本发明专利技术涉及一种模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，在头部外壳中设置有相互啮合的锥形从动齿轮和锥形主动齿轮，锥形从动齿轮上同轴安装有立轴、钻头夹具、钻头；头部外壳外部在钻头同侧设置有位移传感器；锥形主动齿轮的底部安装在传动轴上；传动轴同轴至少一组撑靴；传动轴同轴安装，安装微型旋转电机、转轴上；转轴的底部的角度定位齿轮和微型步进电机上的微型步进电机齿轮相互啮合；计算机控制系统连接微型步进电机、微型旋转电机和位移传感器。本发明专利技术能准确的在模拟隧洞内指定位置钻锚杆孔，操作简单，保证隧洞模拟试验结果准确可靠，可广泛应用于各种隧洞围岩等岩体的锚杆孔开挖，配合隧洞围岩等岩体的试验和研究。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩体力学模型试验装备
，具体涉及一种模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置及其使用方法。
技术介绍
随着国民经济与社会的高速发展，国内外出现了许多前所未有的大工程及超大工程以满足社会飞速发展的需要，如水利、交通、隧道、以及各种国防工程。在城市基础建设中，可利用的土地资源日趋减少，越来越多的基础设施向地下转移。地下隧洞是一种复杂的工程，其围岩处于一种复杂的地质环境中，同时地下洞室的尺寸越来越大，因此对地下洞室的稳定性研究尤为重要。研究隧洞不同支护系统下的围岩的变形破坏特征与围岩控制机理，并提出科学的支护方案，具有重要的理论意义和工程价值。物理模拟试验在相似材料研制配比的基础上，通过研制室内物理模拟试验系统实现对概化的地质模型从加载、开挖、支护等的相似模拟。相比于室内岩石力学试验、数值模拟和现场监测研究方法，室内物理模拟试验可以通过相似理论将主要影响因素反映到模拟试验中，可以方便的设定不同的影响条件，可预先布设相关检测仪器，从而合理揭示隧洞围岩的应力分布特征、应力演化规律、变形破坏形态等，以便实现对支护效果的实时监测。在隧道工程开挖的过程中，需要大量的钻孔操作，如钻爆法开挖、锚杆支护、围岩变形监测、岩爆防护等。隧道的物理模型试验也需要模拟这些施工工艺，锚杆钻孔是不可或缺的技术环节，其中锚杆钻孔的深度，锚杆钻孔位置的精确控制等是锚杆钻孔模拟的技术难点。目前，在物理模拟试验中，主要有相似材料的配置、模型试件加载、隧洞开挖、开挖后隧洞内“围岩”的支护(包括钻锚孔、安装锚杆、喷浆等)、监测等相似模拟过程。模型的材料性质、模型的尺寸、开挖隧洞的直径、加载方法、开挖方法、支护方法等与原型越相似，模拟试验的结果越可靠，可供借鉴性就越大。模型试验中，在已开挖隧洞内钻锚孔主要方法有：(1)试件制作时在指定位置预埋与原型相似的“锚杆”，无需钻锚孔。(2)隧洞开挖完毕后，在隧洞内预定位置手动或利用钻机开挖出一定形状的锚孔。这两种方法的分别具有如下的缺点：(1)预埋“锚杆”的方式与实际过程不相符。在现场施工过程中，先在隧道内打锚杆孔，然后向孔内注入锚固剂，再安装锚杆。该预埋“锚杆”的方法做模拟分析时，受力情况和实际施工情况不同，效果和影响也不同，不能完全拟合实际状况；而且还不能模拟孔内注锚固剂的过程。(2)为了贴近实际施工情况，采用手动钻孔或手持钻机在隧洞内开挖锚杆孔的方法对简单的试验过程是可行的。现有的标准模型的尺寸不大，一般常规的为1m×1m×1m，开挖模拟隧洞的直径也较小，一般不超过200mm。如果是简单模拟试验，采用手钻在隧洞中垂直隧洞壁来开挖锚杆孔在一定程度上可以拟合实际施工状况。但是，当模拟隧洞较长、模拟隧洞直径较小或存在隐蔽开挖时，在狭长的模拟隧洞内几乎无法用手动钻孔或手持钻机开挖锚杆孔；而且，手动钻孔或手持钻机开挖几乎无法做到钻孔位置、钻孔深度的准确定位。
技术实现思路
针对上述存在问题，本专利技术的第一目的在于提供一种能够适用于物理模拟试验中隧洞内钻孔的自动化装置，采用机械化和自动化系统可实现狭长隧洞内钻孔的操作，提高了隧道内钻孔的高效准确性，解决了钻孔的位置和钻孔深度的精确控制等技术难点。为了实现上述目的，本专利技术设计了一种模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其头部外壳中设置有相互啮合的锥形从动齿轮和锥形主动齿轮，锥形从动齿轮上同轴安装有立轴，立轴的顶端设置钻头夹具，钻头夹具内夹装有钻头；头部外壳外部在钻头同侧设置有位移传感器；锥形主动齿轮的底部安装在传动轴上；传动轴同轴套装有传动轴护套以及至少一组撑靴；传动轴的底部安装在微型旋转电机上；微型旋转电机的底部同轴安装在转轴上；转轴的底部设置有角度定位齿轮；角度定位齿轮和微型步进电机上的微型步进电机齿轮相互啮合；计算机控制系统连接微型步进电机、微型旋转电机和位移传感器。上述技术方案中，所述的每一组撑靴包括至少两个撑靴；每一个撑靴的撑靴套安装在传动轴的外周，每一个撑靴的撑靴板支撑在隧洞壁上；撑靴板和撑靴套之间设置有撑靴千斤顶。上述技术方案中，所述的撑靴千斤顶内部设有压力传感器连接计算机控制系统。上述技术方案中，所述的转轴外部套装有转轴护套；所述的转轴护套的外周上沿轴向设置有刻度、沿周向设置有角度。本专利技术的第二目的是采用上述装置对模拟隧洞内锚杆钻孔的方法，包括以下步骤：步骤1)在模拟隧洞中先确定锚杆孔的轴向位置，将钻头夹在钻头夹具后，钻头夹具缩回头部外壳中，将头部外壳整体伸入模拟隧洞中；步骤2)计算机控制系统控制微型步进电机及微型步进电机齿轮，从而确定角度定位齿轮的旋转角度；步骤3)计算机控制系统操控微型旋转电机带动传动轴旋转，通过锥形主动齿轮保证钻头进入围岩指定区域；步骤4)计算机控制系统利用位移传感器反馈，校准位移传感器与围岩指定区域的距离，并确定钻头转入锚杆孔的深度；步骤5)钻头伸出至接近围岩后开始工作；步骤6)钻头钻孔的同时通过位移传感器的反馈信息，计算机控制系统操控撑靴千斤顶伺服控制撑靴的收缩或伸长，提供钻孔过程中的支撑和推力；步骤7)当钻头钻入指定深度后完成工作缩回，通过位移传感器的反馈信息，计算机控制系统操控微型旋转电机停止工作，同时操控撑靴千斤顶伺服控制撑靴的伸长或收缩，将头部外壳整体从隧洞中退回，或重复步骤1)进入下一指定位置钻孔；直至完成全部钻孔工作。由上述提供的技术方案可以看出，本专利技术设计的模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置及方法，具有以下优点：1、在岩体模拟试验中，先开挖隧洞，然后在隧洞壁上利用本装置开挖锚杆孔，其施工步骤与现场施工过程能够一致。拟合的模拟试验能够充分满拟合设计需要，其试验结果和精度能够得到保证。在试验时，先开挖隧洞，然后利用本装置可以钻得垂直于隧洞壁的锚杆孔。随后还可以在锚杆孔内注锚固剂并安装锚杆。完全可以模拟实际的施工情况和过程，其受力等分析结果和实际情况一致，不受钻孔方式的影响。2、特别针对现有的标准模型的尺寸不大、开挖模拟隧洞的直径也较小的情况，或者是当模拟隧洞较长、模拟隧洞直径较小或存在隐蔽开挖时，在狭长的模拟隧洞内只需要足够长转轴和传动轴，即可将钻头送到模拟隧洞内指定位置，还可以通过调换钻头来模拟不同直径的锚杆孔，计算机控制系统能够做到钻孔位置精确、钻孔深度的准确。3、在狭长的隧洞内钻锚杆孔，现有的手段(手动钻孔或手持钻机)都本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其特征在于：头部外壳(1)中设置有相互啮合的锥形从动齿轮(7)和锥形主动齿轮(4)，锥形从动齿轮(7)上同轴安装有立轴(6)，立轴(6)的顶端设置钻头夹具(2)，钻头夹具(2)内夹装有钻头(3)；头部外壳(1)外部在钻头(3)同侧设置有位移传感器(5)；锥形主动齿轮(4)的底部安装在传动轴(10)上；传动轴(10)同轴套装有传动轴护套(9)以及至少一组撑靴(8)；传动轴(10)的底部安装在微型旋转电机(11)上；微型旋转电机(11)的底部同轴安装在转轴(12)上；转轴(12)的底部设置有角度定位齿轮(14)；角度定位齿轮(14)和微型步进电机(15)上的微型步进电机齿轮(15.1)相互啮合；计算机控制系统(16)连接微型步进电机(15)、微型旋转电机(11)和位移传感器(5)。
【技术特征摘要】
1.一种模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其特征在于：头部外壳(1)
中设置有相互啮合的锥形从动齿轮(7)和锥形主动齿轮(4)，锥形从动
齿轮(7)上同轴安装有立轴(6)，立轴(6)的顶端设置钻头夹具(2)，
钻头夹具(2)内夹装有钻头(3)；头部外壳(1)外部在钻头(3)同侧
设置有位移传感器(5)；
锥形主动齿轮(4)的底部安装在传动轴(10)上；传动轴(10)同轴
套装有传动轴护套(9)以及至少一组撑靴(8)；传动轴(10)的底部安
装在微型旋转电机(11)上；微型旋转电机(11)的底部同轴安装在转轴
(12)上；转轴(12)的底部设置有角度定位齿轮(14)；角度定位齿轮
(14)和微型步进电机(15)上的微型步进电机齿轮(15.1)相互啮合；
计算机控制系统(16)连接微型步进电机(15)、微型旋转电机(11)
和位移传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其特征
在于：所述的每一组撑靴(8)包括至少两个撑靴(8)；每一个撑靴(8)
的撑靴套(8.2)安装在传动轴(10)的外周，每一个撑靴(8)的撑靴板(8.1)
支撑在隧洞壁上；撑靴板(8.1)和撑靴套(8.2)之间设置有撑靴千斤顶(8.3)。
3.根据权利要求2所述的模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其特征
在于：所述的撑靴千斤顶(8.3)内部设有压力传感器连接计算机控制系统
(16)。
4.根据权利要求1所述的模拟隧洞内锚杆钻孔的自动化装置，其特征
在于：所述的转轴(12)外部套装有...
【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，程广坦，朱勇，张传庆，胡大伟，张忠林，杨凡杰，卢景景，陈珺，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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