一种在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置的制作方法

1.本实用新型涉及岩土及地下工程领域，特别涉一种在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置。


背景技术：

2.近代以来，随着城市地下空间的快速发展，地下开挖对环境影响的问题，越来越引起人们的高度重视。地下开挖施工方法的选择，难免面临场地狭窄、周边建筑物众多、市政管线繁杂等问题，对施工期间的交通、环保的要求也越来越高，使得地下开挖施工条件差，施工难度大。管幕暗挖工法由于其独特的施工方法以及优点开始受到人们的重视。管幕暗挖工法是在始发井与接收井之间,利用小型顶管机将钢管顶进到土体中,各单管间依靠锁口在钢管侧面相接形成管排,并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求,形成超前支护,然后再采用暗挖施工进行地下构筑物施工的一种新型暗挖法施工技术。管幕暗挖工法具有安全性高、工期较短、地表沉降小、可以开挖的空间大、对地面交通的影响小、施工方便等特点。
3.中国专利cn107246023a公开了一种隧道管幕冻结法施工的物理模型实验装置及实验方法。该装置包括：实验平台，用于提供安装空间；加载系统，其包括：箱体，安装在实验平台上；反力架，位于箱体上方并固定安装在实验平台上；液压缸，置于反力架和箱体之间；土体，置于箱体内；钢管支架，置于土体内；多个模拟顶管，活动安装在钢管支架上以形成管幕并置于土体内；冻结系统，用于对管幕进行冻结以形成冻结壁；数据采集系统，用于采集管幕的温度信息、位移信息和压力信息。
4.但是上述隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法只适用于对冻土层的模拟，不适用于对于岩土工程的实验模拟环境。


技术实现要素：

5.本技术实施例通过提供一种在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，解决了现有技术中的实验装置不适用于对于岩土工程的实验环境的模拟，实现了还原现场的应力等级，进行管幕结构暗挖施工对周围环境整体影响规律的研究。
6.本技术实施例提供了一种在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，包括：
7.模型箱，所述模型箱为顶部开口中空结构；
8.试验土，所述试验土用于模拟土体结构，所述试验土设置在所述模型箱内；
9.管幕结构，所述管幕结构设置在所述试验土中，所述管幕结构包括：
10.顶管，所述顶管之间密封连接；
11.工作井，所述工作井包括：
12.第一定位板，所述第一定位板与所述顶管连接，所述第一定位板包括：
13.第一定位孔，所述第一定位孔大小与所述顶管相匹配；
14.第一挖孔，所述第一挖孔尺寸对应于所述顶管围成的空间截面；
15.挡板，所述挡板与所述定位板共同围成了所述工作井的顶部开口长方体结构；
16.开挖封闭板，所述开挖封闭板设置在所述第一挖孔处，用以封闭所述第一挖孔；
17.离心机，所述离心机接纳所述模型箱用以提供超重力环境。
18.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置还包括：
19.管幕支撑系统，所述管幕支撑系统设置在所述管幕结构内，用于支撑开挖后的土体结构，所述管幕支撑系统包括：
20.上支撑垫板，所述上支撑垫板上设置有螺纹孔；
21.下支撑垫板，所述下支撑垫板上设置有螺纹孔；
22.支撑调节杆，所述支撑调节杆两端带有螺纹，设置在所述上支撑垫板与下支撑垫板之间；
23.间距板，所述间距板用于保持间距。
24.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，还包括支撑杆，所述支撑杆为一根两端设置有螺帽的螺纹杆，所述螺帽可沿螺纹杆调节位置。
25.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述管幕结构还包括：
26.搭接板，所述搭接板搭接于所述顶管之间。
27.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述模型箱为透明材料。
28.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述管幕结构还包括：
29.分隔板，所述分隔板设置于所述管幕结构内，所述分隔板用于对开挖土层的分层。
30.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述第一定位孔为通孔或盲孔。
31.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述搭接板用胶水搭接于所述顶管之间。
32.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述模型箱为长方体结构。
33.优选地，所述的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，所述第一挖孔为矩形空间截面。
34.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
35.1.由于采用了离心机中加速固结，不仅在极大程度上还原现场土的特性，而且大大缩短固结时间。
36.2.由于采用了管幕支撑系统可以有效且较为简单的实现对管幕结构下暗挖施工的开挖与支撑过程的模拟。
37.3.利用离心机的加速还原现场的应力等级,可以实现现场实际应力等级下管幕结构暗挖施工对周围环境影响规律的综合研究结果。
附图说明
38.图1为本技术优选实施例的管幕法暗挖施工的模拟装置的一部分的主视图，其中未示出模拟装置中所采用的离心机；
39.图2为本技术优选实施例的管幕法暗挖施工的模拟装置的侧视图，其中也未示出模拟装置中所采用的离心机；
40.图3为本技术优选实施例的在超重力场中进行管幕暗挖施工的模拟装置的示意图，尤其示出了相关的离心机配置；
41.图4为本技术优选实施例的管幕支撑系统的主视图；
42.图5为本技术优选实施例的管幕支撑系统的侧视图。
43.附图标记：
44.模型箱100；
45.试验土200；
46.管幕结构300；
47.顶管310；
48.搭接板320；
49.分隔板330；
50.工作井400；
51.第一定位板410；
52.第二定位板411；
53.挡板420；
54.开挖封闭板430；
55.支撑杆440；
56.管幕支撑系统500；
57.支撑调节杆501；
58.支撑垫板502；
59.间距板503；
60.离心机10.
具体实施方式
61.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
62.此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本技术的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，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，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解
其在本技术中的具体含义。
63.下面结合附图对申请的优选实施例进行详细说明。
64.图1为本技术优选实施例的管幕法暗挖施工的模拟装置的一部分的主视图，图2为本技术优选实施例的管幕法暗挖施工的模拟装置的一部分的侧视图，在这两个视图中未示出模拟装置所采用的离心机。图3为本技术优选实施例的在超重力场中进行管幕暗挖施工的模拟装置示意图，其中包括了相关的离心机配置。
65.如图1至图3所示，在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，包括：模型箱100、试验土200、管幕结构300、工作井400、管幕支撑系统500 及离心机10。模型箱100为顶部开口中空结构，本实施例优选为长方体，中部空心，内部净尺寸例如为900
×
700
×
700mm(长
×
宽
×
高)。模型箱100由 5个侧面拼接组成，拼接接缝采用密封方式密封，本实施例优选采用密封条密封。前侧面优选为带有铝合金框架的透明材料，例如70mm厚的有机玻璃面，使用有机玻璃面是便于观察、摄影和标注等。其它侧面优选为例如70mm厚的硬质合金铝板。试验土200用于模拟土体结构，设置在模型箱100内。
66.管幕结构300包括：顶(进)管310、搭接板320。管幕结构300置于模型箱100内的试验土200中。为更好地模拟施工环境，各顶管310为空心薄壁结构，本实施例优选空心薄壁的铝合金管。顶管310的尺寸可以根据实际需求调节，本实施例优选为两种尺寸，一种是外直径20mm，内直径为18.7mm的较小直径顶管3，共计22根，组成矩形管幕的上管排；另一种是外直径为32mm，内直径为30.8mm的较大直径顶管3，共计22根，8根组成矩形管幕的两侧管排，14根组成矩形管幕的下管排，两种顶管3长度均为616mm。搭接板320 搭接于各顶管310之间，本实施例优选，搭接板320为长度600mm的长条薄板，优选为铝合金材料。在本实施例中，为满足不同顶管310的尺寸，搭接板 320的厚度和宽度亦具有三种样式，第一种厚度0.8mm，宽度3mm，用于上管排较小直径顶管310之间的搭接，共计21个；第二种厚度1.2mm，宽度6mm，用于两侧管排顶管310之间的搭接，共计10个；第三种厚度1.2mm，宽度5mm，用于下管排顶管310之间的搭接，共计13个。搭接板320搭接于两根顶管310 之间的距离空隙，并进行密封固定，本实施例选用的是胶水固定，使顶管310 和搭接板320共同形成一个管幕整体。优选地，管幕结构还包括：分隔板330，分隔板设置于所述管幕结构内，用于对开挖土层的分层。本实施例优选，分层隔板330放置于管幕内，用于矩形管幕内试验土的上下开挖分层，宽度与管幕净尺寸等宽，长度为600mm，厚度为2mm。
67.工作井400包括第一定位板410、挡板420、开挖封闭板430及支撑杆440。第一定位板410包括：第一定位孔(图中未示出)及第一挖孔(图中未示出)，第一定位孔大小与顶管310相匹配，且与各个顶管310的一端连接。第一定位板410上的第一挖孔对应于所述顶管围成的空间截面。优选的是，第一挖孔为矩形空间截面。挡板420与第一定位板410共同围成了开挖工作区的顶部开口长方体结构。优选地，挡板420和第一定位板410通过螺丝固定合成为上不封顶的空心长方体结构。优选地，挡板420为四块，位于底部的挡板420长 647.7mm，宽266mm，位于两侧的挡板420高度371.3mm，宽度266mm，还有另一挡板420与第一定位板410相对且尺寸相同，长647.7mm，高371.3mm。优选地，第一定位板410上的第一定位孔与各顶管310一起形成的矩形管幕外部轮廓尺寸为511.7
×
209.3mm(长
×
高)，距离底部挡板420为40mm，距离两侧挡板为60mm。
68.开挖封闭板430设置在第一挖孔处，用以封闭第一挖孔。支撑杆440用于支撑所述
工作井400及开挖封闭板430并控制开挖封闭板430的开合。优选地，开挖封闭板430尺寸为560
×
250mm(长
×
宽)，厚度为8mm，铝合金材料，通过用支撑杆440控制开挖封闭板430来控制管幕开挖口的开合。每根支撑杆440由一根螺纹杆及两端的长螺帽组成，两颗螺帽均可沿螺纹杆调节位置，由钢铁材料制成，螺纹杆直径8mm，长度220mm，螺帽长度30mm，正六角形，内接圆直径16mm，可调节的极限距离为60mm。支撑杆440为12根，8 根用于开挖封闭板430的支撑，4根用于工作井400的支撑。
69.优选的是，顶管310的另一侧还设置有第二定位板411，第二定位板411 上设置有与第一定位孔位置和大小相同的第二定位孔(图中未示出)。值得注意的是，第一定位板410及第二定位板411上第一定位孔及第二定位孔可以是通孔或盲孔，如果是通孔则需要增加顶管封口板(图中未示出)。本实施例优选，顶管封口板为用于对顶管310端口进行封闭的铝合金材料薄板。其中，第一定位板410的顶管封口板中间带有与第一挖孔相对应的矩形孔，尺寸为447.7
ꢀ×
157.3mm(长
×
宽)，外轮廓尺寸与第一定位板410净尺寸一致，631.7
×ꢀ
363.3mm(长
×
宽)，第二定位板411的顶管封口板中间无矩形孔。顶管封口板厚度为0.5mm，向空心的顶管310填充试验土后，顶管封口板通过胶水固定于第一定位板及第二定位板上，用于封闭顶管310的端口。
70.如图3所示，用于本实用新型模拟装置的离心机10包括驱动部分11及动力输出部分12。动力输出部分12包括：离心机支座121及转臂122。模型箱 100设置在转臂122上，离心机10为模拟装置提供超重力场环境。
71.如图4及图5所示，管幕支撑系统500包括支撑调节杆501、支撑垫板 502及间距板503。管幕支撑系统500设置在所述管幕结构内，用于支撑开挖后的土体结构。其中，支撑调节杆501用于支撑管幕结构300，支撑垫板502 上设置有与所述螺纹相对应的螺纹孔，间距板503用于保持支撑结构之间的间距。本实施例优选，支撑调节杆300两端带有螺纹。其中，支撑调节杆501长 73mm，直径8mm，两端带有15mm长度的反向螺纹刻度，铝合金材料，共计 60根。每两根支撑调节杆501搭配一个上支撑垫板和一个下支撑垫板，每个支撑垫板502上带有两个纹路方向相同的螺纹孔，螺纹孔贯穿支撑垫板502，上支撑垫板与下支撑垫板的螺纹孔纹路方向互为相反，支撑垫板502尺寸分类有两种，均为铝合金材料，第一种长170mm，两个螺纹孔距离长度方向的边缘 42.5mm，共计40个，第二种长100mm，两个螺纹孔距离长度方向的边缘25mm，共计20个，两种支撑垫板502均为宽度20mm，高度10mm，同时转动两根支撑调节杆501可调节上下支撑垫板的距离，极限调节距离20mm。间距板503 用于保持支撑结构之间的距离，为铝合金材料，有两种宽度尺寸，宽170mm，共计16块，宽100mm，共计8块，两种间距板13均为长125mm，厚度1mm。
72.使用时，原状土经晾干、粉碎、过筛、浸泡、真空搅拌后，制成泥浆。在模型箱100的四周涂抹硅油，有利于减小模型箱100与试验土200之间的摩擦。将制备好的泥浆倒入模型箱100，并将模型箱100放置离心机中进行初步固结，待试验土200基本完成排水，并处于较大可塑性的时候，从模型箱100 取出备用。将通过顶管310第一定位板410、第二定位板411连接好的工作井 400及管幕结构300，向顶管310里填充试验土200，填充完成后，将两块顶管封口板413、414使用胶水分别固定于工作井400的定位板411、412上，封闭顶管310端口。随后将安装完成的管幕结构300及工作井400放置于模型箱 100中，并向管幕模型底下及四周填充之前取出的试验土200，在放置好分层隔板330后，向管幕模型内部空间填充试验土
200。继续将模型箱100置于离心机中固结，直到管幕模型与周围土体紧密接触，并达到固结标准。开挖工作井内的试验土200，并使用支撑杆423进行工作井400的支撑，使用开挖封闭板422封闭管幕结构的开挖口，然后使用支撑杆440进行支撑。安装激光测量装置和连接已经粘贴对应应变片的应变测量装置，启动离心机，待离心加速度稳定一段时间后，记录试验初始数据。下一步，停止离心机，移除支撑杆440 和开挖封闭板430，打开管幕结构的开挖口，开挖管幕结构内试验土200，并转动支撑调节杆501，调整支撑结构上下支撑垫板502的距离，对管幕结构内开挖部分进行支撑，并使用间距板503调节支撑结构之间距离。下一步，使用开挖封闭板430封闭管幕结构开挖口，并使用支撑杆440进行支撑。启动离心机，待离心加速度稳定一段时间后，记录开挖后试验数据。下一步，重复停止离心机和启动离心机过程，在中间按照既定方案开挖管幕结构内试验土200，安装对应支撑结构，并使用间距板503调节支撑结构之间距离，使用开挖封闭板430和支撑杆440实现管幕结构开挖口的封闭和打开。在开挖试验土200的每一步，记录对应开挖后的试验数据，直到开挖全部完成，试验结束。
73.本实用新型的在超重力场中进行管幕法暗挖施工的模拟装置，可提供在超重力场中，管幕结构下暗挖施工的开挖与支撑过程的模拟，并测量与记录对周围环境影响的数据。本系统具有如下特点：
74.(1)采用原状土经晾干、粉碎、过筛、浸泡，制成泥浆，并在离心机中加速固结，不仅在极大程度上还原现场土的特性，而且大大缩短固结时间。
75.(2)可以有效且较为简单的实现对管幕结构下暗挖施工的开挖与支撑过程的模拟。
76.(3)可以有效还原管幕结构的作用机理，进行有关管幕法暗挖施工对周围环境的综合影响规律的研究。
77.(4)可承受离心机的离心加速功能，功能与构造紧密结合，使管幕法暗挖施工模拟装置处于超重力场中，利用离心机的加速还原现场的应力等级,可以实现现场实际应力等级下管幕结构暗挖施工对周围环境影响规律的综合研究结果。
78.(5)本实用新型较为容易实现并应用于相关实验研究中。
79.(6)利用本技术提供的模拟装置，可以进行管幕结构暗挖施工对周围环境整体影响规律的研究，可以在理论研究基础上利用试验进一步验证管幕结构暗挖施工的有关作用机理，提高管幕法暗挖施工对周围环境综合影响规律的理论研究水平，为管幕结构及暗挖施工等有关的工程设计施工及运营提供良好的咨询与建议。
80.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本技术范畴所做出的改进和修改都应该在本技术的保护范围之内。