模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置的制作方法

本实用新型涉及隧道工程地质灾害模型试验技术，具体涉及一种模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置及方法。

背景技术：

随着交通建设的蓬勃发展，我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家，其中有大量地质条件极其复杂的隧道工程正在建设或已被提上日程。大量的软岩隧道、黄土隧道及其他围岩质量较差的隧道需要进行分部开挖。在相似理论的指导下，模型试验能较好的还原实际的工程情况，因此，对于在建隧道进行模型试验来研究技术难题变得越来越有意义。目前，对于隧道模型试验的开挖主要以人工手动开挖和使用普通掘进机械装置进行全断面开挖，无法还原实际隧道施工过程中的施工方法。因此，亟需研发一个能最大程度模拟实际隧道分部开挖的多功能智能掘进装置。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种结构简单、自动化程度高、操作方便的模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置，包括操作平台、浆液泵送系统、多功能旋转掘进系统、精准动力推进系统和信息采集及处理系统；其中：

所述操作平台包括操作平台板，操作平台板的一侧设有用于组成浆液泵送系统的浆液池和泵送装置，泵送装置上方设有用以向浆液池内注浆的导浆喷头；

所述多功能旋转掘进系统包括多功能旋转掘进桶、支撑轴和可升降装置，多功能旋转掘进桶安装于操作平台板上，操作平台板的底部安装用于调节位置的可升降装置，多功能旋转掘进桶内部设置一组相互独立的用于实施钻孔、注浆或开挖工作的操作通道，支撑轴安装在多功能旋转掘进桶内且支撑轴与各个操作通道之间的位置可调；

所述的精准动力推进系统包括螺旋推进杆、传动轴、设置于操作平台板上的半圆形凹槽轨道、发动机和变速箱，发动机和变速箱滑动安装于半圆形凹槽轨道内，传动轴的一端连接螺旋推进杆、另一端连接变速箱，变速箱表面设置有一组与传动轴尺寸吻合的圆孔，圆孔排列成预设形状用以匹配多功能旋转掘进桶内的不同掘进通道、实现对隧道进行不同工法的精准分部开挖或全断面开挖，螺旋推进杆的一端连接传动轴、另一端连接独立的操作通道；

所述信息采集及处理系统包括用以对整个装置进行智能控制的数显控制箱、用于采集钻孔、注浆或开挖工作过程中的参数信息的检测装置、用于数据处理、分析和显示的电脑，数显控制箱和电脑之间通信连接。

作为优选，所述操作通道包括用于对隧道进行不同工法的精准分部开挖或全断面开挖的交叉中隔壁法掘进通道、中隔壁法与三台阶法结合掘进通道、三台阶七步法掘进通道、双侧壁导坑法掘进通道和用于钻孔和注浆的钻孔与注浆通道；

所述检测装置包括设置于操作平台板上的数字照相装置、微型摄像头、液压传感器，数字照相装置用于采集隧道开挖断面的图像数据；

所述交叉中隔壁法掘进通道、中隔壁法与三台阶法结合掘进通道、三台阶七步法掘进通道和双侧壁导坑法掘进通道内均设有隔壁支护板和由隔壁支护板隔开的独立掘进单元，钻孔与注浆通道内包含一个交叉中隔壁支护板和四个独立的钻孔与注浆推进单元，各个独立掘进单元和各个钻孔与注浆推进单元的的后端均设有预留圆孔，螺旋推进杆的另一端通过预留圆孔连接相应的独立掘进单元或钻孔与注浆推进单元；

所述独立掘进单元的前端设置掘进刀具，掘进刀具上设有微型摄像头，用以在掘进过程中实时监测；所述掘进刀具沿竖直方向布置若干可旋转式的圆柱形钢轴，圆柱形钢轴前后设有薄钢板所制成的刀片，掘进刀具沿水平方向等间距布置钢丝；

所述钻孔与注浆推进单元的前端设置钻孔钢轴或注浆导管，钻孔与注浆推进单元内部设置输浆管，输浆管配有液压传感器，用以监测注浆压力，钻孔工作时安装钻孔钢轴，钻孔工作结束后，将钻孔钢轴换为注浆导管，输浆管与导浆喷头之间通过设置橡胶软管连接，形成完整的注浆通道。

作为优选，所述钻孔钢轴前端为圆锥体、末端设有弹簧补偿器，用以实现钻孔钢轴角度的改变，注浆导管前端为空心椎体、表面设有透浆圆孔。

作为优选，所述交叉中隔壁法掘进通道内的隔壁支护板为由一个四向连接钢构件和四块连接四向连接钢构件的薄钢板组成的可拆卸式交叉中隔壁支护板，薄钢板一端连接四向连接钢构件、另一端嵌入交叉中隔壁法掘进通道。

作为优选，所述中隔壁法与三台阶法结合掘进通道内的隔壁支护板主要由两个四向连接钢构件和七块薄钢板组成；三台阶七步法掘进通道内的隔壁支护板主要由四个四向连接钢构件和十块薄钢板组成；双侧壁导坑法掘进通道内的隔壁支护板主要由两个三向连接钢构件、四块曲面型薄钢板和一块平面薄钢板组成。

作为优选，所述传动轴的表面设有外螺纹，螺旋推进杆的表面设有刻度、内部设有与外螺纹相吻合的内螺纹，螺旋推进杆的前端设有弹簧按钮和伸缩弹簧键，按下弹簧按钮，伸缩弹簧键缩回杆内，螺旋推进杆插入预留圆孔内，然后松开弹簧按钮，伸缩弹簧键分别位于预留圆孔的两边，螺旋推进杆被固定，用以连接独立掘进单元或钻孔与注浆推进单元。

作为优选，所述支撑轴设有弹簧控制按钮和伸缩弹簧键，弹簧控制按钮用于伸缩弹簧键的开启和关闭，多功能旋转掘进桶内预留有容置支撑轴的孔道，且各个独立操作通道与孔道之间预留有与所述伸缩弹簧键适配的圆柱形凹槽。

作为优选，所述发动机和变速箱下方设有可转动钢球，钢球尺寸与半圆形凹槽轨道的尺寸吻合。

作为优选，所述可升降装置包括设置于操作平台板下方的底部带滚轮的可升降桌腿。

本实用新型还公开了前述的模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置的试验方法，包括如下操作步骤：

步骤A、试验前准备

调整数显控制箱，将变速箱和发动机置于原位，调整可升降装置，使钻孔与注浆通道对准所要开挖的隧道断面，将配置好的浆液注入浆液池，将螺旋推进杆套上传动轴，通过橡胶软管连接导浆喷头和输浆管，根据试验需要，选择隧道断面需要注浆的部位，确定需要使用的钻孔钢轴和橡胶软管的数量，最后连接螺旋推进杆和钻孔与注浆推进单元；

步骤B、钻孔和注浆

完成步骤A中的准备工作后，通过数显控制箱设定好钻孔钢轴的推进距离和钻孔角度，启动发动机，推进钻孔钢轴进入隧道断面，达到预定距离后退出钻孔钢轴，换上注浆导管，再次进入岩体，到达预定位置后，开始注浆，通过数显控制箱上的显示器来观察液压传感器的数值变化，达到预设数值后，即可结束注浆；

步骤C、薄钢板支护、开挖和照相

完成步骤B，在岩体可以开挖后，转动多功能旋转掘进桶对准隧道开挖部位，在变速箱表面圆孔的预设位置上处安装传动轴，并且套上对应的旋转推进杆，继而连接四个独立的掘进单元，调整数显控制箱，使掘进刀具上的薄钢片垂直于隧道开挖断面，然后启动发动机，开始进行开挖，采用同时推进四个掘进单元全断面开挖、同时推进两个掘进单元进行中隔壁法或两台阶法开挖、一次推进一个掘进单元进行交叉中隔壁法开挖中的任一种方式开挖；开挖过程中通过微型摄像头和电脑来实时监测开挖进程，到达预定距离后，调整掘进刀具，使掘进刀具的钢轴旋转90度、薄钢刀片与掘进单元形成封闭，螺旋退出掘进单元，此时，打开数字照相装置，对隧道开挖断面连续采集照片并上传图像数据，用于对隧道围岩位移场和掌子面进行全程监测与分析；

步骤D、重复直至完成

在独立掘进单元首次掘进完成后，将掘进单元所接触的薄钢板推入隧道内，推至掘进距离，用作支护结构，每掘进一段距离后，重复步骤B、步骤C进行钻孔、注浆、薄钢板支护、开挖数字照相步骤，直至整个隧道模型试验掘进完成。

有益效果：本实用新型提供的模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置，能较好的模拟隧道分部开挖步骤，从钻孔、注浆、到不同的分部开挖工法(包括全断面开挖，中隔壁法开挖，交叉中隔壁法开挖、三台阶法开挖、三台阶与中隔壁法结合开挖、三台阶七步法开挖、双侧壁导坑法开挖)、支护、以及试验的后续数据处理分析。与其现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)对隧道断面可实行全断面注浆和部分断面注浆，且注浆深度、具体注浆位置可控；

(2)可实现掘进过程中，不同开挖工法的转换，以及开挖距离的精准控制，简易支护的及时跟进，由于独立掘进单元的密闭性好，不会对未开挖岩体进行扰动，也能较干净的清理出所开挖的相似材料；

(3)本装置采用非接触数字照相装置，方便结合计算机图像后处理分析技术，实现开挖过程中隧道围岩位移的监控与分析；

(4)本装置采用微型摄像头、数显控制箱和电脑等设备，由数显控制箱对整个装置中进行自动化控制，实现高度智能化、精细化操作，只需一人便可进行独立操作。

附图说明

图1为图1为本实用新型装置的立体结构示意图；

图2为图1中的多功能旋转掘进桶的立体结构示意图；

图3为交叉中隔壁法掘进通道的结构示意图；

图4为中隔壁法与三台阶法结合掘进通道的结构示意图；

图5为三台阶七步法掘进通道的结构示意图；

图6为双侧壁导坑法掘进通道的结构示意图；

图7为钻孔与注浆通道的结构示意图；

图8为螺旋推进杆和传动轴的结构示意图；

图9为变速箱的结构示意图；

其中：1-操作平台板；2-可升降桌腿；3-多功能旋转掘进桶；4-滚轮；5-可升降装置；6-传动轴；7-变速箱；8-发动机；9-半圆形凹槽轨道；10-导浆喷头；11-泵送装置；12-浆液池；13-数显控制箱；14-数字照相装置；15-电脑；16-交叉中隔壁法掘进通道；17-中隔壁法与三台阶法结合掘进通道；18-三台阶七步法掘进通道；19-双侧壁导坑法掘进通道；20-钻孔与注浆通道；21-孔道；22-支撑轴；23-弹簧按钮；24-弹簧伸缩键；25-四向连接钢构件；26-交叉中隔壁法独立掘进单元；27-掘进刀具；28-微型摄像头；29-薄钢板；30～31-中隔壁法与三台阶法结合独立掘进单元；32～35-三台阶七步法独立掘进单元；36-三向连接钢构件；37-2mm厚曲面形薄钢板；38～39-双侧壁导坑法独立掘进单元；40-螺旋推进杆；41-内螺纹；42-刻度；43-外螺纹；44-钢球；45-钻孔钢轴；46-液压传感器；47-输浆管；48-橡胶软管；49-注浆导管；50-钻孔与注浆推进单元；51-弹簧补偿器；60～80-圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

本实用新型提供一种模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置，包括多功能旋转掘进系统、精准动力推进系统、信息采集及处理系统；所述多功能旋转掘进系统包括多功能旋转掘进桶和可升降装置，多功能旋转掘进桶包含若干个相互独立的操作通道(比如交叉中隔壁法掘进通道、中隔壁法与三台阶法结合掘进通道、三台阶七步法掘进通道、双侧壁导坑法掘进通道、钻孔与注浆通道等)，用以实现不同的分部开挖工法(比如全断面开挖、中隔壁法开挖、交叉中隔壁法开挖、三台阶法开挖、三台阶与中隔壁法结合开挖、三台阶七步法开挖、双侧壁导坑法开挖等)。

具体地，钻孔与注浆通道内包含一个交叉中隔壁支护板和四个独立推进单元，推进单元前端设置由两根直径为5mm的钻孔钢轴，钢轴前端为圆锥体，实心钢轴末端为弹簧补偿器，用以实现钻孔钢轴角度的改变，在所述推进单元内部设置两根输浆管，配有液压传感器，用以监测注浆压力，钻孔工作结束后，可将钻孔钢轴换为注浆导管，注浆导管前端为空心椎体，整体表面有透浆圆孔，通过橡胶软管连接输浆管与导浆喷头，可形成完整的注浆通道。精准动力推进系统包括带有刻度的螺旋推进杆、表面设有螺纹的传动轴、发动机和变速箱，所述螺旋推进杆内设有与传动轴表面螺纹相吻合的螺纹，前端设有弹簧按钮和伸缩弹簧键，用以连接独立掘进单元或注浆推进单元，发动机和变速箱下方设有可转动钢球，钢球尺寸与半圆形凹槽轨道的尺寸吻合，变速箱表面设置有与传动轴尺寸吻合的圆孔，用以实现对隧道进行不同工法的精准分部开挖或全断面开挖。

如图1至9所示为本实用新型的一个优选实施例，即一种模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置，主要由操作平台板1、可升降桌腿2、多功能旋转掘进桶3、滚轮4、升降装置5、传动轴6、变速箱7、发动机8、半圆形凹槽轨道9、导浆喷头10、泵送装置11、浆液池12、自动控制箱13、数字照相系统14和电脑15等构成。

如图2所示，多功能旋转掘进桶3与可升降装置5通过支撑轴22套入预留孔道21来进行连接，通过弹簧按钮23及伸缩弹簧键24来固定。如图3所示，可拆卸式交叉中隔壁支护板主要由一个四向连接钢构件25和四块厚度为2mm薄钢板29组成。如图4所示，可拆卸式中隔壁法与三台阶法结合支护板主要由两个四向连接钢构件和七块厚度为2mm薄钢板组成。如图5所示，可拆卸式三台阶七步法支护板主要由四个四向连接钢构件和十块厚度为2mm薄钢板组成。如图6所示，可拆卸式双侧壁导坑法支护板主要由两个三向连接钢构件36、四块厚度为2mm的曲面型薄钢板37和一块平面薄钢板组成。上述掘进通道与支护板之间为独立掘进单元，如图3、4、5、6所示，独立掘进单元26、30、31、32、33、34、35、38、39内均布置有掘进刀具27，所述掘进刀具27沿垂直方向布置若干直径为3mm的可旋转式圆柱形钢轴，圆轴前后有厚度为0.2mm的薄钢板所制成的刀片，水平方向等间距布置直径为0.2mm的钢丝。如图7所示，钻孔与注浆推进通道19内置有钻孔与注浆推进单元50，推进单元前端设置由两根直径为5mm的实心钢轴45，用以钻孔，钢轴末端为弹簧补偿器51，用以实现钻孔钢轴角度的改变，钻孔结束后可更换为注浆导管49；钻孔与注浆推进单元内部设置由两根薄钢制成的输浆管47，并配有液压传感器46，用以监测注浆时压力变化，通过橡胶软管48与输浆管47连接，可形成完整的注浆通道。如图8、9所示，螺旋推进杆40内设有与螺纹43相吻合的螺纹，前端设有弹簧按钮23和伸缩弹簧键24，用以连接独立掘进单元或推进单元50，发动机8和变速箱7下方设有可转动钢球44，钢球尺寸与半圆形凹槽轨道9的尺寸吻合；变速箱7表面设置有与传动轴6尺寸吻合的圆孔60～80，用以实现对隧道进行不同工法的精准分部开挖或全断面开挖。

本案的模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置的试验方法的具体步骤如下：

步骤A、试验前准备

调整数显控制箱，将变速箱和发动机置于原位，调整可升降装置，使钻孔与注浆通道对准所要开挖的隧道断面，将配置好的浆液注入浆液池，将螺旋推进杆套上传动，通过橡胶软管连接导浆喷头和输浆，根据试验需要，选择隧道断面需要注浆的部位，确定需要使用的钻孔钢和橡胶软管的数量，最后通过螺旋推进杆的弹簧按钮连接螺旋推进杆与钻孔与注浆推进单元；

步骤B、钻孔和注浆

完成步骤A中的准备工作后，通过数显控制箱设定好钻孔钢轴的推进距离和钻孔角度，启动发动机，推进钻孔钢轴进入隧道断面，达到预定距离后退出钻孔钢，换上注浆导管，再次进入岩体，到达预定位置后，开始注浆，通过数显控制箱上的显示器来观察液压传感器的数值变化，达到预设数值后，即可结束注浆；

步骤C、薄钢板支护、开挖和照相

完成步骤B，在岩体可以开挖后，转动多功能旋转掘进使用交叉中隔壁法扭进通过对准隧道开挖部位，在变速箱表面圆孔的预设位置上处安装传动轴，并且套上对应的旋转推进杆，继而连接四个独立的掘进单元，调整数显控制箱，使掘进刀上的薄钢片垂直于隧道开挖断面，然后启动发动机，开始进行开挖，采用同时推进四个掘进单元全断面开挖、同时推进两个掘进单元进行中隔壁法或两台阶法开挖、一次推进一个掘进单元进行交叉中隔壁法开挖中的任一种方式开挖；开挖过程中通过微型摄像和电来实时监测开挖进程，到达预定距离后，调整掘进刀具，使掘进刀具的钢轴旋转90度、薄钢刀片与掘进单元形成封闭，螺旋退出掘进单元，此时，打开数字照相装置，对隧道开挖断面连续采集照片并上传图像数据，用于对隧道围岩位移场和掌子面进行全程监测与分析；

步骤D、重复直至完成

在独立掘进单元首次掘进完成后，将掘进单元所接触的薄钢板推入隧道内，推至掘进距离，用作支护结构，每掘进一段距离后，重复步骤B、步骤C进行钻孔、注浆、薄钢板支护、开挖数字照相步骤，直至整个隧道模型试验掘进完成。

具体地，本案的模拟三台阶七步开挖法掘进的具体步骤如下：

(1)试验前，调整自动控制箱13，将变速箱7及发动机8置于原位，调整可升降装置5，使钻孔与注浆通道19对准所要开挖隧道断面，将配置好的浆液注入浆液池12，在变速箱表面圆孔72、71、78、73、60、77、74、75、76处安装传动轴6，即选取了三台阶七步法掘进通道18，将螺旋推进杆40套上传动轴6，通过橡胶软管48连接导浆喷头10和输浆管47，根据试验需要，选择隧道断面注浆的部位，继而选择需要使用的钻孔钢轴45和橡胶软管的数量，不需使用的钢轴可褪去，导浆喷头上使用不到的出浆孔可用塞子将其堵住，最后通过弹簧按钮23连接螺旋推进杆40与独立注浆推进单元50；

(2)通过数显控制箱13设定好钻孔钢轴45的推进距离和钻孔角度，启动发动机8，推进钻孔钢轴进入隧道断面，达到预定距离后退出钻孔钢轴，换上注浆导管49，再次进入岩体，到达预定位置后，开始注浆，通过数显控制箱上的显示器来观察液压传感器46的数值变化，达到预设数值后，即可结束注浆；

(3)在岩体可以开挖后，通过数显控制箱13旋转多功能旋转掘进桶3，使三台阶七步法掘进通道18对准隧道开挖断面，调整数显控制箱，使掘进刀具27上的薄钢刀片垂直于待开挖断面，继而，启动发动机，通过圆孔71处的传动轴来进行第一单元的掘进开挖，开挖过程中通过微型摄像头和电脑来实时监测开挖进程，到达预定距离后，通过数显控制箱调整掘进刀具27，使掘进刀具的钢轴旋转90°，进而薄钢刀片平行与隧道掌子面，开挖完毕退出第一掘进单元，使薄钢刀片再次旋转90°，打开旋转推进杆40与掘进单元之间的连接，螺旋退出掘进单元，将发动机、变速箱及传动轴沿预留半圆形凹槽轨道9推至一旁，打开数字照相装置，通过高分辨率数码相机对隧道开挖断面连续采集照片，运用图像处理软件进行图片分析，对隧道围岩位移场进行全程监测与分析；

(4)在圆孔71处对应的第一掘进单元首次掘进完成后，开始其它独立掘进单元的掘进，如图9所示，按照圆孔72、71、78、73、60、77、74、75、76的顺序进行掘进，每一独立掘进单元掘进完成后，都在必要的情况下重复钻孔、注浆、数字照相和薄钢板支护等步骤，直至整个模型试验掘进完成。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。