CN107976525B - 物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，包括刀头系统、动力联动系统、顶推控制系统、支撑系统和除渣系统。刀头系统用于开挖切削模型试验材料，顶推控制系统驱动动力联动系统带动刀头系统开挖前进和后退，通过动力联动系统与刀头系统连接的除渣系统用于及时清除洞室开挖切削下来的废渣，刀头系统、动力联动系统和顶推控制系统安装在支撑系统上，支撑系统通过连接板安装在模型试验反力架上。本发明既可以进行任意形状和任意尺寸模型洞室的全断面开挖，也可以进行任意形状和任意尺寸模型洞室的台阶法开挖，减少了手动开挖对模型试验结果的影响，实现了模型试验开挖过程的全自动化。

Description

物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置

技术领域

本发明涉及一种模型试验开挖装置，尤其是一种用于地下工程模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，地下工程建设数量不断增加，规模不断增大，许多在建和即将新建的大型地下工程趋向于复杂洞室群，且不断走向深部，洞室洞型越来越多样，而深部地下洞室围岩的环境也越来越复杂，工程建设的难度也不断增加。为保障地下工程的施工开挖与运行安全，研究地下洞室施工安全和运营稳定已经成为热点。伴随地下洞室开挖深度的不断增加，“三高一扰动”的影响愈加显著，深部洞室表现出与浅埋洞室显著不同的非线性变形与破坏现象，如大变形、分区破裂、岩爆、突水突泥、煤与瓦斯突出等灾害事故，常常造成重大人员伤亡、经济损失和恶劣的社会影响，亟需研究深部洞室的破坏机理与灾害发生条件。然而，面对深部地下工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部地下工程的重要手段。与MTS研究岩芯力学特性不同，物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型研究洞室开挖施工过程与变形破坏的物理模拟方法，对于发现新现象，探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。

由于物理模型试验是根据相似原理对特定工程地质问题按照一定比尺进行缩放研究，因此，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差，如何进行不同洞型微小洞室的精准开挖就成为模型试验能否取得成功的关键，目前国内外有关模型洞室开挖现状如下：

《岩石力学与工程学报》2003年第9期介绍了一种用于大型地下洞群模型试验中隐蔽洞室开挖的微型步进TBM，实现了隐蔽洞室长距离开挖，但是该装置为半机械化半人工化装置，人为干扰较大，只能进行圆形洞室的全断面开挖，不能进行非圆形断面的台阶法开挖。

《岩石力学与工程学报》2004年第2期介绍了一种大型地下洞室群三维地质力学模型试验中隐蔽洞室开挖方法，确定了隐蔽洞室开挖的基本原则，介绍了试验中隐蔽洞室开挖的实施过程，采用微型步进式TBM对隐蔽洞室母线道进行开挖，但该装置无法进行洞室的台阶法开挖。

《岩土工程学报》2008年第10期介绍了一种坚硬岩体中马蹄形洞室岩爆破坏平面应变模型试验，试验中把预先做好的马蹄形洞室模型试件垂直放置于底板中心，并用塑料薄膜包裹，在安装好的模框内表面预先均匀涂抹一层润滑油便于浇完物理模型后顺利拆模，实现了马蹄形洞室开挖模拟，但采用预埋模具抽拔成洞的方式，无法模拟洞室的实际开挖过程。

《现代隧道技术》2011年第5期介绍了一种三洞交叉模型试验，其中两洞室采用全断面开挖，一洞室采用台阶法开挖，研究交叉部位围岩力学性质与破坏规律，实现了交叉洞室开挖模拟研究，但是两种开挖方式均采用人工开挖，人工开挖难以做到模型洞室开挖方位的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型洞室开挖形态与实际洞室存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性。

《岩石力学与工程学报》2012年第3期介绍了一种超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验，该试验中模型洞室采用了台阶法支护开挖、全断面支护开挖和全断面无支护开挖三种方式，但是均采用人工开挖方式，人工开挖难以做到模型洞室开挖方位的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型洞室开挖形态与实际洞室存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性。

《岩石力学与工程学报》2014年第11期介绍了一种模拟公路隧道下穿双层采空区开挖过程模型试验，该试验采用上下台阶法开挖，模拟了8个完整的施工循环，实现了对工程中台阶法开挖洞室的物理模拟，但是该实验台阶法开挖采用的是人工开挖，人工开挖难以做到模型洞室开挖方位的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型洞室开挖形态与实际洞室存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性。

《岩土力学》2016年S2期介绍了一种用于模拟土体中洞室开挖的自动盾构模型开挖装置，实现了机械化操作，减少了人工开挖带来的干扰影响，且全断面开挖，实现了对实际工程中盾构开挖的模拟，但是该装置适用性不强，仅能用于圆形洞室全断面开挖模拟，不能实现模型洞室的台阶法开挖，也不能实现马蹄形、三心拱形等非圆形洞室的开挖。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，该装置可用于地下工程物理模型试验中不同洞型、微小洞室的自动开挖，既可以进行微小圆形和非圆形洞室的全断面开挖，也能够进行微小圆形和非圆形洞室的台阶法开挖，减少了人工开挖对模型试验结果的影响，实现了模型试验开挖过程的全自动化。

本发明采用如下技术方案实现：

一种物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，包括刀头系统、动力联动系统、顶推控制系统、支撑系统和除渣系统；

所述的刀头系统用于开挖切削模型试验材料；所述的刀头系统包括可拆卸连接的两种不同的刀型，以适应不同类型洞室开挖；

所述的顶推控制系统驱动动力联动系统带动刀头系统开挖前进和后退；

所述除渣系统通过动力联动系统与刀头系统连接，用于及时清除洞室开挖切削下来的废渣；

刀头系统、动力联动系统和顶推控制系统安装在支撑系统上，支撑系统通过连接板安装在模型试验反力架上。

进一步的，所述的刀头系统包括压裂刀片、旋转切削刀片、出渣孔和刀壳；所述的刀壳包括卡接在一起的前半刀壳和后半刀壳，所述的压裂刀片安装在前半刀壳内，旋转切削刀片和出渣孔安装在后半刀壳内，所述旋转切削刀片由顶推控制系统驱动的动力传动杆带动可自由旋转和伸缩。

所述的压裂刀片、旋转切削刀片和刀壳采用高强钢制成。

所述的压裂刀片和旋转切削刀片的数量可根据模型洞室尺寸和形状任意调整。

所述的刀壳是用于容纳压裂刀片与旋转切削刀片和出渣孔的外部壳体，其形状和尺寸与开挖洞室形状和尺寸完全一致。

所述的压裂刀片包括多个，多个压裂刀片竖直的安装在前半刀壳内。

所述的旋转切削刀片沿着圆周方向安装在动力传动杆上。

进一步的，所述的动力联动系统包括动力传动筒、螺纹套环和滑动装置组成，所述的滑动装置由滑动板、滑块和带标尺滑轨组成，带标尺滑轨水平设置在支撑系统上，滑块在顶推控制系统的控制下沿着所述的滑轨移动，所述的滑动板固定在滑块顶部用于支撑动力传动筒；动力传动筒驱动刀头系统。

所述的动力传动筒为螺纹套环分段连接的中空套管，套管内部安装有出渣管和驱动旋转切削刀片转动的动力传动杆。

进一步的，所述的顶推控制系统主要由千斤顶顶推装置和电动控制器组成，千斤顶顶推装置由千斤顶和反力模块组成，千斤顶后端固定于反力模块上，千斤顶前端与动力联动系统的动力传动筒连接，并由电动控制器控制千斤顶驱动动力联动系统带动刀头系统进行洞室开挖前进与后退。

进一步的，所述的支撑系统由支撑板、三角形支撑架、安装板、水准尺组成，所述的支撑板安装在三角形支撑架的顶部；水准尺设置在该支撑板上；安装板设置在三角形支撑架的侧部；该系统主要用于支撑刀头系统、动力联动系统和千斤顶顶推装置，整个支撑系统通过安装在三角形支撑架前方的连接板固定于模型试验反力架上。

进一步的，所述的除渣系统由除渣器和除渣管组成，除渣管一端连接除渣器，另一端穿过动力联动系统的动力传动筒与刀头系统内的出渣孔连接。

本发明技术优势如下：

1、能够开挖不同洞型的洞室，通过更换不同形态的刀头系统可以进行任意形状洞室的开挖，克服现有开挖装置只能开挖圆形洞室的缺点。

2、压裂刀片和旋转切削刀片的数量可根据模型洞室尺寸和形状任意调整；使得该装置能够开挖微小尺寸的洞室，克服了现有模型试验开挖装置只能开挖大断面洞室的缺点，实现了模型试验复杂洞室群的自动开挖。

3、通过更换刀头系统而不改变装置位置实现模型洞室台阶法自动开挖，克服了现有装置只能进行洞室全断面开挖的缺点。

4、刀头系统通过压裂刀片将模型材料切削分块降低强度，再通过旋转切削刀片进行粉碎，避免了出现卡机事故。

5、压裂刀刃的前进速度和旋转切削刀片的旋转速度可以根据材料强度自行调节，提高了刀具的使用寿命，同时降低了开挖对模型体的扰动。

6、能够精确控制开挖进尺与开挖方向，实现模型洞室开挖自动化，大大提高了开挖精度，克服了人工开挖误差的影响；

7、通过调整连接板与反力模块之间的夹角，能够实现模型倾斜洞室的开挖。

8、该装置可应用于水电、交通、能源、矿山、国防等工程领域深部地下洞室模型试验中，具有广泛的应用前景。

9.通过在装置中安装带标尺滑轨以及水准尺等可以实现孔洞的精确开挖。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明自动开挖装置平面结构示意图；

图2是本发明自动开挖装置立体结构示意图；

图3、图4、图5是本发明刀头系统结构示意图；

图6、图7是本发明动力联动系统结构示意图；

其中，1.刀头系统、2.动力联动系统、3.顶推控制系统、4.支撑系统、5.除渣系统、6动力传动筒、7.螺纹套环、8.滑动板、9.滑块、10.带标尺滑轨、11.千斤顶、12.反力模块、13.电动控制器、14.支撑板、15.三角形支撑架、16.连接板、17.水准尺、18.除渣器、19.除渣管、20.压裂刀片、21.旋转切削刀片、22.出渣孔、23.刀壳、24.动力传动杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的开挖装置存在各种各样的问题，例如：半机械化半人工化装置，人为干扰较大，只能进行圆形洞室的全断面开挖，不能进行非圆形断面的台阶法开挖；人工开挖难以做到模型洞室开挖方位的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型洞室开挖形态与实际洞室存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性等等；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于地下工程模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，包括刀头系统1、动力联动系统2、顶推控制系统3、支撑系统4和除渣系统5。刀头系统1用于开挖切削模型试验材料，顶推控制系统3驱动动力联动系统2带动刀头系统1开挖前进和后退，与刀头系统1连接的除渣系统5用于及时清除洞室开挖切削下来的废渣，刀头系统1、动力联动系统2和顶推控制系统3安装在支撑系统4上，支撑系统4通过连接板16安装在模型试验反力架上。

如图3、图4、图5所示，所述的刀头系统1由压裂刀片20、旋转切削刀片21、出渣孔22和刀壳23组成，压裂刀片20和旋转切削刀片21和刀壳23采用高强钢制成。压裂刀片20位于刀头系统1的前部，压裂刀片20主要用于将模型材料预先压裂从而降低材料的强度，压裂刀片20后面装有旋转切削刀片21和出渣孔22。旋转切削刀片21由顶推控制系统3驱动的动力传动杆24带动可自由旋转和伸缩，旋转切削刀片21主要用于粉碎被压裂刀片20压裂成块的模型材料。压裂刀片20和旋转切削刀片21的数量可根据模型洞室尺寸和形状任意调整，保证覆盖整个开挖断面。刀壳23是用于容纳压裂刀片20、旋转切削刀片21和出渣孔22的外部壳体，其形状和尺寸与开挖洞室形状和尺寸完全一致，通过更换不同形态的刀头系统可以进行任意形状洞室的开挖。

如图6、图7所示，所述的动力联动系统2主要由高强钢制作的动力传动筒6、螺纹套环7和滑动装置组成，滑动装置由滑动板8、滑块9、带标尺滑轨10组成。动力传动筒6为螺纹套环7分段连接的中空套管，套管内部安装有出渣管19和驱动旋转切削刀片21转动的动力传动杆24，动力传动筒6的长度可根据洞室开挖长度任意拼装连接；动力传动筒6安装在底部装有四个滑块9的滑动板8上，滑动板8通过滑块9可在带标尺滑轨10上滑动，滑块9和带标尺滑轨10可精确控制洞室的开挖进尺。

所述的顶推控制系统3主要由千斤顶顶推装置和电动控制器13组成，千斤顶顶推装置由千斤顶11和反力模块12组成；千斤顶11后端固定于反力模块12上，千斤顶11顶端与动力联动系统2的动力传动筒6连接，并由电动控制器13控制千斤顶11驱动动力联动系统2带动刀头系统1进行洞室开挖前进与后退。

所述的支撑系统4由支撑板14、三角形支撑架15、安装板16、水准尺17组成，主要用于支撑刀头系统1、动力联动系统2和千斤顶顶推装置，整个支撑系统4通过安装在三角形支撑架15前面的连接板16固定于模型试验反力架上；通过水准尺17调节整个支撑系统4水平度，通过调节安装板16与模型反力架之间的夹角，可实现模型洞室的倾斜开挖。

所述的除渣系统5由除渣器18和除渣管19组成，除渣管19一端连接除渣器18，另一端穿过动力联动系统2的动力传动筒6与刀头系统1内的出渣孔22连接。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，包括刀头系统、动力联动系统、顶推控制系统、支撑系统和除渣系统；

所述的刀头系统用于开挖切削模型试验材料；所述的刀头系统包括压裂刀片、旋转切削刀片、出渣孔和刀壳；所述的刀壳包括卡接在一起的前半刀壳和后半刀壳，所述的压裂刀片安装在前半刀壳内，旋转切削刀片和出渣孔安装在后半刀壳内，所述旋转切削刀片由顶推控制系统驱动的动力传动杆带动可自由旋转和伸缩；所述的压裂刀片和旋转切削刀片的数量可根据模型洞室尺寸和形状任意调整；

所述的顶推控制系统驱动动力联动系统带动刀头系统开挖前进和后退；

所述除渣系统通过动力联动系统与刀头系统连接，用于及时清除洞室开挖切削下来的废渣；

刀头系统、动力联动系统和顶推控制系统安装在支撑系统上，支撑系统通过连接板安装在模型试验反力架上。

2.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的刀壳是用于容纳压裂刀片与旋转切削刀片和出渣孔的外部壳体，其形状和尺寸与开挖洞室形状和尺寸完全一致。

3.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的压裂刀片包括多个，多个压裂刀片竖直的安装在前半刀壳内。

4.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的旋转切削刀片沿着圆周方向安装在动力传动杆上。

5.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的动力联动系统包括动力传动筒、螺纹套环和滑动装置组成，所述的滑动装置由滑动板、滑块和带标尺滑轨组成，带标尺滑轨水平设置在支撑系统上，滑块在顶推控制系统的控制下沿着所述的滑轨移动，所述的滑动板固定在滑块顶部用于支撑动力传动筒；动力传动筒驱动刀头系统；

所述的动力传动筒为螺纹套环分段连接的中空套管，套管内部安装有出渣管和驱动旋转切削刀片转动的动力传动杆。

6.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的顶推控制系统主要由千斤顶顶推装置和电动控制器组成，千斤顶顶推装置由千斤顶和反力模块组成，千斤顶后端固定于反力模块上，千斤顶前端与动力联动系统的动力传动筒连接，并由电动控制器控制千斤顶驱动动力联动系统带动刀头系统进行洞室开挖前进与后退。

7.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的支撑系统由支撑板、三角形支撑架、安装板、水准尺组成，所述的支撑板安装在三角形支撑架的顶部；水准尺设置在该支撑板上；安装板设置在三角形支撑架的侧部；通过调节三角形支撑架的角度能够实现模型倾斜洞室的开挖。

8.如权利要求1所述的物理模型试验不同洞型微小洞室的精确自动开挖装置，其特征在于，所述的除渣系统由除渣器和除渣管组成，除渣管一端连接除渣器，另一端穿过动力联动系统的动力传动筒与刀头系统内的出渣孔连接。