[0001] 本发明涉及一种地下工程顶管施工试验技术领域，具体地是涉及一种顶管实验箱及实验方法，特别是涉及一种多条件下模拟单管或多管顶管施工的顶管实验箱及实验方法，适用于模拟现场多条件下的顶管施工引发地层变形的模型试验。

[0002] 城市化发展过程中，城市扩张与稀缺土地资源供给不足的矛盾越来越明显。地下空间开发的规划和开发，可提高城市设施水平以增加城市的竞争力。随着地下空间开发的规模越来越大，地下空间的开发受到地质条件、水文条件、岩土类型、地面空间类型、已有地下设施、施工技术、经济能力、文化遗址、开发后的社会效益和环境效益等诸多因素的影响和制约，且开发利用具有一定的不可逆性，建成后很难改造或重建。地下空间建设中遇到的问题复杂，地下工程建设具有投资大、施工周期长、施工项目多、施工技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响大等特点，是一项高风险建设工程。近几年城市地下工程建造过程中，基坑垮塌、地面沉陷、隧道涌水、掌子面垮塌、临近建筑物倾斜与倒塌等安全事故频发，不仅延误了工期，还造成了很大的经济损失和人员伤亡。

[0003] 顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，它以液压为动力将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进。施工过程中，不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，引起管道周围土体产生变形，引起地面和地下土体的位移，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、地下管网和地面建筑物的安全，引起一系列岩土工程问题。

[0004] 管幕预筑法建造地下空间技术首次应用于沈阳地铁2号线新乐遗址站车站，因工期原因，在密排管群（多管）顶管施工过程中，同时还进行管间钢板切割、管间土体开挖和管间支撑、管间注浆等施工，同步进行的这些工序将不可避免地对密排管群顶管施工和对环境产生影响。研究一种密排管群顶管实验箱及实验方法来研究密排管群顶管施工引起的地层变形机理，分析施工对环境的影响，进而提出有针对性的处理对策，确保密排顶管施工过程的安全和控制密排顶管施工对环境的影响具有重要工程意义。

[0005] 文献1：申请号为201410250822.5的发明专利申请公开了一种模拟顶管施工引发地层变形的实验方法及装置，并具体公开了1）安装侧向柔性加载囊 ；2）填土 ；3）安装模拟顶管 ；4）安装加载系统 ；5）加载 ；6）监测初始值 ；7）模拟开挖地层损失过程 ；8）实验数据的整理与分析。将侧向柔性加载囊黏贴在模型箱内壁上，左端连接侧向柔性加载囊，右端连接侧向加载压力表，侧向加载压力表通过侧向加压注水管与侧向加载加压泵连接，侧向柔性加载囊顶部设排气阀，在模型箱前侧壁距模型箱底开圆孔，圆形顶管预留孔周边焊接螺柱，模拟顶管右端放置在模型箱前侧壁圆形顶管预留孔处，模拟顶管左端紧贴模型箱后壁放置，结构合理、操作方便，用于模拟顶管隧道施工引发的地层变形模型实验。

[0006] 文献2：申请号为201110109981.X的发明专利申请公开了一种平行顶管顶进施工模拟装置，并具体公开了包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构、施工模拟机构和测试模块，模拟箱体内设有模拟土体且多根连接管节平行贯穿于模拟箱体内部，支撑机构和施工模拟结构分别设置于连接管节的两端，测试模块与模拟箱体相连。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，为现场施工提供技术指导，并为今后类似条件顶管施工的研究提供经验。

[0007] 以上文献虽然可以模拟单管平行顶管施工引发的地层变形进行模拟实验，但是存在以下不足：一是试验装置结构复杂，需实验场地需要建设专门的反力墙；二是模拟的实验环境有限，能进行的实验项目不多，不能模拟复杂地质环境条件下的顶管以及顶管对地下建筑物及地上建筑物的影响，无法模拟复杂地质环境条件下密排管群顶管模拟隧道施工实验，应用有局限性；三是实验现象不能直接观测，地层变形不具有可视化。

[0008] 文献3：申请号为201210137982.X的发明专利申请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。
由于其注浆管需预先埋设在试验箱土体中，而工程实践中不可能预先埋设注浆管，且在顶管模拟过程中预埋的注浆管对周围土体有约束作用，不能很好的模拟实际顶管施工，同时，也没有考虑顶管施工过程中的地层变形问题。

[0022] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

[0023] 实施例1:由图1、图2、图3、图4可知，一种顶管实验箱，它包括由骨架与透明板材围成的箱体2，箱体2的顶面敞开，箱体2内放置有透明土1，箱体2的底部设有与骨架连接的滑道10，滑道10上安装有反力架4；所述反力架4包括可在滑道10上滑动的滑动杆9、至少包括一个千斤顶6的顶管机构，滑动杆9与滑道10上均设有固定孔8；箱体2与千斤顶6的对应面设有活动挡土板
11，活动挡土板11上至少设有一个顶孔12，顶孔12上设有孔盖；箱体2上及透明土1中均设有测量机构。

[0024] 本发明所述顶管机构包括顶管3，所述反力架4上设有反力板7，千斤顶6的支撑部安装在反力板7上，千斤顶6的活塞杆上安装有顶板5，顶管3的受力中心与顶板5的中心对应。

[0025] 本发明所述测量机构包括在透明土1上部表面设有沉降钉17，所述沉降钉17成网格布置；在箱体2的四周外壁布设有坐标网16，透明土1内水平布置有固定绳14，固定绳14上设有观测珠15，使观测珠15在箱体2内成立体网格布置；透明土1中分别安装有测斜管23和土压力盒22；箱体2侧面安装有激光笔。

[0026] 一种顶管实验箱实验方法，它包括以下步骤：⑴制备由透明板材与骨架围成的箱体2，箱体2的顶面敞开，在箱体2的底部安装与骨架连接的滑道10，滑道10上安装有反力架4，所述反力架4包括可在滑道10上滑动的滑动杆9、至少包括一个千斤顶6的顶管机构，滑动杆9与滑道10上均设有固定孔8；箱体2与千斤顶6的对应面设有活动挡土板11，活动挡土板11上至少设有一个顶孔12，顶孔12上设有孔盖；所述顶管机构包括顶管3，所述反力架4上设有反力板7，千斤顶6的支撑部安装在反力板7上，千斤顶6的活塞杆上安装有顶板5，顶管3的受力中心与顶板5的中心对应；
⑵根据实验要求，往箱体2内分层填筑透明土1，并压实，填土过程中，相应安装好固定绳14、测斜管23、土压力盒22，固定绳14上设有观测珠15，使观测珠15在箱体2内成立体网格布置；测斜管23竖向安装，土压力盒22包括竖向安装的竖向土压力盒和水平方向安装的水平土压力盒；同时在箱体2侧面安装激光笔，激光笔轴线垂直于箱体2的侧面；通过激光笔在箱体2侧面标记各层观测珠15的初始位置；
⑶最后在透明土1的表面安装好沉降钉17，沉降钉17成网格布置，再将千分表18通过支架安装在箱体2上，千分表18顶住沉降钉17顶面，记录沉降钉17初始位移；记录各测斜管23的水平位移初始值，以及各竖向土压力盒、水平土压力盒的初始读数；
⑷将滑动杆9安装在滑道10上的合适位置，并用销钉通过固定孔8固定；再根据实验要求，打开箱体2活动挡土板11上的孔盖，在反力架4上安装好顶管3、千斤顶6；
⑸千斤顶6加压推动顶管3前移，每次顶入5～10㎝，掏出顶管3内的透明土1；记录各测斜管23水平位移值、各竖向土压力盒、水平土压力盒的土压力，以及各沉降钉17的位移，用激光笔标记各观测珠15位置，测出观测珠15的竖向位移和水平位移；
⑹当顶入量超过千斤顶6行程时，千斤顶6的活塞杆回缩，移动滑动杆9至下一个固定孔
8固定；
⑺重复步骤⑸、⑹，直至顶管3全部顶入透明土1内，进行单管或多管的同步或多管的错步顶管施工实验。

[0027] 本实施例采用透明板材与骨架围成一个方形箱体2，箱体2底部设有排水孔13；在滑道37上安装好滑动杆36，通过固定孔8固定。在透明纸上打印出坐标网16，贴在箱体四周外侧面上。根据实验要求，往箱体2内分层填筑所选择的透明土1，并压实，填土过程中，首先在箱体2左右两侧挡板内侧相应监测断面安装竖向土压力盒；当透明土1填至顶管3作业平面时，开始在监测断面分层水平安装水平土压力盒和测斜管23，并分层安装固定绳14，使观测珠15在箱体2内成立体网格布置；然后，在箱体2外侧面安装激光笔，激光笔轴线垂直于箱体2侧板，通过激光笔在箱体2侧面标记各层观测珠15的初始位置；最后在透明土1的表面安装好沉降钉17，沉降钉17成网格布置，再将千分表18通过支架安装在箱体2上，千分表18顶住沉降钉17顶面，记录沉降钉17初始位移，记录测斜管23各监测点水平位移初始值，以及竖向土压力盒、水平土压力盒初始读数；将滑动杆9安装在滑道10上的合适位置，并用销钉通过固定孔8固定；再根据实验要求，选择活动挡土板11，在活动挡土板11上确定顶管3对应的顶孔12位置，如图2所示，本实施例采用具有6个顶孔12的活动挡土板11，各顶孔12成方形布置，在反力架4上安装好顶管3、千斤顶6，没有安装顶管3的顶孔12用孔盖封闭，所述顶管3由透明材料制成。

[0028] 实验时，千斤顶6加压推动顶管3前移，每次顶入5～10㎝，掏出顶管3内的透明土1，记录各监测点竖向土压力盒、水平土压力盒的土压力，记录各沉降钉17的位移，用激光笔标记各观测珠15位置，测出观测珠15的竖向位移和水平位移，读出测斜管23各监测点水平位移值。当顶入量超过千斤顶6行程时，千斤顶6的活塞杆回缩，移动滑动杆9至下一个固定孔8固定；千斤顶6再次加压推动顶管3前移，直至顶管3全部顶入透明土1内。

[0029] 绘制观测珠15的竖向位移曲线和水平位移曲线，绘出测斜管23测斜曲线并与观测珠15水平位移曲线进行对比分析；根据沉降钉17的竖向位移，绘制地表沉降曲线，并与观测珠沉降曲线进行对比分析；根据土压力盒22测出的土压力值和测斜管23、观测珠15、沉降钉17等位移装置测出的地层位移数值，进行顶管施工过程中地层力学响应分析，完成单管的顶管施工实验。

[0030] 本实施例还可将顶管3安装在另一顶孔12，重复上述步骤，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析，完成多管的错步顶管施工实验。

[0031] 本实施例还可采用多个顶管3，对应采用多个千斤顶6或者在千斤顶6的活塞杆上安装有顶板5，顶管3的受力中心与顶板5的中心对应；重复上述步骤，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析，完成多管的同步顶管施工实验。

[0032] 本发明的顶管实验箱具有结构简单，可视化，操作方便，经济环保，不需要建造反力墙等特点，可进模拟现场多工况下的顶管施工模型试验。

[0033] 实施例2:由图5、图6可知，为减少顶管时的阻力及在顶管结束后控制地表沉降，本发明所述顶管
3包括有同一中心轴线的内顶管31、外顶管32，内顶管31与外顶管32之间通过骨架33连接固定，外顶管32上设有注浆孔、出浆孔。

[0034] 为减少顶管时的阻力及在顶管结束后控制地表沉降，本发明所述顶管包括有同一中心轴线的内顶管31、外顶管32，内顶管31与外顶管32之间通过骨架33连接固定，外顶管32上设有注浆孔、出浆孔；在步骤⑸中，先将注浆设备与外顶管32上的注浆孔连接，根据顶管行程，确定出浆孔的开闭，顶管时，通过注浆设备注浆，浆液从出浆孔流向外顶管管壁外侧，以减少顶管时的阻力；重复步骤⑷～⑺，进行单管或多管的同步或多管的错步顶管施工实验。

[0035] 本实施例的内顶管31与外顶管32之间形成1个独立空间，在外顶管32上设有1个注浆孔，根据顶管长度设置多个出浆孔。在千斤顶6上设有测力机构。

[0036] 实验时，在步骤⑸中，先将注浆设备与外顶管32上的注浆孔连接，将外顶管32外露的出浆孔临时用橡胶套封堵，顶管时，每次顶入5～10㎝后，通过注浆设备注浆，浆液从出浆孔流向外顶管32管壁外侧，充填在外顶管32外侧和管外土体之间的空隙内，以减少后续顶管时的阻力。根据顶管行程，确定各出浆孔的开闭。重复步骤⑷～⑺，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析；通过千斤顶6上设有的测力机构采集千斤顶6顶进过程的顶力，并对注浆减阻效果进行评定；本实施例可进行单管顶管减阻施工实验或者多管的错步顶管减阻施工实验或者多管的同步顶管减阻施工实验。

[0037] 顶管结束后，还可进行充填注浆，进行顶管注浆抬升试验。

[0038] 余同实施例1。

[0039] 实施例3：由图5、图7、图8、图9、图10可知，为注浆方便，本发明所述骨架33将内顶管31与外顶管
32之间的空间分隔成至少2个轴向的独立空间，外顶管32上对应每个独立空间分别设有注浆孔、出浆孔。在千斤顶6上设有测力机构。

[0040] 为注浆方便，本发明所述骨架33将内顶管31与外顶管32之间的空间分隔成至少2个轴向的独立空间，外顶管32上对应每个独立空间分别设有注浆孔、出浆孔；在步骤⑸中，根据顶管行程，确定注浆设备与外顶管32上的注浆孔连接数量与顺序，顶管时，通过注浆设备注浆，浆液从出浆孔流向外顶管管壁外侧，以减少顶管时的阻力；重复步骤⑷～⑺，进行单管或多管的同步或多管的错步顶管施工实验。

[0041] 本实施例将内顶管31与外顶管32之间的空间分隔成4个轴向的独立空间，外顶管32上对应每个独立空间分别设有注浆孔3E、出浆孔3A，注浆孔3F、出浆孔3B，注浆孔3G、出浆孔3C，注浆孔3H、出浆孔3D。

[0042] 实验时，在步骤⑸中，先将注浆管与注浆孔3E连接，注浆孔3E与外顶管32最顶端的出浆孔3A对应，再对千斤顶6加压推动顶管3前移；根据顶管3的顶入行程，再将注浆管分别与注浆孔3F、注浆孔3G、注浆孔3H连接，分别对应由出浆孔3B、出浆孔3C、出浆孔3D出浆。

[0043] 本实施例采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析；通过千斤顶6上设有的测力机构采集千斤顶6顶进过程的顶力，并对注浆减阻效果进行评定；可进行单管顶管减阻施工实验或者多管的错步顶管减阻施工实验或者多管的同步顶管减阻施工实验。

[0044] 顶管结束后，还可进行充填注浆，将注浆管与注浆孔3E、注浆孔3F、注浆孔3G和注浆孔3H连接，进行顶管注浆抬升试验。

[0045] 余同实施例1。

[0046] 实施例4:由图11可知，为模拟顶管过程中对桩基及建筑物的影响，本发明箱体2顶部设有桩基模型加载机构，所述桩基模型加载机构包括加压杠杆20，加压杠杆20上设有加压杆19，加压杠杆20一端铰接在箱体2上，另一端安装有砝码21。

[0047] 为模拟顶管过程中对桩基及建筑物的影响，本发明箱体2顶部设有桩基模型加载机构，所述桩基模型加载机构包括加压杠杆20，加压杠杆20上设有加压杆19，加压杠杆20一端铰接在箱体2上，另一端安装有砝码21；重复步骤⑷～⑺，进行单管或多管的同步或多管的错步顶管施工实验。

[0048] 本实施例在步骤⑵中，根据实验要求，往箱体2内分层填筑透明土1，并压实，填土至设计高度后，将桩基模型24安装在对应的加压杆19正下方。

[0049] 实验时，将桩基模型加载装置安装好，并将计算砝码21加至计算重量。

[0050] 重复步骤⑷～⑺，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析；采集千斤顶顶进过程的顶力，并对注浆减阻效果进行评定，本实施例可进行单管或者多管的错步或者多管的同步侧穿桩基的顶管（减阻）施工实验。

[0051] 余同实施例1、2、3。

[0052] 实施例5:由图12可知，为模拟顶管过程中对地表建筑物的影响，本实施例将桩基模型改为建筑物模型25，在填筑透明土1时，当透明土1填至一定高度，将建筑物模型25安装在对应的加压杆19正下方。

[0053] 实验时，将桩基模型加载装置安装好，并将计算砝码21加至计算重量。

[0054] 重复步骤⑷～⑺，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析；采集千斤顶顶进过程的顶力，并对注浆减阻效果进行评定，本实施例可进行单管或者多管的错步或者多管的同步下穿地面建筑物的顶管（减阻）施工实验。

[0055] 余同实施例1、2、3、4。

[0056] 实施例6:由图13可知，本实施例在填筑透明土1时，当透明土1填至顶管3上方一定高度，将隧道模型26水平安装在顶管3上方，隧道模型26的长度方向与顶管3的轴向方向垂直。

[0057] 重复步骤⑷～⑺，采集土压力值和地层位移数值，进行地层力学响应分析；采集千斤顶6顶进过程的顶力，并对注浆减阻效果进行评定，本实施例可进行单管或者多管的错步或者多管的同步下穿隧道模型的顶管（减阻）施工实验。

[0058] 余同实施例1、2、3。

[0059] 实施例7:由图14可知，本实施例在活动挡土板11上布置有9个顶孔12，各顶孔12成弧形布置。

[0060] 余同实施例1至实施例6。