CN112071182B - 一种微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，包括顶部和一侧边开口的箱体、设置在箱体开口侧边的移动式可视挡板，在箱体和可视挡板之间装有土层，在土层内设有与设置在外部的采集仪相电连接的传感器；在可视挡板上设有用于放置刀盘的安装孔，刀盘一部分用于在土层中掘进，另一部分穿过安装孔进行空转，进行半断面土层的掘进；刀盘和可视挡板均与传动杆固定连接，传动杆与外部的微型掘进机相连接，刀盘和可视挡板在传动杆的带动下同步向前移动。本发明实现了半断面掘进，并可实时观察隧道开挖过中内部围岩变化动态，监测隧道内部围岩位移及应变规律，更好地展现了掘进机开挖隧道工况的实时展现。

Description

一种微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机室内试验技术领域，具体涉及一种微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱。

背景技术

全断面隧道掘进机具有掘进速度快、围岩扰动小、全断面一次开挖成型等特点，被广泛应用于长大隧道工程中。利用室内试验平台进行全断面掘进机施工模拟，开展隧道结构性能及围岩变形规律研究，获取施工中隧道结构及围岩应力场和位移场，对隧道施工技术具有重要的理论意义。

目前关于全断面隧道掘进施工中隧道结构性能及围岩稳定性研究主要有施工现场测试、数值模拟及室内试验。现场测试无法及时获取单洞隧道开挖前内部围岩位移及应力，而支护结构在开挖后一段时间内才完成支护，无法第一时间获得结构力学性能参数。数值模拟研究虽然可以获得施工全工序结构及围岩变化规律，但是其数值模拟参数、边界条件等无法完全与现场施工一致，获得的结果具有一定的局限性。室内试验虽然可以对全断面掘进施工进行物理模拟，但是施工中围岩变化规律只能采用传统的埋深传感器的方法获取，但无法更加直观地获取隧洞掌子面及其前后方内部围岩变化规律及隧道事故的发生。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，实现了实验过程中可更加直观的观察隧道围岩变化过程和准确获取隧道围岩深部应力场和位移场的变化情况。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，包括顶部和一侧边开口的箱体、设置在所述箱体开口侧边的移动式可视挡板，在所述箱体和可视挡板之间装有土层，在所述土层内设有与设置在外部的采集仪相电连接的传感器；在所述可视挡板上设有用于放置刀盘的安装孔，所述刀盘一部分用于在土层中掘进，另一部分穿过所述安装孔进行空转，进行半断面土层的掘进；所述刀盘和可视挡板均与传动杆固定连接，所述传动杆与外部的微型掘进机相连接，刀盘和可视挡板在传动杆的带动下同步向前移动。

针对上述技术方案，箱体和可视挡板共同构成了上端开口的试验箱，在试验箱内分层填筑土层，并根据设计将传感器掩埋在不同的土层内；刀盘卡装在可视挡板的安装孔内，在传动杆的带动下刀盘和可视挡板一起前后移动，确保刀盘始终位于安装孔内；刀盘一部分与土层接触并在土层中掘进，刀盘的另一部分穿过安装孔进行空转，使刀盘始终处于一部分与土层接触，从而实现了半断面土层掘进，用于对土层数据的研究；微型掘进机为现有技术，由其带动传动杆转动；传动杆为刀盘和可视挡板提供推力和动力；可视挡板主要用于试验时隧道及围岩动态变化的展示，与箱体结合形成试验箱，用于试验土样填充。土层为试验用土样经设计夯实填充在试验箱内的土体，其物理力学特性根据不同的试验进行确定。传感器主要用于对试验过程中隧道围岩土体压力、位移、水压等参数的跟踪测试，传感器在土层填筑时进行预埋安装，通过导线与采集仪相连，实现测试参数的实时读取和存储。刀盘主要用于旋转时对土体进行切削。

优选的，所述箱体包括框架和设置在框架周边的挡板，所述框架由立柱和横杆拼接成一侧开口的“U”型结构，所述横杆和立柱均成“L”型直角设置，且在所述横杆和立柱的两个直角边上均设有安装槽；所述挡板分别卡装在两个相对应的所述安装槽内。

优选的，在所述框架开口侧的上方横杆和下方横杆上分别设有相对应的导向滑杆，所述导向滑杆的结构与所述横杆的结构相同；所述可视挡板安装在所述导向滑杆的竖向安装槽内并沿其进行滑动。

横杆、立柱和导向滑杆共同拼成矩形立体结构的试验框，结构紧凑，设计合理，制作成本低；在它们的直角边上均设置安装槽，方便挡板和可视挡板的固定和安装，挡板和安装槽之间可添加密封条或者采用胶封将二者固定，可视挡板以其对应的安装槽为滑道可沿其进行滑动，同时方便刀盘和安装孔同步移动。

优选的，所述导向滑杆的长度大于所述横杆的长度；所述可视挡板的长度大于所述横杆的长度，小于所述导向滑杆的长度。确保可视挡板始终位于导向滑杆内，且试验箱始终为密封结构，避免土层坍塌。

优选的，所述可视挡板包括两块玻璃板，在所述玻璃板的一侧设有凹槽，两个所述玻璃板相对设置，使两个凹槽构成矩形的安装孔。方便运输和安装，同时方便刀盘的安装。

优选的，在所述安装孔内沿垂直于其所在平面的方向上设有固定架，所述固定架呈“U”型，使所述刀盘位于所述固定架内，且所述固定架的两侧分别与所述可视挡板的两块玻璃板固定连接，所述固定架的一端还固定连接有传动杆。固定架即可以将两块玻璃板连接在一起，同时又要与传动杆连接，实现在传动杆的带动下使两块玻璃板同步移动，始终保持两块玻璃板上的凹槽相接触；另外可以起到保护刀盘的作用，避免刀盘被碰损或者伤人。

优选的，在所述传动杆的外侧设有套筒。套筒用于保护传动杆，同时保证操作过程中人员的安全。

优选的，在所述刀盘上设有多个滚刀，在相邻所述滚刀之间设有进渣口。滚刀对土层进行切削，被切削下来的土样经过进渣口落至刀盘后面。

本发明的有益效果是：

本发明通过箱体与可视挡板形成实验箱体，分层填筑土层及预埋传感器形成实验土层；可视挡板与传力杆相连使可视化挡板与刀盘同步行走，确保刀盘始终处于穿过安装孔的状态；该发明整体实现了微型掘进机进行半断面掘进，并可通过可视挡板实时观察隧道开挖过程中内部围岩的变化动态，通过采集仪反应的数据总结和监测隧道内部围岩位移及应变规律，更好地展现了掘进机开挖隧道工况的实时展现。

该发明的试验箱结构简单、便于拆装，可直接观察隧道内部围岩变化，同时可通过三维数字散斑进行隧道内部围岩变化监测与分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施过程中的状态示意图；

图3为本发明挡板的安装示意图；

图4为本发明的横档剖面图；

图5为本发明刀盘的结构示意图；

图6为本发明可视化挡板与刀盘的位置示意图；

图7为本发明可视化挡板的结构示意图；

图8为本发明固定架与可视化挡板的安装位置示意图；

图9为本发明沿A-A方向的剖视图。

图中：1横杆；2 挡板；3安装孔；4刀盘；5半断面隧道；6传动杆；7微型掘进机；8土层；9传感器；10采集仪；11立柱；12可视挡板；13导向滑杆；14玻璃板，15凹槽，16固定架；17滚刀，18进渣口，19安装槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1-5所示，一种用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，包括顶部和一侧边开口的箱体、设置在箱体开口侧边的移动式可视挡板12，在箱体和可视挡板12之间装有土层8，在土层8内设有与设置在外部的采集仪10相电连接的传感器9；在可视挡板12上设有用于放置刀盘4的安装孔3，刀盘4一部分用于在土层8中掘进，另一部分穿过安装孔3进行空转，进行半断面土层8的掘进；刀盘4和可视挡板12均与传动杆6固定连接，传动杆6与外部的微型掘进机7相连接，刀盘4和可视挡板12在传动杆6的带动下同步向前移动，且刀盘4圆心始终位于可视挡板12的内侧，确保传动杆6与可视挡板12之间始终具有安全的传动距离。在传动杆6的外侧设有套筒，在刀盘4上设有多个滚刀17，在相邻滚刀17之间设有进渣口18。

箱体包括框架和设置在框架周边的挡板2，框架由立柱11和横杆1拼接成一侧开口的“U”型结构，横杆1和立柱11均成“L”型直角设置，且在横杆1和立柱11的两个直角边上均设有安装槽19；挡板2分别卡装在两个相对应的安装槽19内。

在框架开口侧的上方横杆1和下方横杆1上分别设有相对应的导向滑杆13，导向滑杆13的结构与横杆1的结构相同；可视挡板12安装在所述导向滑杆13的竖向安装槽19内并沿其进行滑动。

导向滑杆13的长度大于所述横杆1的长度；可视挡板12的长度大于横杆1的长度，小于导向滑杆13的长度。

实施例2

本实施例与实施例1相比，不同之处在于可视挡板12的结构，其他结构均与实施例1相一致。

本实施例中：如图6-9所示，可视挡板12包括两块玻璃板14，在玻璃板14的一侧设有凹槽15，两个玻璃板14相对设置，使两个凹槽15构成矩形的安装孔3，用于放置刀盘4。

在安装孔3内沿垂直于其所在平面的方向上设有固定架16，固定架16呈“U”型，使刀盘4位于固定架16内，且固定架16的两侧分别与可视挡板12的两块玻璃板14固定连接，固定架16的一端还固定连接有传动杆6。

实施例3

本实施例的结构与实施例1和2相一致，在此对试验箱的尺寸参数进行描述：

箱体的尺寸为：长1.0m×高1.2m×宽1.0m；可视挡板12的尺寸为：长1.0m×高1.2m；安装孔3的尺寸为：高30cm×宽30cm；刀盘4的尺寸为：外径20cm，厚度10cm；安装槽19的深度为20mm；导向滑杆13的长度为2m。

本发明的安装过程：将横杆1、立柱11和导向滑杆13固定在一起，并将挡板分别卡装在相应的安装槽内，将可视挡板12安装在导向滑杆13的竖向安装槽内，形成试验箱。分层向试验箱中填筑试验土，并将传感器9预埋在设定的位置处，传感器9通过导线均与外部设置的采集仪10相连接。将刀盘4和可视挡板12均与传动杆6固定连接，同时使刀盘4的一部分穿过安装孔3，完成安装。

本发明的使用方法：在掘进的过程中，刀盘4转动对土层8进行切削，切削下来的土通过进渣口18进入到刀盘4的后面，切削后的土层8形成半断面隧道5；微型掘进机7带动传动杆6伸长，传动杆6带动刀盘4和可视挡板12同步前后移动，使刀盘4的一部分始终在安装孔3内，完成半断面的掘进，经过可视挡板12可以实时直观的观察掘进过程中土层8的变化状态；同时传感器9将掘进过程中土层8的变化传输给采集仪10，实时观察掘进过程中对周边围岩的扰动情况。

在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件，所涉及的结构设置方式、工作方式或控制方式如无特别说明，均为本领域常规的设置方式、工作方式或控制方式，如微型掘进机、传感器、采集仪。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，包括顶部和一侧边开口的箱体、设置在所述箱体开口侧边的移动式可视挡板，在所述箱体和可视挡板之间装有土层，在所述土层内设有与设置在外部的采集仪相电连接的传感器；在所述可视挡板上设有用于放置刀盘的安装孔，所述刀盘一部分用于在土层中掘进，另一部分穿过所述安装孔进行空转，进行半断面土层的掘进；所述刀盘和可视挡板均与传动杆固定连接，所述传动杆与外部的微型掘进机相连接，刀盘和可视挡板在传动杆的带动下同步向前移动；

所述箱体包括框架和设置在框架周边的挡板，所述框架由立柱和横杆拼接成一侧开口的“U”型结构，所述横杆和立柱均成“L”型直角设置，且在所述横杆和立柱的两个直角边上均设有安装槽；所述挡板分别卡装在两个相对应的所述安装槽内；

在所述框架开口侧的上方横杆和下方横杆上分别设有相对应的导向滑杆，所述导向滑杆的结构与所述横杆的结构相同；所述可视挡板安装在所述导向滑杆的竖向安装槽内并沿其进行滑动。

2.根据权利要求1所述的用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，所述导向滑杆的长度大于所述横杆的长度；所述可视挡板的长度大于所述横杆的长度，小于所述导向滑杆的长度。

3.根据权利要求1所述的用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，所述可视挡板包括两块玻璃板，在所述玻璃板的一侧设有凹槽，两个所述玻璃板相对设置，使两个凹槽构成矩形的安装孔。

4.根据权利要求3所述的用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，在所述安装孔内沿垂直于其所在平面的方向上设有固定架，所述固定架呈“U”型，使所述刀盘位于所述固定架内，且所述固定架的两侧分别与所述可视挡板的两块玻璃板固定连接，所述固定架的一端还固定连接有传动杆。

5.根据权利要求1所述的用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，在所述传动杆的外侧设有套筒。

6.根据权利要求1所述的用于微型掘进机半断面掘进的可视化试验箱，其特征在于，在所述刀盘上设有多个滚刀，在相邻所述滚刀之间设有进渣口。

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