CN112610217B - 适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置及其方法。其中，该装置切割部分，其用于通过横洞对正洞进行双向开挖；视频监测部分，其将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，并与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖；洞内变形监测部分，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，并与其内预存的隧道轮廓特征库比较，实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；操作平台，其与切割部分、视频监测部分和洞内变形监测部分均相连，用于控制切割部分的前进方式。

Description

适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置及其方法

技术领域

本发明属于隧道施工领域，尤其涉及一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

我国幅员辽阔，地质条件复杂，在建隧道所处的地质条件和工程条件愈发复杂，复杂环境下特长隧道施工中的问题也愈发突出。

发明人发现，在隧道实验模型一般的开挖过程中通常使用铁铲或刀具进行人工开挖，传统的开挖方式具有以下几个缺陷：1)耗费时间；2)耗费人力：当实验中使用的隧道实验模型过长时，需要多人轮流开挖；3)面对开挖较长的隧道时，因开挖不方便会导致超挖欠挖；4)超长隧道实验模型的出渣问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其通过横洞对超长隧道模型实验的实验模型展开快速开挖，操作简单，功能完善，可以节省时间和人力，提高开挖速度和效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，包括：

切割部分，其用于通过横洞对正洞进行双向开挖；

视频监测部分，其将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，并与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖；

洞内变形监测部分，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，并与其内预存的隧道轮廓特征库比较，实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；

操作平台，其与切割部分、视频监测部分和洞内变形监测部分均相连，用于控制切割部分的前进方式。

作为一种实施方式，所述操作平台还与推进部分相连，推进部分与切割部分相连，用于实现切割部分自由精确的伸缩。

作为一种实施方式，所述推进部分包括电动推杆，所述电动推杆内置电位器且行程可控，所述电动推杆通过连接杆与切割部分相连。

上述方案的优点在于，电动推杆通过操作平台的控制下可实现切割部分自由精确的伸缩。

作为一种实施方式，所述操作平台还与出渣部分相连，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块送出孔洞外。

作为一种实施方式，所述切割部分包括两个刀盘，每个刀盘上均设置有三个金刚石材质刀片，每个刀盘与相应驱动机构相连。

上述方案的优点在于，改变了人对隧道模型开挖的施力方式，采用三刀片刀盘切割土体的开挖方式，简单省力；这两个刀盘在相应驱动机构的驱动作用下，可实现实验模型的双向开挖，分别控制两个刀盘的前进、后退和开挖速度，达到智能化开挖的目的。

作为一种实施方式，所述视频监测部分包括视频采集模块和视频处理模块，所述视频采集模块用于采集隧道内部开挖视频并传送至视频处理模块，所述视频处理模块用于将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，根据隧道开挖断面与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖；

上述方案的优点在于，这样能够在不影响开挖进度的情况实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，提高了隧道施工的进度。

作为一种实施方式，所述洞内变形监测部分包括激光扫描仪，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征；所述激光扫描仪内置有隧道轮廓特征库。

上述方案的优点在于，该激光扫描仪能够实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，而且内置有隧道轮廓特征库，不需要额外的设备，使得整个双向快速掘进装置结构更加简单。

作为一种实施方式，所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置安装在固定装置上。

上述方案的优点在于，可使该双向快速掘进装置在使用过程中牢牢固定在固定装置上，节省人力，有助于提高该装置在开挖过程中对洞内位移的监测精度。

作为一种实施方式，所述固定装置为三个支撑杆构成的三角形支架，所述支撑杆的高度可调。

上述方案的优点在于，能够适用于不同规格的隧道开挖要求，提高了隧道开挖的精度。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的使用方法，其在模型实验中采用开挖横洞开展双向开挖的开挖方法，为开挖提高了效率和开挖速度，同时在开挖过程中，通过视频监测部分实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，通过洞内变形监测部分实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测，提高了隧道施工的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的使用方法，包括：

在使用前，在与实验模型隧道开挖走向垂直的一侧开挖横洞，通过横洞使用所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置实现实验模型隧道的双向开挖，且确定横洞所挖到位置，横洞大小能够放入所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置；

通过操作平台使两个刀盘分别通过相应推进部分前进、后退或加压；在开挖时根据实验模型土体材料的软硬程度或实验要求来调节刀盘的转动速度；

在开挖过程中，通过视频监测部分实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，通过洞内变形监测部分实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；在开挖中，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块带出，达到出渣的目的；

开挖结束后，通过操作平台控制刀盘退回原位，将适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置从横洞内取出。

本发明的有益效果是：

(1)在模型实验中采用开挖横洞开展双向开挖的开挖方法，为开挖提高了效率和开挖速度。

(2)利用视频监测部分和洞内变形监测部分可以动态实时观测、检测洞内开挖情况和洞内变形位移，有助于试验人员快速了解洞内情况并记录数据，避免了实验模型的超挖欠挖，实时检测洞内位移变形，同时不影响开挖进度。

(3)出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块带出，可对开挖中留下的渣块快速清除，节省了时间，提高了出渣效率。

附图说明

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

图1是本发明实施例的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的正视图；

图2是本发明实施例的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的侧视图；

图3是本发明实施例的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的内部构造图；

图4是本发明实施例的固定装置的示意图。

其中，1刀盘；2激光扫描仪；3摄像头；4连接杆；5手柄；6刀片；7除渣喷水口；8电动马达；9电动推杆；10转动轴；11送水管道；12松紧旋钮； 13三角形支架。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本实施例的一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，包括切割部分、推进部分、出渣部分、视频监测部分、洞内变形监测部分和操作平台。

具体地，切割部分，包括两个刀盘1，用于实现通过横洞对正洞进行双向开挖。

每个刀盘1上均设置有三个金刚石材质刀片6。这样改变了人对隧道模型开挖的施力方式，采用三刀片刀盘切割土体的开挖方式，简单省力。

作为一种具体实施方式，所述切割部分还包括两个驱动机构，这两个驱动机构分别通过转动轴10与两个刀盘对应连接。

在本实施例中，驱动机构采用电动马达8来实现。两个电动马达8通过转动轴10分别与各个刀盘1相连，转动轴为柱状钢管。电动马达选用BMM50型号小型液压马达，长为122mm，宽62.5mm，额定转速为358rpm，额定扭矩为33N·m，峰值扭矩为100N·m，额定输出功率1.2kW。

可以理解的，在其他的实施例中，驱动机构也可采用液压缸等其他现有的驱动机构来实现，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

本实施例的这两个刀盘在相应驱动机构的驱动作用下，可实现实验模型的双向开挖，分别控制两个刀盘的前进、后退和开挖速度，达到智能化开挖的目的。

具体地，推进部分与切割部分相连，用于实现切割部分自由精确的伸缩。

作为一种具体实施方式，所述推进部分包括电动推杆9，所述电动推杆内置电位器且行程可控，所述电动推杆通过连接杆4与切割部分相连。

例如：电动推杆的型号为HF-TGA-A-DW。该推杆最大推力1500N，行程范围： 10mm-1000mm，可选电压：12v、24v、36v、48v，更大速度：27mm/s，使用温度： -10℃-65℃，内置电位器行程可控。

本实施例的电动推杆通过操作平台的控制下可实现切割部分自由精确的伸缩。

具体地，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块送出孔洞外。如图3 所示，出渣部分包括除渣喷水口7，除渣喷水口7的一端与高压冲水机相连，另一端与送水管道11相连。

这样可对开挖中留下的渣块快速清除，节省了时间，提高了出渣效率。

具体地，视频监测部分将采集的隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，根据隧道开挖断面与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖。

具体地，所述视频监测部分包括视频采集模块和视频处理模块，所述视频采集模块用于采集隧道内部开挖视频并传送至视频处理模块，所述视频处理模块用于将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，根据隧道开挖断面与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖。这样能够在不影响开挖进度的情况实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，提高了隧道施工的进度。

例如：视频采集模块采用具有夜视录像功能的摄像头3，直径3.8cm，厚度 1.3cm；200万像素；焦距:2.8mm 3.6mm；自带wifi热点可以同手机电脑直接相连。

具体地，洞内变形监测部分，用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，进而与其内预存的隧道轮廓特征库比较，实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测，提高了隧道施工的稳定性。

作为一种具体实施方式，所述洞内变形监测部分包括激光扫描仪2，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征；所述激光扫描仪内置有隧道轮廓特征库。

例如：该激光扫描仪可测量复杂的几何形状和可覆盖角度范围为空间 170°；使用内置的特征库来进行轮廓分析(如：距离、高度、角度、半径等)；内置智能技术提供了一个独立的传感器，可直接连网而无需在客户的主机上安装软件；外部触发，数字输入/输出，可实现无限传输；物镜可从16mm-250mm 互换，测量速度高达10000分/秒。该激光扫描仪能够实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，而且内置有隧道轮廓特征库，不需要额外的设备，使得整个双向快速掘进装置结构更加简单。

具体地，操作平台与切割部分、推进部分、视频监测部分和洞内变形监测部分均相连，用于控制切割部分的前进方式以及推进部分的启停。

其中，所述操作平台包括处理器和显示屏，所述显示屏用于动态实时显示隧道内部的开挖情况及开挖过程中洞内变形位移情况。显示屏显示的洞内情况智能化控制开挖进程，操作方便，便于实验人员的使用。

在具体实施中，操作平台上还设置有操作面板，操作面板上设置有控制切割部分、推进部分、出渣部分、视频监测部分和洞内变形监测部分的相应按键。

作为另一种实施方式，所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置安装在固定装置上。这样可使该双向快速掘进装置在使用过程中牢牢固定在固定装置上，节省人力，有助于提高该装置在开挖过程中对洞内位移的监测精度。

在具体实施中，适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的底部还设置有手柄5，手柄5用于固定在固定装置上。如图4所示，所述固定装置为三个支撑杆构成的三角形支架13，所述支撑杆的高度可调。能够适用于不同规格的隧道开挖要求，提高了隧道开挖的精度。

通过支撑杆上的松紧旋钮12可实现支撑杆的高度可调。

本实施例的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的使用方法，包括：

在使用前，在与实验模型隧道开挖走向垂直的一侧开挖横洞，通过横洞使用所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置实现实验模型隧道的双向开挖，且确定横洞所挖到位置，横洞大小能够放入所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置；

通过操作平台使两个刀盘分别通过相应推进部分前进、后退或加压；在开挖时根据实验模型土体材料的软硬程度或实验要求来调节刀盘的转动速度；

在开挖过程中，通过视频监测部分实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，通过洞内变形监测部分实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；在开挖中，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块带出，达到出渣的目的；

开挖结束后，通过操作平台控制刀盘退回原位，将适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置从横洞内取出。

本实施例在模型实验中采用开挖横洞开展双向开挖的开挖方法，为开挖提高了效率和开挖速度；利用视频监测部分和洞内变形监测部分可以动态实时观测、检测洞内开挖情况和洞内变形位移，有助于试验人员快速了解洞内情况并记录数据，避免了实验模型的超挖欠挖，实时检测洞内位移变形，同时不影响开挖进度；出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块带出，可对开挖中留下的渣块快速清除，节省了时间，提高了出渣效率。

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

Claims (7)

1.一种适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，包括：

切割部分，其用于通过横洞对正洞进行双向开挖；

视频监测部分，其将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，并与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖；

洞内变形监测部分，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征，并与其内预存的隧道轮廓特征库比较，实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；

操作平台，其与切割部分、视频监测部分和洞内变形监测部分均相连，用于控制切割部分的前进方式；

所述操作平台还与出渣部分相连，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块送出孔洞外；所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置安装在固定装置上，所述固定装置为三个支撑杆构成的三角形支架，所述支撑杆的高度可调；

在使用前，在与实验模型隧道开挖走向垂直的一侧开挖横洞，通过横洞使用所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置实现实验模型隧道的双向开挖，且确定横洞所挖到位置，横洞大小能够放入所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置。

2.如权利要求1所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，所述操作平台还与推进部分相连，推进部分与切割部分相连，用于实现切割部分自由精确的伸缩。

3.如权利要求2所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，所述推进部分包括电动推杆，所述电动推杆内置电位器且行程可控，所述电动推杆通过连接杆与切割部分相连。

4.如权利要求1所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，所述切割部分包括两个刀盘，每个刀盘上均设置有三个金刚石材质刀片，每个刀盘与相应驱动机构相连。

5.如权利要求1所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，所述视频监测部分包括视频采集模块和视频处理模块，所述视频采集模块用于采集隧道内部开挖视频并传送至视频处理模块，所述视频处理模块用于将隧道内部开挖视频转换为连续帧隧道内部图像，提取各帧隧道内部图像的隧道开挖断面，根据隧道开挖断面与预先设计的开挖轮廓线位置比较，实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖。

6.如权利要求1所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置，其特征在于，所述洞内变形监测部分包括激光扫描仪，其用于实时采集隧道施工过程中隧道轮廓特征；所述激光扫描仪内置有隧道轮廓特征库。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置的使用方法，其特征在于，包括：

在使用前，在与实验模型隧道开挖走向垂直的一侧开挖横洞，通过横洞使用所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置实现实验模型隧道的双向开挖，且确定横洞所挖到位置，横洞大小能够放入所述适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置；

通过操作平台使两个刀盘分别通过相应推进部分前进、后退或加压；在开挖时根据实验模型土体材料的软硬程度或实验要求来调节刀盘的转动速度；

在开挖过程中，通过视频监测部分实时监测隧道内部的开挖情况，以防止隧道超挖欠挖，通过洞内变形监测部分实现开挖过程中洞内变形位移的实时监测；在开挖中，出渣部分外接高压冲水机，利用水压将渣块带出，达到出渣的目的；

开挖结束后，通过操作平台控制刀盘退回原位，将适用于模拟横洞向正洞施工的双向快速掘进装置从横洞内取出。

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