用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，包括鉆桿動力裝置，三維定位掘進裝置和可變?nèi)芏撮_挖裝置，鉆桿動力裝置通過卡槽與三維定位掘進裝置連接，在模型試驗系統(tǒng)中做可變深度鉆孔掘進，為溶洞定位開挖做準備；可變?nèi)芏撮_挖裝置內(nèi)置于三維定位掘進裝置鉆桿中，在完成鉆孔掘進和溶洞深度定位后，通過調(diào)節(jié)角度控制栓做可變?nèi)芏撮_挖；三維定位掘進裝置包括鉆桿，鉆桿上端能夠卡裝于卡槽中，鉆桿下端設(shè)有鉆頭，鉆桿一側(cè)面上設(shè)有供可變?nèi)芏撮_挖裝置調(diào)節(jié)的開槽，鉆桿下半部分側(cè)面上開有供可變?nèi)芏撮_挖裝置開挖半徑變化的空隙。本發(fā)明同時公開了該裝置的操作方法。本發(fā)明操縱簡單，定位精確，能實現(xiàn)最小擾動可變?nèi)芏撮_挖。
【專利說明】用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖土工程技術(shù)，尤其是一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，模型試驗利用相似材料和試驗系統(tǒng)通過一個較小尺寸的模型來盡可能精確的模擬原型的一種試驗方法。盡可能真實的模擬巖土工程結(jié)構(gòu)的是模型試驗是否成功的關(guān)鍵因素。因此，在模型的建立過程中最大程度的減小對模型試驗相似材料原有力學(xué)性能及整體性的破壞對模型試驗是否成功，試驗成果能否用于反映原型的真實性能具有重要意義。
[0003]目前，在巖土工程模型試驗溶洞的模擬中，尚未有一種工具以及開挖方法能夠進行溶洞的無擾動開挖并實現(xiàn)開挖中相似材料的抽取及溶腔充填材料的注入，尚不能解決根據(jù)需要改變模擬地下溶洞的位置，尺寸，內(nèi)部充填情況的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置及方法，其操縱簡單，定位精確，能實現(xiàn)最小擾動可變?nèi)芏撮_挖。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0006]一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，包括鉆桿動力裝置，三維定位掘進裝置和可變?nèi)芏撮_挖裝置，鉆桿動力裝置通過卡槽與三維定位掘進裝置連接，在模型試驗系統(tǒng)中進行可變深度的鉆孔掘進，為進行溶洞定位開挖做準備；可變?nèi)芏撮_挖裝置內(nèi)置于三維定位掘進裝置鉆桿中，在完成鉆孔掘進和溶洞深度定位后，通過調(diào)節(jié)角度控制栓進行可變?nèi)芏撮_挖；可變?nèi)芏撮_挖裝置內(nèi)置于三維定位掘進裝置中，能夠?qū)θ芏次恢蒙疃冗M行控制；
[0007]所述三維定位掘進裝置包括鉆桿，所述鉆桿上端能夠卡裝于卡槽中，鉆桿下端設(shè)有鉆頭，鉆桿一側(cè)面上設(shè)有供可變?nèi)芏撮_挖裝置調(diào)節(jié)的開槽，鉆桿下半部分側(cè)面上開有供可變?nèi)芏撮_挖裝置開挖半徑變化的空隙。
[0008]所述鉆桿中設(shè)有能夠使可變?nèi)芏撮_挖裝置定位且能沿鉆桿徑向上下位移的空間。
[0009]所述鉆桿包括沿其徑向中分面分開的上部鉆桿和下部鉆桿，所述上部鉆桿和下部鉆桿靠近卡槽端的中分面能夠緊密貼合，另一端的部鉆桿和下部鉆桿之間設(shè)有供開有供可變?nèi)芏撮_挖裝置開挖半徑變化的空隙，且下部鉆桿的中分面上設(shè)有與可變?nèi)芏撮_挖裝置相配合凸起。
[0010]所述下部鉆桿中設(shè)有沿其長度方向的長孔，長孔上端開口與下部鉆桿的上端部，且與多功能管相連，下端開口設(shè)于下部鉆桿下半部分的側(cè)面。多功能連通孔能夠通過抽土注水等操作實現(xiàn)對所開挖溶洞充填情況的控制。
[0011 ] 所述鉆桿外部設(shè)有刻度尺。[0012]所述可變?nèi)芏撮_挖裝置包括角度控制栓，所述角度控制栓的上端折彎，且折彎部分能夠卡入鉆桿側(cè)面的開槽中，折彎部分末端設(shè)置固定螺栓；與固定螺栓接觸位置的上部鉆桿上設(shè)有與刀盤開合度相匹配的刀盤角度刻度；所述角度控制栓的下端通過傳動臂與刀盤相連，刀盤上設(shè)有與下部鉆桿的凸起相配合的銷孔，能保證刀盤沿凸起自由轉(zhuǎn)動。
[0013]所述傳動臂的兩端均通過銷活動連接于角度控制栓和刀盤，能保證刀盤自由擺動。
[0014]所述刀盤上的銷孔位于刀盤與傳動臂相連的銷的下部。
[0015]所述鉆桿動力裝置為電動機，電動機的輸出軸上安裝卡槽。
[0016]一種利用模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置的操作方法，包括:
[0017]A.組合整套開挖裝置:將鉆桿上下兩部分與內(nèi)置可變?nèi)芏撮_挖裝置組合，通過卡槽與電動機連接，接通電源；
[0018]B.進行鉆桿掘進:通過鉆桿上刻度尺做深度確認，直至達到設(shè)計溶洞開挖深度，并能通過刻度尺讀數(shù)調(diào)整預(yù)設(shè)溶洞的開挖深度；
[0019]C.溶洞的開挖:通過向下?lián)軇咏嵌瓤刂扑ň徛龔堥_刀盤，開動電動機進行溶洞的開挖，通過觀察刀盤角度刻度確定刀盤的轉(zhuǎn)角從0°擴大到近180°，每次調(diào)整角度后用固定螺栓固定后再開挖，隨著刀盤張開角度的增大擴大溶腔體積，直至達到預(yù)定尺寸的溶洞溶腔開挖完成。
[0020]D.抽土棄渣及注水充填:多功能連通孔連接離心泵設(shè)備，將已開挖溶洞的充填土抽出，根據(jù)需要模擬的溶腔充填情況，進行注水加泥操作，能夠通過控制充填物性質(zhì)及充填體積改變?nèi)芮怀涮钋闆r，完`成溶洞開挖；
[0021]E.抽出整套開挖裝置封閉掘進孔；溶洞開挖完成后調(diào)節(jié)角度控制栓，使刀盤與鉆桿合攏，抽出整套掘進開挖裝置，利用錨固劑防水錨固材料封閉掘進孔。
[0022]F.本次試驗結(jié)束后，重新確定溶洞位置，重復(fù)以上操作，進行下一組試驗。
[0023]本發(fā)明中的電動機和離心泵等設(shè)備均為現(xiàn)有東西，在此不再贅述。
[0024]本發(fā)明根據(jù)巖土工程模型試驗中設(shè)計溶洞的尺寸、充填情況的指標，通過三維定位掘進裝置進行定位掘進，在設(shè)計位置進行溶洞開挖，通過調(diào)節(jié)刀盤張開角度調(diào)整溶洞尺寸，利用多功能連通孔進行抽土注水等工作以根據(jù)需要改變?nèi)芮怀涮钋闆r，從而完成模型試驗可變?nèi)芏吹拈_挖。
[0025]本發(fā)明研究了一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置及其開挖方法，解決了巖土工程模型試驗中溶洞開挖定位困難，溶洞尺寸難以控制，溶洞充填情況無法調(diào)控的問題，與前人研究相比，能夠最大程度減小溶洞開挖對模型試驗相似材料原有力學(xué)性質(zhì)及其整體性的破壞。
[0026]本發(fā)明解決了巖土工程模型試驗中溶洞開挖定位困難，溶洞尺寸難以控制，溶洞充填情況無法調(diào)控且對試驗相似材料原有力學(xué)性質(zhì)及整體性影響較大的問題，具有以下優(yōu)
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[0027]1.開挖過程擾動低，對相似材料原有力學(xué)性質(zhì)及整體性影響小，實現(xiàn)溶洞開挖位置的三維精確定位。
[0028]2.能夠根據(jù)實際需要變換溶洞尺寸，可重復(fù)使用，能夠用于各種不同模型試驗中的溶洞開挖。[0029]3.可以通過改變?nèi)芮粭l充填情況更好的模擬實際溶洞情況，試驗成果能夠真實的反映工程實踐情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明工作示意圖；
[0032]其中I電動機、2操縱把手、3卡槽、4下部鉆桿、5多功能連通管、6上部鉆桿、7螺紋、8角度控制栓、9固定螺栓、10傳動臂、11刀盤、12鉆頭、13刀盤角度刻度。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0034]鉆桿動力裝置由電動機I，操縱把手2，卡槽3組成；三維定位掘進裝置由下部鉆桿4，上部鉆桿6，螺紋7，鉆頭12組成；可變?nèi)芏撮_挖裝置由角度控制栓8，固定螺栓9，傳動臂10，刀盤11組成；多功能連通孔5。
[0035]圖1中，下部鉆桿4、上部鉆桿6、鉆頭12組成的鉆桿通過卡槽3與電動機I相連進行在模型試驗裝置中的掘進，通過固定螺栓9對角度控制栓8進行固定，利用上部鉆桿6的刻度尺，實現(xiàn)掘進深度的控制；角度控制栓8通過傳動臂10與刀盤11相連，通過控制刀盤張開的角度實現(xiàn)對溶洞開挖尺寸的控制；多功能連通管5內(nèi)置于下部鉆桿4中，通過連接真空機等設(shè)備進行抽土，注水等工作，控制已開挖溶洞的充填情況；角度控制栓8、固定螺栓9、傳動臂10、刀盤11組成的可變?nèi)芏撮_挖裝置內(nèi)置于下部鉆桿4、上部鉆桿6組成的鉆桿中，減小裝置尺寸。
[0036]卡槽3連接電動機I與鉆桿，電動機提供動力進行掘進，通過上部鉆桿6上的刻度尺控制掘進深度；掘進達到預(yù)定開挖位置時調(diào)節(jié)緩慢調(diào)節(jié)角度控制栓8逐步增大刀盤11的張開角度，電動機提供刀盤旋轉(zhuǎn)動力進行溶洞的開挖，并利用固定螺栓9逐步固定角度控制栓8，實現(xiàn)溶洞的逐步開挖，通過角度控制栓8外露窗口上的刻度確定已開挖的溶洞尺寸，實現(xiàn)溶洞尺寸的可變開挖；通過多動能連通管5與離心泵等設(shè)備連接，對已開挖溶洞進行抽土注水等工作，控制溶洞的充填情況。
[0037]一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置進行模型試驗中可變?nèi)芏撮_挖的方法，包括以下步驟:
[0038]A.組合開挖工具，將鉆桿上下兩部分下部鉆桿4、上部鉆桿6與內(nèi)置可變?nèi)芏撮_挖裝置角度控制栓8、固定螺栓9、傳動臂10、刀盤11進行組合，通過卡槽3與電動機I連接，接通電源。
[0039]B.進行鉆桿掘進，通過鉆桿刻度尺進行深度確認，直至達到設(shè)計溶洞開挖深度，并能通過刻度尺讀數(shù)調(diào)整預(yù)設(shè)溶洞的開挖深度。
[0040]C.溶洞的開挖，通過向下?lián)軇咏嵌瓤刂扑?緩慢張開刀盤11，開動電動機I進行溶洞的開挖，通過觀察刀盤角度刻度13確定刀盤的轉(zhuǎn)角從0°擴大到近180°，每次調(diào)整角度后用固定螺栓9固定后再開挖，隨著刀盤11張開角度的增大擴大溶腔體積，直至達到預(yù)定尺寸的溶洞溶腔開挖完成。
[0041]D.抽土棄渣及注水充填，多功能連通管5連接離心泵等設(shè)備，將已開挖溶洞的充填土抽出，根據(jù)需要模擬的溶腔充填情況，進行注水加泥等操作，能夠通過控制充填物性質(zhì)及充填體積改變?nèi)芮怀涮钋闆r，完成溶洞開挖。
[0042]E.抽出設(shè)備封閉掘進孔，溶洞開挖完成后調(diào)節(jié)角度控制栓8，使刀盤11與鉆桿合攏，抽出掘進開挖設(shè)備，利用模型試驗中相似材料進行掘進孔回填，保證模型試驗中相似材料的整體性。
[0043]F.本次試驗結(jié)束后，重新確定溶洞位置，重復(fù)以上操作，進行下一組試驗。
[0044]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，包括鉆桿動力裝置，三維定位掘進裝置和可變?nèi)芏撮_挖裝置，鉆桿動力裝置通過卡槽與三維定位掘進裝置連接，在模型試驗系統(tǒng)中做可變深度的鉆孔掘進，為溶洞定位開挖做準備；可變?nèi)芏撮_挖裝置內(nèi)置于三維定位掘進裝置鉆桿中，在完成鉆孔掘進和溶洞深度定位后，通過調(diào)節(jié)角度控制栓做可變?nèi)芏撮_挖； 所述三維定位掘進裝置包括鉆桿，所述鉆桿上端能夠卡裝于卡槽中，鉆桿下端設(shè)有鉆頭，鉆桿一側(cè)面上設(shè)有供可變?nèi)芏撮_挖裝置調(diào)節(jié)的開槽，鉆桿下半部分側(cè)面上開有供可變?nèi)芏撮_挖裝置開挖半徑變化的空隙。
2.如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述鉆桿中設(shè)有能夠使可變?nèi)芏撮_挖裝置定位且能沿鉆桿徑向上下位移的空間。
3.如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述鉆桿包括沿其徑向中分面分開的上部鉆桿和下部鉆桿，所述上部鉆桿和下部鉆桿靠近卡槽端的中分面 能夠緊密貼合，另一端的部鉆桿和下部鉆桿之間設(shè)有供開有供可變?nèi)芏撮_挖裝置開挖半徑變化的空隙，且下部鉆桿的中分面上設(shè)有與可變?nèi)芏撮_挖裝置相配合凸起。
4.如權(quán)利要求3所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述下部鉆桿中設(shè)有沿其長度方向的長孔，長孔上端開口與下部鉆桿的上端部，且與多功能管相連，下端開口設(shè)于下部鉆桿下半部分的側(cè)面。
5.如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述鉆桿外部設(shè)有刻度尺。
6.如權(quán)利要求3所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述可變?nèi)芏撮_挖裝置包括角度控制栓，所述角度控制栓的上端折彎，且折彎部分能夠卡入鉆桿側(cè)面的開槽中，折彎部分末端設(shè)置固定螺栓，與固定螺栓接觸位置的上部鉆桿上設(shè)有與刀盤開合度相匹配的刀盤角度刻度；所述角度控制栓的下端通過傳動臂與刀盤相連，刀盤上設(shè)有與下部鉆桿的凸起相配合的銷孔，能保證刀盤沿凸起自由轉(zhuǎn)動。
7.如權(quán)利要求6所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述傳動臂的兩端均通過銷活動連接于角度控制栓和刀盤，能保證刀盤自由擺動。
8.如權(quán)利要求6所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述刀盤上的銷孔位于刀盤與傳動臂相連的銷的下部。
9.如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置，其特征是，所述鉆桿動力裝置為電動機，電動機的輸出軸上安裝卡槽。
10.一種如權(quán)利要求6所述用于模型試驗溶洞模擬的三維定位可控開挖裝置的操作方法，其特征是，包括: A.組合整套開挖裝置:將鉆桿上下兩部分與內(nèi)置可變?nèi)芏撮_挖裝置組合，通過卡槽與電動機連接，接通電源； B.進行鉆桿掘進:通過鉆桿上刻度尺做深度確認，直至達到設(shè)計溶洞開挖深度，并能通過刻度尺讀數(shù)調(diào)整預(yù)設(shè)溶洞的開挖深度； C.溶洞的開挖，通過向下?lián)軇咏嵌瓤刂扑ň徛龔堥_刀盤，開動電動機進行溶洞的開挖，通過觀察刀盤角度刻度確定刀盤的轉(zhuǎn)角從0°擴大到近180°，每次調(diào)整角度后用固定螺栓固定后再開挖，隨著刀盤張開角度的增大擴大溶腔體積，直至達到預(yù)定尺寸的溶洞溶腔開挖完成； D.抽土棄渣及注水充填:多功能連通孔連接離心泵設(shè)備，將已開挖溶洞的充填土抽出，根據(jù)需要模擬的溶腔充填情況,進行注水加泥操作,能夠通過控制充填物性質(zhì)及充填體積改變?nèi)芮怀涮钋闆r，完成溶洞開挖； E.抽出整套開挖裝置封閉掘進孔；溶洞開挖完成后調(diào)節(jié)角度控制栓，使刀盤與鉆桿合攏，抽出整套掘進開挖裝置，利用錨固劑防水錨固材料封閉掘進孔； F.本次試驗結(jié)束后，重新確定溶洞位置，重復(fù)以上操作，進行下一組試驗。
【文檔編號】E21B7/04GK103603600SQ201310597741
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 王慶瀚, 李利平, 蔡健健, 許振浩, 張乾青, 石少帥, 周宗青 申請人:山東大學(xué)