一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于三维地质模型试验隧道开挖设备技术领域，一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，包括固定支撑系统，所述固定支撑系统上安装有排渣系统及推进系统，推进系统推进端安装有切削系统，所述推进系统驱动所述切削系统前进和后退，用于沿轴向开挖拱形隧道并在开挖结束后撤出切削系统；所述排渣系统与切削系统同步联动，用于及时排出拱形隧道开挖过程中产生的材料碎渣

【技术实现步骤摘要】
一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置


[0001]本专利技术属于三维地质模型试验隧道开挖设备
，具体涉及一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置
。

技术介绍

[0002]深埋隧道因其复杂的地质构造和真三向高应力环境，在开挖卸荷作用下常诱发岩爆
、
大变形
、
塌方等灾害事故，严重阻碍工程安全
、
高效
、
经济推进
。
三维地质模型试验是以相似理论及相似材料为基础研究地下工程的试验方法，相较于现场原位试验，室内三维地质模型试验具有形象直观
、
测量精度高
、
可定量控制等优点，已成为特定工程环境下再现深埋隧道开挖灾害孕育过程
、
揭示灾变机理
、
研究灾害预警和防控方法的重要手段
。
[0003]深埋隧道中常见的断面形状主要为圆形和拱形，由于具有断面空间利用率高
、
洞壁支护施作范围大等特点，拱形断面被广泛运用于公路隧道
、
矿山巷道等工程
。
断面形状的差异造成深埋拱形隧道开挖过程中围岩力学响应及灾变特征与深埋圆形隧道不尽相同，根据相似原理，为保证三维地质模型试验中深埋拱形隧道开挖试验结果的可靠性，需要精准
、
高效和全断面开挖成型与原型隧道形状相似的拱形隧道
。
然而，目前有关三维地质模型试验的开挖方法均难以准确高效的开挖出理想相似的拱形隧道，主要存在如下技术问题：
(1)
手动开挖拱形隧道会产生较大的人为误差，且开挖效率低
。
[0004](2)
爆破开挖拱形隧道控制难度大
、
危险系数高，爆破振动易对围岩造成扰动破坏，严重影响隧道断面的精度
。
[0005](3) 现有的拱形隧道开挖机械装置，采用苜蓿叶瓣形刀盘，其底部摆动轨迹为弧形，这种底部弧形的拱形隧道与理想拱形隧道的平底结构特征不相似；现有的拱形隧道开挖机械装置，需要多条平行压裂刀片和具有压裂能力的前半刀头拱形刀壳，造成前半刀头系统复杂
、
压裂效率低且易损易变形，同时后半刀头的双圆形旋转切削刀片与前半刀头二者组合的切削轨迹相较拱形断面始终存在切削盲区，无法实现全断面拱形隧道高效开挖，且其驱动动力联动系统固接在支撑系统上，不能实现左右倾斜隧道的开挖
。
[0006]因此，为实现三维地质模型试验中精准
、
高效和全断面开挖拱形隧道，亟需研发一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置
。

技术实现思路

[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，包括固定支撑系统，所述固定支撑系统上安装有排渣系统及推进系统，推进系统推进端安装有切削系统，所述推进系统驱动所述切削系统前进和后退，用于沿轴向开挖拱形隧道并在开挖结束后撤出切削系统；所述排渣系统与切削系统同步联动，用于及时排出拱形隧道开挖过程中产生的材料碎渣
。
[0008]所述固定支撑系统包括用于支撑上部结构的底板，底板上表面通过多个支撑杆安装槽形支撑台，槽形支撑台内通过螺栓安装有三角形的支撑体，支撑体分为第一支撑体
、
第
二支撑体及第三支撑体，第一支撑体中心开设有三角孔，第一支撑体安装于槽形支撑台的前端，第二支撑体和第三支撑体安装于槽形支撑台后端，且两者之间留有推进电机安装位
。
[0009]所述底板沿长度方向等距设置有向上的凸起，凸起与底板下表面之间形成收纳腔，凸起顶部安装有脚轮，当开挖装置工作时，调节脚轮与凸起连接的螺柱与螺母使得脚轮收回至收纳腔内；当开挖结束后可通过调节脚轮上的螺柱及螺帽降低脚轮的高度从而将开挖装置从三维地质模型前移离
。
[0010]所述推进系统包括三组按三角状并联布置的推进模块，三组推进模块分别对应安装于支撑体的三个角位置处，空心推进轴基座中心处与空心推进轴后端连接，空心推进轴前端与切削系统连接，空心推进轴基座的三个角位置处分别与球铰式连接杆一端铰接，球铰式连接杆另一端分别与对应的三组推进模块连接，在三个推进电机的共同作用下，空心推进轴带动切削系统实现水平和垂直方向上的倾斜开挖
。
[0011]所述三组推进模块结构相同，均包括两根滑轨及一根丝杠，两根滑轨两端分别固定安装于第一支撑体和第二支撑体上，丝杠位于两根滑轨之间且两端分别与第一支撑体和第二支撑体转动连接，推进电机位于第二支撑体和第三支撑体之间，且通过螺栓固定在第二支撑体和第三支撑体上，推进电机的输出轴与丝杠固定连接，丝杠上螺纹连接有滑块，滑块两端套在滑轨上，通过推进电机带动丝杠旋转，进而带动滑块沿着滑轨线性运动，滑块与对应的球铰式连接杆铰接
。
[0012]所述切削系统包括安装于护盾内的带减速箱旋转电机Ⅰ、
带减速箱旋转电机Ⅱ以及齿轮箱Ⅰ、
齿轮箱Ⅱ，带减速箱旋转电机Ⅰ和齿轮箱Ⅰ通过螺栓固定在护盾的顶板上，带减速箱旋转电机Ⅱ和齿轮箱Ⅱ通过螺栓固定在护盾的底板上，带减速箱旋转电机Ⅰ的输出端通过联轴器与转轴Ⅰ一端连接，转轴Ⅰ另一端穿过齿轮箱Ⅰ侧壁与位于齿轮箱Ⅰ内的第一齿轮连接，转轴Ⅱ另一端穿过齿轮箱Ⅰ侧壁，位于齿轮箱Ⅰ内侧部分与第二齿轮连接，第二齿轮与第一齿轮啮合，位于齿轮箱Ⅰ外侧部分安装有圆形刀盘，所述圆形刀盘前端设置有定位头，且与定位头的旋转轴同心；带减速箱旋转电机Ⅱ输出端通过联轴器与偏心转轴一端连接，偏心转轴另一端靠近中心处安装有第四齿轮，端部安装有勒洛三角形刀盘，第四齿轮与勒洛三角形刀盘之间的偏心转轴部分穿过安装于齿轮箱Ⅱ底部的偏心轴承座，第三齿轮固定安装于齿轮箱Ⅱ内部，且第三齿轮为内齿圈，其与第四齿轮啮合
。
[0013]所述定位头后端为圆柱形结构并固定于圆形刀盘轴心，在定位头前端布置十字形合金刀片
。
[0014]所述圆形刀盘包括刀盘体，三根均匀布置的辐条安装于刀盘体上且交汇于轴心，长度均等于待开挖拱形隧道半圆弧轮廓的半径，辐条上布置有若干齿形截割头
。
[0015]所述第三齿轮与第四齿轮的齿数之比为
4:3
，所述第四齿轮分度圆直径等于
2.5
倍勒洛三角形刀盘半径
r
；所述勒洛三角形刀盘的相邻角之间通过圆弧过渡，圆弧过渡区为切削刀刃，在三个角位置处的圆弧过渡区交替开设有若干锯齿凹槽，勒洛三角形刀盘交错布置于圆形刀盘的后下方
。
[0016]所述排渣系统包括排渣器，所述排渣器安装于固定支撑系统的底板上表面后端，排渣器的入口端与排渣管一端连接，排渣管另一端穿过切削系统的护盾与排渣口连接
。
[0017]本专利技术的技术效果为：
1、
根据勒洛三角形原理，采用勒洛三角形刀盘及圆形刀盘组合而成的双刀盘可实
现三维地质模型试验中精准
、<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，其特征在于，包括固定支撑系统，所述固定支撑系统上安装有排渣系统及推进系统，推进系统推进端安装有切削系统，所述推进系统驱动所述切削系统前进和后退，用于沿轴向开挖拱形隧道并在开挖结束后撤出切削系统；所述排渣系统与切削系统同步联动，用于及时排出拱形隧道开挖过程中产生的材料碎渣
。2.
根据权利要求1所述的一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，其特征在于：所述固定支撑系统包括用于支撑上部结构的底板，底板上表面通过多个支撑杆安装槽形支撑台，槽形支撑台内通过螺栓安装有三角形的支撑体，支撑体分为第一支撑体
、
第二支撑体及第三支撑体，第一支撑体中心开设有三角孔，第一支撑体安装于槽形支撑台的前端，第二支撑体和第三支撑体安装于槽形支撑台后端，且两者之间留有推进电机安装位
。3.
根据权利要求2所述的一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，其特征在于：所述底板沿长度方向等距设置有向上的凸起，凸起与底板下表面之间形成收纳腔，凸起顶部安装有脚轮，当开挖装置工作时，调节脚轮与凸起连接的螺柱与螺母使得脚轮收回至收纳腔内；当开挖结束后可通过调节脚轮上的螺柱及螺帽降低脚轮的高度从而将开挖装置从三维地质模型前移离
。4.
根据权利要求1所述的一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，其特征在于：所述推进系统包括三组按三角状并联布置的推进模块，三组推进模块分别对应安装于支撑体的三个角位置处，空心推进轴基座中心处与空心推进轴后端连接，空心推进轴前端与切削系统连接，空心推进轴基座的三个角位置处分别与球铰式连接杆一端铰接，球铰式连接杆另一端分别与对应的三组推进模块连接，在三个推进电机的共同作用下，空心推进轴带动切削系统实现水平和垂直方向上的倾斜开挖
。5.
根据权利要求4所述的一种用于三维地质模型试验的拱形隧道开挖装置，其特征在于：所述三组推进模块结构相同，均包括两根滑轨及一根丝杠，两根滑轨两端分别固定安装于第一支撑体和第二支撑体上，丝杠位于两根滑轨之间且两端分别与第一支撑体和第二支撑体转动连接，推进电机位于第二支撑体和第三支撑体之间，且通过螺栓固定在第二支撑体和第三支撑体上，推进电机的输出轴与丝杠固定连接，丝杠上螺纹连接有滑块，滑块两端套在滑轨上，通过推进电机带动丝杠旋转，进而带动滑块沿着滑轨线性运动，滑块与对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔瑞，朱家宬，徐艾娇，杨成祥，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：