专利名称：一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法及专用设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟地下动态施工过程、优化施工的方法及设备，特别涉及一种在实体模型试验中进行隐蔽洞室开挖的方法及设备。
现有技术中，在模型内形成隐蔽洞室的方法，是用预制块按洞室的形状和尺寸雕成芯块砌入预定的部位，试验时取出芯块形成洞室。参见文献“陈霞龄等，地下洞室围岩稳定的试验研究，《武汉水利电力大学学报》，1994年2月，第17～23页”。此法模拟挖掘前后应力场变化情况有如下不足(1)洞室材料与模型本体不融合，实际上是一个异质模型，故造成模型严重失真。(2)一次性或多次性取走洞室材料，不能真实反映洞内材料逐步被挖去的过程，故造成试验挖掘过程相对于施工过程中实际挖掘过程应力场变化严重失真。(3)无法模拟洞室开挖的动态施工过程。
经查新，目前尚无在同质模型内按指定步骤开挖，以真实模拟隐蔽洞室逐步挖掘过程中复杂多变的三维应力场和位移场连续变化的开挖方法和设备。
在同质模型中按设计步骤经由开放洞室准确开挖隐蔽洞室，有试验技术本身固有的复杂性和障碍(1)由于在模型试验时经由开放洞室挖掘隐蔽洞室的开挖作业空间极其狭窄，且缺少标识物，洞内无法与开挖装置同时布置现有的各种测准仪器。(2)由于模型结构材料的铁磁性质，无法应用无线通信。(3)模型制作时建立的绝对坐标系，在初始应力场建立后由于模型发生不规则变形而失去意义，不再能准确地确定预埋仪器及将要挖掘的隐蔽洞室的空间位置，而且很难从外边进行修正。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法，其特征在于该方法是在绝对坐标系下建立随预埋仪器同时产生位移的轴线标识物，同时采用三级逐级传递的定位方法，将绝对坐标系下的绝对定位系统转变为相对定位系统，其具体操作步骤(1)建立第一级定位系统，采用小直径的柔性索绳作为洞室轴线标识物与测试仪器在绝对座标系下同时埋入模型，建立隐蔽洞室轴线随动相对定位系统，并在开放洞室前期开挖使其露头后，用以重新标定变化后的轴线在绝对座标系下的位置；(2)利用中心导向内排屑可弯曲微型挖掘装置，将其钻头中心孔直接穿入索绳，在索绳引导下准确地完成导洞开挖；(3)建立第二级定位系统，依托通过两端开放洞室设置支架，该支架与模型本体分离开，穿过导洞架设与导洞相同直径的心轴，利用心轴导向，用阶进式变径刀盘挖掘装置，逐步挖出主洞；(4)建立第三级定位系统，依托通过两端开放洞室架设的隐蔽洞室端口样板，用可接长的滚刀进行第三级开挖，沿洞室母线整体修整洞壁到最终尺寸。
根据上述开挖方法，本发明还提供了实现上述三级开挖所采用的专用设备。该专用设备包括一种中心内排屑可弯曲微型挖掘装置、一种阶进式变径刀盘挖掘装置以及一种对洞室壁面进行修整的切削装置，下面分别进行叙述。
一种中心导向内排屑可弯曲微型挖掘装置，该装置是由内排屑可弯曲中空软轴传动装置和安装在中空软轴上的内排屑钻头组成，其特征在于在其钻头前端设有与导向索绳相配合的中心导孔。
一种阶进式变径刀盘挖掘装置，该装置主要包括传动机构、进给机构和由中空轴套分段接长的传动轴以及安装在该传动轴上的可调直径刀盘，其特征在于该装置包括一导向心轴，刀盘设有与导向心轴相配合的中心孔，所述导向心轴与刀盘中心孔及多段中空轴套相配合，心轴的一端由支撑梁支撑，另一端插入机头主轴中心孔内；所述传动轴通过一环状齿条与机头主轴相连接，所述环状齿条与安装在摇柄上的滚动齿轮啮合组成手动进给机构。
一种对洞室壁面进行修整的切削装置，该修整切削装置包括安装在隐蔽洞室两端的带有洞口孔型的端口样板和按洞口孔型对隐蔽洞室壁面进行修整的切削器，该切削器为分段连接为一体的滚刀。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果采用本发明有效地避免了由于异质模型所造成的模型严重失真以及在实际挖掘过程中其应力场变化严重失真的缺陷，不仅低成本地实现了按施工进程模拟经由开放洞室挖掘隐蔽洞室的要求，从而反映开挖中应力场和位移场的连续变化，而且保证了变截面洞室的形状精度要求和相对于预埋仪器的位置精度要求。实验证明，此法可最大限度地消除其它间接定位方法引起的隐蔽洞室与预埋仪器之间的位置误差，并有效降低了试验费用。
图2为本发明实施例沿导向钢索挖掘导洞示意图以及所用中心导向内排屑可弯曲挖掘装置的结构示意图。
图3为图2的A向视图。
图4为本发明提供的阶进式变径刀盘挖掘装置的结构示意图以及本发明实施例采用阶进式变径刀盘挖掘装置开挖主洞示意图。
图5为图4的A-A剖视图。
图6为本发明实施例第三级定位的隐蔽洞室端口样板安装示意图。
图7为本发明提供的一种对洞室壁面进行修整的切削装置的结构示意图以及采用该装置沿隐蔽洞室母线进行最终洞型修整的示意图。
图8为图7的B-B剖视图。
图中1-试验模型，2、3、4-开放洞室，5-隐蔽洞室，6-钢索定位模板，7-导向钢索，8-中空内排屑钻头，9-可弯曲中空软轴传动装置，10-排屑孔，11-分段连接心轴，12-刀片，13-可调直径刀盘，14-中空套筒，15-环状齿条，16-滑键，17-机头主轴，18-机头支架，19-滚动齿轮，20-支撑梁，21-传动机构，22-隐蔽洞室端口样板，23-分段连接整体滚刀。
本发明的基本思路来源于六点定位原理和基准传递理论。由于模型各部分在绝对坐标系下的位置随初始应力场的建立发生了复杂的变化，位于模型内部隐蔽洞室的轴线实际上已变得不可知，因此必须在绝对坐标系下建立随预埋仪器同时产生位移的轴线标识物，以实现将绝对定位系统转换为相对定位系统。
对于相对定位系统的标识物必须满足如下要求；(1)相对于模型比尺必须足够小，不会引起模型严重失真。(2)在初始应力场建立过程中，该标识物不致引起模型附加应力。(3)标识物在先期开挖开放洞室时使其露头后，可用来重新标定变形后的洞室轴线在绝对坐标系下的位置。以此为基础，设计了三级逐级传递的定位系统和对应的三级开挖装置。
图1为本发明实施例建立第一级随动相对定位系统时标识物设置示意图(以溪洛渡水电站地下厂房洞室群三维地质力学模型试验的开挖为例)。图中，1为试验模型，2、3、4为开放洞室。第一级定位采用直径为1～2mm的柔性导向钢索7作为洞室轴线标识物与测试仪器在绝对座标系下同时埋入模型，建立隐蔽洞室轴线随动相对定位系统。钢索两端在定位模板6上定位、拉直、夹紧。并在开放洞室前期开挖使其露头后，用以重新标定变化后的轴线在绝对座标系下的位置。
为实现第一级导洞开挖，设计了中心导向内排屑可弯曲微型挖掘装置，该装置是由内排屑可弯曲中空软轴传动装置9和安装在中空软轴上的内排屑钻头8组成，在其钻头前端设有与柔性导向钢索7相配合的中心导孔和排屑孔10(如图2、3所示)。使用时将钻头的中心导孔直接穿入导向钢索，由可弯曲中空软轴传动装置带动内排屑钻头实现转动，由不断挖出的钢索新段导引并向前进给，按试验要求的时间比尺调整进给速度，直至挖通。切屑渣粉由钻头上的排屑孔10进入中空的钻头内部，再经中空软轴9源源排出。
第二级定位系统，依托通过两端开放洞室的支架(支架与模型本体绝对分离，支架中心孔位置用修正后的绝对座标值标定)，穿过导洞架设与导洞相同直径的导向心轴11，该心轴可采用多节短杆连接而成。
图4为本发明提供的阶进式变径刀盘挖掘装置的结构示意图以及本发明实施例采用阶进式变径刀盘挖掘装置开挖主洞的示意图。
第二级开挖采用心轴导向，采用阶进式变径刀盘挖掘装置，该装置主要包括由电机、皮带轮、皮带和机头主轴17组成的皮带传动机构21，进给机构，机头支架18，导向心轴11和由中空轴套分段接长的传动轴14以及安装在该传动轴上的可调直径刀盘13。刀盘13设有与导向心轴相配合的中心孔，导向心轴与刀盘中心孔和多段中空轴套相配合，心轴的一端由支撑梁20支撑，另一端插入机头主轴17的中心孔内；支撑梁两端自开放洞室引出，固定在模型外钢架上，保证切削时模型本体不受除切削力以外的任何附加力影响。传动轴通过一环状齿条15与机头主轴17相连接，环状齿条15通过滑键16固定在机头主轴17上，既可以随主轴一起转动，又可实现轴向移动。环状齿条15与安装在摇柄上的滚动齿轮19啮合在一起，可以实现刀盘的前后进给(如图4、5所示)。
分段接长的传动轴14由每节长50mm的中空轴套从机头端逐级接长传动，并实现向前进给，步进开挖，每次进尺50mm，切屑渣粉由吸尘器随时排出。刀盘13的直径参照隐蔽洞室不同截面最小尺寸进行调整。变截面挖掘可通过调整支架位置，由机头和尾架上、下、左、右移动改变心轴位置，切出变截面。
第三级定位，在隐蔽洞室两端的开放洞室内安置洞口孔型样板，并按由导向钢索校正过的轴线坐标严格校准其位置，样板护住洞口边缘，两端固定在模型外钢架上。用整体滚刀(可用短节接杆达到需要长度)进行第三级开挖，所用设备采用一种对洞室壁面进行修整的切削装置，该修整切削装置包括安装在隐蔽洞室两端的带有洞口孔型的端口样板22和按洞口孔型对隐蔽洞室壁面进行修整的切削器23，该切削器为分段连接为一体的滚刀。用滚刀沿隐蔽洞室母线切去前步开挖的剩余部分，进行最终洞型的修整(如图7、图8所示)。
权利要求
1.一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法，其特征在于该方法利用在绝对坐标系下建立随预埋仪器同时产生位移的轴线标识物，同时采用三级逐级传递的定位方法，将绝对坐标系下的绝对定位系统转变为相对定位系统，其具体操作步骤如下(1)建立第一级定位系统，采用小直径的柔性索绳作为洞室轴线标识物与测试仪器在绝对座标系下同时埋入模型，建立隐蔽洞室轴线随动相对定位系统，并在开放洞室前期开挖使其露头后，用以重新标定变化后的轴线在绝对座标系下的位置；(2)以索绳为导向，利用中心导向内排屑可弯曲微型挖掘装置，将其刀具中心孔直接穿入导向索绳，在索绳的引导下准确地完成导洞开挖；(3)建立第二级定位系统，依托通过两端开放洞室设置支架，该支架与模型体分离开，穿过导洞架设与导洞相同直径的心轴，利用心轴导向，用阶进式变径刀盘挖掘装置，逐步挖出主洞；(4)建立第三级定位系统，依托通过两端开放洞室架设的隐蔽洞室端口样板，用可接长的滚刀进行第三级开挖，整体修整洞壁到最终尺寸。
2.按照权利要求1所述的隐蔽洞室开挖方法，其特征在于所述柔性索绳采用钢索。
3.实施如权利要求1所述开挖方法的一种中心导向内排屑可弯曲微型挖掘装置，该装置是由内排屑可弯曲中空软轴传动装置和安装在中空软轴上的内排屑钻头组成，其特征在于在其钻头前端设有与导向索绳相配合的中心导孔。
4.实施如权利要求1所述开挖方法的一种阶进式变径刀盘挖掘装置，该装置主要包括传动机构、进给机构和由中空轴套分段接长的传动轴以及安装在该传动轴上的可调直径刀盘，其特征在于该装置包括一导向心轴，刀盘设有与导向心轴相配合的中心孔，所述导向心轴与刀盘中心孔和多段中空轴套相配合，心轴的一端由支撑梁支撑，另一端插入机头主轴中心孔内；所述传动轴通过一环状齿条与机头主轴相连接，所述环状齿条与安装在摇柄上的滚动齿轮啮合在一起组成进给机构。
5.按照权利要求4所述的阶进式变径刀盘挖掘装置，其特征在于所述的导向心轴采用多节短杆连接而成。
6.实施如权利要求1所述开挖方法的一种对洞室壁面修整切削装置，其特征在于该修整切削装置包括安装在隐蔽洞室两端的带有洞口孔型的端口样板和按洞口孔型对隐蔽洞室壁面进行修整的切削器，该切削器为分段连接为一体的滚刀。
全文摘要
一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法及专用设备，利用在绝对坐标系下建立随预埋仪器同时产生位移的轴线标识物，同时采用三级逐级传递的定位方法，将绝对坐标系下的绝对定位系统转变为相对定位系统，并设计了专用的设备进行开挖。本发明有效地避免了由于异质模型所造成的模型严重失真以及在实际挖掘过程中其应力场变化严重失真的缺陷，不仅实现了按施工进程模拟经由开放洞室挖掘隐蔽洞室的要求，从而反映开挖中应力场和位移场的连续变化，而且保证了变截面洞室的形状精度要求和相对于预埋仪器的位置精度要求。实验证明，此法可最大限度地消除其它间接定位方法引起的隐蔽洞室与预埋仪器之间的位置误差，并有效降低了试验费用。
文档编号E02D33/00GK1401861SQ0212936
公开日2003年3月12日 申请日期2002年9月6日 优先权日2002年9月6日
发明者卢达溶, 李仲奎, 洪亮, 石伯平, 张秀海 申请人:清华大学