CN103603600A - 用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，包括钻杆动力装置，三维定位掘进装置和可变溶洞开挖装置，钻杆动力装置通过卡槽与三维定位掘进装置连接，在模型试验系统中做可变深度钻孔掘进，为溶洞定位开挖做准备；可变溶洞开挖装置内置于三维定位掘进装置钻杆中，在完成钻孔掘进和溶洞深度定位后，通过调节角度控制栓做可变溶洞开挖；三维定位掘进装置包括钻杆，钻杆上端能够卡装于卡槽中，钻杆下端设有钻头，钻杆一侧面上设有供可变溶洞开挖装置调节的开槽，钻杆下半部分侧面上开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙。本发明同时公开了该装置的操作方法。本发明操纵简单，定位精确，能实现最小扰动可变溶洞开挖。

Description

用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置及方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程技术，尤其是一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置及方法。

背景技术

目前，模型试验利用相似材料和试验系统通过一个较小尺寸的模型来尽可能精确的模拟原型的一种试验方法。尽可能真实的模拟岩土工程结构的是模型试验是否成功的关键因素。因此，在模型的建立过程中最大程度的减小对模型试验相似材料原有力学性能及整体性的破坏对模型试验是否成功，试验成果能否用于反映原型的真实性能具有重要意义。

目前，在岩土工程模型试验溶洞的模拟中，尚未有一种工具以及开挖方法能够进行溶洞的无扰动开挖并实现开挖中相似材料的抽取及溶腔充填材料的注入，尚不能解决根据需要改变模拟地下溶洞的位置，尺寸，内部充填情况的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置及方法，其操纵简单，定位精确，能实现最小扰动可变溶洞开挖。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，包括钻杆动力装置，三维定位掘进装置和可变溶洞开挖装置，钻杆动力装置通过卡槽与三维定位掘进装置连接，在模型试验系统中进行可变深度的钻孔掘进，为进行溶洞定位开挖做准备；可变溶洞开挖装置内置于三维定位掘进装置钻杆中，在完成钻孔掘进和溶洞深度定位后，通过调节角度控制栓进行可变溶洞开挖；可变溶洞开挖装置内置于三维定位掘进装置中，能够对溶洞位置深度进行控制；

所述三维定位掘进装置包括钻杆，所述钻杆上端能够卡装于卡槽中，钻杆下端设有钻头，钻杆一侧面上设有供可变溶洞开挖装置调节的开槽，钻杆下半部分侧面上开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙。

所述钻杆中设有能够使可变溶洞开挖装置定位且能沿钻杆径向上下位移的空间。

所述钻杆包括沿其径向中分面分开的上部钻杆和下部钻杆，所述上部钻杆和下部钻杆靠近卡槽端的中分面能够紧密贴合，另一端的部钻杆和下部钻杆之间设有供开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙，且下部钻杆的中分面上设有与可变溶洞开挖装置相配合凸起。

所述下部钻杆中设有沿其长度方向的长孔，长孔上端开口与下部钻杆的上端部，且与多功能管相连，下端开口设于下部钻杆下半部分的侧面。多功能连通孔能够通过抽土注水等操作实现对所开挖溶洞充填情况的控制。

所述钻杆外部设有刻度尺。

所述可变溶洞开挖装置包括角度控制栓，所述角度控制栓的上端折弯，且折弯部分能够卡入钻杆侧面的开槽中，折弯部分末端设置固定螺栓；与固定螺栓接触位置的上部钻杆上设有与刀盘开合度相匹配的刀盘角度刻度；所述角度控制栓的下端通过传动臂与刀盘相连，刀盘上设有与下部钻杆的凸起相配合的销孔，能保证刀盘沿凸起自由转动。

所述传动臂的两端均通过销活动连接于角度控制栓和刀盘，能保证刀盘自由摆动。

所述刀盘上的销孔位于刀盘与传动臂相连的销的下部。

所述钻杆动力装置为电动机，电动机的输出轴上安装卡槽。

一种利用模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置的操作方法，包括：

A.组合整套开挖装置：将钻杆上下两部分与内置可变溶洞开挖装置组合，通过卡槽与电动机连接，接通电源；

B.进行钻杆掘进：通过钻杆上刻度尺做深度确认，直至达到设计溶洞开挖深度，并能通过刻度尺读数调整预设溶洞的开挖深度；

C.溶洞的开挖：通过向下拨动角度控制栓缓慢张开刀盘，开动电动机进行溶洞的开挖，通过观察刀盘角度刻度确定刀盘的转角从0°扩大到近180°，每次调整角度后用固定螺栓固定后再开挖，随着刀盘张开角度的增大扩大溶腔体积，直至达到预定尺寸的溶洞溶腔开挖完成。

D.抽土弃渣及注水充填：多功能连通孔连接离心泵设备，将已开挖溶洞的充填土抽出，根据需要模拟的溶腔充填情况，进行注水加泥操作，能够通过控制充填物性质及充填体积改变溶腔充填情况，完成溶洞开挖；

E.抽出整套开挖装置封闭掘进孔；溶洞开挖完成后调节角度控制栓，使刀盘与钻杆合拢，抽出整套掘进开挖装置，利用锚固剂防水锚固材料封闭掘进孔。

F.本次试验结束后，重新确定溶洞位置，重复以上操作，进行下一组试验。

本发明中的电动机和离心泵等设备均为现有东西，在此不再赘述。

本发明根据岩土工程模型试验中设计溶洞的尺寸、充填情况的指标，通过三维定位掘进装置进行定位掘进，在设计位置进行溶洞开挖，通过调节刀盘张开角度调整溶洞尺寸，利用多功能连通孔进行抽土注水等工作以根据需要改变溶腔充填情况，从而完成模型试验可变溶洞的开挖。

本发明研究了一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置及其开挖方法，解决了岩土工程模型试验中溶洞开挖定位困难，溶洞尺寸难以控制，溶洞充填情况无法调控的问题，与前人研究相比，能够最大程度减小溶洞开挖对模型试验相似材料原有力学性质及其整体性的破坏。

本发明解决了岩土工程模型试验中溶洞开挖定位困难，溶洞尺寸难以控制，溶洞充填情况无法调控且对试验相似材料原有力学性质及整体性影响较大的问题，具有以下优点：

1.开挖过程扰动低，对相似材料原有力学性质及整体性影响小，实现溶洞开挖位置的三维精确定位。

2.能够根据实际需要变换溶洞尺寸，可重复使用，能够用于各种不同模型试验中的溶洞开挖。

3.可以通过改变溶腔条充填情况更好的模拟实际溶洞情况，试验成果能够真实的反映工程实践情况。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明工作示意图；

其中1电动机、2操纵把手、3卡槽、4下部钻杆、5多功能连通管、6上部钻杆、7螺纹、8角度控制栓、9固定螺栓、10传动臂、11刀盘、12钻头、13刀盘角度刻度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

钻杆动力装置由电动机1，操纵把手2，卡槽3组成；三维定位掘进装置由下部钻杆4，上部钻杆6，螺纹7，钻头12组成；可变溶洞开挖装置由角度控制栓8，固定螺栓9，传动臂10，刀盘11组成；多功能连通孔5。

图1中，下部钻杆4、上部钻杆6、钻头12组成的钻杆通过卡槽3与电动机1相连进行在模型试验装置中的掘进，通过固定螺栓9对角度控制栓8进行固定，利用上部钻杆6的刻度尺，实现掘进深度的控制；角度控制栓8通过传动臂10与刀盘11相连，通过控制刀盘张开的角度实现对溶洞开挖尺寸的控制；多功能连通管5内置于下部钻杆4中，通过连接真空机等设备进行抽土，注水等工作，控制已开挖溶洞的充填情况；角度控制栓8、固定螺栓9、传动臂10、刀盘11组成的可变溶洞开挖装置内置于下部钻杆4、上部钻杆6组成的钻杆中，减小装置尺寸。

卡槽3连接电动机1与钻杆，电动机提供动力进行掘进，通过上部钻杆6上的刻度尺控制掘进深度；掘进达到预定开挖位置时调节缓慢调节角度控制栓8逐步增大刀盘11的张开角度，电动机提供刀盘旋转动力进行溶洞的开挖，并利用固定螺栓9逐步固定角度控制栓8，实现溶洞的逐步开挖，通过角度控制栓8外露窗口上的刻度确定已开挖的溶洞尺寸，实现溶洞尺寸的可变开挖；通过多动能连通管5与离心泵等设备连接，对已开挖溶洞进行抽土注水等工作，控制溶洞的充填情况。

一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置进行模型试验中可变溶洞开挖的方法，包括以下步骤：

A.组合开挖工具，将钻杆上下两部分下部钻杆4、上部钻杆6与内置可变溶洞开挖装置角度控制栓8、固定螺栓9、传动臂10、刀盘11进行组合，通过卡槽3与电动机1连接，接通电源。

B.进行钻杆掘进，通过钻杆刻度尺进行深度确认，直至达到设计溶洞开挖深度，并能通过刻度尺读数调整预设溶洞的开挖深度。

C.溶洞的开挖，通过向下拨动角度控制栓8缓慢张开刀盘11，开动电动机1进行溶洞的开挖，通过观察刀盘角度刻度13确定刀盘的转角从0°扩大到近180°，每次调整角度后用固定螺栓9固定后再开挖，随着刀盘11张开角度的增大扩大溶腔体积，直至达到预定尺寸的溶洞溶腔开挖完成。

D.抽土弃渣及注水充填，多功能连通管5连接离心泵等设备，将已开挖溶洞的充填土抽出，根据需要模拟的溶腔充填情况，进行注水加泥等操作，能够通过控制充填物性质及充填体积改变溶腔充填情况，完成溶洞开挖。

E.抽出设备封闭掘进孔，溶洞开挖完成后调节角度控制栓8，使刀盘11与钻杆合拢，抽出掘进开挖设备，利用模型试验中相似材料进行掘进孔回填，保证模型试验中相似材料的整体性。

F.本次试验结束后，重新确定溶洞位置，重复以上操作，进行下一组试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，包括钻杆动力装置，三维定位掘进装置和可变溶洞开挖装置，钻杆动力装置通过卡槽与三维定位掘进装置连接，在模型试验系统中做可变深度的钻孔掘进，为溶洞定位开挖做准备；可变溶洞开挖装置内置于三维定位掘进装置钻杆中，在完成钻孔掘进和溶洞深度定位后，通过调节角度控制栓做可变溶洞开挖；

所述三维定位掘进装置包括钻杆，所述钻杆上端能够卡装于卡槽中，钻杆下端设有钻头，钻杆一侧面上设有供可变溶洞开挖装置调节的开槽，钻杆下半部分侧面上开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙。

2.如权利要求1所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述钻杆中设有能够使可变溶洞开挖装置定位且能沿钻杆径向上下位移的空间。

3.如权利要求1所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述钻杆包括沿其径向中分面分开的上部钻杆和下部钻杆，所述上部钻杆和下部钻杆靠近卡槽端的中分面能够紧密贴合，另一端的部钻杆和下部钻杆之间设有供开有供可变溶洞开挖装置开挖半径变化的空隙，且下部钻杆的中分面上设有与可变溶洞开挖装置相配合凸起。

4.如权利要求3所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述下部钻杆中设有沿其长度方向的长孔，长孔上端开口与下部钻杆的上端部，且与多功能管相连，下端开口设于下部钻杆下半部分的侧面。

5.如权利要求1所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述钻杆外部设有刻度尺。

6.如权利要求3所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述可变溶洞开挖装置包括角度控制栓，所述角度控制栓的上端折弯，且折弯部分能够卡入钻杆侧面的开槽中，折弯部分末端设置固定螺栓，与固定螺栓接触位置的上部钻杆上设有与刀盘开合度相匹配的刀盘角度刻度；所述角度控制栓的下端通过传动臂与刀盘相连，刀盘上设有与下部钻杆的凸起相配合的销孔，能保证刀盘沿凸起自由转动。

7.如权利要求6所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述传动臂的两端均通过销活动连接于角度控制栓和刀盘，能保证刀盘自由摆动。

8.如权利要求6所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述刀盘上的销孔位于刀盘与传动臂相连的销的下部。

9.如权利要求1所述的用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置，其特征是，所述钻杆动力装置为电动机，电动机的输出轴上安装卡槽。

10.一种如权利要求6所述用于模型试验溶洞模拟的三维定位可控开挖装置的操作方法，其特征是，包括：

A.组合整套开挖装置：将钻杆上下两部分与内置可变溶洞开挖装置组合，通过卡槽与电动机连接，接通电源；

B.进行钻杆掘进：通过钻杆上刻度尺做深度确认，直至达到设计溶洞开挖深度，并能通过刻度尺读数调整预设溶洞的开挖深度；

C.溶洞的开挖，通过向下拨动角度控制栓缓慢张开刀盘，开动电动机进行溶洞的开挖，通过观察刀盘角度刻度确定刀盘的转角从0°扩大到近180°，每次调整角度后用固定螺栓固定后再开挖，随着刀盘张开角度的增大扩大溶腔体积，直至达到预定尺寸的溶洞溶腔开挖完成；

D.抽土弃渣及注水充填：多功能连通孔连接离心泵设备，将已开挖溶洞的充填土抽出，根据需要模拟的溶腔充填情况，进行注水加泥操作，能够通过控制充填物性质及充填体积改变溶腔充填情况，完成溶洞开挖；

E.抽出整套开挖装置封闭掘进孔；溶洞开挖完成后调节角度控制栓，使刀盘与钻杆合拢，抽出整套掘进开挖装置，利用锚固剂防水锚固材料封闭掘进孔；

F.本次试验结束后，重新确定溶洞位置，重复以上操作，进行下一组试验。

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