[发明专利]一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及岩土力学试验技术领域，更具体涉及一种可模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，同时还涉及一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，适用于模拟现场条件的顶管施工引发地层变形模型试验。

背景技术

顶管施工技术是在不开挖地表的情况下，以液压为动力将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进，直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为并使土层的物理、力学指标产生变化，引起管道周围土体产生变形，产生地面和地下土体的移动，即地层变形。当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻近建(构)筑物基础、邻近建(构)筑物、和地下管网的安全，引起一系列岩土工程问题。因此，测定顶管开挖而引起的地层变形，弄清顶管施工引发地层变形，进而提出有针对性的处理对策，对保证顶管施工安全具有重要意义。

目前针对地层变形，其物理、力学指标的确定基本依靠经验公式和现场测试，无法在施工前在试验室内测定。因此，为了更好地模拟现场顶管开挖施工环境，研究顶管开挖引起的地层变形对施工和周边建筑物安全的影响规律，有必要研制一种可模拟顶管施工引发地层变形的试验装置及试验方法。

经对现有技术文献检索发现，专利-顶管注浆减阻的室内模拟实验系统(申请号：201210137982.X)公开了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，它包括试验箱、水平加载系统、竖向加载系统等，该试验系统能模拟管道在土层中的顶进过程，测试在不同浆液配比、不同注浆压力下，管道顶进过程中的摩阻力和摩擦系数，但没有考虑顶管施工过程中的地层损失的影响。专利-平行顶管顶进施工模拟装置(申请号：201110109981.X)公开了一种建筑工程技术领域的平行顶管顶进施工模拟装置，包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构等。该发明可以对大直径、长距离、复杂地层、江中江中浅覆土等条件下各种不同参数的平行顶管施工进行模拟试验，但同样没有考虑顶管施工过程中的地层损失的影响。进一步检索尚未发现关于顶管施工引起地层沉降的模拟试验系统。可见，目前尚无能模拟顶管施工引发地层变形的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，方法易行，能很好地模拟现场顶管隧道开挖引发的地层变形效应。在模拟顶管隧道开挖模型试验过程中，可通过调节上覆压力和侧向压力来模拟不同的覆盖层厚度，以研究荷载水平对地层变形的影响规律；柔性加载囊可在保持均衡压力的情况下较好地适应地层变形，充分反映地层变形；通过调节顶管外壁包裹的环形水囊的压力和水量可研究顶管隧道不同的超挖厚度对地层损失的影响。

本发明的另一个目的是在于提供了一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，该试验装置结构合理、操作方便，主要用于模拟顶管隧道施工引发的地层变形模型试验研究。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，其步骤是：

1)安装侧向柔性加载囊：开启侧向注水阀和侧向柔性加载囊上的第一排气阀，启动侧向加载加压泵，给侧向柔性加载囊注水，直到侧向柔性加载囊注满水，停止注水，并关闭侧向注水阀和第一排气阀，然后将侧向柔性加载囊安装在模型箱右侧壁的预设位置。

2)填土与埋深监测元件：在模型箱中分层均匀地填入试验土体，并在预设位置埋设土压力盒和位移传感器，土压力盒和位移传感器外接数据采集仪，实时采集试验土体土压力和位移数据。试验土体填至模型箱前侧壁上的圆形顶管预留孔时停止填土。

3)安装模拟顶管：将模拟顶管安装在模型箱预设位置，开启进水总管阀门、排气总管、进水支管阀门和排气支管阀门，启动进水总管加压泵，给环形水囊注水，待排气支管阀门和排气总管均出水时，关闭排气支管阀门、排气总管、进水总管加压泵、进水总管阀门和进水支管阀门，继续填土至预定高度2.2-2.8m(2.2m或2.4m或2.6m或2.8m)。

4)安装加载系统：开启竖向注水阀和竖向柔性加载囊上的第二排气阀，启动竖向加载加压泵，给竖向柔性加载囊注水，直到竖向柔性加载囊注满水，停止注水，并关闭竖向注水阀和第二排气阀。然后，将充满水的竖向柔性加载囊平放在试验土体上表面。之后将刚性加载板、传力柱、液压千斤顶安装在预设位置。