CN103400530B - 用于物理模拟试验的微型自动化支护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，属于岩土工程技术领域。所述的支护系统由微型锚杆支护装置和微型喷层喷射装置组成，微型锚杆支护装置由锚杆夹具，传动系统，护罩，微型旋转电机等组成，微型喷层喷射装置由喷嘴，输送管，齿轮箱，导向管，喷射机等组成，微型自动化支护系统可以完成物理模拟实验隧洞开挖的支护操作，克服物理模拟实验中在狭长、小洞径的隧洞中手动支护的困难，对“围岩”任一位置进行锚杆支护和喷层支护，对“围岩”进行任一指定厚度的喷层材料的喷射，提高物理模拟实验操作的效率和准确性，本发明可广泛应用于物理模拟实验中交通隧道、采矿巷道和水电站地下厂房等地下开挖隧洞的支护中。

Description

用于物理模拟试验的微型自动化支护系统

技术领域

本发明涉及一种用于水电地下厂房、洞室群、巷道和隧洞等地下工程的物理模拟试验的微型自动化支护系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

近几十年来，随着地下电站、地下城市、地下储能、深部矿山及深部石油开采，地下铁道及轻轨建设，放射性核废料地下储存，岩石力学的研究重点日益转向地下，而无论在交通工程、水电工程或采矿工程中，地下隧洞（隧道、巷道等）的长度和跨度也越来越大，因此在复杂地质条件下地下隧洞的稳定性问题变的尤其重要，研究采用何种支护方法、支护效果的评价及支护密度和强度的选取等问题既关系到隧洞的安全稳定，又关系到工程的经济效益，因此对支护的研究具有重要意义。

以相似理论为基础的模型试验是在研制与工程岩体性质相似的相似材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题，近年来在水电地下厂房、洞室群、矿山巷道、公路隧道和边坡的稳定性研究中发挥了重大作用。模型实验方法可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系建筑物的相互影响，可与数值分析方法相互验证。而且它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据。尤为重要的是，模型实验可以模拟施工工艺，研究在一定原岩应力场的岩体中开挖洞室时, 围岩应力的调整过程及其分布、变形和破坏形态、破坏机制，围岩的应力分布特征、位移分布特征、位移最大值及发生部位和支护效果等。

在物理模拟试验中对开挖隧洞支护的模拟，一般包括锚杆支护和喷浆支护两种形式。锚杆支护主要采用在“围岩”中手动钻出小孔把锚杆插入或者在模型试件制作过程中预埋锚杆，前种方法自动化程度较低，费时费力，而且对于开挖较狭长的隧洞内部空间狭小，无法手动安装锚杆；预埋锚杆的方法与现场打锚杆的方法不符合，相似性差。喷浆支护一般采用手动在“围岩”壁面抹一层砂浆，同样存在操作空间狭小、操作性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一套能够应用于地质力学模型试验的微型自动化支护系统，采用机械化和自动化形式能够进行锚杆支护和喷浆支护两种形式的支护操作，可以克服狭小空间人手动操作的弊端，提高施工效率及支护操作的准确性和科学性。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，所述的微型自动化支护系统由微型锚杆支护装置和微型喷层喷射装置组成，其中，所述的微型锚杆支护装置由锚杆夹具，从动齿轮，主动齿轮，护罩，传动轴，传动轴护套，微型旋转电机和手柄组成，微型旋转电机固定设置在手柄内，微型旋转电机的转轴和传动轴一端键连接，传动轴另一端固定设置有主动齿轮，主动齿轮呈锥形状，位于护罩内；传动轴外套装有传动轴护套，传动轴护套一端与手柄固定连接，另一端与护罩固定连接；护罩内设置有定轴，从动齿轮下端套装在定轴上，从动齿轮呈锥形状，从动齿轮和主动齿轮啮合，从动齿轮上端设有立柱，立柱与从动齿轮键连接，锚杆夹具套装在立柱顶端，锚杆夹具和立柱键连接，锚杆夹具贯通护罩顶部，锚杆夹具顶部开有方形凹槽。

所述的微型喷层喷射装置由喷嘴，输送管，齿轮箱，支撑架，导向管，喷射机组成，导向管对称设置在齿轮箱两侧壁上，输送管贯通导向管和齿轮箱，齿轮箱内设有从动轮、传动轮、主动轮和传动发条，传动轮和主动轮分别通过定轴固定在齿轮箱内，两根定轴相互平行，从动轮活动的套装在输送管上，从动轮和输送管之间设置有定位螺栓，从动轮两侧设有定位支架，定位支架套装在输送管上，传动发条的外端头通过销钉固定在齿轮箱内壁上，传动发条的内端头卡装在上弦手柄上，上弦手柄的前端头的卡轮和主动轮活动连接，主动轮和传动轮中的主传动轮啮合，传动轮中的从属传动轮和从动轮啮合，齿轮箱及齿轮箱两侧的导向管下方分别设有支撑架，输送管前端设有喷嘴，输送管后端连接输送软管，输送软管与喷射机相连。

所述的传动轴护套上设有刻度标记。

所述的输送管上设有刻度标记。

由于采用了以上技术方案，本发明的微型自动化支护系统中的微型锚杆支护装置和微型喷层喷射装置可以完成物理模拟实验隧洞开挖的支护操作，准确模拟现场对隧洞围岩的支护。微型锚杆支护装置可以借助于传动轴护套上标有的刻度将锚杆精确打在洞壁上，并且可通过调整微型旋转电机的转速控制锚杆钻进时旋转的圈数来确定预应力的大小；微型喷层喷射装置利用手动控制输送管的伸缩和齿轮箱内发条齿轮传动机构控制输送管的旋转，可对“围岩”准确喷射指定厚度的喷层材料。本发明用于物理模拟试验的微型自动化支护系统可以克服物理模拟实验中在狭长、小洞径的隧洞中手动支护的困难，对“围岩”任一位置进行锚杆支护和喷层支护，提高物理模拟实验操作的效率和准确性。

附图说明

图1为微型锚杆支护装置结构示意图。

图2为微型喷层喷射装置结构示意图。

图3为微型喷层喷射装置齿轮箱的结构示意图。

图4是图2的局部结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于物理模拟试验的微型自动化支护系统作进一步详细描述。

见附图

用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，所述的自动化支护系统由微型锚杆支护装置和微型喷层喷射装置组成，其中，所述的微型锚杆支护装置由锚杆夹具2，从动齿轮5，主动齿轮3，护罩1，传动轴8，传动轴护套7，微型旋转电机9和手柄10组成，微型旋转电机9固定设置在手柄10内，微型旋转电机9的转轴和传动轴8一端键连接，传动轴8另一端固定设置有主动齿轮3，主动齿轮3呈锥形状，位于护罩1内；传动轴8外套装有传动轴护套7，传动轴护套7一端与手柄10固定连接，另一端与护罩1固定连接；护罩1内设置有定轴6，从动齿轮5下端套装在定轴6上，从动齿轮5呈锥形状，从动齿轮5和主动齿轮3啮合，从动齿轮5上端设有立柱4，立柱4与从动齿轮5键连接，锚杆夹具2套装在立柱4顶端，锚杆夹具2和立柱4键连接，锚杆夹具2贯通护罩1顶部，锚杆夹具2顶部开有方形凹槽，当进行打锚杆操作时，将底端为方形的锚杆嵌入方形凹槽内，随锚杆夹具2一起转动钻入“围岩”内。

所述的微型喷层喷射装置由喷嘴11，输送管12，齿轮箱13，支撑架，导向管15，喷射机16组成，导向管15对称设置在齿轮箱13两侧壁上，输送管12贯通导向管15和齿轮箱13，齿轮箱13内设有从动轮24、传动轮、主动轮20和传动发条19，传动轮和主动轮20分别通过定轴固定在齿轮箱13内，两根定轴相互平行，从动轮24活动的套装在输送管12上，从动轮24和输送管12之间设置有定位螺栓，当输送管12旋转喷射喷层材料时，从动轮24和输送管12被定位螺栓紧固，当输送管12需要前移时松开螺栓手动推动输送管12前移至指定位置再用螺栓将从动轮24和输送管12紧固。从动轮24两侧设有定位支架26，定位支架26套装在输送管12上，定为支架26既可以保证从动轮24不沿输送管12长度方向晃动，又对输送管12起支撑作用。传动发条19的外端头通过销钉18固定在齿轮箱13内壁上，传动发条19的内端头卡装在上弦手柄25上，上弦手柄25的前端头的卡轮21和主动轮20活动连接，当上弦手柄25带动卡轮21一起旋转时，卡轮21可带动传动发条19转动积蓄弹性势能，而主动轮20则不动，当释放上弦手柄25时，传动发条19回转释放弹性势能带动卡轮21回转，卡轮21带动主动轮20旋转。主动轮20和传动轮中的主传动轮23啮合，传动轮中的从属传动轮22和从动轮24啮合，齿轮箱13及齿轮箱13两侧的导向管15下方分别设有支撑架，输送管12前端设有喷嘴11，输送管12后端连接输送软管17，输送软管17与喷射机16相连，喷射机16外接装有需要喷射的支护材料容器。

所述的传动轴护套7上设有刻度标记，当对已开挖隧洞“围岩”进行锚杆支护时可准确获知所打锚杆的位置。

所述的输送管12上设有刻度标记，当对已开挖隧洞“围岩”进行喷层支护时可准确获知喷层喷射位置，提高喷射厚度的均匀性。

本发明在物理模拟实验中具体的操作过程为：在物理模拟实验中，当隧洞开挖完毕需要对隧洞“围岩”进行支护模拟工程现场隧洞围岩的支护时，当需要进行锚杆支护时，将锚杆尾端做成正方体的形状可正好嵌入微型锚杆支护装置的锚杆夹具2的方形槽中，手持手柄10，根据传动轴护套7上的刻度确定锚杆打入的位置，操作微型旋转电机9带动传动轴8旋转，通过与传动轴8固定在一起的锥形主动齿轮3带动从动齿轮5绕定轴6转动，从动齿轮5通过键连接带动立柱4转动，立柱4通过键连接带动锚杆夹具2旋转，最终将锚杆打入“围岩”的指定位置，当需要施作预应力锚杆时，可通过调整微型旋转电机9的转速控制锚杆钻进时旋转的圈数来确定预应力的大小；锚杆支护完成对隧洞“围岩”进行喷层支护时，先将喷层材料备好、搅拌均匀呈流塑状，实验前可通过预先对一个与开挖洞径直径相同的圆孔进行喷层实验，确定喷层厚度与输送管12所转圈数的关系，将规律直径应用到模型实验的支护上来。各个结构连接、固定好后，将从动轮24和输送管12通过螺栓固定紧密，拧上弦手柄25，带动与之连接的传动发条19旋转拧紧并积聚弹性势能，之后松开上弦手柄25，传动发条19释放弹性势能，通过与上弦手柄25的前端头固定的卡轮21带动主动轮20转动，主动轮20通过与之啮合的主传动轮23带动从属传动轮22转动，从属传动轮22带动与之啮合的从动轮24转动，从动轮24带动输送管12以一定速度旋转，当转至指定圈数时立刻停止喷射机16喷射，如果转速明显下降但仍未达到指定的喷射圈数，则停止喷射，重新拧传动发条19并喷射，直到指定的圈数为止，这个过程中喷射机16开始喷射喷层材料和松开传动发条19同时操作。当这一阶段喷层支护完成需要进行下一相邻区域的喷层支护时，将紧固从动轮24和输送管12的螺栓卸掉，按照输送管12上的刻度手动将输送管12往前推进一个小步距，再将螺栓拧紧，重复上面操作步骤进行喷射喷层。一步步往前推进，如此往复循环直到喷层支护完成，此过程中只有输送管12和与之连接的喷嘴11在一步步前进，其他结构都固定在原来位置上。利用微型喷层喷射装置对开挖的隧洞“围岩”进行喷层支护时，当被拧紧的传动发条19释放时，齿轮箱13内的齿轮传动结构最终带动输送管12和喷嘴11一起旋转，在传动发条19回转的前半段时间内，喷嘴11的转速是近乎恒定的，喷射在隧洞“围岩”圆周上的喷层材料厚度是均匀的，如果在传动发条19回转的前半段时间内喷嘴11喷射的喷层材料的厚度还未达到预定值，则应在输送管12转速出现下降时喷射机16停止喷射，重新拧传动发条19再进行喷射，直到指定的圈数，即喷层达到指定厚度为止。本发明的用于物理模拟试验的微型自动化支护系统构造简单、操作简便且实用性强，进行支护操作时省时省力，可以克服隧洞空间狭小支护难操作的问题，可广泛应用于地质力学模型试验中隧洞（隧道、巷道、地下厂房等）开挖完成后的支护操作中。 

Claims (3)

1.用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，其特征在于：所述的微型自动化支护系统由微型锚杆支护装置和微型喷层喷射装置组成，其中，所述的微型锚杆支护装置由锚杆夹具（2）、从动齿轮（5）、主动齿轮（3）、护罩（1）、传动轴（8）、传动轴护套（7）、微型旋转电机（9）和手柄（10）组成，微型旋转电机（9）固定设置在手柄（10）内，微型旋转电机（9）的转轴和传动轴（8）一端键连接，传动轴（8）另一端固定设置有主动齿轮（3），主动齿轮（3）呈锥形状，位于护罩（1）内；传动轴（8）外套装有传动轴护套（7），传动轴护套（7）一端与手柄（10）固定连接，另一端与护罩（1）固定连接；护罩（1）内设置有定轴（6），从动齿轮（5）下端套装在定轴（6）上，从动齿轮（5）呈锥形状，从动齿轮（5）和主动齿轮（3）啮合，从动齿轮（5）上端设有立柱（4），立柱（4）与从动齿轮（5）键连接，锚杆夹具（2）套装在立柱（4）顶端，锚杆夹具（2）和立柱（4）键连接，锚杆夹具（2）贯通护罩（1）顶部，锚杆夹具（2）顶部开有方形凹槽；

所述的微型喷层喷射装置由喷嘴（11）、输送管（12）、齿轮箱（13）、支撑架、导向管（15）、喷射机（16）组成，导向管（15）对称设置在齿轮箱（13）两侧壁上，输送管（12）贯通导向管（15）和齿轮箱（13），齿轮箱（13）内设有从动轮（24）、传动轮、主动轮（20）和传动发条（19），传动轮和主动轮（20）分别通过定轴固定在齿轮箱（13）内，两根定轴相互平行，从动轮（24）活动的套装在输送管（12）上，从动轮（24）和输送管（12）之间设置有定位螺栓，从动轮（24）两侧设有定位支架（26），定位支架（26）套装在输送管（12）上，传动发条（19）的外端头通过销钉（18）固定在齿轮箱（13）内壁上，传动发条（19）的内端头卡装在上弦手柄（25）上，上弦手柄（25）的前端头的卡轮（21）和主动轮（20）活动连接，主动轮（20）和传动轮中的主传动轮（23）啮合，传动轮中的从属传动轮（22）和从动轮（24）啮合，齿轮箱（13）及齿轮箱（13）两侧的导向管（15）下方分别设有支撑架，输送管（12）前端设有喷嘴（11），输送管（12）后端连接输送软管（17），输送软管（17）与喷射机（16）相连。

2.如权利要求1所述的用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，其特征在于：所述的传动轴护套（7）上设有刻度标记。

3.如权利要求1所述的用于物理模拟试验的微型自动化支护系统，其特征在于：所述的输送管（12）上设有刻度标记。