一种地层应力耦合作用下顶管施工模拟装置的制作方法

1.本发明属于地下建筑工程试验领域，尤其涉及一种地层应力耦合作用下顶管施工模拟装置。


背景技术：

2.随着城市建设发展和地下空间的开发，当城市给水工程等管道建设绕过建筑物群的时候，传统的明挖施工对该区域的交通、环境以及空间利用都造成了极大的阻碍，因此解决上述问题的顶管施工法在市政管道工程建设中是一种常用的非开挖管道施工敷设技术。但现有顶管施工会对掘进范围的土体造成影响，对土层应力的变化规律和掘进过程中掘进速率，大小，范围等因素的影响目前暂未明确。对施工完工后地层的上覆荷载变化对管道的影响还未明晰等。
3.中国专利：一种顶管施工的室内试验模拟系统，申请号201910057792.9提供了一种可用于模拟顶管施工过程的模型实验装置，但未真正反演出真实的复杂地层应力环境。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的复杂地层应力耦合作用下顶管施工模拟监测装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有顶管施工技术和模拟装置中的顶管施工范围内的地层应力无法重塑，对土体地层应力的时空演化无法获取，对掘进过程中的顶进速率对土层应力的影响规律不易获取、以及对施工完成后上覆荷载和地层应力的变化对管道使用的稳定性等影响因素还不明确，基于此研发了一种地层应力耦合作用下顶管施工模拟装置，通过本发明的地层模拟单元实现对复杂地层应力的精确调控，并通过监测单元随时监控掘进速率和地层应力的时空演化规律。
5.本发明目的通过下述技术方案来实现：
6.一种地层应力耦合作用下顶管施工模拟装置，所述顶管施工模拟装置包括：
7.地层模拟单元，所述地层模拟单元包括：地层模拟装置、地层应力模拟土体、应力加载孔、空压机和进水箱，所述地层模拟装置的两端设有作为顶进工作面的孔体结构，所述地层应力模拟土体为基于待模拟区域现场的取土样以分层压实的方式填筑于地层模拟装置内获得，且所述地层应力模拟土体内设有若干应力加载孔，所述应力加载孔内填充有膨胀剂，且所述应力加载孔经管体与分别与空压机和进水箱相连通；
8.顶管模拟单元，所述顶管模拟单元包括：给水管节、顶管切削钻机和顶进装置，所述顶管切削钻机设置于给水管节的头部以完成掘进作业，所述顶进装置设置于给水管节的末端以完成管体顶进作业；
9.监测单元，所述监测单元包括：监测系统和若干压应力传感器，所述压应力传感器设置于地层应力模拟土体内，并分别与所述监测系统相连；所述监测系统还与顶管切削钻机的控制系统相连，实时监测顶管切削钻机处于各速度时地层应力模拟土体的应力变化，
并完成相应测试数据的记录和分析。
10.根据一个优选的实施方式，所述地层应力模拟土体与待模拟区域现场具有相同的土层结构，且各土层机构以分层压实的方式填筑于地层模拟装置中。
11.根据一个优选的实施方式，各应力加载孔基于待模拟区域现场的地层应力变化趋势于地层应力模拟土体内进行横向和纵向布置。
12.根据一个优选的实施方式，各应力加载孔内基于待模拟区域现场的各地层应力量级，设置相应当量的膨胀剂作为应力加载源，所述膨胀剂在与进水箱输入的水反应后体积膨胀，实现对地层应力模拟土体的应力加载和蓄积；所述进水箱还基于进水泵通过导管将渗透水压施加于地层应力模拟土体。
13.根据一个优选的实施方式，所述空压机通过气压进行各应力加载孔处的应力辅助微调及对膨胀剂进行卸荷回收。
14.根据一个优选的实施方式，所述地层模拟单元还包括旁压仪，所述旁压仪基于设置于地层应力模拟土体中的探头获取地层应力模拟土体的承载力强度和变形数据，为地层应力模拟土体分区分层精确模拟出施工现场不同上覆荷载下的多重地层应力耦合下的真实环境提供数据支持。
15.根据一个优选的实施方式，所述顶管模拟单元还包括激光定位监测装置，顶管切削钻机基于激光定位监测装置的激光线完成掘进方向的纠偏。
16.根据一个优选的实施方式，所述顶管切削钻机的后端设有用于调整掘进方向的球体转动装置，所述顶管切削钻机包括转动盘和转动电机，所述转动盘上设有切削尖头、出土孔和用于监测顶进掘进过程中的土压力和顶进压力的压应力传感器，所述转动盘底端与所述球体转动装置相连。
17.根据一个优选的实施方式，所述顶管切削钻机的后端还设有用于实现土体传输的螺旋出土机械以及用于容纳土体的出土箱。
18.根据一个优选的实施方式，所述给水管节侧壁上也设置有压应力传感器，当给水管节安装完毕后，通过给水泵向管道内部施加水压，并保证给水管节的密封性，无漏水情况，采集给水管节的管壁压力和应变数据，同时采集地层应力模拟土体中应力数据。
19.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
20.本发明的有益效果：本发明提出的模拟装置，可精确塑造地层应力的真实环境，模拟出顶管施工对于地面沉降和土体应力扰动及变化的影响程度，并通过实测数据进一步研究明确顶管施工的相关工程参数，如地层应力扰动、管径大小、顶管埋深等因素对于顶管施工的影响。并且，本发明可在短时间内模拟出真实的地层应力环境，时间成本低，同时模拟装置对地层应力的变化可实时掌握，准确度高，模拟数据及参数特征可更好的指导顶管施工，具备较高的工程价值和经济效益。
附图说明
21.图1是本发明顶管施工模拟装置的结构示意图；
22.图2是本发明顶管施工模拟装置中顶管切削钻机的转盘示意图；
23.图3是本发明顶管施工模拟装置中给水管节的结构示意图；
24.图4是本发明顶管施工模拟装置中旁压仪的布置结构示意图；
25.图5是本发明顶管施工模拟装置中给水管节安装完成后的测试结构示意图；
26.其中，1-地层模拟装置，2-地层应力模拟土体，3-应力加载孔，4-导管，6-旁压仪，7-空压机，8-进水箱，9-监测系统，10-压应力传感器，11-光线距离传感器，12-顶管切削钻机，13-切削尖头，14-激光定位监测装置，15-球体转动装置，16-螺旋出土机械，18-导轨，19-传送带，20-顶进装置，21-给水管节，22-给水泵。
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
29.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
30.参考图1至图5所示，本发明公开了一种地层应力耦合作用下顶管施工模拟装置，所述顶管施工模拟装置包括：地层模拟单元、顶管模拟单元和监测单元，其中，所述地层模拟单元用于实现待模拟区域现场地质状态模拟；所述顶管模拟单元用于实现顶管掘进过程模拟，所述监测单元用于实现顶管掘进过程及完成管体安装后应力状态监测。
31.优选地，所述地层模拟单元包括：地层模拟装置1、地层应力模拟土体2、应力加载孔3、空压机7和进水箱8。
32.优选地，地层模拟装置1采用高强透明的亚克力板材质组成的有盖箱体，其短边所
在的两对面设置有作为顶进工作面开孔，开孔孔径根据模拟所需的比例进行折算。在箱体顶部布置光线距离传感器11，以实现各填筑土层厚度测量。
33.优选地你，地层应力模拟土体2为基于待模拟区域现场的取土样以分层压实的方式填筑于地层模拟装置1内获得。所述地层应力模拟土体2与待模拟区域现场具有相同的土层结构，且各土层机构以分层压实的方式填筑于地层模拟装置1中。
34.地层应力模拟土体属于重塑土，而现场原位测试的土体属于原状土，原状土存在一定的密度、含水率和压实度。通过进行分层压实的操作，使得地层应力模拟土体接近原位测试的土体压实度，使得室内模拟测试的数据精度更好匹配原位测试数据。并且，通过分层压实作业，使得后期加载时重塑土体的应力状态不至于造成过多的应力跌落和损耗，不需要进行过多的应力加载补偿操作。
35.优选地，所述地层应力模拟土体2内设有若干应力加载孔3，所述应力加载孔3内填充有膨胀剂，且所述应力加载孔3经管体与分别与空压机7和进水箱8相连通。
36.进一步地，各应力加载孔3基于待模拟区域现场的地层应力变化趋势于地层应力模拟土体2内进行横向和纵向布置。
37.更进一步地，各应力加载孔3内基于待模拟区域现场的各地层应力量级，设置相应当量的膨胀剂作为应力加载源，所述膨胀剂在与进水箱8输入的水反应后体积膨胀，实现对地层应力模拟土体2的应力加载和蓄积。
38.具体地，应力加载孔3的设置依据，为现场地层勘测的地应力变化数据。根据地层应力的变化趋势进行设置。设置前需要进行室内预试验，明确应力加载孔的间距和数量对于地层模拟土体应力变化的影响规律。横向间距和纵向间距需要在预实验前明确膨胀剂的不同参量的自膨胀作用对应力加载的的影响范围，明确设置间距的大小和设置的数量。横向与纵向间距设置的原因是因为土体的应力沿着三维空间在不同深度处进行变化。
39.例如，本发明使用的膨胀剂的化学式为：
40.al2o3+3(caso4·
2h2o)+3ca(oh)2+23h2o＝3cao
·
al2o3·
3caso4·
32h2o(钙矾石)
41.生成的钙矾石固相在无侧限约束时体积膨胀到原来的2-3倍，体积的膨胀作用可对土体进行应力加载和蓄积，快速模拟达到现场原位土体的实际应力状态。
42.进一步地，所述进水箱8还基于进水泵通过导管4将渗透水压施加于地层应力模拟土体2。
43.具体地，渗透压力又称动水压力(hydrodynamicpressure)，是指在渗流方向上水对单位体积土的压力。渗透水压的模拟基于真实地层中存在地下水，水对土体颗粒之间施加的渗透作用力会影响顶进过程中的应力变化。进水箱8、进水泵与导管4连接，通过导管4可对特定的土层区域进水，即可施加渗透水压。设置的依据基于现场原位测试勘测数据获取的地下水的压力大小，再通过室内的预实验确定施加的范围阈值。
44.优选地，所述空压机7通过气压进行各应力加载孔3处的应力辅助微调及对膨胀剂进行卸荷回收。
45.空压机工作原理：将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置,是利用空气压缩原理制成超过大气压力的压缩空气的机械。
46.空气注入孔与应力加载孔3联通，设置依据与应力加载孔3一样，因为膨胀剂自膨胀作用反应完成后，若未达到要求的应力状态，则可以通过空压机7通过气压作用进行辅助
加载，加载的精度和量级高于膨胀剂的膨胀应力。
47.优选地，所述地层模拟单元还包括旁压仪6。所述旁压仪6基于设置于地层应力模拟土体2中的探头获取地层应力模拟土体2的承载力强度和变形数据，为地层应力模拟土体2分区分层精确模拟出施工现场不同上覆荷载下的多重地层应力耦合下的真实环境提供数据支持。
48.优选地，所述顶管模拟单元包括：给水管节21、顶管切削钻机12和顶进装置20。所述顶管切削钻机12设置于给水管节21的头部以完成掘进作业，所述顶进装置20设置于给水管节21的末端以完成管体顶进作业。
49.优选地，所述顶管模拟单元还包括激光定位监测装置14，顶管切削钻机基于激光定位监测装置14的激光线完成掘进方向的纠偏。
50.进一步地，所述顶管切削钻机12的后端设有用于调整掘进方向的球体转动装置15，所述顶管切削钻机12包括转动盘和转动电机，所述转动盘上设有切削尖头13、出土孔和用于监测顶进掘进过程中的土压力和顶进压力的压应力传感器10，所述转动盘底端与所述球体转动装置15相连。基于激光定位监测装置14实时监测钻机掘进方向，由球体转动装置15进行方位调控。
51.优选地，所述的转动盘上还设有进水孔。所述进水孔和出土孔处分别布置有流量计和电子阀门。
52.优选地，所述顶管切削钻机的后端还设有用于实现土体传输的螺旋出土机械16以及用于容纳土体的出土箱。带动螺旋叶片转动使顶管切削钻机12的的出土孔的管道的土体输送到出土箱17内，出土箱装满土体后，由导轨18和传送带19运出。
53.优选地，顶进装置20为在地层模拟装置1后部按照一定距离在临时后座墙上安装刚性支座，支座上螺母连接主顶千斤顶，环形顶铁，顶管下安装有定位和输送的导轨，便于顶管的管材输送，模拟真实顶管施工程序。
54.优选地，所述给水管节21根据模型比例设置为特定尺寸和厚度的采用市政给水工程常的pe管、pvc管、球墨铸铁管等材料，一端凸出，另一端留有卡扣凹槽，使上一管节与下一管节连接成型。
55.优选地，所述给水管节21侧壁上也设置有压应力传感器10，当给水管节21安装完毕后，通过给水泵22向管道内部施加水压，并保证给水管节21的密封性，无漏水情况，监测系统9采集给水管节21的管壁压力和应变数据，同时采集地层应力模拟土体2中应力数据。
56.监测单元，所述监测单元包括：监测系统9和若干压应力传感器10，部分压应力传感器10设置于地层应力模拟土体2内，并分别与所述监测系统9相连。监测系统9还与顶管切削钻机12的控制系统相连，实时监测顶管切削钻机12处于各速度时地层应力模拟土体2的应力变化，并完成相应测试数据的记录和分析。
57.在某具体实施场景中，本发明顶管施工模拟装置通过如下实施步骤完成复杂地层应力耦合作用下顶管施工模拟监测：
58.步骤1：制作地层模拟装置1：采用高强透明的亚克力板制作成一定比例的模型箱体，箱体的短边设置一定尺寸大小的孔洞，孔洞尺寸设置依据为顶管切削钻机12掘进的工作面而定。
59.步骤2：重塑地层土体：地层应力模拟土体2根据不同地质条件进行选择，为更便于
陈述本发明的实施案例，根据现场踏勘取土，选择黏土，作为本实施案例的土样，试验前测试该土体的强度参数，采用分层压实的方法将黏土回填地层模拟装置1内部。由于模型尺寸的局限性，根据顶管施工深度和内测的地层应力折算模型尺寸和顶管尺寸。
60.步骤3：在地层应力模拟土体2内部，按照一定的横向间距和纵向间距合理设置应力加载孔3，设置的间距及加载的阈值可根据特定的地层应力进行调整。如模拟地下埋设较深的土层或上覆荷载较大的土层可增加应力加载孔3的数量和减小设置间距进行大荷载下的土体土层模拟。
61.步骤4：应力加载孔3内部填充不同摻量的膨胀剂5，摻量的大小根据需要反演的现场地层应力。膨胀的自膨胀产生的膨胀应力可对地层应力模拟土体2进行2次固结加载，并形成土层应力蓄积环境。
62.步骤5：应力加载孔3中填充不同摻量的膨胀剂5后，通过耐热硅胶型导管4与空压机7和进水箱8相连接，进水箱8经进水泵触发膨胀剂产生化学反应，体积膨胀，进行应力加载，空压机7通过进气流量对地层应力进行微调。
63.步骤6：进水箱8经进水泵与导管4联通，开启阀门模拟地层应力环境下的静水压力和富水环境。
64.步骤7：将旁压仪6的探头埋设于地层应力模拟土体2内部，获取土体强度和变形等数据。
65.步骤8：布置监测单元：地层模拟装置1中按照一定间距在不同位置处布置压应力传感器10，并与监测系统9相连接，接入电脑实时传输应力变化，应力变化数据传输入电脑端口的分析系统，电脑端口与顶管切削钻机12的控制系统连接，实时监测和调控顶管顶进过程中的应力变化与转机速度，并记录分析测试数据，钻机机速度可进行实时控制。
66.步骤9：布置顶管模拟单元：顶管切削钻机12主要由磁力转动电机和转动盘组成，转动电力通电后转动转盘，并在转动转盘上安装切削尖头13，预留进水孔和出土孔，切削尖头13周围布置一定数量的压应力传感器10并与监测系统9协同连接，用以监测顶进掘进过程中的土压力和顶进压力。转动盘底部连接球体转动装置15，与激光定位监测装置14进行数据连通，便于对顶管顶进过程的方位纠偏。
67.步骤10：连接螺旋出土机械16，由电动转机提动力，带动螺旋杆件和螺旋叶片转动，将出土孔的土体传到出土箱17中，出土孔和螺旋杆的连接处设置有电子阀门和流量计，用于控制和掌握出土速度和出土容量。
68.步骤11：安装管道顶进装置20，在地层模拟装置1后侧，设置一反力支墙，在临时反力后座墙上安装刚性支座，用螺母固定安装连接主顶千斤顶，安装适配该试验管道的环形顶铁，与给水管节21相接触，并置入可供输送的导轨18上。
69.步骤12：根据模型比例和尺寸，采用市政给水工程常用的pe管、pvc管，球墨铸铁管制作成直径为dn600或dn300管道，管节长度与管道直径的比例可以为16：1。
70.步骤13：所述给水管节21，根据模型比例设置为特定尺寸和厚度的采用市政给水工程常的pe管、pvc管、球墨铸铁管等材料，一端凸出，另一端留有卡扣凹槽，使上一管节与下一管节连接。管节四周布置有应力和应变传感器计并与监测系统9连接，进行数据传输。
71.步骤14：给水管节21安装完毕后，打开给水泵22，向管道内部施加水压，并保证给水管节21的密封性，无漏水情况，观察给水管节21的管壁压力和应变数据，同时观测地层应
力模拟箱体中应力的变化。
72.本发明创新性提出了反演顶管施工模拟装置的土层地应力对于顶管施工掘进范围和掘进速度的影响规律。
73.现有技术中，基于地层土体的差异性强和地层应力的模拟的准确度不高，对于顶管施工对于地面的扰动或沉降的分析研究多侧重于数值模拟研究，本发明提出的模拟装置，可精确塑造地层应力的真实环境，模拟出顶管施工对于地面沉降和土体应力扰动及变化的影响程度，并通过实测数据进一步研究明确顶管施工的相关工程参数，如地层应力扰动、管径大小、顶管埋深等因素对于顶管施工的影响。
74.并且，本发明可在短时间内模拟出真实的地层应力环境，时间成本低，同时模拟装置对地层应力的变化可实时掌握，准确度高，模拟数据及参数特征可更好的指导顶管施工，具备较高的工程价值和经济效益。
75.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。