[发明专利]一种模拟矩形顶管施工可视化试验系统

说明书

本发明涉及一种模拟异型顶管施工可视化的试验装置。装置包括：透明试验土箱、异型盾构掘削支护装置、顶进动力装置、PIV数字图像处理系统。土箱为透明特制土箱，搭配挡板可实现不同深度的即有管道，内部装有透明土，并在指定位置布设荧光颗粒，在相应位置设有轻质透明塑料桩；盾构刀盘采用一个大刀盘通过齿轮系统带动四个小刀盘切削土体，切削覆盖面积达到90%；PIV数字图像技术包括：高速相机、激光发射装置、处理图像计算机。本发明通过矩形盾构机刀盘切削土体，后部采用单片机顶推装置控制掘进顶推力。在掘进过程中使用激光源发射片光照射荧光颗粒，并用高速摄像机对荧光颗粒进行实时监测，根据荧光颗粒动态流动模拟开挖情况。

技术领域

本发明是一种模拟矩形顶管施工可视化试验系统，属于隧道及地下工程技术领域。

背景技术

隧道盾构施工具有施工速度快、噪音小、不占用地面交通等特点。顶管法施工是在盾构施工的基础上进行改进，将盾构施工的管片拼接环节改在工作井内完成。顶管法相较于传统盾构，所使用的是管段整体预制，结构强度易保证、受力性能好、接缝小、防水性好。异型盾构中的矩形盾构断面使用率最高，能够节省较多空间。所以矩形顶管施工试验模拟研究极为重要。顶管施工的土压平衡仓内土压力对土体扰动情况影响较大，但由于施工处于土体内部，无法直接进行观测。并且现阶段的异型盾构试验研究较少，开挖试验模拟种类也较为单一。因此设计一种能够直观实时监测顶管掘进的试验方法和矩形顶管试验机极为重要。

发明内容

本发明提出的是一种模拟矩形顶管施工可视化试验系统，其目的在于中的现有异型顶管试验技术领域中存在的缺陷，提出一种可直接观测矩形顶管施工对周围土体和桩体扰动情况的可视化试验模型，其能够模拟顶管刀盘开挖掘进过程、管节支护功能、直接观测土体流动状态和侧穿桥墩时对桩体的影响。

本发明的技术解决方案：一种模拟矩形顶管施工可视化试验系统，包括矩形顶管掘进试验机、土箱、顶进动力系统、PIV数字成像处理系统，其中：

所述矩形顶管掘进试验机包括刀盘7、工作台15、支护外壳18、隔板19，工作台15连接支护外壳18一端，支护外壳18另一端内设有刀盘7和隔板19，形成土压舱；

所述矩形顶管试验机顶进系统包括单片机、千斤顶、动力杆27和钢套16，套箍紧支护外壳，千斤顶固定在工作台一端，动力杆27分别固定在千斤顶和钢套16上，钢套16放置在支护外壳的四边中点位置，顶推系统采用单片机数字控制，可控制推进速度、前后、推力大小；

所述土箱为为透明玻璃箱，两侧设有顶管预留孔，在到达侧孔放置透明塑料保护膜，土箱左右两侧开设两条对称的长条孔，内壁两侧设有卡槽，卡槽上均匀分布预留圆形孔洞；配合特制透明预留有孔洞的挡板，将透明管贯穿，实现不同深度的管道模型；

所述PIV数字成像处理系统包括荧光示踪粒子、透明土、激光器、高速相机和计算机，土箱中装有饱和透明土，在隧道两侧设有透明桩，桩采用TPX材料，上端放有加载仪器，顶管路径上方均匀埋置三层荧光示踪粒子，桩与隧道之间埋置多层荧光示踪粒子，土箱上方、侧面分别假设三台激光器，并使用高速相机采集图像并上传计算机进行图像处理。

所述土箱内壁与挡板间涂抹透明混合油，防止空气渗入影响观测效果。

所述矩形顶管掘进试验机包括电机17、刀盘7、刀具、传动杆13、工作台15、支护外壳18、隔板19、螺旋传送机20、泥浆泵21、泡沫剂导管22，所述工作台15连接支护外壳18一端，电机17固定在支护外壳18内，支护外壳18另一端内侧设有刀盘7和隔板19，形成土压舱，隔板19下端有预留矩形孔，螺旋传送机20通过预留孔进入土压舱内，隔板上端留有圆形孔洞，泡沫剂导管22固定在支护外壳18内壁上，穿过圆形孔洞，深入土压舱上部，泡沫剂导管22通过泥浆泵21将外部泡沫剂注入土压舱；