專利名稱：一種實體模型試驗中隱蔽洞室開挖的方法及專用設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模擬地下動態(tài)施工過程、優(yōu)化施工的方法及設備，特別涉及一種在實體模型試驗中進行隱蔽洞室開挖的方法及設備。
現(xiàn)有技術中，在模型內(nèi)形成隱蔽洞室的方法，是用預制塊按洞室的形狀和尺寸雕成芯塊砌入預定的部位，試驗時取出芯塊形成洞室。參見文獻“陳霞齡等，地下洞室圍巖穩(wěn)定的試驗研究，《武漢水利電力大學學報》，1994年2月，第17～23頁”。此法模擬挖掘前后應力場變化情況有如下不足(1)洞室材料與模型本體不融合，實際上是一個異質(zhì)模型，故造成模型嚴重失真。(2)一次性或多次性取走洞室材料，不能真實反映洞內(nèi)材料逐步被挖去的過程，故造成試驗挖掘過程相對于施工過程中實際挖掘過程應力場變化嚴重失真。(3)無法模擬洞室開挖的動態(tài)施工過程。
經(jīng)查新，目前尚無在同質(zhì)模型內(nèi)按指定步驟開挖，以真實模擬隱蔽洞室逐步挖掘過程中復雜多變的三維應力場和位移場連續(xù)變化的開挖方法和設備。
在同質(zhì)模型中按設計步驟經(jīng)由開放洞室準確開挖隱蔽洞室，有試驗技術本身固有的復雜性和障礙(1)由于在模型試驗時經(jīng)由開放洞室挖掘隱蔽洞室的開挖作業(yè)空間極其狹窄，且缺少標識物，洞內(nèi)無法與開挖裝置同時布置現(xiàn)有的各種測準儀器。(2)由于模型結構材料的鐵磁性質(zhì)，無法應用無線通信。(3)模型制作時建立的絕對坐標系，在初始應力場建立后由于模型發(fā)生不規(guī)則變形而失去意義，不再能準確地確定預埋儀器及將要挖掘的隱蔽洞室的空間位置，而且很難從外邊進行修正。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種實體模型試驗中隱蔽洞室開挖的方法，其特征在于該方法是在絕對坐標系下建立隨預埋儀器同時產(chǎn)生位移的軸線標識物，同時采用三級逐級傳遞的定位方法，將絕對坐標系下的絕對定位系統(tǒng)轉變?yōu)橄鄬Χㄎ幌到y(tǒng)，其具體操作步驟(1)建立第一級定位系統(tǒng)，采用小直徑的柔性索繩作為洞室軸線標識物與測試儀器在絕對座標系下同時埋入模型，建立隱蔽洞室軸線隨動相對定位系統(tǒng)，并在開放洞室前期開挖使其露頭后，用以重新標定變化后的軸線在絕對座標系下的位置；(2)利用中心導向內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置，將其鉆頭中心孔直接穿入索繩，在索繩引導下準確地完成導洞開挖；(3)建立第二級定位系統(tǒng)，依托通過兩端開放洞室設置支架，該支架與模型本體分離開，穿過導洞架設與導洞相同直徑的心軸，利用心軸導向，用階進式變徑刀盤挖掘裝置，逐步挖出主洞；(4)建立第三級定位系統(tǒng)，依托通過兩端開放洞室架設的隱蔽洞室端口樣板，用可接長的滾刀進行第三級開挖，沿洞室母線整體修整洞壁到最終尺寸。
根據(jù)上述開挖方法，本發(fā)明還提供了實現(xiàn)上述三級開挖所采用的專用設備。該專用設備包括一種中心內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置、一種階進式變徑刀盤挖掘裝置以及一種對洞室壁面進行修整的切削裝置，下面分別進行敘述。
一種中心導向內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置，該裝置是由內(nèi)排屑可彎曲中空軟軸傳動裝置和安裝在中空軟軸上的內(nèi)排屑鉆頭組成，其特征在于在其鉆頭前端設有與導向索繩相配合的中心導孔。
一種階進式變徑刀盤挖掘裝置，該裝置主要包括傳動機構、進給機構和由中空軸套分段接長的傳動軸以及安裝在該傳動軸上的可調(diào)直徑刀盤，其特征在于該裝置包括一導向心軸，刀盤設有與導向心軸相配合的中心孔，所述導向心軸與刀盤中心孔及多段中空軸套相配合，心軸的一端由支撐梁支撐，另一端插入機頭主軸中心孔內(nèi)；所述傳動軸通過一環(huán)狀齒條與機頭主軸相連接，所述環(huán)狀齒條與安裝在搖柄上的滾動齒輪嚙合組成手動進給機構。
一種對洞室壁面進行修整的切削裝置，該修整切削裝置包括安裝在隱蔽洞室兩端的帶有洞口孔型的端口樣板和按洞口孔型對隱蔽洞室壁面進行修整的切削器，該切削器為分段連接為一體的滾刀。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果采用本發(fā)明有效地避免了由于異質(zhì)模型所造成的模型嚴重失真以及在實際挖掘過程中其應力場變化嚴重失真的缺陷，不僅低成本地實現(xiàn)了按施工進程模擬經(jīng)由開放洞室挖掘隱蔽洞室的要求，從而反映開挖中應力場和位移場的連續(xù)變化，而且保證了變截面洞室的形狀精度要求和相對于預埋儀器的位置精度要求。實驗證明，此法可最大限度地消除其它間接定位方法引起的隱蔽洞室與預埋儀器之間的位置誤差，并有效降低了試驗費用。
圖2為本發(fā)明實施例沿導向鋼索挖掘導洞示意圖以及所用中心導向內(nèi)排屑可彎曲挖掘裝置的結構示意圖。
圖3為圖2的A向視圖。
圖4為本發(fā)明提供的階進式變徑刀盤挖掘裝置的結構示意圖以及本發(fā)明實施例采用階進式變徑刀盤挖掘裝置開挖主洞示意圖。
圖5為圖4的A-A剖視圖。
圖6為本發(fā)明實施例第三級定位的隱蔽洞室端口樣板安裝示意圖。
圖7為本發(fā)明提供的一種對洞室壁面進行修整的切削裝置的結構示意圖以及采用該裝置沿隱蔽洞室母線進行最終洞型修整的示意圖。
圖8為圖7的B-B剖視圖。
圖中1-試驗模型，2、3、4-開放洞室，5-隱蔽洞室，6-鋼索定位模板，7-導向鋼索，8-中空內(nèi)排屑鉆頭，9-可彎曲中空軟軸傳動裝置，10-排屑孔，11-分段連接心軸，12-刀片，13-可調(diào)直徑刀盤，14-中空套筒，15-環(huán)狀齒條，16-滑鍵，17-機頭主軸，18-機頭支架，19-滾動齒輪，20-支撐梁，21-傳動機構，22-隱蔽洞室端口樣板，23-分段連接整體滾刀。
本發(fā)明的基本思路來源于六點定位原理和基準傳遞理論。由于模型各部分在絕對坐標系下的位置隨初始應力場的建立發(fā)生了復雜的變化，位于模型內(nèi)部隱蔽洞室的軸線實際上已變得不可知，因此必須在絕對坐標系下建立隨預埋儀器同時產(chǎn)生位移的軸線標識物，以實現(xiàn)將絕對定位系統(tǒng)轉換為相對定位系統(tǒng)。
對于相對定位系統(tǒng)的標識物必須滿足如下要求；(1)相對于模型比尺必須足夠小，不會引起模型嚴重失真。(2)在初始應力場建立過程中，該標識物不致引起模型附加應力。(3)標識物在先期開挖開放洞室時使其露頭后，可用來重新標定變形后的洞室軸線在絕對坐標系下的位置。以此為基礎，設計了三級逐級傳遞的定位系統(tǒng)和對應的三級開挖裝置。


圖1為本發(fā)明實施例建立第一級隨動相對定位系統(tǒng)時標識物設置示意圖(以溪洛渡水電站地下廠房洞室群三維地質(zhì)力學模型試驗的開挖為例)。圖中，1為試驗模型，2、3、4為開放洞室。第一級定位采用直徑為1～2mm的柔性導向鋼索7作為洞室軸線標識物與測試儀器在絕對座標系下同時埋入模型，建立隱蔽洞室軸線隨動相對定位系統(tǒng)。鋼索兩端在定位模板6上定位、拉直、夾緊。并在開放洞室前期開挖使其露頭后，用以重新標定變化后的軸線在絕對座標系下的位置。
為實現(xiàn)第一級導洞開挖，設計了中心導向內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置，該裝置是由內(nèi)排屑可彎曲中空軟軸傳動裝置9和安裝在中空軟軸上的內(nèi)排屑鉆頭8組成，在其鉆頭前端設有與柔性導向鋼索7相配合的中心導孔和排屑孔10(如圖2、3所示)。使用時將鉆頭的中心導孔直接穿入導向鋼索，由可彎曲中空軟軸傳動裝置帶動內(nèi)排屑鉆頭實現(xiàn)轉動，由不斷挖出的鋼索新段導引并向前進給，按試驗要求的時間比尺調(diào)整進給速度，直至挖通。切屑渣粉由鉆頭上的排屑孔10進入中空的鉆頭內(nèi)部，再經(jīng)中空軟軸9源源排出。
第二級定位系統(tǒng)，依托通過兩端開放洞室的支架(支架與模型本體絕對分離，支架中心孔位置用修正后的絕對座標值標定)，穿過導洞架設與導洞相同直徑的導向心軸11，該心軸可采用多節(jié)短桿連接而成。
圖4為本發(fā)明提供的階進式變徑刀盤挖掘裝置的結構示意圖以及本發(fā)明實施例采用階進式變徑刀盤挖掘裝置開挖主洞的示意圖。
第二級開挖采用心軸導向，采用階進式變徑刀盤挖掘裝置，該裝置主要包括由電機、皮帶輪、皮帶和機頭主軸17組成的皮帶傳動機構21，進給機構，機頭支架18，導向心軸11和由中空軸套分段接長的傳動軸14以及安裝在該傳動軸上的可調(diào)直徑刀盤13。刀盤13設有與導向心軸相配合的中心孔，導向心軸與刀盤中心孔和多段中空軸套相配合，心軸的一端由支撐梁20支撐，另一端插入機頭主軸17的中心孔內(nèi)；支撐梁兩端自開放洞室引出，固定在模型外鋼架上，保證切削時模型本體不受除切削力以外的任何附加力影響。傳動軸通過一環(huán)狀齒條15與機頭主軸17相連接，環(huán)狀齒條15通過滑鍵16固定在機頭主軸17上，既可以隨主軸一起轉動，又可實現(xiàn)軸向移動。環(huán)狀齒條15與安裝在搖柄上的滾動齒輪19嚙合在一起，可以實現(xiàn)刀盤的前后進給(如圖4、5所示)。
分段接長的傳動軸14由每節(jié)長50mm的中空軸套從機頭端逐級接長傳動，并實現(xiàn)向前進給，步進開挖，每次進尺50mm，切屑渣粉由吸塵器隨時排出。刀盤13的直徑參照隱蔽洞室不同截面最小尺寸進行調(diào)整。變截面挖掘可通過調(diào)整支架位置，由機頭和尾架上、下、左、右移動改變心軸位置，切出變截面。
第三級定位，在隱蔽洞室兩端的開放洞室內(nèi)安置洞口孔型樣板，并按由導向鋼索校正過的軸線坐標嚴格校準其位置，樣板護住洞口邊緣，兩端固定在模型外鋼架上。用整體滾刀(可用短節(jié)接桿達到需要長度)進行第三級開挖，所用設備采用一種對洞室壁面進行修整的切削裝置，該修整切削裝置包括安裝在隱蔽洞室兩端的帶有洞口孔型的端口樣板22和按洞口孔型對隱蔽洞室壁面進行修整的切削器23，該切削器為分段連接為一體的滾刀。用滾刀沿隱蔽洞室母線切去前步開挖的剩余部分，進行最終洞型的修整(如圖7、圖8所示)。
權利要求
1.一種實體模型試驗中隱蔽洞室開挖的方法，其特征在于該方法利用在絕對坐標系下建立隨預埋儀器同時產(chǎn)生位移的軸線標識物，同時采用三級逐級傳遞的定位方法，將絕對坐標系下的絕對定位系統(tǒng)轉變?yōu)橄鄬Χㄎ幌到y(tǒng)，其具體操作步驟如下(1)建立第一級定位系統(tǒng)，采用小直徑的柔性索繩作為洞室軸線標識物與測試儀器在絕對座標系下同時埋入模型，建立隱蔽洞室軸線隨動相對定位系統(tǒng)，并在開放洞室前期開挖使其露頭后，用以重新標定變化后的軸線在絕對座標系下的位置；(2)以索繩為導向，利用中心導向內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置，將其刀具中心孔直接穿入導向索繩，在索繩的引導下準確地完成導洞開挖；(3)建立第二級定位系統(tǒng)，依托通過兩端開放洞室設置支架，該支架與模型體分離開，穿過導洞架設與導洞相同直徑的心軸，利用心軸導向，用階進式變徑刀盤挖掘裝置，逐步挖出主洞；(4)建立第三級定位系統(tǒng)，依托通過兩端開放洞室架設的隱蔽洞室端口樣板，用可接長的滾刀進行第三級開挖，整體修整洞壁到最終尺寸。
2.按照權利要求1所述的隱蔽洞室開挖方法，其特征在于所述柔性索繩采用鋼索。
3.實施如權利要求1所述開挖方法的一種中心導向內(nèi)排屑可彎曲微型挖掘裝置，該裝置是由內(nèi)排屑可彎曲中空軟軸傳動裝置和安裝在中空軟軸上的內(nèi)排屑鉆頭組成，其特征在于在其鉆頭前端設有與導向索繩相配合的中心導孔。
4.實施如權利要求1所述開挖方法的一種階進式變徑刀盤挖掘裝置，該裝置主要包括傳動機構、進給機構和由中空軸套分段接長的傳動軸以及安裝在該傳動軸上的可調(diào)直徑刀盤，其特征在于該裝置包括一導向心軸，刀盤設有與導向心軸相配合的中心孔，所述導向心軸與刀盤中心孔和多段中空軸套相配合，心軸的一端由支撐梁支撐，另一端插入機頭主軸中心孔內(nèi)；所述傳動軸通過一環(huán)狀齒條與機頭主軸相連接，所述環(huán)狀齒條與安裝在搖柄上的滾動齒輪嚙合在一起組成進給機構。
5.按照權利要求4所述的階進式變徑刀盤挖掘裝置，其特征在于所述的導向心軸采用多節(jié)短桿連接而成。
6.實施如權利要求1所述開挖方法的一種對洞室壁面修整切削裝置，其特征在于該修整切削裝置包括安裝在隱蔽洞室兩端的帶有洞口孔型的端口樣板和按洞口孔型對隱蔽洞室壁面進行修整的切削器，該切削器為分段連接為一體的滾刀。
全文摘要
一種實體模型試驗中隱蔽洞室開挖的方法及專用設備，利用在絕對坐標系下建立隨預埋儀器同時產(chǎn)生位移的軸線標識物，同時采用三級逐級傳遞的定位方法，將絕對坐標系下的絕對定位系統(tǒng)轉變?yōu)橄鄬Χㄎ幌到y(tǒng)，并設計了專用的設備進行開挖。本發(fā)明有效地避免了由于異質(zhì)模型所造成的模型嚴重失真以及在實際挖掘過程中其應力場變化嚴重失真的缺陷，不僅實現(xiàn)了按施工進程模擬經(jīng)由開放洞室挖掘隱蔽洞室的要求，從而反映開挖中應力場和位移場的連續(xù)變化，而且保證了變截面洞室的形狀精度要求和相對于預埋儀器的位置精度要求。實驗證明，此法可最大限度地消除其它間接定位方法引起的隱蔽洞室與預埋儀器之間的位置誤差，并有效降低了試驗費用。
文檔編號E02D33/00GK1401861SQ0212936
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權日2002年9月6日
發(fā)明者盧達溶, 李仲奎, 洪亮, 石伯平, 張秀海 申請人:清華大學