CN216847688U - 一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，包括预制模型矩形管节、矩形顶管机以及模型试验箱；预制模型矩形管节同矩形顶管机连接且其两者均安装在支撑装置上，预制模型矩形管节同顶进装置连接；模型试验箱顶部无盖且其内盛放有土体，土体分别通过第一砂土层和第二砂土层进行水平和竖向分割，形成若干土体单元，土体单元内设有多点位移计，模型试验箱前、后板上均分别开设有允许矩形顶管机左半部通过的开口，模型试验箱的右侧板包括第一安装板、第二安装板以及移动板，移动板设于模型试验箱上开口的右侧且移动板顶、底部均设有凸起，第一安装板底部、第二安装板顶部分别开设有同移动板顶、底部上凸起相适配的凹槽。

Description

一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置

技术领域

本实用新型涉及矩形顶管隧道的技术领域，尤其是一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置。

背景技术

伴随着我国地下工程的快速发展，浅埋矩形顶管工程越来越多。对于空间狭窄、覆土浅、周边环境复杂等区域等地下空间的开发，超浅埋、大断面、大跨进，小净距矩形顶管逐渐成为该类区域空间开发的最佳施工方案。但受地形条件和施工技术的影响，矩形顶管法施工时，顶管上部土体会产生背土效应。背土效应是指浅埋矩形顶管在顶进过程中，随着顶程逐渐增大，正上方土体与管节接触面积越来越大，在摩阻系数一定的情况下，正上方土体与管节的总摩阻力越来越大，超出了周边土体的整体约束能力，导致正上方土体伴随管节整体位移的突发破坏现象。发生背土效应需要满足底部摩擦力大于双侧剪切约束力的前提条件，当其差值大于前端土体抗力时即发生整体背土破坏。发生背土效应的前提条件与地层环境中上覆土体的有效重度、上覆土厚度，管节接触宽度、管土摩擦因数、管土黏聚力、有效应力强度指标、黏性土侧压力系数经验值有关。背土现象一旦出现，会导致顶管上部土体发生剪切破坏，出现地表隆起的现象，对隧道周围建筑产生极大安全隐患。研究人员将顶管背土概念引入国内、在工程实践的基础上对顶管背土进行了深入研究、分别对单个顶管顶进的挤土效应、多个顶管顶进的附加荷载进行了研究，并进行了相应的量化分析等方面的理论研究。对于浅埋矩形顶管，采用管节四周注入触变泥浆的方法时触变泥浆套虽然可以减小顶管与上部土体间的摩阻力，但泥浆套受现场顶管施工水平的影响较大，当泥浆套作用发挥不佳时，仍有可能发生整体背土现象。受到工具管节一般较后续管节大、顶管姿态调整、局部摩阻力不均等不利因素的诱导，顶管背土不可避免。由于缺乏实验验证，对背土效应的演化过程以及背土范围仍然不明确，不能被直观的观测。因此，亟待进行模型试验，对背土效应的产生机理以及背土移动范围进行研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，通过顶进装置推动矩形顶管机和预制模型矩形管节前移，并使矩形顶管机切削模型试验箱内的土体，根据模型试验箱土体内埋设的多点位移计测量的数据，绘制土体的三维实体图形，从而确定土体发生背土效应的范围。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：包括预制模型矩形管节、矩形顶管机以及模型试验箱；所述预制模型矩形管节同所述矩形顶管机连接且其两者均安装在支撑装置上，所述预制模型矩形管节同顶进装置连接且所述顶进装置可驱动所述预制模型矩形管节和所述矩形顶管机在所述支撑装置上移动；所述模型试验箱顶部无盖且其内盛放有土体，所述土体分别通过第一砂土层和第二砂土层进行水平和竖向分割，形成若干土体单元，所述土体单元内设有多点位移计，所述模型试验箱前、后板上均分别开设有允许所述矩形顶管机左半部通过的开口，所述模型试验箱的右侧板包括第一安装板、第二安装板以及移动板，所述移动板设于所述模型试验箱上开口的右侧且所述移动板顶、底部均设有凸起，所述第一安装板底部、所述第二安装板顶部分别开设有同所述移动板顶、底部上凸起相适配的凹槽，所述移动板在牵引装置的驱动下可沿所述矩形顶管机的顶进方向进行移动。

所述顶进装置为伺服千斤顶且所述伺服千斤顶安装在混凝土后座墙上，所述伺服千斤顶由动力控制装置进行控制。

所述支撑装置包括同所述混凝土后座墙连接的钢架以及安装在所述钢架上的钢轨，所述支撑装置的前部结构和后部结构宽度均满足所述矩形顶管机的通过要求，所述支撑装置的中部结构宽度满足所述矩形顶管机右半部的通过要求。

所述钢轨上安装有滚动装置。

所述支撑装置的前部结构和后部结构两侧均安装有挡板，所述支撑装置的中部结构右侧安装有所述挡板。

所述钢架通过加固钢筋进行加固，所述钢架与所述混凝土后座墙间通过固定焊筋进行固定。

所述牵引装置包括细钢绳、转轮以及电机，所述细钢绳两端分别同所述第二安装板的孔洞以及所述转轮连接，所述转轮由所述电机进行控制。

所述模型试验箱的框架由角钢和加固钢板组成。

还包括夹板，所述夹板包括两连接钢筋以及安装在两所述连接钢筋中部围合形成的空间内的两钢板，所述连接钢筋由中部的水平段和两侧的弯折段组成，两所述钢板顶部均分别同两所述连接钢筋的水平段连接，两所述连接钢筋的弯折段间通过螺栓连接形成X形结构且两所述连接钢筋的弯折段外端部间通过弹簧连接，通过按压或松开所述弯折段可使所述弹簧压缩或回弹，以带动两所述钢板相对远离或靠近。

本实用新型的优点是：操作简便，便于观测，可以通过透明箱体直接观测到背土效应的演化过程，并可以通过多点位移计绘制土体的三维实体图形，从而确定土体发生背土效应的范围。

附图说明

图1为本实用新型实验装置整体结构示意图；

图2为本实用新型实验装置整体结构的俯视图；

图3为本实用新型模型试验箱的示意图；

图4为本实用新型模型试验箱右侧板的正视图；

图5为本实用新型模型试验箱右侧板的侧视图；

图6为本实用新型支撑装置的正视图；

图7为本实用新型滚动装置的结构示意图；

图8为本实用新型支撑装置的侧视图；

图9为本实用新型钢轨的安装示意图；

图10为本实用新型夹板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-10所示，图中标记1-23分别表示为: 模型试验箱1，第一安装板1-1，第二安装板1-2，移动板1-3，加固钢板2，白色砂土层3，多点位移计4，红色砂土层5，矩形顶管机6，预制模型矩形管节 7，伺服千斤顶8，计算机9，混凝土后座墙10，钢轨11，挡板12，滚动装置13，钢架14，细钢绳15，转轮16，电机17，孔洞 18，固定焊筋19，角钢20，开口21，夹板22，弹簧22-1，螺栓22-2，钢板22-3，连接钢筋22-4，加固钢筋23。

实施例：如图1-10所示，本实施例涉及一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其主要包括模型试验箱1、预制模型矩形管节7、矩形顶管机6、顶进装置、支撑装置、动力控制装置以及牵引装置。矩形顶管机6和预制模型矩形管节7均安装在支撑装置上，并在预制模型矩形管节7后方设置伺服千斤顶8（顶进装置），伺服千斤顶8安装在混凝土后座墙10上，伺服千斤顶8可推动矩形顶管机6和预制模型矩形管节7在支撑装置移动，并且伺服千斤顶8由计算机9（动力控制装置）进行控制。本实施例中，伺服千斤顶8的数量为四个，其分别设于预制模型矩形管节7的四角位置上。

如图1、图2、图6、图7、图8及图9所示，支撑装置包括钢架14和钢轨11，钢架14通过固定焊筋19同混凝土后座墙10固定，并且钢架14通过加固钢筋23进行加固。钢轨11安装在钢架14上，钢轨11还设有滚动装置13（本实施例中为滚动轴承），可以在顶进时减少摩擦，便于矩形顶管机6和预制模型矩形管节7的移动。支撑装置可分为前部结构、中部结构以及后部结构，其中，预制模型矩形管节7和矩形顶管机6设于支撑装置的前部结构上，支撑装置的前部结构和后部结构宽度均满足矩形顶管机6的通过要求，支撑装置的中部结构宽度满足矩形顶管机6右半部的通过要求，即支撑装置的中部结构宽度为支撑装置的前部结构（后部结构）宽度的一半。本实施例中，在支撑装置的前部结构和后部结构的宽度方向上（即钢轨11上）均安装有六个滚动装置13（左右侧各三个），而在支撑装置的中部结构的宽度方向上（即钢轨11上）安装有三个滚动装置13（右侧三个）。此外，支撑装置的前部结构和后部结构两侧均安装有L型的挡板12，而支撑装置的中部结构仅在其右侧安装有L型的挡板12，可以防止矩形顶管机6和预制模型矩形管节7脱轨，并且挡板12底部厚度与滚珠13顶面保持一条水平线。

如图1至图3所示，模型试验箱1设于支撑装置的中部结构处，模型试验箱1内填充有土体并对模型试验箱1内的土体进行水平和竖向分割，形成若干土体单元，在土体单元内安装有多点位移计4。本实施例中，模型试验箱1顶部无盖，模型试验箱1的框架由角钢20（竖向）和加固钢板2（横向）组成，模型试验箱1前、后、左、右、底板均为高强度透明塑料块，便于观测箱内土体的情况。模型试验箱1前、后板上均分别开设有开口21，开口21面积为矩形顶管机6施工面积的一半，可作为矩形顶管机6的开挖面，矩形顶管机6可从开口21进入模型试验箱1内。

如图4和图5所示，模型试验箱1的右板由第一安装板1-1、第二安装板1-2以及移动板1-3组成，移动板1-3位于开口21的右侧，移动板1-3顶、底部均设有凸起，第一安装板1-1底部、第二安装板1-2顶部分别开设有同移动板1-3顶、底部上凸起相适配的凹槽，移动板1-3通过其上的凸起可沿第一安装板1-1和第二安装板1-2凹槽的长度方向进行移动，并且可在移动板1-3的凸起、第一安装板1-1和第二安装板1-2的凹槽上涂抹润滑油，减小摩擦力，此外，移动板1-3前部开设有四个孔洞18。移动板1-3由牵引装置进行驱动，其中，牵引装置包括细钢绳15、转轮16以及电机17，细钢绳15两端分别同移动板1-3的孔洞18以及转轮16连接，转轮16由电机17进行控制。

本实施例中，以开口21顶部为界限，开口21顶部以下的土体不做分割，开口21顶部以上的土体分别通过红色砂土层3和白色砂土层5进行水平以及竖向分割。水平分割时，先铺撒具备15cm厚的普通砂土（颜色与红色砂土、白色砂土均不同），形成普通砂土层，后在普通砂土上铺撒1cm厚的红色砂土，形成红色砂土层3，重复上述操作，直至普通砂土铺满模型试验箱1。如图10所示，利用夹板22对土体进行竖向分割，夹板22包括两连接钢筋22-4和两钢板22-3，两钢板22-3安装在两连接钢筋22-4中部围合形成的空间内，连接钢筋22-4由中部的水平段和两侧的弯折段组成，两钢板22-3顶部均分别同两连接钢筋22-4的水平段连接，两连接钢筋22-4的弯折段间通过螺栓22-2连接形成X形结构且两连接钢筋22-4的弯折段外端部间通过弹簧22-1连接，通过按压或松开弯折段可使弹簧22-1压缩或回弹，以带动两钢板22-3相对远离或靠近，在不按压弯折段的情况下，两钢板22-3为紧贴状态。在水平分割完成后，沿矩形顶管机6的顶进方向将夹板22每间隔10cm插入土体中，按压夹板22的两侧，两钢板22-3向外撑开形成空隙，将白色砂土倒入空隙内，形成1cm厚的白色砂土层5，之后将夹板22抽出，完成土体的竖向分割。另外，在模型试验箱1中铺撒普通砂土时，每铺撒一层普通砂土，用细绳提前标记白色砂土的位置，同时根据多点位移计4中位移计的数量，利用细绳对普通砂土层进行纵向均匀分割，形成网格状分割面，本实施例中，多点位移计4中位移计的数量为三个，因此利用细绳将普通砂土层纵向分割成三块，接着将编号后的位移计依次埋置在普通砂土层中，重复上述操作，直至所有的多点位移计4安装完成。

如图1-10所示，本实施例还具有以下实验方法：

1、按要求安装好实验装置，在实验装置安装完毕后，伺服千斤顶8驱动矩形顶管机6和预制模型矩形管节7在支撑装置的钢轨11上前进，当矩形顶管机6左半部从模型试验箱1的开口21进入并切削模型试验箱1内的土体时，牵引装置驱动移动板1-3与矩形顶管机6同步同速前移，可以保证矩形顶管机6正常工作而不被移动板1-3阻拦。

2、在矩形顶管机6顶进过程中,每顶进一片预制模型矩形管节7记录一次多点位移计4的数据，并进行壁后注浆，注浆的目的是填充预制模型矩形管节7与土体之间的空隙与减少摩擦力。随着顶程逐渐增大，正上方土体与预制模型矩形管节7接触面积越来越大,在摩擦因数一定的情况下，正上方土体与预制模型矩形管节7的总摩阻力越来越大, 超出了周边土体的整体约束能力，导致正上方土体伴随预制管节整体位移的突发破坏，导致地表的隆起现象。在顶进过程中可观察土层与上述规律进行对比是否符合这个变形规律。

3、在矩形顶管机6顶进结束后，利用多点位移计4监测水平方向的数据拟合土体的三维形态图，从而确定土体发生背土效应对土层的影响范围。

虽然以上实施例已经参照附图对本实用新型目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本实用新型作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (9)

1.一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：包括预制模型矩形管节、矩形顶管机以及模型试验箱；所述预制模型矩形管节同所述矩形顶管机连接且其两者均安装在支撑装置上，所述预制模型矩形管节同顶进装置连接且所述顶进装置可驱动所述预制模型矩形管节和所述矩形顶管机在所述支撑装置上移动；所述模型试验箱顶部无盖且其内盛放有土体，所述土体分别通过第一砂土层和第二砂土层进行水平和竖向分割，形成若干土体单元，所述土体单元内设有多点位移计，所述模型试验箱前、后板上均分别开设有允许所述矩形顶管机左半部通过的开口，所述模型试验箱的右侧板包括第一安装板、第二安装板以及移动板，所述移动板设于所述模型试验箱上开口的右侧且所述移动板顶、底部均设有凸起，所述第一安装板底部、所述第二安装板顶部分别开设有同所述移动板顶、底部上凸起相适配的凹槽，所述移动板在牵引装置的驱动下可沿所述矩形顶管机的顶进方向进行移动。

2.如权利要求1所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述顶进装置为伺服千斤顶且所述伺服千斤顶安装在混凝土后座墙上，所述伺服千斤顶由动力控制装置进行控制。

3.如权利要求2所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述支撑装置包括同所述混凝土后座墙连接的钢架以及安装在所述钢架上的钢轨，所述支撑装置的前部结构和后部结构宽度均满足所述矩形顶管机的通过要求，所述支撑装置的中部结构宽度满足所述矩形顶管机右半部的通过要求。

4.如权利要求3所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述钢轨上安装有滚动装置。

5.如权利要求3所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述支撑装置的前部结构和后部结构两侧均安装有挡板，所述支撑装置的中部结构右侧安装有所述挡板。

6.如权利要求3所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述钢架通过加固钢筋进行加固，所述钢架与所述混凝土后座墙间通过固定焊筋进行固定。

7.如权利要求1所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述牵引装置包括细钢绳、转轮以及电机，所述细钢绳两端分别同所述第二安装板的孔洞以及所述转轮连接，所述转轮由所述电机进行控制。

8.如权利要求1所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：所述模型试验箱的框架由角钢和加固钢板组成。

9.如权利要求1所述的一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验装置，其特征在于：还包括夹板，所述夹板包括两连接钢筋以及安装在两所述连接钢筋中部围合形成的空间内的两钢板，所述连接钢筋由中部的水平段和两侧的弯折段组成，两所述钢板顶部均分别同两所述连接钢筋的水平段连接，两所述连接钢筋的弯折段间通过螺栓连接形成X形结构且两所述连接钢筋的弯折段外端部间通过弹簧连接，通过按压或松开所述弯折段可使所述弹簧压缩或回弹，以带动两所述钢板相对远离或靠近。

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