一种变截面隧道模型试验开挖装置及开挖方法与流程

本发明涉及模型试验领域，尤其是一种变截面隧道模型试验开挖装置及开挖方法。

背景技术：

1、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。

2、在做隧道开挖的模型试验过程中，会遇到一种开挖变截面的情况，变截面是指开挖模型的前后隧道截面大小不一样。变截面隧道模型主要有两种情况，一种是开挖隧道截面由第二隧道模型变为较小截面的情况，另一种是由较小截面变为第二隧道模型的情况，对于前者一般可以通过正常的开挖手段进行开挖，发明人发现，后者由于前方较小截面隧道模型的开挖完成会限制后方更大截面隧道模型的开挖，使得这种情况很难通过正常手段进行开挖。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种变截面隧道模型试验开挖装置，实现变截面隧道模型试验精确开挖的装置，从而更容易地开挖由小截面变为大截面的变截面隧道模型。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种变截面隧道模型试验开挖装置，包括底座，底座支撑多维运动机构，多维运动机构带动滑块实现横向和竖向运动，滑块与直线驱动机构连接，直线驱动机构可沿着隧道模型开挖方向伸缩，直线驱动机构与旋转组件连接，旋转组件包括与直线驱动机构活动端连接的第一转轴，直线驱动机构的伸缩方向与滑块横向移动方向垂直，第一转轴与第一部件连接，第一部件通过第二转轴与钻头连接，第二转轴带动钻头在与滑块移动平面相平行的平面内转动，第一转轴的中心轴线与第二转轴的中心轴线方向垂直，第一转轴通过第一部件带动钻头进行旋转；

4、多维运动机构、直线驱动机构、第一转轴、第二转轴与钻头分别与控制组件单独连接。

5、如上所述的开挖装置，直线驱动机构连接滑块与旋转组件，通过钻头、直线驱动机构和多维运动机构的设置可实现较小截面隧道模型的开挖；第二转轴带动钻头在与滑块移动平面相平行的平面内转动，使得钻头朝向较小截面隧道模型的侧部，第一转轴通过第一部件带动钻头进行旋转，再配合直线驱动机构和多维运动机构的设置，可使得钻头绕过前方的小截面隧道模型对后方第二隧道模型的开挖。

6、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述第一部件包括第一架和第二架，第一架与所述的第一转轴连接，第一架通过第三转轴与第二架的一端连接，第二架的另一端通过所述的第二转轴与所述钻头连接，第二转轴带动钻头回到直线驱动部件的伸缩方向，第三转轴通过第二架带动钻头转向，可使得钻头进一步朝向隧道的侧部，使钻头可以达到大截面隧道模型中上位置的边缘。

7、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述第一转轴的中心轴线与所述第三转轴的中心轴线方向垂直，第二转轴的中心轴线与第三转轴的中心轴线是相互平行的，第二转轴带动钻头实现在第一范围转动，第三转轴带动钻头实现在第二范围的转动，第二范围大于第一范围。

8、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述第一架为第一杆，第一杆的一端中空设置，第一杆中空处设置可转动的第一齿轮轴，第一齿轮轴与第一动力源连接，第一齿轮轴与第一齿轮啮合，第一齿轮套于所述第三转轴；

9、所述第二架为第二杆，第二杆的一端中空设置，第二杆中空处设置可转动的第二齿轮轴，第二齿轮轴与第二动力源连接，第二齿轮轴与第二齿轮啮合，第二齿轮套于所述第二转轴，由此第一杆的一端设置第一凹部，第二杆的一端设置第二凹部，第二杆的另一端设置第一凸部，第一凸部支撑第三转轴，第三转轴和第三齿轮置于第一凹部处；

10、第一动力源、第二动力源分别与所述控制组件单独连接。

11、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述钻头包括钻头动力源和钻头本体，第二转轴与钻头动力源连接，钻头动力源与钻头本体可拆卸连接，钻头动力源与所述控制组件连接；

12、所述钻头本体包括与所述钻头动力源连接的钻头转轴，钻头转轴与所述钻头本体连接，钻头本体的环向设置多处刀棱，刀棱的长度方向沿着钻头转轴的中心轴向方向设置，钻头本体通过多处刀棱的设置，有利于在快速旋转时充分切削土体。

13、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述直线驱动机构包括直线驱动动力源，直线驱动动力源设于壳体内，直线驱动动力源与伸缩杆连接，壳体固定于所述滑块的侧部；

14、控制组件包括控制器，控制器设于箱体内，箱体内设置隔板，隔板的一侧设置风机，风机与吸尘管道连接，吸尘管道穿过壳体设置并与吸尘嘴连接，吸尘嘴位于所述钻头的下方，通过吸尘嘴的设置实现对开挖土体的顺利排出；

15、控制器与计算终端连接，计算终端具有模型生成系统，模型生成系统对隧道模型数据进行信息化处理，从而绘制三维隧道模型，模型生成系统根据绘制的三维隧道模型设计出开挖步骤并转化为指令，计算终端向控制器发送指令，控制器根据设计的开挖步骤控制多维运动机构、直线驱动机构、第一转轴、第二转轴与钻头的动作。

16、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述吸尘管道包括硬管，硬管穿过所述壳体设置，硬管穿过壳体的一段为伸缩管路，伸缩管路与所述直线驱动机构的伸缩杆连接，硬管与软管连接，软管固定于所述第一部件，在第一部件转动时软管可带动吸尘嘴一同转动，实现吸尘嘴与钻头的同步运动。

17、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述多维运动机构包括支撑架，所述底座设置支撑架，支撑架包括竖向架和横向架，竖向架支撑横向架，横向架可沿着竖向架移动，横向架设置所述的滑块，滑块可沿着横向架移动，滑块包绕所述横向架设置，通过多维运动机构可带动滑块实现竖向方向和横向方向的运动，保证对隧道掘进面的准确掘进；

18、所述竖向架包括固定于所述底座上表面两侧的竖杆，两侧的竖杆支撑所述横向架，横向架为横杆，两侧竖杆的顶端支撑固定杆。

19、如上所述的一种变截面隧道模型试验开挖装置，所述横杆的两端分别设置第三齿轮，沿着竖杆的长度方向设置与第三齿轮啮合的第一齿条，第三齿轮与第三动力源连接，第三动力源与所述控制组件连接；

20、所述滑块设置第四齿轮，沿着横杆的长度方向设置与第四齿轮啮合的第二齿条，第四齿轮与第四动力源连接，第四动力源与控制组件连接。

21、第二方面，本发明还提供了一种变截面隧道模型试验开挖装置的开挖方法，包括如下内容：

22、开始对第一隧道进行开挖：钻头旋转切削土体，直线驱动机构朝向第一隧道的掘进面方向伸长，以控制钻头掘进深度，多维运动机构带动滑块移动，由此实现第一隧道模型的开挖；

23、对第二隧道模型进行开挖，第二隧道模型位于第一隧道模型的后方，且第二隧道模型的截面尺寸大于第一隧道模型的截面尺寸：

24、第二转轴带动钻头在与滑块移动平面相平行的平面内顺时针或逆时针转动90°，钻头工作使得钻头向侧面掘进，第一转轴通过第一部件带动钻头在与滑块移动平面相垂直的平面内旋转一圈，使得钻头环向掘进一圈；

25、直线驱动机构伸长，第一转轴通过第一部件带动钻头在与滑块移动平面相垂直的平面内旋转一圈，进行第二圈的掘进；

26、第二转轴带动钻头回到直线驱动机构的伸缩方向，钻头工作再向掘进面掘进。

27、上述本发明的有益效果如下：

28、1)本发明通过直线驱动机构连接滑块与旋转组件，钻头能够切削土体，通过钻头、直线驱动机构和多维运动机构的设置可实现较小截面隧道模型的开挖；第二转轴带动钻头在与滑块移动平面相平行的平面内转动，使得钻头朝向较小截面隧道模型的侧部，第一转轴通过第一部件带动钻头进行旋转，再配合直线驱动机构和多维运动机构的设置，可使得钻头绕过前方的小截面隧道模型对后方较大截面第二隧道模型的开顺利开挖。

29、2)本发明中第一部件引入第三转轴，第二转轴带动钻头回到直线驱动部件的伸缩方向，第三转轴通过第二架带动钻头转向，可使得钻头进一步朝向隧道的侧部，使钻头可以达到第二隧道模型中上位置的边缘。

30、3)本发明通过在钻头的下方设置吸尘嘴，吸尘嘴与真空泵连接，这样在开挖隧道过程中，开挖的土体直接通过吸尘嘴实现排出，有效解决了变截面速调难以清理速调开挖渣土的问题；而且吸尘管道包括硬管和软管，硬管为伸缩管路可随着伸缩杆的伸缩而伸缩，软管可随着钻头的转动而实现转动，保证吸尘嘴与钻头的同步运动，在开挖过程中保证有效排土，避免开挖过程中产生较大的土颗粒。

31、4)本发明通过控制器与计算终端连接，计算终端具有模型生成系统，模型生成系统通过对模型数据的信息化处理，按照要求开挖的隧道模型设计出开挖步骤，计算终端向控制器发送指令，控制器根据设计的开挖步骤控制各机构的动作，实现对隧道模型的精准开挖，避免人工开挖的隧道模型与设计隧道模型存在的误差问题。