(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202123002991.1 (22)申请日 2021.12.02 (73)专利权人 内蒙古科技大学 地址 014010 内蒙古自治区包头市昆区阿 尔丁大街7号 (72)发明人 张旭　罗彬　许有俊　陈明　成鹤　 刘天宇　张朝　张博华　葛思敏　 (74)专利代理 机构 上海申蒙商标专利代理有限 公司 31214 专利代理师 黄明凯 (51)Int.Cl. G01N 33/00(2006.01) (54)实用新型名称 一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应 的实验装置 (57)摘要 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 。 权利要求书1页 说明书4页 附图7页 CN 216847688 U 2022.06.28 CN 216847688 U 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 216847688 U 2一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 [0001]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 [0002]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 [0003]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。 [0004]本实用新型目的实现由以下技 术方案完成： [0005]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 行水平和竖向分说　明　书 1/4 页 3 CN 216847688 U 3