研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机及方法

本发明属于矩形顶管隧道掘进领域，具体涉及一种研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机及方法。

背景技术：

1、近年来，城市轨道交通不仅仅局限于地面上的传统模式，对于城市土地资源的立体使用也愈发重视，与生活区域的结合也愈发密切，想要兼具施工和不干扰居民正常生活，城市地下工程的开发和采用也越发频繁。但相关的工程理论却难以预测和支持复杂的工程地质条件对于实际工程产生的影响，现场的实验也受限于经济及结果不具普遍使用条件而无法进行模拟。

2、目前，矩形顶管相关实验在过程中，一般使用原始的点位监测方式去揭示一定的施工过程中的变形机理，而无法做到直观的看到相关现象；若想要直观的看到其中的变形就需要使用透明土体或者透明管节，但前者在使用时无法模拟工程土体，会对实验造成较大的影响，而若只采用后者，则会因为监控设备等因素造成观察效果不清晰；对于顶管掘进引起的土体相互作用广泛采用的泥浆注入方法也局限于全截面矩形顶管模拟实验的观测方式和设备，矩形顶管的壁后注浆渗透效果方面的研究较少，无法起到指导作用使得工程经济和功能效果无法兼备；同时在实际工程及实验中，对于管节间连接的密封性、便捷性存在一定的技术难题，在上述的工程环境中一般采用管节间连接后加装钢套环，在顶进过程中在管节间连接处注入泥浆进行固定，使用单层橡胶圈进行密封并防止泥浆进入管节内部，但在实施效果中出现渗浆、连接不完全等现实问题。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机及其使用方法，能够解决矩形顶管模型机由于其自身结构原因，即使借助监控设备也很难对管节-浆液-土体相互作用进行清晰有效地观测的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：

3、一种研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机，包括模型实验台、矩形管节模型、矩形顶管模型机本体、液压顶进系统和支撑平台；

4、所述液压顶进系统、所述矩形管节模型与所述矩形顶管模型机本体依次相连；

5、所述矩形管节模型与所述矩形顶管模型机本体均采用半断面结构，并设置于所述支撑平台上；

6、所述支撑平台的轨道贯穿设置于模型实验台上；

7、所述模型实验台的观测面与矩形管节模型以及矩形顶管模型机本体的断面侧均位于同一侧；

8、所述模型实验台的观测面采用有机玻璃板。

9、进一步地，所述模型实验台包括箱体，所述箱体轴向开设有顶管洞门，内部设置有填土隔板定位槽；通过填土隔板与填土隔板定位槽配合，将箱体划分为若干层填土层，每层填土层划分为呈阵列排布的若干个填土区域，每层填土层埋布有点位移计。

10、进一步地，所述模型实验台的观测面包括由上至下设置的第一有机玻璃板、第二有机玻璃板和第三有机玻璃板，第一有机玻璃板和第三有机玻璃板与箱体固定相连，所述第二有机玻璃板的上下连接处均设置有液体密封滑动轴，在外力作用下，第二有机玻璃板与第一有机玻璃板和第三有机玻璃板之间能够相对滑动。

11、进一步地，所述液体密封滑动轴包括水膨胀橡胶、承端接口、滚轮轴承和承端阻板，所述承端接口上安装水膨胀橡胶，滚轮轴承通过承端阻板活动连接在承端接口的一侧，承端接口的另一侧安装水膨胀橡胶；所述第二有机玻璃板分别通过承端接口与第一有机玻璃板和第三有机玻璃板的凹槽贴合设置。

12、进一步地，所述矩形管节模型包括管节主体，所述管节主体的顶部和底部均设置有液体密封滑动轴，所述管节主体上设置有f型承插接口，所述f型承插接口包括相连的端部钢环、管节水膨胀橡胶、聚氨酯密封胶、橡胶圈、胶合板和接口钢套环，橡胶圈通过钢环固定在管节主体上，所述管节水膨胀橡胶和所述聚氨酯密封胶形成纵向密封结构，所述胶合板、端部钢环与浆液压力形成横向密封结构。

13、进一步地，所述管节主体采用透明材质制成。

14、进一步地，所述矩形管节模型上连接有喷浆设备。

15、进一步地，所述支撑平台包括模拟实验台承台，所述模拟实验台承台设置在所述模型实验台内，所述轨道位于所述模拟实验台承台上，所述轨道上设置有加杆悬挂部件；所述加杆悬挂部件包括悬挂部件和圆锥滚子轴承，所述悬挂部件连接于轨道上，所述圆锥滚子轴承位于所述悬挂部件的凹槽内。

16、进一步地，所述轨道的底部连接有若干个承重短柱。

17、一种基于上述研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机的工作方法，包括：

18、将液压顶进系统、矩形管节模型与矩形顶管模型机本体依次相连，矩形管节模型与矩形顶管模型机本体放置在支撑平台的轨道上；启动液压顶进系统和矩形顶管模型机本体，矩形管节模型带动矩形顶管模型机本体依照轨道方向掘进，使得矩形顶管模型机本体的掘进端位于盛装模拟土体的模型实验台中，通过模型实验台的观测面观测管节-浆液-土体相互作用情况，并实时记录土体变形节点的点位移数据。

19、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

20、本发明提供了一种研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机，本矩形顶管模型机采用了依次相连的液压顶进系统、矩形管节模型和矩形顶管模型机本体，矩形管节模型与矩形顶管模型机本体均采用半断面结构，模型实验台的观测面与矩形管节模型以及矩形顶管模型机本体的断面侧均位于同一侧；实验时，启动液压顶进系统和矩形顶管模型机本体，矩形管节模型带动矩形顶管模型机本体依照轨道方向掘进，使得矩形顶管模型机本体的掘进端位于盛装模拟土体的模型实验台中，通过模型实验台的观测面观测管节-浆液-土体相互作用情况，并实时记录土体变形节点的点位移数据；本发明兼顾实验尽量还原实际工程条件及实验时的观测效果，采用半断面式实验方法，可根据实验需求设置顶管入土宽度以实现从顶管机不同方位对土体的影响进行观测，同时操作简便，可随时进行人工干预，使经济损耗降低的同时提高了安全系数；便于实时观察，可根据有机玻璃侧直接观察到土体对于隆起和沉降变化、管节壁后注浆渗透效果及之后泥浆套的形成和顶管机在施工中可能会产生的一系列问题，从而提出有效的改进措施及相关的土体变化节点理论、范围理论。

21、优选地，本发明中，模型实验台的箱体内部采用了网格方式划分若干个填土区域，并且提前铺设的点位移计进行数据核验，能够实时直接记录各实验预测现象的发生节点，使得观测和实验结果更加准确，更具有可参考性。

22、优选地，本发明中，模型实验台的观测面采用了3块有机玻璃板拼接而成，位于中间部分的有机玻璃板能够通过液体密封滑动轴与矩形顶管模型机本体保持同步并逐渐退出模型实验台，这样，提高了土体对于隆起和沉降变化、管节壁后注浆渗透效果及之后泥浆套的形成和顶管机在施工中可能会产生的一系列问题的观测效果。

23、优选地，本发明中，矩形管节模型采用了f型承插接口，使注浆后可形成管节间密封，保证了管件之间的可靠连接，进而保证了实验数据的准确性。

24、优选地，本发明中，管节主体采用透明材质，这样，便于实时观测管节壁后注浆渗透效果及泥浆套形成效果。

25、优选地，本发明中，支撑平台的轨道底部设置了若干个承重短柱，承重短柱的设置考虑了模型机本体重量，使得模型机本体能够可靠平稳沿轨道方向掘进运行。

26、本发明还提供了一种研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机的使用方法，基于上述研究管节-浆液-土体相互作用的矩形顶管模型机，本方法还原了实际工程条件及保证实验时的观测效果，采用半断面式实验方法，可根据实验需求设置顶管入土宽度而去实现以顶管机不同方位对土体的影响进行观测，本方法操作简便可随时进行人工干预，使经济损耗降低的同时提高了安全系数；同时便于实时观察，可根据有机玻璃侧直接观察到土体对于隆起和沉降变化、管节壁后注浆渗透效果及之后泥浆套的形成和顶管机在施工中可能会产生的一系列问题。