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申请/专利权人：石家庄铁道大学;国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司;国家电网有限公司;国网河北省电力有限公司

摘要：本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种顶管隧道施工模拟方法及模型装置。装置，包括模型试验台、顶管机模拟装置，模型试验台包括模型体坑，模型体坑四周围设有井壁，顶管机模拟装置开始施工侧井壁为工作井井壁，与工作井井壁相对的井壁为接收井井壁，接收井井壁和工作井井壁上设置有模拟用预留施工口，试验时在模型体坑的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑；顶管机模拟装置包括壳体、切削刀头、螺旋出土器，切削刀头设置在该顶管机模拟装置的最前端，壳体与前端设置的切削刀头连接，螺旋出土器位于壳体后半部分内部。

主权项：1.一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，包括模型试验台、顶管机模拟装置，所述模型试验台包括模型体坑13，所述模型体坑13四周围设有井壁，所述顶管机模拟装置开始施工侧井壁为工作井井壁11，与所述工作井井壁11相对的井壁为接收井井壁10，所述接收井井壁10和所述工作井井壁11上设置有预留施工口9，试验时在所述模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13；所述顶管机模拟装置包括壳体4、切削刀头1、螺旋出土器3，所述切削刀头1设置在该顶管机模拟装置的最前端，所述壳体4与前端设置的所述切削刀头1连接,所述螺旋出土器3位于壳体4后半部分内部；所述顶管机模拟装置还包括搅拌土仓2，所述搅拌土仓2设置在所述壳体4安装的所述切削刀头1与所述螺旋出土器3之间；所述搅拌土仓2内设置有搅拌器，用以将所述切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的所述螺旋出土器3；该顶管机模拟装置还设置有管节6、传动轴5、步进电机7、顶进油缸8；所述管节6与所述壳体4相连，且为依次连接的空心管，所述传动轴5布置在所述管节6内，其一端与所述螺旋出土器3、所述搅拌土仓2内的所述搅拌器连接，另一端与所述步进电机7和所述顶进油缸8连接；所述模型试验台还设置有顶进反力墙12；所述步进电机7和顶进油缸8设置在所述顶进反力墙12处；在施工时，在模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13；将步进电机7和顶进油缸8设置在顶进反力墙12处；将顶管机模拟装置的切削刀头1对正工作井井壁11上设置的模拟用预留施工口9处；启动顶管机模拟装置的步进电机7，顶进油缸8伸长，推动切削刀头1向前切土移动；通过传动轴5带动搅拌土仓2内的搅拌器将切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的所述螺旋出土器3处，传动轴5带动螺旋出土器3位，将松散状的土体输送至顶管机模型后方，完成开挖土体的搅拌和螺旋输出；顶进一个管节6长度后，顶进油缸8收缩，接长传动轴5，同时安装一节管节6，然后继续顶进切土；如此循环，直至顶管机模拟装置的切削刀头1顶出接收井井壁10上的预留施工口9，完成顶进施工过程的模拟；通过布置在模型土体内部和上表面的传感器进行土体位移场和应力场的测量；通过布置在管节6上的应变片，进行管片应力的测量；通过布置在搅拌土仓2内压力传感器进行土仓土压力的监测。

全文数据：一种顶管隧道施工模拟方法及模型装置技术领域本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种顶管隧道施工模拟方法及模型装置。背景技术随着社会的发展及人口密度的迅速增长，人们对城市地下空间开发的步伐也在加快，而轨道交通、城市管廊以及地下电力管网等作为城市地下空间开发利用的主要形式，常常需要穿越建构筑密集区。由于传统明挖顺作法施工在这些区域受到严重限制，因此采用对地面和周围环境影响都相对较小的暗挖施工方法称为趋势和必然。其中，顶管法因其不阻碍交通、不破坏环境、噪音少、污染少，对周围居民影响较小，同时开挖量小、作业面小、施工工期短、综合成本低等优点，成为了一种比较常见和重要的暗挖施工方法。由于顶管施工过程较为复杂，且对周围城市的建构筑物也会产生一定的影响，因此国内外相关学者也开展了一些相关研究。目前考虑前端顶管机的掘进施工过程，开展顶管法施工的相关室内或模型试验研究较少，少数试验中尚未考虑开挖施工过程的影响。因此探索顶管法施工大比尺物理模型试验的新方法非常有必要。发明内容本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，研发其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。其结构简单、模拟过程方便。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种顶管隧道施工模型装置，包括模型试验台、顶管机模拟装置，所述模型试验台包括模型体坑，所述模型体坑四周围设有井壁，所述顶管机模拟装置开始施工侧井壁为工作井井壁，与所述工作井井壁相对的井壁为接收井井壁，所述接收井井壁和所述工作井井壁上设置有模拟用预留施工口，试验时在所述模型体坑的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑；所述顶管机模拟装置包括壳体、切削刀头、螺旋出土器，所述切削刀头设置在该顶管机模拟装置的最前端，用以切削土体，所述壳体与前端设置的所述切削刀头连接，用以支撑开挖后的土体不坍塌、且为螺旋出土器螺旋输送提供作业空间，所述螺旋出土器位于壳体后半部分内部，所述螺旋出土器用以将切削的土体输送至顶管机模型后方。进一步的，所述顶管机模拟装置还包括搅拌土仓，所述搅拌土仓设置在所述壳体安装的所述切削刀头与所述螺旋出土器之间；所述搅拌土仓内设置有搅拌器，用以将所述切削刀头切下后进入搅拌土仓的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓后部的所述螺旋出土器。进一步的，该顶管机模拟装置还设置有管节、传动轴、步进电机、顶进油缸；所述管节与所述壳体相连，且为依次连接的空心管，所述传动轴布置在所述管节内，其一端与所述螺旋出土器、所述搅拌土仓内的所述搅拌器连接，另一端与所述步进电机和所述顶进油缸连接。进一步的，所述模型试验台还设置有顶进反力墙。进一步的，所述步进电机和顶进油缸设置在所述顶进反力墙处。进一步的，所述接收井井壁和或所述工作井井壁上设置有模拟用既有管线模拟开口。进一步的，在施工时，在模型体坑的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑。进一步的，在施工时，将步进电机和顶进油缸设置在顶进反力墙处；将顶管机模拟装置的切削刀头对正工作井井壁上设置的模拟用预留施工口处；启动顶管机模拟装置的步进电机，顶进油缸伸长，推动切削刀头向前切土移动；通过传动轴带动搅拌土仓内的搅拌器将切削刀头切下后进入搅拌土仓的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓后部的所述螺旋出土器处，传动轴带动螺旋出土器位，将松散状的土体输送至顶管机模型后方，完成开挖土体的搅拌和螺旋输出；顶进一个管节长度后，顶进油缸收缩，接长传动轴，同时安装一节管节，然后继续顶进切土；如此循环，直至顶管机模拟装置的切削刀头顶出接收井井壁上的预留施工口，完成顶进施工过程的模拟。进一步的，在施工时，通过布置在模型土体内部和上表面的传感器进行土体位移场和应力场的测量。进一步的，在施工时，通过布置在管节上的应变片，进行管片应力的测。进一步的，在施工时，通过布置在搅拌土仓内压力传感器进行土仓土压力的监测。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，研发其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。其结构简单、模拟过程方便。附图说明图1为本发明的试验原理示意图。图中：1为切削刀头2为搅拌土仓3为螺旋出土器4为壳体5为传动轴6为管节7为步进电机8为顶进油缸9为预留施工口10为接收井井壁11为工作井井壁12为顶进反力墙13为模型体坑。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。本申请公开了一种顶管隧道施工模型装置，包括模型试验台、顶管机模拟装置。模型试验台包括模型体坑13，模型体坑13四周围设有井壁，顶管机模拟装置开始施工侧井壁为工作井井壁11，与工作井井壁11相对的井壁为接收井井壁10，接收井井壁10和工作井井壁11上设置有模拟用预留施工口9，试验时在模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13。顶管机模拟装置包括壳体4、切削刀头1、搅拌土仓2、螺旋出土器3。切削刀头1设置在该顶管机模拟装置的最前端，用以切削土体；壳体4与前端设置的切削刀头1连接，用以支撑开挖后的土体不坍塌、且为螺旋出土器3螺旋输送提供作业空间；搅拌土仓2设置在壳体4安装的切削刀头1与螺旋出土器3之间；搅拌土仓2内设置有搅拌器，用以将切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的螺旋出土器3；螺旋出土器3位于壳体4后半部分内部，螺旋出土器3用以将切削的土体输送至顶管机模型后方。顶管机模拟装置还设置有管节6、传动轴5、步进电机7、顶进油缸8。管节6与壳体4相连，且为依次连接的空心管，传动轴5布置在管节6内，其一端与螺旋出土器3、搅拌土仓2内的搅拌器连接，另一端与步进电机7和顶进油缸8连接。为了方便顶管机模拟装置的布置，模型试验台还设置有顶进反力墙12，步进电机7和顶进油缸8设置在顶进反力墙12处。为了用来模拟施工中对既有管线的影响，接收井井壁10和或工作井井壁11上设置有模拟用既有管线模拟开口。在施工时，在模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13；将步进电机7和顶进油缸8设置在顶进反力墙12处；将顶管机模拟装置的切削刀头1对正工作井井壁11上设置的模拟用预留施工口9处；启动顶管机模拟装置的步进电机7，顶进油缸8伸长，推动切削刀头1向前切土移动；通过传动轴5带动搅拌土仓2内的搅拌器将切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的螺旋出土器3处，传动轴5带动螺旋出土器3位，将松散状的土体输送至顶管机模型后方，完成开挖土体的搅拌和螺旋输出；顶进一个管节6长度后，顶进油缸8收缩，接长传动轴55，同时安装一节管节6，然后继续顶进切土；如此循环，直至顶管机模拟装置的切削刀头1顶出接收井井壁10上的预留施工口9，完成顶进施工过程的模拟。通过布置在模型土体内部和上表面的传感器进行土体位移场和应力场的测量；通过布置在管节6上的应变片，进行管片应力的测量；通过布置在搅拌土仓2内压力传感器进行土仓土压力的监测。试验流程及原理为：顶进油缸向前顶推管节管节为一节一节纵向串联的，管节再推动顶管机模拟装置开挖刀头、搅拌土仓、螺旋出土器、壳体组成的组合体向前切土移动。步进电机通过传动轴连接到顶管机模拟装置的传动轴，带动搅拌器和螺旋叶片转动，完成开挖土体的搅拌和螺旋输出。顶进一个管节的长度后，顶进油缸收缩，接长传动轴同时增加一节新管节，然后继续顶进。如此循环，直至顶出预留施工口，完成顶进施工过程的模拟。试验期间，通过布置在模型土体内部和上表面的传感器进行土体位移场和应力场的测量；通过布置在管节上的应变片，进行管片应力的测量；通过布置在搅拌土仓内压力传感器试验中采用微型土压力盒，为技术成熟商品，传感器名称即为微型土压力盒，懂地质力学模型试验技术的都了解进行土仓土压力的监测。本设计针对顶管法施工大比尺物理模型试验，研发其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。模型试验台结构简单，制作成本相对较低，且能够有效的模拟施工环境。顶管机模拟装置类比顶管机装置，其结构简单、模拟过程方便，且通过管节逐段延长，保证施工过程有条不紊的展开。通过预设的各类传感器，能够有检测在施工过程中土体位移场和应力场的测量、管片应力的测量、土压力的监测等一系列对施工对环境造成的影响。为科学研究和指导施工都有较好的现实意义。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，包括模型试验台、顶管机模拟装置，所述模型试验台包括模型体坑13，所述模型体坑13四周围设有井壁，所述顶管机模拟装置开始施工侧井壁为工作井井壁11，与所述工作井井壁11相对的井壁为接收井井壁10，所述接收井井壁10和所述工作井井壁11上设置有预留施工口9，试验时在所述模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13；所述顶管机模拟装置包括壳体4、切削刀头1、螺旋出土器3，所述切削刀头1设置在该顶管机模拟装置的最前端，所述壳体4与前端设置的所述切削刀头1连接,所述螺旋出土器3位于壳体4后半部分内部。2.根据权利要求1所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，所述顶管机模拟装置还包括搅拌土仓2，所述搅拌土仓2设置在所述壳体4安装的所述切削刀头1与所述螺旋出土器3之间；所述搅拌土仓2内设置有搅拌器，用以将所述切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的所述螺旋出土器3。3.根据权利要求2所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，该顶管机模拟装置还设置有管节6、传动轴5、步进电机7、顶进油缸8；所述管节6与所述壳体4相连，且为依次连接的空心管，所述传动轴5布置在所述管节6内，其一端与所述螺旋出土器3、所述搅拌土仓2内的所述搅拌器连接，另一端与所述步进电机7和所述顶进油缸8连接。4.根据权利要求3所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，所述模型试验台还设置有顶进反力墙12。5.根据权利要求4所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，所述步进电机7和顶进油缸8设置在所述顶进反力墙12处。6.根据权利要求5所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，所述接收井井壁10和或所述工作井井壁11上设置有模拟用既有管线模拟开口。7.根据权利要求6所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，在施工时，在模型体坑13的内部用调配好的模型土体填筑模型体坑13；将步进电机7和顶进油缸8设置在顶进反力墙12处；将顶管机模拟装置的切削刀头1对正工作井井壁11上设置的模拟用预留施工口9处；启动顶管机模拟装置的步进电机7，顶进油缸8伸长，推动切削刀头1向前切土移动；通过传动轴5带动搅拌土仓2内的搅拌器将切削刀头1切下后进入搅拌土仓2的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓2后部的所述螺旋出土器3处，传动轴5带动螺旋出土器3位，将松散状的土体输送至顶管机模型后方，完成开挖土体的搅拌和螺旋输出；顶进一个管节6长度后，顶进油缸8收缩，接长传动轴55，同时安装一节管节6，然后继续顶进切土；如此循环，直至顶管机模拟装置的切削刀头1顶出接收井井壁10上的预留施工口9，完成顶进施工过程的模拟。8.根据权利要求7所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，在施工时，通过布置在模型土体内部和上表面的传感器进行土体位移场和应力场的测量。9.根据权利要求7所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，在施工时，通过布置在管节6上的应变片，进行管片应力的测量。10.根据权利要求7所述的一种顶管隧道施工模型装置，其特征在于，在施工时，通过布置在搅拌土仓2内压力传感器进行土仓土压力的监测。

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