[发明专利]一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验方法

说明书

本发明公开了一种研究矩形顶管隧道掘进引起背土效应的实验方法，包括将矩形顶管机、预制模型矩形管节以及顶进装置安装在支撑装置上；在模型试验箱内填充土体并对模型试验箱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；顶进装置驱动矩形顶管机和预制模型矩形管节在支撑装置上前进，当矩形顶管机左半部从模型试验箱的开口进入并切削模型试验箱内的土体时，牵引装置驱动移动板与矩形顶管机同步同速前移；在矩形顶管机顶进过程中,每顶进一片预制模型矩形管节记录一次多点位移计的数据，并进行壁后注浆；在矩形顶管机顶进结束后，利用多点位移计采集的数据拟合土体的三维形态图，确定土体发生背土效应的范围。

技术领域

本发明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方法。

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。

发明内容

本发明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方法，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。

本发明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方法，其特征在于：所述实验方法包括以下步骤：

将矩形顶管机、预制模型矩形管节以及顶进装置安装在支撑装置上；

在模型试验箱内填充土体并对所述模型试验箱内的土体进行水平和竖向分割，形成若干土体单元，在所述土体单元内安装有多点位移计，其中，所述模型试验箱顶部无盖且其前、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，所述开口右侧设有移动板且所述移动板同牵引装置连接；

所述顶进装置驱动所述矩形顶管机和所述预制模型矩形管节在所述支撑装置上前进，当所述矩形顶管机左半部从所述模型试验箱的开口进入并切削所述模型试验箱内的土体时，所述牵引装置驱动所述移动板与所述矩形顶管机同步同速前移；

在所述矩形顶管机顶进过程中,每顶进一片所述预制模型矩形管节记录一次所述多点位移计的数据，并进行壁后注浆；

在所述矩形顶管机顶进结束后，利用所述多点位移计采集的数据拟合土体的三维形态图，确定土体发生背土效应的范围。

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。