【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种掘进顶升试验装置及方法，具体涉及一种竖直向上掘进顶升试验系统及方法，属于顶管隧道。
技术介绍
1、竖井在隧道施工或水利工程建设中起到了重要的作用。例如，在隧道施工中，竖井可以作为通风口，将新鲜空气引入隧道内部，同时将有害气体排出，保障工人的安全并提高工作效率。在水利工程建设中，竖井可以作为输水通道或排水通道，解决地表无法开渠的问题，并减少水在输送过程中的蒸发和渗漏。开挖竖井的意义在于为工人提供安全便捷的通道、促进排水和通风、以及满足特殊工程的需求。这些竖井的建设不仅提高了工作效率，也确保了工程的安全和质量。但是，管井的竖向掘进涉及复杂的传动系统、密封结构、排土方式、土压控制等问题，无法简单的将常规水平顶进的掘进机旋转90度改为竖向顶升。
2、竖直向上掘进顶升作为一种全新的施工方法，国内外现有成果较少，仍处于探索阶段，现有的成果大多从理论和数值模拟的角度进行研究，而试验分析较少。现有的竖直向上顶升试验系统均采用的一次顶升的方式，不能实现连续的顶升掘进，进而不能实现管井竖直掘进与顶升的全过程模拟。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供一种竖直向上掘进顶升试验系统，能够实现管井竖直掘进与顶升的全过程模拟，为进一步将竖直向上掘进顶升方法推广到实际工程提供基础和依据。
2、一种竖直向上掘进顶升试验系统包括：用于切削土体的顶部掘进单元；
3、用于排土并能够控制排土量和排土速率的中部排土控制单元；
4、用于在竖直向上掘进过程
5、用于提供试验用土体的试验模型箱；
6、所述中部排土控制单元包括：土仓、顶部排土管、螺旋输送机、夹管阀以及底部排土管；
7、所述土仓下端依次连接顶部排土管、两道夹管阀和底部排土管；底部排土管由若干个排土管节依次同轴对接后形成；所述夹管阀张开量可调；所述螺旋输送机用于向下输送土仓内的土体；所述底部排土管由排土管支撑单元支撑；
8、所述底部顶升单元包括：能够同步顶升的若干作动器、转接环和若干管片；若干作动器的伸缩端竖直向上与转接环相连；若干个管片依次同轴对接后形成的管片组的下端与转接环对接，上端与掘进机管体对接；所述顶部掘进单元以及土仓、顶部排土管、螺旋输送机、夹管阀均位于掘进机管体内部。
9、作为本专利技术的一种优选方式，所述夹管阀为双层结构，包括外层的钢套管和内层的橡胶圈；钢套管和橡胶圈同轴设置，且两者之间有间隔，形成环形加压空间；通过空压机调节环形加压空间内的空气压力改变所述夹管阀的张开量。
10、作为本专利技术的一种优选方式，所述土仓内安装有土压计，实时监测所述土仓内的土压，并发送给上位机；所述上位机依据接收到的土压，调整所述作动器的顶升速率和两个道夹管阀的张开量。
11、作为本专利技术的一种优选方式，所述掘进机管体内部设置有顶部连接法兰和底部连接法兰；
12、所述土仓和顶部排土管对接后支撑在所述顶部连接法兰上；两道所述夹管阀对接后上端与所述顶部连接法兰相连，下端与所述底部连接法兰相连；
13、所述底部排土管通过底部连接法兰与位于下方的夹管阀对接；
14、所述管片组通过底部连接法兰与所述掘进机管体对接。
15、作为本专利技术的一种优选方式，所述试验模型箱包括：若干个筒体模块、支撑架和底部筒体；
16、所述筒体模块和底部筒体均为两端开口的筒体结构；
17、所述底部筒体通过支撑架支撑；若干个筒体模块沿轴向依次同轴密封对接后下端与底部筒体连接。
18、作为本专利技术的一种优选方式，所述顶部掘进单元包括：刀盘、刀头、动力单元和掘进机管体；
19、布置有若干个刀头的刀盘同轴位于掘进机管体的顶部；所述刀盘在动力单元的驱动下转动，进而通过刀头切削土体。
20、作为本专利技术的一种优选方式，所述动力单元设置在掘进机管体内部，包括：电机、减速机、传动齿轮组和传动轴；所述电动机依次通过所述减速机和传动齿轮组驱动传动轴；所述传动轴与刀盘同轴相连；
21、所述电机、减速机与传动轴并列设置，通过所述传动齿轮组将动力传递至传动轴。
22、作为本专利技术的一种优选方式，所述动力单元中的传动轴与所述螺旋输送机中的传动轴共轴，即所述螺旋输送机中的传动轴下端与所述传动齿轮组相连，上端伸出所述土仓与所述刀盘相连。
23、此外，基于上述试验系统，本专利技术提供一种竖直向上掘进顶升试验方法：
24、初始时，所述顶部掘进单元、中部排土控制单元、底部顶升单元共同构成的掘进顶升单元位于试验模型箱的下方；在试验模型箱主体内制备试验用土体前，所述试验模型箱底部开口通过顶部掘进单元封堵；
25、在试验模型箱主体内完成试验用土的制备后，进行掘进顶升试验：
26、s1、启动顶部掘进单元、中部排土控制单元和底部顶升单元；
27、顶部掘进单元切削的土体在所述螺旋输送机的作用下通过顶部排土管和底部排土管向下排出；排土速率由上下两道夹管阀控制；
28、所述底部顶升单元向上顶升过程中，中部排土控制单元上移，使底部排土管脱离排土管支撑单元的支撑，此时掘进顶升单元整体由作动器支撑；
29、s2、当所述作动器顶升位移达到一个管片高度时停止掘进顶升，在所述底部排土管下方增加一个排土管节，使其支撑在所述排土管支撑单元上；
30、然后将最下方的管片与所述转接环分开(即断开连接；同步控制所有作动器带动转接环回缩；
31、然后在最下方的管片下部拼接一个管片，同步控制作动器上移，使转接环与新增加的管片连接；
32、连接完成后继续重复顶升掘进；
33、s3、重复s1-s2，直至顶部掘进单元顶升至试验模型箱的土体表面，完成试验。
34、作为本专利技术的一种优选方式，在试验模型箱主体内分层制备试验用土体：首先在所述底部筒体内填充试验用土体，底部筒体内土体压实后，在底部筒体上方密封对接一个筒体模块，在所述筒体模块内填充试验用土体并压实；由此将各筒体模块自下而上依次连接并依次在个筒体模块内填充试验用土体并压实。
35、有益效果：
36、(1)本专利技术的竖直向上掘进顶升试验系统，考虑竖直向上掘进过程中重力承载问题，将中部排土控制单元中的底部排土管以及底部顶升单元中的管节均采用分段拼接式，掘进顶升试验过程中，根据掘进的土层厚度不断交替增加管片和排土管节，并通过对管片和排土管节的交替支撑，实现管片的安装与顶升；由此能够实现管井竖直掘进与顶升的全过程模拟，为进一步将竖直向上掘进顶升方法推广到实际工程提供基础和依据。
37、(2)本专利技术的竖直向上掘进顶升试验系统中，针对竖向掘进的排土控制问题，设置了具有两道张开量可调的夹管阀的中部排土控制单元；通过改变两道夹管阀的张开量，能够改变夹管阀内的可排土面积，进而能够灵活本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于：包括：
2.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述夹管阀为双层结构，包括外层的钢套管和内层的橡胶圈；钢套管和橡胶圈同轴设置，且两者之间有间隔，形成环形加压空间；通过空压机调节环形加压空间内的空气压力改变所述夹管阀的张开量。
3.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述土仓内安装有土压计，实时监测所述土仓内的土压，并发送给上位机；所述上位机依据接收到的土压，调整所述作动器的顶升速率和两个道夹管阀的张开量。
4.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述掘进机管体内部设置有顶部连接法兰和底部连接法兰；
5.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述试验模型箱包括：若干个筒体模块、支撑架和底部筒体；
6.如权利要求1-5任一项所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述顶部掘进单元包括：刀盘、刀头、动力单元和掘进机管体；
7.如权利要求6所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述动力
8.如权利要求7所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述动力单元中的传动轴与所述螺旋输送机中的传动轴共轴，即所述螺旋输送机中的传动轴下端与所述传动齿轮组相连，上端伸出所述土仓与所述刀盘相连。
9.一种竖直向上掘进顶升试验方法，其特征在于：采用上述权利要求1-8任一项所述的竖直向上掘进顶升试验系统：
10.如权利要求9所述的竖直向上掘进顶升试验方法，其特征在于，所述试验模型箱包括：若干个筒体模块、支撑架和底部筒体；所述筒体模块和底部筒体均为两端开口的筒体结构；所述底部筒体通过支撑架支撑；若干个筒体模块沿轴向依次同轴密封对接后下端与底部筒体连接；
...【技术特征摘要】
1.一种竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于：包括：
2.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述夹管阀为双层结构，包括外层的钢套管和内层的橡胶圈；钢套管和橡胶圈同轴设置，且两者之间有间隔，形成环形加压空间；通过空压机调节环形加压空间内的空气压力改变所述夹管阀的张开量。
3.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述土仓内安装有土压计，实时监测所述土仓内的土压，并发送给上位机；所述上位机依据接收到的土压，调整所述作动器的顶升速率和两个道夹管阀的张开量。
4.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述掘进机管体内部设置有顶部连接法兰和底部连接法兰；
5.如权利要求1所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述试验模型箱包括：若干个筒体模块、支撑架和底部筒体；
6.如权利要求1-5任一项所述的竖直向上掘进顶升试验系统，其特征在于，所述顶部掘...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖兰，吴应祥，赵金龙，樊成飞，刘子业，林凡通，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，
类型：发明
国别省市：
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