一种用于隧道开挖的模型试验及控制系统的制作方法

1.本发明涉及隧道开挖模型技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于隧道开挖的模型试验及控制系统。


背景技术：

2.为了模拟深部复杂地质条件下地下工程开挖对围岩结构和性态的扰动规律以及围岩与支护相互作用机理，以优化掘进与支护参数和施工工艺，进而进行工程灾害预测和防控。室内物理模拟试验机中需要设置适应其内部狭小空间、高温高压高应力环境的开挖建造扰动过程模拟装置。因此，要求该装置必须具有尺寸微型化、操作自动化、掘进参数可控、可靠性高的特点。
3.目前模型试验中开挖方式主要有手工开挖、爆破、钻头掘进。其中，人工手动采用各种工具(如铲子)开挖，受操作人员经验影响非常大，掘进过程难控制，也容易产生欠挖和超挖；爆破开挖，难以适用于狭小空间操作，控制难度大，而且对围岩扰动大；爆破冲击易对周围围岩和压力腔造成破坏性影响，危险系数大；部分模型试验采用钻头掘进，与微型全断面掘进机都属于全断面一次开挖，机械化操作，但钻头掘进，体积大，难以微型化，掘进参数难控制，冲击大，易造成模型围岩垮塌。因此，本发明研发一种具有微型全断面开挖功能的隧道开挖模型试验及控制系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于隧道开挖的模型试验及控制系统。
5.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于隧道开挖的模型试验系统，所述试验系统包括：
6.模型试样；
7.模型试验机；所述模型试验机沿所述模型试样的一端面掘进并深入所述模型试样的内部，所述模型试验机包括：
8.驱动组件；
9.掘进组件，所述掘进组件通过所述驱动组件驱动，所述掘进组件沿所述模型试样的一端侧壁朝所述模型试样的内部掘进开挖；
10.排渣组件，所述排渣组件与所述掘进组件同步联动，用于当所述掘进组件掘进开挖时将所述模型试样的渣片粉末吸附清理。
11.优选地，所述掘进组件包括，刀盘，所述刀盘包括：
12.连接轴；
13.面板，所述面板为圆盘状，圆盘状的所述面板的中心套设在所述连接轴上，所述面板包括：
14.若干辐条，若干所述条幅圆周等距设置，所有所述条幅的其中一端汇聚形成内环，所述内环套设在所述连接轴上；其中，相邻两辐条之间呈夹角设置；
15.外环，所述外环的内侧套设在所有所述辐条远离所述连接轴的一端；
16.若干滚刀，若干所述滚刀均匀设置在所述辐条以及所述连接轴的外端面上，所述滚刀用于滚动切割所述模型试样的侧壁；
17.若干切刀，若干所述切刀均匀布设在每一相邻两所述条幅之间的相对侧壁上以及周向分布在所述外环的外侧壁上；布设在外环上的切刀用于切割所述模型试样隧道的侧壁轮廓；
18.其中，相邻所述辐条之间留有间隙，用于连通所述排渣组件。
19.优选地，所述排渣组件包括：高压吸尘排渣管路，所述高压吸尘排渣管路的一端靠近所述掘进组件，所述高压吸尘排渣管路的另一端连通一高压吸尘排渣动力源，所述高压吸尘排渣动力源用于提供吸附动力。
20.优选地，所述驱动组件包括：推送杆，所述推送杆包括多节互相插接的伸缩杆，所述伸缩杆包括：
21.固定部，所述固定部位于远离所述掘进组件的一端；
22.推送部，所述推送部远离所述固定部的一端连接于所述掘进组件，所述掘进组件通过所述推送部的推进和后退发生相应的位置移动。
23.优选地，所述模型试验机还包括：支护组件，所述支护组件至少包括第一支护组件和第二组件，所述第一支护组件和所述第二支护组件均为环状，且等距支撑设置在所述模型试样被所述模型试验机掘进的隧道内。
24.优选地，所述排渣组件还包括一集渣斗，所述集渣斗连通所述高压吸尘排渣管路远离所述排渣口的端部，用于收集所述模型试样掘进后的渣片粉末。
25.优选地，相邻两所述辐条之间呈30度设置。
26.优选地，所述排渣组件还包括若干排渣口，所述排渣口均为管状，所有所述排渣口的一端共同连接所述高压吸尘排渣管路，每一所述排渣口远离所述高压吸尘排渣管路的一端均对应设置在相邻所述条幅的间隙内，所述排渣口用于吸收所述模型试样的渣片粉末。
27.优选地，至少一对推送器，所述第一支护组件和所述第二支护组件靠近模型试样通道入口的一端均设置一所述推送器，所述推送器用于顶推所述第一支护组件和所述第二支护组件朝向所述模型试样的内部发生位移。
28.一种用于隧道开挖的模型试验的控制系统，所述控制系统包括：
29.监测组件，用于监测所述驱动组件、所述掘进组件、所述排渣组件以及所述支护组件的运行参数；
30.控制组件，用于获取所述运行参数，并控制所述驱动组件、所述掘进组件、所述排渣组件以及所述支护组件发生运行状态的改变；
31.控制平台，所述控制平台与所述控制组件电连接，用于向所述控制组件发送指令，使所述控制组件控制所述驱动组件、所述掘进组件、所述排渣组件以及所述支护组件发生运行状态的改变。
32.本发明至少包括以下有益效果：
33.1、本发明的一种用于隧道开挖的模型试验系统，模拟深部复杂地质条件下地下工程开挖对围岩结构和性态的扰动规律以及围岩与支护相互作用机理，以优化掘进与支护参数和施工工艺，进而为进行工程灾害预测和防控提供参照，具体为：试验系统包括：模型试
样和模型试验机；模型试验机沿模型试样的一端面掘进并深入模型试样的内部，模型试验机包括：驱动组件、掘进组件、排渣组件、支护组件、监测组件和控制组件，掘进组件通过驱动组件驱动，掘进组件沿模型试样的一端侧壁朝模型试样的内部掘进开挖；排渣与掘进组件同步联动，用于当掘进组件掘进开挖时将模型试样的渣片粉末进行吸附清理，施工时，利用模型试验机对模型试样进行掘进开挖，在通过排渣组件进行同步跟进，以及时将掘进开挖的渣片粉末进行导出，整个掘进开挖、排出渣片粉末的施工过程均通过控制系统进行实时监控以及控制，大大提高了施工的精度以及效率。
34.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
35.图1为本发明用于隧道开挖的模型试验系统的结构平面图；
36.图2为本发明用于隧道开挖的模型试验系统的结构的剖面图；
37.图3为本发明用于隧道开挖的模型试验系统的刀盘的正面结构图；
38.图4为本发明用于隧道开挖的模型试验系统的刀盘的背面结构图；
39.附图标记说明：1、模型试样，2、模型试验机，3、驱动组件，4、刀盘，5、排渣组件，6、推送杆，7、支护组件，8、排渣口，9、集渣斗，10、滚刀，11、辐条，12、面板，13、切刀，14、连接轴。
具体实施方式
40.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
41.在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.目前模型试验中开挖方式主要有手工开挖、爆破、钻头掘进、全断面隧道掘进机开挖。其中，人工手动采用各种工具(如铲子)开挖，受操作人员经验影响非常大，掘进过程难控制，也容易产生欠挖和超挖；爆破开挖，难以适用于狭小空间操作，控制难度大，而且对围岩扰动大；爆破冲击易对周围压力腔造成破坏性影响，危险系数大；部分模型试验采用钻头掘进，与微型全断面掘进机都属于全断面一次开挖，机械化操作，但钻头掘进，体积大，难以微型化，掘进参数难控制，冲击大，易造成模型围岩垮塌tbm(全断面隧道掘进机)已在长大隧道和矿井深部岩石巷道掘进中得到越来越广泛的应用，当前市面上并没有适合室内物理模型试验的微型全断面掘进系统；
43.因此本发明研发了用于隧道开挖的模型试验及控制系统，为研究围岩开挖扰动演化规律、围岩与支护的相互作用机理、掘进控制参数优化决策等重要科学问题提供实验基础。而微型全断面掘进机，能全面模拟tbm开挖，自动化操作，能适应各种复杂工况，对围岩扰动平缓。
44.如图1
‑
4所示，一种用于隧道开挖的模型试验系统，所述试验系统包括：
45.模型试样1和模型试验机2；所述模型试验机2沿所述模型试样1的一端面掘进并深入所述模型试样1的内部，所述模型试验机2包括：驱动组件3、掘进组件、支护组件7、以及排渣组件5，所述掘进组件通过所述驱动组件3驱动，所述掘进组件沿所述模型试样1的一端侧壁朝所述模型试样1的内部掘进开挖，排渣组件5与所述掘进组件同步联动，用于当所述掘进组件掘进开挖时将所述模型试样1的渣片粉末吸附清理。
46.深部地层往往储存高地应力和高地温，为了模拟深部复杂地质环境，模型试验机2设置能加载的最高地应力300mpa，最高温度250℃,因此本发明的用于隧道开挖的模型试验系统应能满足模型试验高温高压要求，选用的驱动系统、管路等均选择耐高温、高压的。
47.为了保持试验系统压力腔的完整性以实现高应力加载，其连接方式是不采用在模型试样1的加载框架开孔的传统方式，而是将模型试验机2开挖与驱动装置嵌入模型试样1的加载框架的内部，驱动组件3、掘进组件排渣组件5以及支护组件7分别通过模型试验系统框架预留的小孔与外部驱动源以及控制平台连接。在推送杆6内部布设强力吸尘排渣管路，分别实现掘进、排渣，支护组件7包括：第一支护组件7和第二支护组件7，第一支护组件7为钢拱架，第二支护组件7为管片，同时模型试样1的通道内推送器的推送端，直接卡住钢拱架或管片进行推送实现支护，利用控制系统实现掘进参数控制与信号反馈，推送器优选为电动推送杆6，以通过电动动力的方式实现耐高温稳定性好的技术效果。
48.掘进开挖具体通过掘进组件完成，所述掘进组件包括，刀盘4，所述刀盘4包括：连接轴14；面板12，所述面板12为圆盘状，圆盘状的所述面板12的中心套设在所述连接轴14上，所述面板12包括：若干辐条11，若干所述条幅圆周等距设置，所有所述条幅的其中一端汇聚形成内环，所述内环套设在所述连接轴14上；其中，相邻两辐条11之间呈夹角设置；外环，所述外环的内侧套设在所有所述辐条11远离所述连接轴14的一端；若干滚刀10，若干所述滚刀10均匀设置在所述辐条11以及所述连接轴14的外端面上，所述滚刀10用于滚动切割所述模型试样的侧壁；若干切刀，若干所述切刀均匀布设在每一相邻两所述条幅之间的相对侧壁上以及周向分布在所述外环的外侧壁上；布设在外环上的切刀用于切割所述模型试样隧道的侧壁轮廓；其中，相邻所述辐条11之间留有间隙，用于连通所述排渣组件，所述刀盘44推进微型耐高温驱动电机14(尺寸约70mm
×
280mm)及刀盘44旋转微型伺服电机19(尺寸约为40
×
80mm)具备耐250℃甚至更高温度性能；所述可伸缩推送杆612分4级，每级可伸长150mm。
49.通过模型试验机2掘进开挖出的渣片粉末通过排渣组件5排出，所述排渣组件5包括：高压吸尘排渣管路，所述高压吸尘排渣管路的一端靠近所述掘进组件，所述高压吸尘排渣管路的另一端连通一高压吸尘排渣动力源，所述高压吸尘排渣动力源用于提供吸附动力，所述集渣斗9容积1.5l；所述高压吸尘排渣管路10在刀盘4背部推送杆6末端伸出的用于吸取粉尘和渣片粉末的管路采用不锈钢管(直径φ15mm)，在推送杆6内布设耐高温 400℃～ 450℃可压缩耐磨软管(外表采用特殊玻璃纤维涂层，外部螺旋，直径φ20mm)。
50.所述驱动组件3包括：推送杆6，所述推送杆6包括多节互相插接的伸缩杆，所述伸缩杆包括：固定部和推送部，所述固定部位于远离所述掘进组件的一端；所述推送部远离所述固定部的一端连接于所述掘进组件，所述掘进组件通过所述推送部的推进和后退发生相应的位置移动。支护组件7包括第一支护组件7和第二支护组件7，第一支护组件7为钢拱架，第二支护组件7为管片。所述刚拱架为扁平状，“蛇形环”设计，横截面为矩形，通过横截面积
来模拟强度变化，宽度5mm，厚度分别为2、4、6、8mm；所述管片衬砌8总长30mm钢材，圆筒形状，通过厚度来模拟强度变化，厚度依次为2、4、6、8mm，靠近掌子面的前端为楔形，使推送前移时楔形端可把凹凸不平的洞壁削平；所述支护推送器为微型推送直杆也可采用电动伸缩杆，在隧道左右两侧设置两个推送器，推送器前端直接卡住钢拱架或管片进行推送
51.所述模型试验机2还包括：支护组件7，所述支护组件7至少包括第一支护组件7和第二组件，所述第一支护组件7和所述第二支护组件7均为环状，且等距支撑设置在所述模型试样1被所述模型试验机2掘进的通道内。
52.所述排渣组件5还包括一集渣斗9，所述集渣斗9连通所述高压吸尘排渣管路远离所述排渣口8的端部，用于收集所述模型试样1开挖后的渣片粉末。
53.所述排渣组件5还包括若干排渣口8，所述排渣口8均为管状，所有所述排渣口8的一端共同连接所述高压吸尘排渣管路，每一所述排渣口8远离所述高压吸尘排渣管路的一端均匀对称地设置在相邻所述条幅的间隙内，所述排渣口8用于吸收所述模型试样1的渣片粉末。
54.推送器，所述推动器连接设置在所述支护装置靠近所述第一支护组件7和所述第二支护组件7靠近模型试样1通道入口的一端，所述推送器用于顶推所述第一支护组件7和所述第二支护组件7朝向所述模型试样1的内部发生位移。
55.一种用于隧道开挖的模型试验的控制系统，所述控制系统包括：监测组件、控制组件和控制平台，监测组件用于监测所述驱动组件3、所述掘进组件、所述排渣组件5以及所述支护组件7的运动参数，控制组件，用于获取所述运行参数，并控制所述驱动组件3、所述掘进组件、所述排渣组件5以及所述支护组件7发生运动状态的改变；所述控制平台与所述控制组件电连接，用于向所述控制组件发送指令，使所述控制组件控制所述驱动组件3、所述掘进组件、所述排渣组件5以及所述支护组件7发生运动状态的改变。所述微型模型试验机2集成控制平台用于控制微型模型试验机2的掘进参数，包括伸缩杆的推力(对应刀盘4推力)、推进速度(对应贯入度)、刀盘4转速、刀盘4扭矩，并对掘进过程中的信息进行反馈、处理。所述微型模型试验机2的掘进参数范围为：贯入度：1～8mm；刀盘4转速：0～10rpm；推力：5～20kn；扭矩：≤10kn
·
m。
56.实施例一：本发明前述构件的连接关系为：在特殊设计的端部垫块内安装刀盘4推送微型耐高温驱动电机，在微型耐高温驱动电机右侧安装排渣的集渣斗9；微型耐高温驱动电机连接多级可伸缩推送杆6，在多级可伸缩推送杆6内布设高压吸尘排渣管路、刀盘4背部微型伺服电机耐高温电缆线，高压吸尘排渣管路和微型伺服电机耐高温电缆线的前端与多级可伸缩推送杆6的前端连接，使得高压吸尘排渣管路和微型伺服电机耐高温电缆线能随多级可伸缩推送杆前移而伸长；高压吸尘排渣管路的末端连接集渣斗9；在多级可伸缩推送杆6的前端连接刀盘4微型耐高温伺服电机，微型耐高温伺服电机的前端通过电液滑环与刀盘4连接；刀盘4通过背部的连接轴14连接刀盘4旋转微型耐高温伺服电机，实现推力和扭矩施加，通过多级可伸缩推送杆6的伸缩带动刀盘4前进移动，通过耐高温微型伺服电机的转动带动刀盘4旋转切削破岩；驱动系统、高压吸尘排渣管路分别与试验舱外部电动驱动源、高压吸尘排渣动力源通过试验舱专门预留的管路连接孔连接。
57.实施例二：本发明的一种用于隧道开挖的模型试验及控制系统包括以下步骤：
58.步骤1：动力源为驱动装置提供驱动动力，驱动装置通过带动多级可伸缩推送杆6
伸缩前移驱动刀盘4前移、滚压、贯入和旋转对模型试样1进行滚压、切削掘进，利用控制系统对掘进过程实时监测控制，当模型试验机2开挖完成一个循环后进行排渣。
59.步骤2：模型试验机2的刀盘4掘进产生的渣片粉末和岩粉通过刀盘4上相邻辐条11间设置的开口进入刀盘4背部。在多级可伸缩推进杆上内置高压吸尘排渣管路，随着模型试验机2向前掘进，高压吸尘排渣管路与多级可伸缩推进杆同步向前延伸，模型试验机2掘进产生的渣片粉末，通过高压吸尘排渣管路吸出进入集渣斗9。
60.步骤3：排渣完后根据设置的支护参数和支护时机进行支护，即在多级可伸缩推送杆6周围预先套上常见的支护结构微型钢拱架和微型管片，驱动系统连接支护推送器，顶在微型钢拱架和微型管片上，当开挖完成后推送微型钢拱架和管片至机头位置进行支护。
61.系统原理：驱动源为驱动装置提供驱动力，驱动装置通过带动多级可伸缩推送杆6伸缩前移驱动刀盘4前移、滚压、贯入和旋转对岩石进行切削掘进，模型试验机2开挖完成一个循环后进行排渣。模型试验机2刀盘4掘进产生的渣片粉末和岩粉通过刀盘4上相邻辐条11间设置的开口进入刀盘4背部。在推进杆上内置高压吸尘排渣管路，随着模型试验机2向前掘进，高压吸尘排渣管路与推进杆同步向前延伸，模型试验机2掘进产生的渣片粉末，通过高压吸尘排渣管路吸出进入集渣斗9。排渣完后根据设置的支护参数和支护时机进行支护，即在上述推送杆6周围预先套上常用的支护结构微型钢拱架和微型管片，驱动系统连接推送细杆，顶在微型钢拱架和微型管片上，当开挖完成后推送微型钢拱架和管片至机头位置进行支护。
62.综上所述，本发明的一种用于隧道开挖的模型试验系统，模拟深部复杂地质条件下地下工程开挖对围岩结构和性态的扰动规律以及围岩与支护相互作用机理，以优化掘进与支护参数和施工工艺，进而为进行工程灾害预测和防控提供参照，具体为：试验系统包括：模型试样和模型试验机；模型试验机沿模型试样的一端面掘进并深入模型试样的内部，模型试验机包括：驱动组件、掘进组件、排渣组件、支护组件、监测组件和控制组件，掘进组件通过驱动组件驱动，掘进组件沿模型试样的一端侧壁朝模型试样的内部掘进开挖；排渣与掘进组件同步联动，用于当掘进组件掘进开挖时将模型试样的渣片粉末进行吸附清理，施工时，利用模型试验机对模型试样进行掘进开挖，在通过排渣组件进行同步跟进，以及时将掘进开挖的渣片粉末进行导出，整个掘进开挖、排出渣片粉末的施工过程均通过控制系统进行实时监控以及控制，大大提高了施工的精度以及效率。
63.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。