本发明专利技术公开了一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法，包括：加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；模型主体单元，模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，盾构隧道模型放置于模型箱底部，模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，竖向顶管模型的顶部穿过第一通孔，竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，顶管机身下部留有注浆孔，液压千斤顶顶住顶管机身的下端面，螺旋千斤顶的螺纹杆从顶管机身底部穿过后与螺旋取土器及掘进刀盘固定连接；排土单元用于将竖向顶管模型内部的砂土排出；注浆单元用于注浆；数据量测单元用于采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。
【技术实现步骤摘要】
一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法
[0001]本专利技术涉及竖向顶管施工
，尤其涉及一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法。
技术介绍
[0002]随着城市化进程的推进，产生了一系列诸如排水、电力、通信、燃气等问题，城市综合地下管廊系统便应运而生。在城市综合管廊的建设中，为了保证通风的需要，竖井的建设往往是技术重点之一。现有竖井施工方法可统一归为明挖法，明挖法施工，存在破坏周边环境、对居民生活造成不便、施工风险较大等缺点，对环境、周边交通及居民的生活的影响较大。
[0003]相比较而言，顶管法由于具有可在繁华市区施工，不需大面积开挖及大面积破坏道路等优点而被广泛运用于管道建设中。在此背景下，竖向顶管技术得到了快速的发展。竖向顶管技术是指在综合管廊上方开口，顶管机竖直向上切削土体，在不断排土的过程中完成竖向立管施工的方法。其材料的搬运和供给都在地下隧道中进行，因此地上施工作业只有顶管机的回收，对周边环境影响较小，可以在列车轨道间、闹市高层区、大型车辆无法进入的山顶等困难施工场所进行竖井施工。相比明挖法施工，可以大大节约施工周期，减少地面交通管制带来的时间成本和经济成本，拥有良好的发展及运用前景。
[0004]竖向顶管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，且现有试验研究无法实现排土过程。
技术实现思路
[0005]本专利技术实施例的目的是提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法，以模拟实际工程中竖向顶管向上顶升过程，为该项技术更好地应用于实际提供一定的思路与借鉴。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]第一方面，本专利技术实例提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，包括：
[0008]加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；
[0009]模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，所述盾构隧道模型放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，所述顶管机身下部留有注浆孔，所述液压千斤顶顶住所述顶管机身的下端面，所述螺旋千斤顶的螺纹杆从所述顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及所述掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋千斤顶的螺纹杆之间封闭但留有第二通孔；
[0010]排土单元，包括抽砂器和渣土收集器，所述抽砂器与所述第二通孔相连通，所述渣
土收集器与所述抽砂器相连通；
[0011]注浆单元，包括注浆泵，所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；
[0012]数据量测单元，包括位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个，所述位移传感器用于测量地表位移，所述应变片用于测量所述盾构隧道模型内侧应变，所述土壤应力传感器用于测量所述顶管机身顶部土压力。
[0013]进一步地，还包括支架，所述模型箱放置于支架上。
[0014]进一步地，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体。
[0015]进一步地，所述模型箱顶部开凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。
[0016]进一步地所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成。
[0017]进一步地，所述顶管机身为上部尺寸比下部大的空心柱体，顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，圆台上底面直径同空心柱体直径，圆台下底面直径同掘进刀盘外径。
[0018]进一步地，所述掘进刀盘包括刀盘面板、切刀和先行刀，所述切刀和先行刀安装在所述刀盘面板上。
[0019]进一步地，所述螺旋取土器外径同所述顶管机身内径。
[0020]进一步地，所述应变片固定于所述盾构隧道模型内侧，所述土壤应力传感器固定于所述掘进刀盘中心处。
[0021]第二方面，本专利技术实例还提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验方法，该方法在第一方面所述的装置中实现，该方法包括：
[0022]试验前处理：提前将螺旋取土器充满砂土，向所述模型箱内注砂土至标高处并做好防水和防漏砂处理；
[0023]加载过程：启动所述液压千斤顶和所述螺旋千斤顶，让加载装置对所述顶管机身进行顶升，并带动所述掘进刀盘旋转顶升；
[0024]排土处理：加载前，所述顶管机身内部砂土落在所述螺旋千斤顶上而不会落入所述顶管机身底部，在加载过程中，随着所述掘进刀盘和所述螺旋取土器的旋转，所述顶管机身内部砂土落入所述顶管机身底部，被所述抽砂器吸出并通过所述渣土收集器进行渣土处理；
[0025]监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。
[0026]根据上述技术方案，本专利技术具有的有益效果是：
[0027](1)本专利技术可通过在砂土层表面布置位移传感器测量地表位移，可通过在盾构隧道模型内侧固定应变片测量盾构隧道模型内侧应变，并可通过在掘进刀盘中心处固定土壤应力传感器测量顶管机身顶部土压力。在液压千斤顶和螺旋千斤顶向上顶升过程中观察监测项目数据变化，从而探究竖向顶管施工全过程对周边地表及盾构隧道模型的影响。
[0028](2)本专利技术涉及了两次切土过程，通过液压千斤顶对顶管机身进行顶升，顶管机身顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，可对密实的砂土进行一次切削，破坏土体的稳定性，便于砂土二次被切削；通过螺旋千斤顶推动螺纹杆带动螺旋取土器和掘进刀盘进行二次旋转顶升，掘进刀盘带有切刀和先行刀等刀具，可对砂土进行二次切削，从而让竖向顶管模型顶部土体得到充分切削进入竖向顶管模型内部。
[0029](3)本专利技术设计了一种排土过程，通过掘进刀盘的旋转切削，顶管机身顶部的砂土会落在螺旋取土器上，并随着螺旋千斤顶的旋转顶升，砂土会逐渐落入顶管机身底部，通过在顶管机身底部留有通孔，并与抽砂器通过外接导管相连，试验过程中可利用抽砂器将竖向顶管模型内部砂土抽出并将抽出的砂土置于渣土收集器内进行渣土处理，而当加载过程结束时，落在螺旋取土器上的砂土便不会再落入顶管机身底部以达到停止排土过程的目的，从而模拟真实工程下的顶管排土过程。
[0030](4)本专利技术还涉及了一种注浆过程，通过在加载过程中向注浆孔注入膨润土浆等注浆材料，以此达到减小竖向顶管模型顶升时外壁受到的摩擦阻力的目的。
附图说明
[0031]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0032]图1为本专利技术实施例的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置的整体结构剖切示意图。
[0033]图2为本专利技术实施例的盾构隧道模型放置于模型箱内部示意图。
[0034]图3为本专利技术实施例的竖向顶管模型剖切示意图。
[0035]图4为本专利技术实施例的掘进刀盘示意图。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，包括：加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，所述盾构隧道模型放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，所述顶管机身下部留有注浆孔，所述液压千斤顶顶住所述顶管机身的下端面，所述螺旋千斤顶的螺纹杆从所述顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及所述掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋千斤顶的螺纹杆之间封闭但留有第二通孔；排土单元，包括抽砂器和渣土收集器，所述抽砂器与所述第二通孔相连通，所述渣土收集器与所述抽砂器相连通；注浆单元，包括注浆泵，所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；数据量测单元，包括位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个，所述位移传感器用于测量地表位移，所述应变片用于测量所述盾构隧道模型内侧应变，所述土壤应力传感器用于测量所述顶管机身顶部土压力。2.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，还包括支架，所述模型箱放置于支架上。3.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体。4.根据权利要求3所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱顶部开凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。5.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，郝威，刘嘉英，章丽莎，尹鑫晟，魏新江，崔允亮，刁红国，戴子涵，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：
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