[发明专利]一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置及方法

说明书

本发明公开了一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置及方法，涉及水利施工技术领域。该装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括土体模型箱、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构和装配式管道模型，牵拉机构与掘进头部机构前端连接，装配式管道模型一端连接掘进头部机构的后端，顶进机构连接装配式管道模型的另一端。在土体模型箱内依据地勘资料制备土体模型，将装配式管道结构顶管施工离心模拟装置移动至土工离心机工作吊篮内，启动离心机，顶进过程中测试管道整体结构及接头部位力学性能。本发明能够保证原型管节所受荷载水平与原型基本一致，进而最大限度地反映原型力学行为，实现其力学性能的准确测试。

技术领域

本发明涉及水利施工技术领域，具体涉及一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置及方法。

背景技术

顶管施工是一种工程建设中常用的非开挖施工方法。因其对土体的扰动较小，引发的地面建筑物沉降变形较小，对交通的干扰较小，在地铁、跨江隧道、排污管道、综合管廊等市政工程中具备一定优势。具体而言，顶管施工过程中，在线路两端分别设置工作井、接收井，在工作井内布置掘进机头、管道、液压千斤顶等设备，掘进机头刀盘切割土体并通过出土机等设备进行排土，同时借助顶进设备产生的推力克服管道与周围土体的摩擦力，将管道逐段顶入直至掘进机头到达接收井，完成地下管道结构的铺设。

随着工程建设中对断面尺寸的要求逐渐增大，往往需要采用预制装配式结构制作管道。对于掘进机头及后续管道构成的整体而言，在掘进机头部位承受迎面土水压力，在后续管道结构外表面承受土水压力、摩阻力，在管道结构末端承受顶力。对于各管段而言，处于不同位置的管段受力差异较大，靠近掘进机头处的管段轴力较小，而接近顶进设备的管段所受轴力较大，另外，装配式管道除存在不同管道间的横向接头外，还存在管段内不同预制结构间的纵向接头，在轴力、土水压力、摩阻力作用下，接头处受力变形较为复杂。为保障施工及后续服役阶段管道结构的安全稳定，需要对接头力学性能进行测试。

如图1所示，现有接头性能测试试验中，针对接头局部制作模型，搭建反力架，利用液压千斤顶对结构施加外力以模拟接头局部受力情况，测试接头局部的受力变形特征。

该技术方案存在以下缺点：(1)外荷载仅能作用于离散分布的若干个离散点，与实际工程中结构外侧土水压力荷载沿作用面连续分布的情况差异较大；(2)难以在外表面施加摩阻力；(3)接头局部的受力变形受管道结构整体的力学行为影响，换言之，某接头的受力变形受管段内其他接头的力学行为影响，此类试验中难以反应这一效应；(4)试验结果受接头约束条件的影响较大。

发明内容

为此，本发明提供一种装配式管道结构顶管施工离心模拟装置及方法，以解决现有技术中模拟接头局部受力情况时模拟环境与实际情况差异较大，试验结果不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，该装配式管道结构顶管施工离心模拟装置包括土体模型箱、顶进机构、牵拉机构、掘进头部机构和装配式管道模型，土体模型箱内设有土体模型，土体模型箱相对的两侧壁上开设有掘进开口，顶进机构与牵拉机构分别设置在土体模型箱的两侧，掘进头部机构由掘进开口穿过土体模型，牵拉机构与掘进头部机构前端连接，装配式管道模型一端连接掘进头部机构的后端，顶进机构连接装配式管道模型的另一端。

进一步地，所述的牵拉机构包括牵拉液压作动器、滑轮和牵拉导索，牵拉导索一端连接牵拉液压作动器，另一端绕过滑轮后连接掘进头部机构。

进一步地，所述的顶进机构包括顶进液压作动器，顶进液压作动器通过传力钢板连接装配式管道模型的另一端。

进一步地，所述的装配式管道结构顶管施工离心模拟装置还包括一个外部支撑箱，土体模型箱固定在外部支撑箱的内侧中部，顶进机构与牵拉机构分别固定在外部支撑箱内部两侧。

进一步地，所述的外部支撑箱的底部设置有一个后端垫板，装配式管道模型设置在后端垫板上侧。