一种适用于隧道模型试验的多种复杂工况模拟开挖设备的制作方法

本发明涉及土木工程专业的隧道模型试验领域，具体地说是涉及隧道模型试验中分部开挖过程的一种分部开挖设备及使用方法。

背景技术：

随着社会经济的迅速发展，各大城市间的联系逐渐地紧密起来，各地区之间的资源配置基本达到了均衡的状态，这一切都是建立在发达的交通设施基础之上的。但是地表面高度并不是一成不变的，因此各地区之间的公路、铁路等路线穿越区或多或少会受到山川丘陵的阻碍，因此在山体中开挖隧道比路线翻越有着巨大的优势。然而，在修建隧道的过程中，埋藏于土体内的特点决定了其施工过程中容易出现许多难以解决的问题，不经过试验难以定性定量的评价问题及提出相应的解决方案，相比于地上的工程，地下工程的原位试验难以操作，费用高昂，试验结果精度较低。为了解决这些难题，我们需要在实验室内建立相似的模型进行试验，收集相关的试验结果，定性研究施工过程中出现的问题，提出合理的施工方案或对现有的施工方案进行相关的优化，提高施工效率的同时降低成本。在隧道室内模型试验的过程中，相似模型制作结束后在指定位置进行开挖的步骤是模拟隧道开挖掘进的工况，隧道工况复杂多变，主要体现在隧道开挖断面形状和施工步骤的变化上。传统的开挖方法是直接采用多种样式的手铲进行人工开挖，然后清扫洞内的渣土，但这种开挖方式的效率和精度极低，最主要的是在洞深超过一定距离后，人工无法再继续进行作业，极大地限制了模型的尺寸。

目前，国内相关的试验人员对于室内模型试验的开挖设备进行了相关的研究。中国专利201110205389.x公开了一种用于模型试验的精确自动开挖装置，能够提高模型试验开挖的精度，但是该装置存在如下问题：(1)没有明确给出刀具的推进装置。(2)运动轨道不能随断面尺寸的变化而进行调整.(3)缺乏刀具稳定装置，在刀具进行高速运转时会产生较大的振动，存在损坏设备的威胁，也会对土体造成较大的扰动。(4)该装置缺乏渣土排送的功能，在开挖结束以后需要人工清渣，费时费力。中国专利201510228942.x公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，该装置能随着隧道洞深的增加往前推进，能精确控制每次的开挖深度，但是该装置存在如下缺点：(1)该装置缺乏刀具稳定装置，在刀具进行高速运转时会产生较大的振动，存在损坏设备的威胁，也会对土体造成较大的扰动。(2)该装置缺乏刀具定位装置，对于不同的断面不能很好控制刀具开挖位置。(3)该装置缺乏渣土排送的功能，在开挖结束以后需要人工清渣，费时费力。因此，需要研发一种能够适用于任何横断面、绝大部分工况的模型开挖设备，在开挖的同时能排送渣土，降低人工的使用，是目前模型试验隧道开挖过程中急需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，为了解决现有技术的不足，研发一种适用于任何横断面、绝大部分工况的模型开挖设备，减少人工投入的同时提高工作效率，更精确的模拟隧道开挖的过程，以及包括该开挖设备的操作方法。

本发明提供的一个方案是：

一种适用于隧道模型试验的多种复杂工况模拟开挖设备，包括：

第一级传动装置，该装置将动力由电动机传输到第二级传动装置中；

第二级传动装置，该装置将上一级传输下来的动力进行分配，一部分传送给土体开挖装置，另一部分传送给第三级传动装置；

第三级传动装置，该装置将动力传输给渣土传送带；

土体开挖装置，该装置利用得到的动力，旋转切削目标区域的土体，实现开挖的过程；

导向装置，该装置定位土体开挖装置的位置及渣土传送带的方向，将土体开挖装置产生的渣土排送至洞外。

进一步的，所述的第一级传动装置，包括电动机，该电动机固定于升降保护架内，其动力输出端驱动一个传动轮i，该传动轮i通过传送带i与传动轮ii连接。

进一步的，所述的升降保护架包括外保护架、电机升降架、升降架导向轨、液压千斤顶和千斤顶底座，所述的外保护架通过竖直设置的升降架导向轨与千斤顶底座相连，所述的电机升降架安装在升降架导向轨上，电机升降架通过设置在其底部的液压千金顶驱动其上下运动，进而实现电机的上下运动。

进一步的，所述的第二级传动装置，包括动力输出轮i，所述的动力输出轮i的传动轴穿过第一级传动装置升降保护架前端的轴承与第一级传动装置的传动轮ii的轴对接，并通过插销固定；且动力输出轮i通过传送带ii与第三级传动装置、土体开挖装置相连接。

进一步的，所述的第二级传动装置还包括一个支撑框架，所述支承框架上右半部分设有用于固定动力输出轮轴及第三级传动装置传动轮轴的轴承，左半部分设有竖直设置的滑轨升降杆，能够控制所述土体开挖装置中滑轨的高度，前部设置的支架能够固定导向装置中的主动轮轴。

进一步的，所述的传送带ii外侧安装一个辅动轮；辅动轮是为了减小轮轴的振动而设置的，同时能够在一定范围内张紧传送带ii，防止打滑。

所述辅动轮能与传送带相接触，一方面能控制传送带的张紧力，另一方面能防止传送带与支承框架接触造成磨损。所述传送带ii与第二级传动装置的动力输出轮i、辅动轮，土体开挖装置的动力输入轮ii、第三级传动装置的动力输入轮iii相接触。

进一步的，所述的第三级传动装置，包括传动轴ii，所述的传动轴ii的一端与第二传动装置的传送带ii驱动的动力输入轮ii对接，另一端穿过定位在第二级传动装置支承框架上的轴承为蜗杆结构，所述的蜗杆结构与导向装置中主动轮同轴的蜗杆结构从动件蜗轮配合，实现渣土传送带的运转。

进一步的，所述的土体开挖装置，包括传动轴iii，所述的传动轴iii的一端与第二传动装置的传送带ii驱动的动力输入轮ii驱动的动力输入轮iii对接，另一端为土体旋挖钻头。该装置的传动轴iii可以拼接延长，穿过固定于第二级传动装置支承框架上滑轨内的及导向装置上的轴承，避免因为刀片受力产生的偏心振动对设备的损害。

进一步的，所述的土体开挖装置还包括一个滑轨，所述的滑轨安装在第二传动装置的滑轨升降杆上，所述的传动轴iii固定在该滑轨上。

进一步的，所述的土体旋挖钻头位于导向装置的上方一定位置，旋挖钻头在进行切削时，大部分渣土能顺刀片进入后部导流仓，最后排送至传送带上。

进一步的，所述的导向装置，包括可拼接导轨、主动轮和从动轮；所述可拼接导轨放置在开挖的洞内，可随洞深的增加进行拼接延长；所述主动轮与蜗杆结构的从动件蜗轮同轴，并固定于所述第二级传动装置支承框架前部的支架上。所述从动轮固定于所述导向装置前部的支架上，并与所述主动轮配合实现传送带的运动；所述可拼接传送带绕过所述主动轮和从动轮，并可随着洞深的增加进行拼接延长。因为水平运输渣土不需要过大的传送带张紧力，所以该装置内的传送带为可拼接式，可随着洞深的增加延长。

本设备中的第一级传动装置可以根据实验室内的条件来选择摆放位置，通过调节装置中的升降架保护架和升降保护架前端的轴承高度，控制传送带的松紧程度。本设备中的第二级传动装置的摆放位置要根据洞口的位置来进行确定。本设备中的导向装置放置在洞内，能根据目标区域的位置灵活调节，改变土体旋挖钻头的方向。

进一步地，所述电动机为单相异步电动机，额定电压220v，额定功率为0.18kw，额定转速为1400r/min，通过螺栓与升降架固定在一起，通过传送带与传动轮对接在一起。所述升降架与液压千斤顶采用螺栓连接的方式对接。所述液压千斤顶的底座安放在保护架上。

若需要该设备在隧道模型试验开挖过程中使用，可按以下操作步骤进行：

1)按照试验的要求，确定每一步的开挖深度及开挖目标区域的位置，将可拼接导轨放置在开挖的洞内，检查导轨的长度是否合适。

2)调节滑轨升降杆及传动杆轴承，确定旋挖钻头与开挖目标区域的轴心大体一致；检查各装置是否工作正常；

3)检查完毕且连接好各个装置以后，启动电动机，待电动机转速稳定以后，推进旋挖钻头开挖目标区域，并及时清理传送带排出的渣土。对于不规则的目标区域，可通过不断调节旋挖钻头的位置，始终保持钻头外沿与开挖区域的边界相切就能完成不同形式的开挖。刀头切削下的土体，顺着旋挖钻头后部的导流仓，排到可拼接传送带上，自动排送出洞。

本发明的有益效果是：

(1)分级传动装置的设计能够将电动机与土体开挖装置进行分离，当旋挖钻头在洞内遇到坚硬土体卡钻时，造成的后果仅是某一部位的传送带打滑，而不会造成电机的损毁。

(2)第一级传动装置中采用升降架调节电机的高度，采用滑轨式轴承调节传动轮轴的高度，能够人为控制传送带的张紧力，对于不同的工况有很强的适用性。

(3)第二级传动装置中采用动力分部输出的设计，实现了土体开挖和渣土排送的同步进行，避免了人工过多的介入，能够提高试验的效率和与现场施工的相似性。

(4)土体开挖装置中的滑轨能控制轮轴的水平位置，也就是能确定旋挖钻头的水平位置，第二级传动装置中滑轨升降杆能控制旋挖钻头的垂向位置，二者联合作用能够实现旋挖钻头在洞内不同位置的精准作业。轮轴穿过滑轨及导向装置前部的轴承，能在旋挖钻头工作的时候减少轮轴的偏心振动，提高开挖的精度。

(5)导向装置中前部的轴承与万向节的组合设计，能够实现钻头任意方向的转动。导向装置铺设在洞内，能对钻头和渣土传送带起到导向的作用，能精准的控制对目标区域的作业。

(6)该设备能适用于模拟多种复杂的开挖工况，例如分部开挖、台阶法开挖等。自动排送渣土的功能，使得试验过程中的间歇时间缩短，能减少人为因素的介入，提高试验精度，试验结果更加可靠。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中第一级传动装置的三维结构示意图；

图3-1为本发明中第二级传动装置的剖面示意图；

图3-2为本发明中第二级传动装置、土体开挖装置、第三级传动装置及导向装置的相对位置示意图；

图4为本发明中土体开挖装置中滑轨的剖面结构示意图；

图5为本发明中土体开挖装置、及导向装置的相对位置示意图；

图6为本发明土体开挖装置中旋挖钻头的结构示意图；

图7为本发明中旋挖钻头后部导流仓结构示意图。

图中：

1-1、第一级传动装置，1-2、第二级传动装置，1-3、第三级传动装置，1-4、土体开挖装置，1-5导向装置；

2-1、外保护架，2-2、升降架导向轨，2-3、电机升降架，2-4、液压千斤顶，2-5千斤顶底座，2-6、可滑动轴承,2-7、轴承滑轨,2-8、传动轴,2-9、轴承固定梁,2-10、传送带,2-11、动力输出轮,2-12、单相电动机；

3-1a、传动轴，3-1b、支承框架，3-1c、传动带，3-1d、传动轮，3-1e、动力输出轮；

3-2a、滑轨升降杆，3-2b、滑轨导轨，3-2c、传送带主动轮,3-2d、固定支架，3-2e、主动轮轴，3-2f、蜗杆结构，3-2g、第三级传动杆轴承；

4-1、紧压螺母，4-2、紧压板，4-3、导向槽，4-4、限位橡胶块；4-5、轴承滑动槽，4-6、传动杆轴承，4-7、滑轨，4-8、滑轨升降杆螺孔，4-9、限位槽；

5-1、可拼接传送带，5-2、可拼接导轨，5-3、前部支架，5-4、从动轮，5-5、旋挖钻头，5-6、万向节，5-7、支撑架轴承，5-8、可延长传动轴；

6-1、旋挖钻头外沿，6-2、钻头外切削刀片，6-3、钻头内切削刀片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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，现有技术中的开挖设备存在各种不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于隧道模型试验的多种复杂工况模拟开挖设备，该设备适用于任何横断面、绝大部分工况的模型开挖设备，减少人工投入的同时提高工作效率，更精确的模拟隧道开挖的过程，以及包括该开挖设备的操作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种适用于隧道模型试验的多种复杂工况模拟开挖设备，如图1所示，

第一级传动装置1-1，该装置实现的是动力由电动机传输到第二级传动装置1-2中；

第二级传动装置1-2，该装置实现的是将上一级传输下来的动力进行分配，一部分传送给土体开挖装置1-4，另一部分传送给第三级传动装置1-3；

第三级传动装置1-3，该装置实现的是将动力传输给渣土传送带；

土体开挖装置1-4，该装置实现的是利用得到的动力，钻头旋转切削目标区域的土体，实现开挖的过程。

导向装置1-5，该装置实现的是定位土体开挖装置1-4的位置及渣土传送带的方向，将土体开挖装置产生的渣土排送至洞外。

第一级传动装置1-1，该装置内部的电动机固定于升降保护架内，其动力输出轮通过传送带与传动轮连接；

第二级传动装置1-2，该装置的动力输出轮轴穿过第一级传动装置1-1升降保护架前端的轴承中，与第一级传动装置1-1的传动轮轴对接，并通过插销固定。动力输出轮通过传送带与第三级传动装置1-3、土体开挖装置1-4、辅动轮相连接。辅动轮是为了减小轮轴的振动而设置的，同时能够在一定范围内张紧传送带，防止打滑。

第三级传动装置1-3，该装置的传动轮轴穿过定位在第二级传动装置1-2支承框架上的轴承，一端的动力输入轮与第二级传动装置1-2的动力输出轮对接，另一端为蜗杆结构的主动件螺杆，与导向装置中主动轮同轴的蜗杆结构从动件蜗轮配合，实现渣土传送带的运转。

土体开挖装置1-4，该装置一端动力输入轮与第二级传动装置1-2的动力输出轮通过传送带连接，另一端为土体旋挖钻头。该装置的轮轴可以拼接延长，穿过固定于第二级传动装置支承框架上滑轨内的及导向装置上的轴承，避免因为刀片受力产生的偏心振动对设备的损害。

导向装置1-5，该装置的可拼接导轨能铺设在洞内，随着隧道模型洞深的增加向前推进，该装置内的主动轮与第三级传动装置1-3通过蜗杆结构连接，装配于第二级传动装置1-2支承框架前部的支架上，与设置在前端的从动轮共同作用，实现传送带的转动。因为水平运输渣土不需要过大的传送带张紧力，所以该装置内的传送带为可拼接式，可随着洞深的增加延长。

本设备中的第一级传动装置1-1可以根据实验室内的条件来选择摆放位置，通过调节装置中的液压千斤顶和升降保护架前端的轴承高度，控制传送带的松紧程度。本设备中的第二级传动装置1-2的摆放位置要根据洞口的位置来进行确定。本设备中的导向装置放置在洞内，能根据目标区域的位置灵活调节，改变土体旋挖钻头的方向。

其结构参考图2、图3-1、图3-2、图4、图5所示；所述第一级传动装置1-1，位于设备的最后端，第一级传动装置中的单相电动机2-12提供动力，外接实验室电源。外保护架2-1中后部设置有四根升降架导向轨2-2，在液压千斤顶2-4的运动下，控制放置有单相电动机2-12的升降架2-3的方向及减少电动机的振动。外保护架2-1的前部设置有轴承滑轨2-7，与轴承固定梁2-9共同作用，控制可滑动轴承2-6的高度。通过调节升降架2-3和可滑动轴承2-6的高度，实现传送带2-10的松紧度调节。所述传动轴2-8与所述传动轴3-1a对接，并通过插销固定，可实现动力由第一级传动装置1-1向第二级传动装置1-2的转移。

进一步的，电动机为单相异步电动机，额定电压220v，额定功率为0.18kw，额定转速为1400r/min，通过螺栓与升降架固定在一起，通过传送带与传动轮对接在一起。升降架与液压千斤顶采用螺栓连接的方式对接。所述液压千斤顶的底座安放在保护架上。所述保护架四周设有圆形滑轨，与所述升降架周围的导向孔拼合，能控制升降架的运动方向。

所述第二级转动装置1-2，位于设备的中间部分。所述动力输出轮3-1e将3-1a传动轴输入的动力输出，通过传动带3-1c分配给三个传动轮3-1d，分别为所述第三级传动装置1-3及所述土体开挖装置1-4提供动力。支承框架3-1b右半部分设置有固定传动轴3-1a的轴承和第三级传动杆轴承3-2g，左半部分设置有滑轨升降杆3-2a。

其中一个传动轮3-1d作为辅助轮，该辅动轮能与传送带相接触，一方面能控制传送带的张紧力，另一方面能防止传送带与支承框架接触造成磨损。

所述第三级传动装置1-3，位于设备前端右半部分。所述传动轴3-1a穿过所述第三级传动杆轴承3-2g，一端为传动轮3-1d，另一端为蜗杆结构3-2f的主动件螺杆；蜗杆结构3-2f与导向装置中主动轮同轴的蜗杆结构从动件蜗轮配合，实现渣土传送带的运转。

所述土体开挖装置1-4，位于设备前端左半部分，并通过所述滑轨4-7与所述第二级传动装置1-2的支承框架3-1b相连接，所述滑轨4-7的滑轨升降杆螺孔4-8与所述滑轨升降杆3-2a配合。所述旋挖钻头5-5位于传动轴的最前方。

可延长传动轴5-8通过前部支架5-3支撑，通过万向节5-6、支撑架轴承5-7与前部支架5-3相连。

如图4所示，滑轨4-7内设置有导向槽4-3和轴承滑动槽4-5，在所述的导向槽4-3与轴承滑动槽4-5之间安装传动杆轴承4-6，且通过紧压螺母4-1、紧压板4-2压紧；且传动杆轴承4-6通过限位橡胶块4-4限位；滑轨4-7的两侧设有供滑轨升降杆穿过的螺孔以及限位槽4-9.

如图6所示，旋挖钻头5-5包括旋挖钻头外沿6-1，钻头外切削刀片6-2，钻头内切削刀片6-3。

所述导向装置1-5，位于所述土体开挖装置1-4的下方，包括有可拼接导轨5-2，所述土体开挖装置1-4中的可延长传动轴5-8依次穿过所述传动杆轴承4-6和支撑架轴承5-7。所述传送带主动轮3-2c与所述蜗杆结构3-2f的从动件蜗轮在同一主动轮轴3-2e上。所述传送带从动轮5-4固定于所述前部支架5-3上。所述可拼接传送带5-1绕过所述传送带主动轮3-2c及所述传送带从动轮5-4。

若需要该设备在隧道模型试验开挖过程中使用，可按以下操作步骤进行：

1)按照试验的要求，确定每一步的开挖深度及开挖目标区域的位置，将可拼接导轨5-2放置在开挖的洞内，检查导轨的长度是否合适。

2)调节滑轨升降杆3-2a及传动杆轴承4-6，确定旋挖钻头5-5与开挖目标区域的轴心大体一致，并扭紧紧压螺母4-1，防止传动杆轴承4-6发生滑动。检查蜗杆结构3-2f及传送带主、从动轮3-2c、5-4是否工作正常，必要时需在易磨损处涂抹润滑油。

3)检查可拼接传送带5-1的松紧度，标准为当传送土体的时候上传送带不接触到下传送带即可。

4)将传动轴3-1a与传动轴2-8分离开来，手动检查第一级传动系统1-1和第二级传动系统1-2是否运转正常，传送带是否都与传动轮正常配合。对于第一级传动系统1-1，检查传送带2-10的松紧度，标准为动力输出轮2-11及传动轴2-8不发生明显的弯曲即可，规定此标准的原因是在旋挖钻头5-5卡住以后，电机会正常运转，仅表现为传送带2-10的滑动，而不会造成电机烧毁事故。

5)检查完毕以后，对接传动轴3-1a与传动轴2-8，并用插销固定。电源外接并启动电动机，待电动机转速稳定以后，推进旋挖钻头5-5开挖目标区域，并及时清理传送带排出的渣土。对于不规则的目标区域，可通过不断调节旋挖钻头的位置，始终保持钻头外沿6-1与开挖区域的边界相切就能完成不同形式的开挖。刀头6-2与6-3切削下的土体，顺着旋挖钻头5-5后部的导流仓，排到可拼接传送带5-1上，自动排送出洞。

采用了上述结构，本实施例提供的开挖设备，具有了：(1)可适用于多种形状的开挖断面，适用于任何深度的洞内开挖作业，扩大了模拟多种工况的适用范围；(2)体积较小，在实验室中的空间需求较小；(3)高效快速，降低了人工的介入，提高了模型试验与现场试验的相似性；(4)清理维护较为容易，操作简单，能为模型试验的研究人员接受。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，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。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。