适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置

摘要

本发明公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，包括切削钻头、螺旋钻杆、推进减速箱、第一步进电机、丝杠、旋转减速箱、第二步进电机、滑块、位移传感器和线性导轨；推进减速箱与第一步进电机连接，旋转减速箱与第二步进电机连接，丝杠一端与旋转减速箱连接，另一端穿过推进减速箱与螺旋钻杆连接，螺旋钻杆另一端固连切削钻头；线性导轨一端与推进减速箱固连，另一端设有滑块，滑块沿线性导轨滑动，滑块顶部与旋转减速箱底部固定连接，滑块上设有位移传感器。本发明能对模型试验中的硐室围岩开挖卸荷全过程进行动态模拟，并精确控制开挖硐室截面形状及开挖卸荷速度。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学试验设备领域，具体涉及一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置。

背景技术

随着我国交通隧道、水利水电、矿山巷道、能源储备、国防及其它地下工程建设的迅猛发展，地下空间的开发利用逐渐走进深部，所遇到的工程地质条件日趋复杂，面临的问题也越具挑战性，各种工程灾害屡有发生，如岩爆、隧洞围岩大变形、分区破裂化等，其一旦发生，后果十分严重。目前研究方法主要有理论研究、模型试验、数值模拟三种方法。由于岩土介质自身特性及赋存地质环境的复杂性，各种工程灾害往往包含岩石动力学、断裂损伤力学等概念，所涉及参数较多，理论分析难度较大；数值模拟已广泛应用于岩土工程的研究并获得成功，但其对参数依赖程度较高，而岩土材料参数存在不确定性，需要现场测定或经过试验的检验才能生效，尤其是进入深部后出现了一些与浅部明显不同的科学现象使得数值模拟更加困难。地质力学模型试验是研究岩石力学的重要手段，它能避开数学和力学上的困难，可以研究模型从弹性到塑性直至最终破坏整个过程，能直观反映研究对象的实际变化，并揭示一些新的力学现象及规律，为建立新的理论模型提供依据，因此成为研究岩石力学与工程问题的重要方法之一。

开挖对围岩意味着卸荷，其非常显著地影响围岩变形破坏过程。因此地质力学模型试验必须精确地模拟硐室开挖卸荷过程。模型试验对地下工程开挖卸荷问题的模拟主要有两种方式：先开挖再加载；先加载后开挖。前者因其与实际工程相去甚远，其受力状态的改变而逐渐被研究者们所摒弃。后一种方式更能反映实际工程建设过程中的受力状态而被广为接受。但各学者根据实际情况采取了不同方式对其进行了研究，以期更真实接近实际工程情况。

俄罗斯通过可移动张拉机构调节钢带张紧程度，以调节柔性带张力模拟开挖过程模型受力状况，其不实际开挖，通过理论计算结果调节来围岩压力变化情况以模拟巷道的开挖过程，但对于岩土类材料，其非连续非均匀特性往往导致理论计算结果很难满足模拟要求。

同济大学通过具体步骤拆除隧道模块（底拱模块、顶拱模块、两个侧墙子片）实现全断面开挖及对隧道开挖的模拟，能对隧道断面形状进行极为精确的控制，避免手工开挖导致断面形状差异，但其隧道模块与模型之间相互作用改变了模型的初始受力状况使得其与实际开挖不相符合。

重庆交通科研设计院研制的隧道稳定分析内加载装置，其通过千斤顶模块能对隧道内壁可控制加载、卸载及测试隧道内壁变形等，但是开挖是在围岩中因产生临空面而围岩内应力状态转移而发生变形破坏所致，其未能形成开挖所造成模型中临空面。

解放军理工大学采用三相电机驱动钻杆方式模拟隧道开挖，但开挖速度高，钻杆不稳以及钻头刀具对模型冲击扰动大影响模型受力状况。

山东大学采用手工钻凿的人工开挖方式，配备内窥可视摄像系统监控遂道的开挖进程，同时通过全站仪、经纬仪等仪器辅助定位巷道开挖走向，按相似关系，一般地下工程模型试验每步开挖4~10cm需耗时一个小时，其很难控制开挖速度，同时其操作人员费时费力，自动化程度不高。

清华大学采用机械臂和微型步进TBM掘进机的方式，克服了进行模型洞室群的隐蔽开挖的困难，仿真模拟了施工过程。其切削渣粉由吸尘器吸出，但对开挖洞室较小、深度较长情况很难实施，而且模型材料中散粒材料很难吸出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，能对模型试验中的硐室围岩开挖卸荷全过程进行动态模拟，并精确控制开挖硐室截面形状及开挖卸荷速度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，包括切削钻头、螺旋钻杆、推进减速箱、第一步进电机、丝杠、旋转减速箱、第二步进电机、滑块、位移传感器和线性导轨；推进减速箱与第一步进电机连接，旋转减速箱与第二步进电机连接，丝杠一端与旋转减速箱连接，另一端穿过推进减速箱与螺旋钻杆连接，螺旋钻杆另一端固连切削钻头；线性导轨一端与推进减速箱固连，另一端设有滑块，滑块沿线性导轨滑动，滑块顶部与旋转减速箱底部固定连接，滑块上设有位移传感器。

还包括固定机架，固定机架由上底面、下底面和N根立柱组成，N≥3，N根立柱均匀分布在上底面和下底面之间，用于连接上底面和下底面；固定机架的上底面固连在推进减速箱上，丝杠穿过固定机架的上底面，固定机架用于与地质力学模型试验装置连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）通过步进电机带动螺旋钻杆及切削钻头运动，以模拟真实隧道开挖卸荷过程，其可对位置和速度进行精确控制，具有自动排渣功能；（2）过载性好、控制方便、整机结构简单、精度高、起停迅速、反转响应快、转速范围宽、可靠性较高；（3）可严格按照相似理论要求开挖，能很好地满足对深地下模型试验中硐室开挖卸荷的精确模拟，保证了模型试验开挖过程的准确性和科学性。

附图说明

图1是本发明的适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置的结构示意图。

具体实施方式  

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，包括切削钻头1、螺旋钻杆2、推进减速箱3、第一步进电机4、丝杠5、旋转减速箱6、第二步进电机7、滑块8、位移传感器9和线性导轨10。

推进减速箱3的输入端与第一步进电机4的输出端连接，旋转减速箱6的输入端与第二步进电机7的输出端连接，丝杠5一端与旋转减速箱6的输出端连接，另一端穿过推进减速箱3的输出端与螺旋钻杆2连接，螺旋钻杆2另一端固连切削钻头1。线性导轨10一端与推进减速箱3固连，另一端设有滑块8，滑块8可沿线性导轨10滑动，滑块8顶部与旋转减速箱6底部固定连接，滑块8上设有位移传感器9。

还包括固定机架11，固定机架11由上底面、下底面和N根立柱组成，N≥3，N根立柱均匀分布在上底面和下底面之间，用于连接上底面和下底面；固定机架11的上底面固连在推进减速箱3上，丝杠5穿过固定机架11的上底面，螺旋钻杆2穿过固定机架11中心，固定机架11用于与地质力学模型试验装置连接。

实施例一

一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，包括切削钻头1、螺旋钻杆2、推进减速箱3、第一步进电机4、丝杠5、旋转减速箱6、第二步进电机7、滑块8、位移传感器9、线性导轨10和固定机架11。

推进减速箱3的输入端与第一步进电机4的输出端连接，旋转减速箱6的输入端与第二步进电机7的输出端连接，丝杠5一端与旋转减速箱6的输出端连接，另一端穿过推进减速箱3的输出端与螺旋钻杆2通过焊接（也可采用法兰连接、螺栓连接等），螺旋钻杆2另一端与切削钻头1焊接（也可采用螺栓连接）。线性导轨10一端与推进减速箱3焊接，另一端设有滑块8，滑块8可沿线性导轨10滑动，滑块8顶部与旋转减速箱6底部焊接，滑块8侧壁设有位移传感器9，用于监测开挖过程中地质力学模型试验开挖卸荷装置的钻进量。固定机架11包括圆形的上底面、圆形的下底面和4根立柱，4根立柱均匀焊接在上底面与下底面之间，用于连接上底面与下底面，固定机架11的上底面焊接在推进减速箱3靠近螺旋钻杆2的侧壁，螺旋钻杆2穿过固定机架11中心，固定机架11用于与地质力学模型试验装置连接。

滑旋转减速箱6与第二步进电机7共同组成开挖装置旋转执行部件，以控制丝杠5的旋转速度；推进减速箱3与第一步进电机4共同组成开挖装置推动执行部件，以控制丝杠5的推进速度；丝杠5与螺旋钻杆2固定连接，丝杠5带动螺旋钻杆2一起运动；切削钻头1和螺旋钻杆2固定连接，用于切削模型和排运废渣，以模拟隧道开挖过程。

适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置的工作过程为：首先将固定机架11下底面与地质力学模型试验装置连接，启动第一步进电机4和第二步进电机7，经推进减速箱3和旋转减速箱6减速，按预定推进速度及旋转速度推动丝杠5运动，从而带动螺旋钻杆2以及切削钻头1运转，完成模拟隧道开挖的过程。开挖过程中通过位移传感器9实时监测开挖推进速度。

本发明通过步进电机带动螺旋钻杆及切削钻头运动，以模拟真实隧道开挖卸荷过程，其可对位置和速度进行精确控制，具有自动排渣功能。过载性好、控制方便、整机结构简单、精度高、起停迅速、反转响应快、转速范围宽、可靠性较高。本发明可严格按照相似理论要求开挖，能很好地满足对深地下模型试验中硐室开挖卸荷的精确模拟，保证了模型试验开挖过程的准确性和科学性。