試驗箱右側壁上的圓形孔直徑比A型鋼管外徑大0.01~0.05mm,沿二圓形孔內壁中央制作一個寬度10~12mm、深度10~12mm凹槽。
[0011]所述的第一 O型密封圈和第二 O型密封圈是具有圓形截面的環行橡膠密封圈，第一 O型密封圈內徑比A型鋼管外徑略小，其截面直徑和模型試驗箱右側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致，用來防止漿液外流。第二 O型密封圈內徑比B型鋼管外徑略小，其截面直徑和模型試驗箱左側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致，用來防止漿液外流。
[0012]所述的反力架安裝在模型試驗箱左側、距模型試驗箱左側壁6.(Tl0.0m處，所述的反力架采用型鋼制作，由反力架支柱和反力架支座構成，反力架支柱高約為3m，截面邊長約0.15m,反力架支座是邊長約為Im,厚度約50mm的正方形鋼板,反力架支柱底端焊接在支座上，反力架支座四個角各制作一個直徑約為IOmm的圓柱形孔，地錨穿過反力架支座圓柱形孔將反力架固定在地面上。
[0013]所述的地錨為樁式地錨，其直徑和反力架支座上圓柱形孔直徑相匹配。
[0014]所述的頂管支撐架安裝在模型試驗箱左側、距模型試驗箱左側壁3.0-5.0m處，所述的頂管支撐架采用工字鋼制作，由支撐架支座、支撐架支柱和直徑比B型鋼管直徑大l(T20mm的半圓環柱體構成。支撐架支柱底端焊接在支撐架支座上，上端焊接半圓環柱體，焊接后的頂管支撐架半圓環柱體圓心和模型試驗箱圓形孔圓心高度一致。
[0015]所述的千斤頂采用液壓式千斤頂，可勻速頂進，行程為3.0-5.0m。千斤頂焊接在固定于地面的反力架上，軸心與模型試驗箱端部洞口中心對中，頂推力經水平加載板均勻傳遞到B型鋼管和A型鋼管上。千斤頂連接有壓力傳感器，可在試驗中測定頂推力大小。
[0016]一種用于模型試驗的模擬頂管的使用方法和工作過程是:
I)填土:模型試驗箱中分層均勻地填入土體，填土過程中安裝相關監測元件。土體填至模型試驗箱預留圓形孔時停止填土。[0017]2)安裝模擬頂管:將第一 O型密封圈安裝在模型試驗箱右側壁上的圓形孔的凹槽內，將第二O型密封圈安裝在模型試驗箱左側壁上的圓形孔的凹槽內。將焊接在一起的B型鋼管和A型鋼管由模型試驗箱右側壁上的圓形孔向左穿入模型箱，然后，繼續向左移動，B型鋼管穿過模型試驗箱左側壁上的圓形孔。繼續向左移動B型鋼管和A型鋼管，直至A型鋼管I左端距離模型試驗箱I左側壁50mm處。
[0018]3)繼續填土與靜置:安裝完頂管后繼續填土到預定位置，填土完畢后靜置24小時。
[0019]4)連接注漿管道與注漿泵:將帶有外螺紋的泥漿輸送管左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管右端部注漿孔中，泥漿輸送管右端順序連接泥漿壓力傳感器、注漿泵和泥漿桶。
[0020]5)安裝反力架:距模型試驗箱左側壁6.(Tl0.0m處安裝一反力架，反力架底部固定在地面上。反力架上焊接千斤頂，將千斤頂的活塞頂在水平加載板上。
[0021]6)模擬頂推過程:千斤頂頂推力經水平加載板均勻傳遞到B型鋼管和A型鋼管上，A型鋼管緩慢地從模型試驗箱中抽出，與此同時，B型鋼管緩慢頂進模型試驗箱，在此過程中通過注漿泵和泥漿輸送管將泥漿注入B型鋼管和土體之間的空隙中，通過泥漿壓力傳感器來測試注漿壓力。
[0022]本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果:
I)本發明構造簡單、操作方便，可用于模擬頂管施工中引起的地層變形和注漿減阻施工過程的模型試驗中。
[0023]2)試驗中可通過改變A型鋼管和B型鋼管的外徑差來研究不同的超挖厚度對地層損失的影響；
3)配合使用A型鋼管和B型鋼管、頂推系統和注漿系統可模擬真實施工狀況中頂管頂進、注漿過程。
[0024]4)使用O型密封圈可以起到止水防滲的作用，防止了所注漿液的外流。
[0025]申請者利用本模擬頂管用在了模擬頂管開挖模型試驗中，發現模擬頂管開挖引發的地層應力、變形特征，以及摩阻力分布規律均與工程實際保持了較高的吻合度，較好的反映出頂管隧道開挖地層變形狀態和摩阻力分布的特點與演化規律，滿足了模擬現場頂管隧道開挖頂進施工的需求，對于推動頂管施工技術的發展具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為一種用于模型試驗的模擬頂管示意圖。
[0027]圖2為一種用于模型試驗的模擬頂管中焊接后的A型鋼管和B型鋼管剖面圖。
[0028]圖3為一種用于模型試驗的模擬頂管中A型鋼管、O型密封圈和模型試驗箱連接剖面圖。
[0029]其中:1.A型鋼管，2.B型鋼管，3.水平加載板，4.頂管支撐架，5.模型試驗箱，
6.第一 O型密封圈，7.第二 O型密封圈，8.反力架，9.地錨，10.千斤頂，11.千斤頂壓力傳感器(MA18E型或SML-H-8型)，12.泥漿輸送管，13.泥漿壓力傳感器(BST6600-EB型或PT124B-2512型)，14.注漿泵，15.泥漿桶，16.土體，17.泥漿。
[0030]【具體實施方式】 實施例1:下面根據附圖對本發明作進一步詳細描述:
如圖1、圖2、圖3所示，一種用于模型試驗的模擬頂管，由A型鋼管1、B型鋼管2、水平加載板3、頂管支撐架4、第一 O型密封圈6、第二 O型密封圈7、反力架支座8、地錨9、千斤頂10、千斤頂壓力傳感器11、泥漿輸送管12、泥漿壓力傳感器13、注漿泵14、泥漿桶15等構成。其特征在于:A型鋼管I左端和B型鋼管2右端焊接在一起，且使A型鋼管I中心軸線和B型鋼管2中心軸線重合;A型鋼管I穿過模型試驗箱右側壁上的圓形孔，B型鋼管2穿過模型試驗箱左側壁上的圓形孔，且使A型鋼管I和B型鋼管2保持水平；將第一 O型密封圈6和第二 O型密封圈7分別嵌在模型試驗箱5右側壁和左側壁上的預留圓形孔凹槽內；B型鋼管2左端焊接一水平加載板3，焊接后的B型鋼管2放置在頂管支撐架4上。在距模型試驗箱5左側壁約6.(Tl0.0m處安裝一反力架8，地錨9穿過反力架支座8上的圓柱形孔將反力架支座8固定在地面上。反力架8上焊接一千斤頂10，千斤頂10和水平加載板3正對，千斤頂10連接千斤頂壓力傳感器11。帶有外螺紋的泥漿輸送管12左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管2右端部注漿孔中，泥漿輸送管12右端順序連接泥漿壓力傳感器13、注漿泵14和泥漿桶15。
[0031]所述的A型鋼管I是外徑為0.3~0.6m、壁厚為3(T50mm、長約為3~5m的普通碳素
鋼管，其外表光滑。
[0032]所述的B型鋼管2是外徑和A型鋼管I內徑一致，約為0.27、.55m，壁厚、長度和A型鋼管相同的普通碳素鋼管，其外表光滑。B型鋼管右端端部管壁截面一周開4飛個注漿孔，孔徑約10mm，孔身帶內螺紋。
[0033]所述的水平加載板3采用一直徑略大于B型鋼管2外徑的圓形鋼板制成，水平加載板3和B型鋼管2焊接在一起。
[0034]所述模型試驗箱采用厚度約為30mm的鋼板制作,大致為長3~5m、高4m、寬4m的長方體箱，模型試驗箱5左側壁和右側壁中部距模型試驗箱5底約1/3~1/2箱體高度處分別開一圓形孔，所述二圓形孔的圓心處于同一高程。模型試驗箱5左側壁上的圓形孔直徑比B型鋼管2外徑大0.01-0.05mm，模型試驗箱5右側壁上的圓形孔直徑比A型鋼管I外徑大
0.01^0.05mm,沿二圓形孔內壁中央制作一個寬度10~12_、深度10~12_凹槽。
[0035]所述的第一 O型密封圈6和第二 O型密封圈7是具有圓形截面的環行橡膠密封圈，第一 O型密封圈6內徑比A型鋼管I外徑略小，其截面直徑和模型試驗箱5右側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致，用來防止漿液外流。第二 O型密封圈7內徑比B型鋼管2外徑略小，其截面直徑和模型試驗箱5左側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致，用來防止漿液外流。
[0036]所述的反力架8安裝在模型試驗箱5左側、距模型試驗箱5左側壁6.(Tl0.0m處，所述反力架8采用型鋼制作，由反力架支柱、反力架支座構成，反力架支柱高約為3m，截面邊長約0.15m,反力架支座是邊長約為1.0m,厚度約為50mm的正方形鋼板,反力架支柱底端焊接在反力架支座上，反力架支座四個角各制作一個直徑約為IOmm的圓柱形孔，地錨9穿過反力架支座圓柱形孔將反力架8固定在地面上。
[0037]所述的地錨9為樁式地錨，其外徑和反力架支座上圓柱形孔直徑相匹配。
[0038]所述的頂管支撐架4安裝在模型試驗箱5左側、距模型試驗箱5左側壁3.0-5.0m處，所述的頂管支撐架4采用工字鋼制作，由支撐架支座、支撐架支柱和直徑比B型鋼管2直徑大l(T20mm的半圓環柱體構成。支撐架支柱底端焊接支撐架支座,上端焊接半圓環柱體，焊接后的頂管支撐架半圓環柱體圓心和模型試驗箱圓形孔圓心高度一致。
[0039]所述的千斤頂10采用液壓式千斤頂，可勻速頂進，行程為3.0-5.0m0千斤頂10焊接在固定于地面的反力架上，軸心與模型試驗箱5左側壁上預設的圓形孔的圓心對中，頂推力經水平加載板均勻傳遞到B型鋼管2和A型鋼管I上。千斤頂10連接有壓力傳感器11，可在試驗中測定頂推力大小。
[0040]一種用于模型試驗的模擬頂管的使用方法和工作過程是:
I)填土:模型試驗箱5中分層均勻地填入土體16，填土過程中安裝相關監測元件。土體16填至模型試驗箱5預留圓形孔時暫停填土。
[0041]2)安裝模擬頂管:將第一 O型密封圈6安裝在模型試驗箱右側壁上的圓形孔的凹槽內，將第二O型密封圈7安裝在模型試驗箱左側壁上的圓形孔的凹槽內。將焊接在一起的B型鋼管2和A型鋼管I由模型試驗箱5右側壁上的圓形孔向左穿入模型箱，然后，繼續向左移動，B型鋼管2穿過模型試驗箱5左側壁上的圓形孔。再繼續向左移動B型鋼管2和A型鋼管1，直至A型鋼管I左端距離模型試驗箱I左側壁50mm處。
[0042]3)繼續填土與靜置:安裝完頂管后繼續填土到預定位置，填土完畢后靜置24小時。
[0043]4)連接注漿管道與注漿泵:將帶有外螺紋的泥漿輸送管12左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管2右端部注漿孔中，泥漿輸送管12右端順序連接泥漿壓力傳感器13、注漿泵14和泥漿桶15。
[0044]5)安裝反力架:距模型試驗箱5左側壁6.(Tl0.0m處安裝一反力架8，反力架8通過地錨9固定在地面上。反力架8上焊接千斤頂10，將千斤頂10的活塞頂在水平加載板3上。
[0045]6)模擬頂推過程:千斤頂10頂推力經水平加載板3均勻傳遞到B型鋼管2和A型鋼管2上，A型鋼管I緩慢地從模型試驗箱中抽出，與此同時，B型鋼管2緩慢頂進模型試驗箱，在此過程中通過注漿泵14和泥漿輸送管12將泥漿17注入B型鋼管2和土體16之間的空隙中，通過泥漿壓力傳感器13來測試注漿壓力。
【權利要求】
1.一種用于模型試驗的模擬頂管，它包括A型鋼管(1)、B型鋼管(2)、水平加載板(3)、頂管支撐架(4)、第一 O型密封圈(6)、反力架支座(8)、地錨(9)、千斤頂壓力傳感器(11)、泥漿壓力傳感器(13)、注漿泵(14)、泥漿桶(15)，其特征在于:A型鋼管(1)左端和B型鋼管(2)右端焊接，A型鋼管(1)中心軸線和B型鋼管(2)中心軸線重合;A型鋼管(1)穿過模型試驗箱右側壁上的圓形孔，B型鋼管(2)穿過模型試驗箱左側壁上的圓形孔，第一 O型密封圈(6)和第二 O型密封圈(7)分別嵌在模型試驗箱(5)右側壁和左側壁上的預留圓形孔的凹槽內，B型鋼管(2)左端焊接一水平加載板(3)，焊接后的B型鋼管(2)放置在頂管支撐架(4)上，在模型試驗箱(5)左側、距模型試驗箱5左側壁6.(Tl0.0m處安裝反力架支座(8)，地錨(9)穿過反力架支座(8)上的圓柱形孔，將反力架(8)固定在地面上，反力架支座(8)上焊接一千斤頂(10)，千斤頂(10)和水平加載板(3)正對，千斤頂(10)連接千斤頂壓力傳感器(11)，泥漿輸送管(12)左端擰在帶有內螺紋的B型鋼管(2)右端部的注漿孔中，泥漿輸送管(12)右端順序連接泥漿壓力傳感器(13)、注漿泵(14)和泥漿桶(15)。
2.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的A型鋼管(1)為外壁光滑、外徑為0.3^0.6m、壁厚為3(T50mm、長為3~5m的碳素鋼管。
3.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的B型鋼管(2)為外壁光滑、外徑和A型鋼管(1)內徑一致，壁厚、長度和A型鋼管(1)壁厚、長度相同的碳素鋼管，B型鋼管(2)右端端口部管壁截面一周開4飛個注漿孔，孔徑10mm，孔身帶內螺紋。
4.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的水平加載板(3)采用一直徑與B型鋼管(2)外徑相同的圓形鋼板制成，水平加載板(3)和B型鋼管(2)焊接。
5.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述模型試驗箱(5)采用厚度為30mm的鋼板制作，長:T5m、高4m、寬4m的長方體箱，模型試驗箱(5)左側壁和右側壁中部距模型試驗箱(5)底1/3~1/2箱體高度處分別開一圓形孔，所述二圓形孔的圓心處于同一高程，模型試驗箱(5)左側壁上的圓形孔直徑比B型鋼管(2)外徑大0.01-0.05mm，模型試驗箱(5)右側壁上的圓形孔直徑比A型鋼管(1)外徑大0.01-0.05mm,沿二圓形孔內壁中央制作一個寬度l(Tl2mm、深度凹槽。
6.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的第一O型密封圈(6)和第二 O型密封圈(7)是圓形截面的環行橡膠密封圈,第一 O型密封圈(6)內徑比A型鋼管(1)外徑小，其截面直徑和模型試驗箱(5)右側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致，第二 O型密封圈(7)內徑比B型鋼管(2)外徑小，其截面直徑和模型試驗箱(5)左側壁上的圓形孔的凹槽寬度一致。
7.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的反力架(8)采用型鋼制作，由反力架支柱、反力架支座構成，反力架支柱高為3m，截面邊長0.15m,反力架支座是邊長為L 0m，厚度為50mm的正方形鋼板，反力架支柱底端焊接在反力架支座上，反力架支座四個角各制作一個直徑為1Omm的圓柱形孔，地錨(9)穿過反力架支座圓柱形孔將反力架(8)固定在地面上。
8.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的地錨(9)為樁式地錨，其外徑和反力架支座上圓柱形孔直徑相匹配。
9.根據權利要求1所述的一種用于模型試驗的模擬頂管，其特征在于:所述的頂管支撐架(4)安裝在模型試驗箱(5)左側、距模型試驗箱(5)左側壁3.0-5.0m處，所述的頂管支撐架(4 )采用工字鋼制作，由支撐架支座、支撐架支柱和直徑比B型鋼管(2 )直徑大l(T20mm的半圓環柱體構成，支撐架支柱底端焊接支撐架支座上，上端焊接半圓環柱體，焊接后的頂管支撐架半圓環柱體圓心 和模型試驗箱圓形孔圓心高度一致。
【文檔編號】G01N33/24GK103995096SQ201410249645
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】陳善雄, 程劉勇, 許錫昌, 王星運 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所
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