一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置及方法

本发明涉及模型试验，尤其是一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置及方法。

背景技术：

1、在盾构掘进过程中，掘进前方有时会存在小型溶洞，由于溶洞过小且数量较多，若对小型溶洞不做处理，则致使盾构开挖面中出现不同不规则凹坑，导致滚刀在破岩过程中受到不平整的开挖面带来的冲击作用，出现刀具崩坏和加速磨损现象。为此，构建模型试验模拟盾构掘进过程中出现小型溶洞的情况，并研究滚刀在穿越整个小型溶洞过程中的受力变化情况是十分必要的，但现有滚刀切割试验装置尚不能不能满足上述试验的具体要求。

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模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置及方法，本申请通过设置溶洞形成组件通过所述开口可对岩石模型切削出不规则的三维溶洞，满足试验需求。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

2、第一方面，本发明提供了一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，包括：

3、承压箱，用于放置试验用岩石模型，底部设有若干开口以漏出岩石模型；

4、滚刀驱动组件，其配置有可重复性回转切割岩石的滚刀并设于所述承压箱上方；

5、溶洞形成组件，设于所述承压箱下方，包括多自由度运动机构且其执行端设有钻头，所述多自由度运动机构驱动所述钻头通过所述开口可对岩石模型切削出不规则的三维溶洞。

6、作为进一步的实现方式，所述多自由度运动机构包括直线伸缩杆和旋转组件，所述直线伸缩杆可带动所述旋转组件竖直运动。

7、作为进一步的实现方式，所述旋转组件包括四个依次连接的转轴；其中两个端部转轴的一个连接所述钻头，另一个连接所述直线伸缩杆，均绕竖直轴线旋转；其中两个内部转轴可实现所述钻头在与所述直线伸缩杆垂直的方向能够延伸不同距离。

8、作为进一步的实现方式，所述钻头下方设有漏斗。

9、作为进一步的实现方式，所述漏斗上还设有吸尘组件，所述吸尘组件可伸入溶洞内吸取残余粉屑。

10、作为进一步的实现方式，所述吸尘组件包括吸尘口、第二软管、硬管和微控杆，所述吸尘口与所述第二软管相连接，所述第二软管与所述微控杆粘连在一起，所述第二软管通过所述微控杆的带动实现在所述硬管内的伸缩，所述硬管可转动并带动所述软管转动。

11、作为进一步的实现方式，还包括平面运动机构，带动所述吸尘组件和所述溶洞形成组件水平运动以及绕所述受压箱的中心旋转。

12、作为进一步的实现方式，所述承压箱底部的所述开口配置有挡板。

13、作为进一步的实现方式，还包括计算机终端，用于设计岩石模型需设定溶洞分布位置、形状和数量，并形成相应的溶洞加工步骤。

14、第二方面，本发明提供了第一方面所述模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置的工作方法，包括以下步骤：

15、利用计算机终端设计岩石模型要求需设定溶洞分布位置、形状和数量，并计算切削步骤，控制溶洞形成组件切削出设计的不规则三维溶洞；切削过程中产生的粉屑被吸尘组件吸取，切削完成后吸尘组件伸入溶洞内吸取溶洞内的残余粉屑；岩石模型内设计的所有溶洞制作完成后，由滚刀驱动组件控制滚刀开展滚刀切割有小型溶洞的重复性试验。

16、上述本发明的有益效果如下：

17、1.本发明的试验装置设置溶洞形成组件，其所具有的多自由度运动机构驱动钻头可通过承压箱底部开口对岩石模型切削出不规则的三维溶洞，解决了模型试验中小型溶洞的复杂形状难以切削难题，满足了试验需要。

18、2.本发明多自由度运动机构包括直线伸缩杆与旋转组件，直线伸缩杆连接控制组件与旋转组件，旋转组件包括多个转轴，直线伸缩杆可以带动旋转组件与横杆移动平面垂直平面移动。其中，第四转轴带动钻头高速转动实现对岩石的钻削，三转轴和第二转轴分别能够带动第三部件和第二部件在与横杆移动平面垂直的平面内转动，实现钻头在与直线伸缩杆垂直的方向能够延伸不同的距离，从而切削出不同形状尺寸的溶洞剖面轮廓，第一转轴通过带动第一部件在与横杆移动平面平行的平面内转动，从而带动钻头切削完成不规则的三维溶洞形状。

19、3.本发明微控杆带动第二软管伸进切削完成的小型溶洞内，通过控制微控杆端部的微转轴转动，使得控制杆端部能够弯曲一定角度，从而带动多自由度运动机构一同弯曲，使得吸尘口能达到溶洞的底部，吸取残留的粉屑，硬管在与横杆移动平面平行的平面内旋转，同时带动着多自由度运动机构和吸尘口旋转，最终实现吸尘口在溶洞的底部旋转，有效解决了钻取溶洞过程中难以清理容腔内粉末的问题。

20、4.本发明钻头的下方设置漏斗，漏斗底部为吸尘口，这样在钻取溶洞过程中，切削的产生的粉末部分落入漏斗中通过吸尘组件和圆弧滑动管排出，消除切削过程的粉末。

21、5.本发明通过控制组件与计算终端连接，计算终端通过对模型数据的信息化处理，并向控制组件发送指令，控制组件通过平面运动机构移动到准确位置，控制各机构的动作，实现对小型溶洞的切削在指定位置；在完成一个溶洞的切削后，所有装置恢复到初始位置，并重复下一个溶洞的切削步骤，实现多个溶洞在同一个试块中的精准切削。

技术特征：

1.一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述多自由度运动机构包括直线伸缩杆和旋转组件，所述直线伸缩杆可带动所述旋转组件竖直运动。

3.根据权利要求2所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述旋转组件包括四个依次连接的转轴；其中两个端部转轴的一个连接所述钻头，另一个连接所述直线伸缩杆，均绕竖直轴线旋转；其中两个内部转轴可实现所述钻头在与所述直线伸缩杆垂直的方向能够延伸不同距离。

4.根据权利要求2所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述钻头下方设有漏斗。

5.根据权利要求4所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述漏斗上还设有吸尘组件，所述吸尘组件可伸入溶洞内吸取残余粉屑。

6.根据权利要求5所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述吸尘组件包括吸尘口、第二软管、硬管和微控杆，所述吸尘口与所述第二软管相连接，所述第二软管与所述微控杆粘连在一起，所述第二软管通过所述微控杆的带动实现在所述硬管内的伸缩，所述硬管可转动并带动所述软管转动。

7.根据权利要求5所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，还包括平面运动机构，带动所述吸尘组件和所述溶洞形成组件水平运动以及绕所述受压箱的中心旋转。

8.根据权利要求1所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述承压箱底部的所述开口配置有挡板。

9.根据权利要求1所述的一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置，其特征在于，还包括计算机终端，用于设计岩石模型需设定溶洞分布位置、形状和数量，并形成相应的溶洞加工步骤。

10.根据权利要求1-9任一项所述模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及模型试验技术领域，尤其是一种模拟含溶洞地层的盾构滚刀破岩试验装置及方法；包括：承压箱，用于放置试验用岩石模型，底部设有若干开口以漏出岩石模型；滚刀驱动组件，其配置有可重复性回转切割岩石的滚刀并设于所述承压箱上方；溶洞形成组件，设于所述承压箱下方，包括多自由度运动机构且其执行端设有钻头，所述多自由度运动机构驱动所述钻头通过所述开口可对岩石模型切削出不规则的三维溶洞；试验装置设置溶洞形成组件，其所具有的多自由度运动机构驱动钻头可通过承压箱底部开口对岩石模型切削出不规则的三维溶洞，解决了模型试验中小型溶洞的复杂形状难以切削难题，满足了试验需要。

技术研发人员：孙尚渠,王玉锋,蒋志斌,张恭禄,张合鑫
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4