能够开挖多种截面形状隧道的实验装置.pdf

本发明公开了一种能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，包括手轮、丝杆、刀盘机构和用于固定在隧道模型上的移动底盘机构，所述手轮设置在丝杆前端，刀盘机构设置在丝杆末端，移动底盘机构套置于丝杆中部；所述刀盘机构通过旋转来切削位于刀盘机构面前的岩土体材料并形成隧道的截面形状，手轮和丝杆相配合使刀盘机构不断旋转向前推进；移动底盘机构可调节刀盘机构的掘进开挖位置。本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置简单灵活、使用经济、操作方便、易于推广，同时，还能开挖出长而规整的圆形、矩形、拱形等不同截面形状的模型隧道。

1.  一种能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于，包括手轮（1）、丝杆（2）、刀盘机构和用于固定在隧道模型上的移动底盘机构，所述手轮（1）设置在丝杆（2）前端，刀盘机构设置在丝杆（2）末端，移动底盘机构套置于丝杆（2）中部；所述刀盘机构通过旋转来切削位于刀盘机构面前的岩土体材料并形成隧道的截面形状，手轮（1）和丝杆（2）相配合使刀盘机构不断旋转向前推进；移动底盘机构可调节刀盘机构的掘进开挖位置。

2.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于：所述移动底盘机构包含底架（3）、移动架、支撑滚轮（4）和转盘（5），底架（3）通过螺丝与隧道模型的框架紧固连接，所述移动架包括竖向移动架（6）和横向移动架（7），竖向移动架（6）设置在底架（3）并可相对于底架上下移动，横向移动架（7）设置在竖向移动架（6）前部并可相对于竖向移动架左右移动，支撑滚轮（4）设置在转盘（5）外圆周上，转盘（5）设置在横向移动架（7）中心位置；在竖向移动架（6）的左右两侧各设置有两个紧固螺丝（8），在横向移动架（7）的上下两侧各设置有两个紧固螺丝，竖向移动架（6）和横向移动架（7）用于调整转盘（5）的中心位置以控制刀盘机构的掘进位置，八个紧固螺丝（8）对竖向移动架（6）和横向移动架（7）的位置进行紧固以对调整好的转盘（5）位置进行锁紧固定；丝杆（2）穿于转盘（5）中心，支撑滚轮（4）用于控制丝杆（2）和位于丝杆末端的刀盘机构只进行旋转而不前进；在转盘（5）上装有两个活动扶手（9）、用于安装活动扶手的卡口（22）和多个孔洞（10），活动扶手（9）用于控制转盘旋转活动扶手并安装在卡口（22）上，孔洞（10）用于将隧道模型内的岩土体材料排出。

3.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于：在底架（3）上标有刻度尺，在竖向移动架（6）上标有刻度尺。

4.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于：所述刀盘机构包括圆形刀盘和勒洛三角形刀盘，刀盘机构通过螺丝与丝杆（2）末端固定连接在一起。

5.  根据权利要求3所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于：所述圆形刀盘包括圆形外架（11）、第一刀片（12）和第一刀盘底盘（13），在第一刀盘底盘（13）中部设置有螺丝孔（14），第一刀片（12）的数量为四个，四个第一刀片（12）呈环形分散设置在第一刀盘底盘（13）上，圆形外架（11）设置在四个第一刀片（12）的外侧。

6.  根据权利要求3所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于：所述勒洛三角形刀盘包括行星齿轮结构和勒洛三角形刀盘主体结构，行星齿轮结构位于勒洛三角形刀盘主体结构内部；所述行星齿轮结构包括中心齿轮（15）、行星齿轮（16）、外围大齿轮（17）、细杆、第二螺丝（18）和第三螺丝（19），中心齿轮（15）、行星齿轮（16）和外围大齿轮（17）的齿数比和轮径比为1:1:3；行星齿轮（16）、细杆和第二螺丝的数量为四个，四个行星齿轮（16）通过四根细杆相互连接，在外围大齿轮（17）上设置有第二螺丝安装孔（18），外围大齿轮（17）通过四个第二螺丝（18）固定在丝杆（2）上；所述勒洛三角形刀盘主体结构包括勒洛三角形外围框架（20）、第二刀片（21）和第二刀盘底盘（22），第二刀盘底盘（22）设置在勒洛三角形外围框架（20）内部，通过一个第三螺丝（19）固定在一个行星齿轮上，第二刀片（21）的数量为三个，第二刀片（21）设置在第二刀盘底盘（21）和勒洛三角形外围框架（20）之间，且三个第二刀片（21）分别位于勒洛三角形外围框架（20）的勒洛三角形中心至其三个顶点处。

7.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于采用圆形刀盘开挖出扇形隧道的操作步骤为：
首先在圆形刀盘上只布置一个第一刀片（12），并通过螺丝将第一刀片（12）的一头紧固在丝杆（2）末端的中心位置；
然后将转盘（5）上的活动扶手（9）卡在转盘的卡口（23）上，并摇动手轮（1），手轮（1）带动丝杆（2）旋转使位于丝杆（2）末端的圆形刀盘向前旋转一个弧度；
之后松开转盘上活动扶手（9），转动转盘（5）使圆形刀盘回转一个相同弧度；
最后，再卡死活动扶手（6），摇动手轮（1），依此类推在隧道模型中开挖掘进出一条扇形隧道。

8.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于采用勒洛三角形刀盘开挖出方形隧道的操作步骤为：
摇动手轮（1）运用行星齿轮结构，当使手轮（1）摇动一周时宽度为R的勒洛三角形刀盘就绕丝杆（2）中心公转一周且自转三周，丝杆（2）中心与勒洛三角形刀盘中心的距离为0.077R，这样随着手轮（1）的摇动，勒洛三角形刀盘就会切削出一个边长为R的正方形隧道。

9.  根据权利要求1所述的能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，其特征在于替换不同刀盘类型和刀盘直径开挖出不同截面形状隧道的方法是：
当需要不同直径的圆形隧道时替换不同直径的圆形刀盘；
当需要不同边长的方形隧道时替换不同宽度的勒洛三角形刀盘；
当需要矩形隧道时则通过调整移动架，并采用宽度等于矩形短边的勒洛三角形刀盘分两次进行掘进开挖；
当需要拱形隧道时则是先采用圆形刀盘来开挖隧道顶拱，然后再采用勒洛三角形刀盘来开挖隧道底端的矩形部分，进而分次开挖形成规整的拱形隧道。

能够开挖多种截面形状隧道的实验装置
技术领域
本发明涉及一种隧道开挖实验装置，特别是一种能够开挖多种截面形状隧道的实验装置。
背景技术
由于物理模型试验比较直观，能定性或定量反映地下工程施工对周边岩体的影响，因此，随着新建隧道工程规模的不断增大以及隧道所处力学地质环境的越来越复杂，隧道物理模型试验就越来越具有实际工程意义。而隧道物理模型试验通常都离不开对物理模型隧道的人工开挖，目前，开挖模型隧道常采用的方法有两种，第一种是采用铁铲、刀片等进行手动开挖来排出隧道范围内的岩土体材料，这种方法虽然能开挖出多种截面形状的隧道，但开挖出的隧道长度较短以及隧道截面形状很不规整；第二种是采用钻机旋转前进进行电动开挖来挖掘隧道范围内的岩土体材料，这种方法虽然能开挖较长且形状规整的隧道，但通常只能开挖出单一的圆形隧道且开挖速率也难以控制。因此，当前模型隧道开挖方法不能较好的满足开挖多种截面形状隧道的要求，难以反应实际工程岩体随隧道开挖的复杂受力变形特征。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，解决目前物理模型隧道开挖存在截面形状单一或隧道表面不规整的问题。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置所采用的技术方案如下：
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，包括手轮、丝杆、刀盘机构和用于固定在隧道模型上的移动底盘机构，所述手轮设置在丝杆前端，刀盘机构设置在丝杆末端，移动底盘机构套置于丝杆中部；所述刀盘机构通过旋转来切削位于刀盘机构面前的岩土体材料并形成隧道的截面形状，手轮和丝杆相配合使刀盘机构不断旋转向前推进；移动底盘机构可调节刀盘机构的掘进开挖位置。
作为本发明的优选方案，所述移动底盘机构包含底架、移动架、支撑滚轮和转盘，底架通过螺丝与隧道模型的框架紧固连接，所述移动架包括竖向移动架和横向移动架，竖向移动架设置在底架前部并可相对于底架上下移动，横向移动架设置在竖向移动架前部并可相对于竖向移动架左右移动，支撑滚轮设置在转盘外圆周上，转盘设置在横向移动架中心位置；在竖向移动架的左右两侧各设置有两个紧固螺丝，在横向移动架的上下两侧各设置有两个紧固螺丝，竖向移动架和横向移动架用于调整转盘的中心位置以控制刀盘机构的掘进位置，八个紧固螺丝对竖向移动架和横向移动架的位置进行紧固以对调整好的转盘位置进行锁紧固定；丝杆穿于转盘中心，支撑滚轮用于控制丝杆和位于丝杆末端的刀盘只进行旋转而不前进；在转盘上装有两个活动扶手、用于安装活动扶手的卡口和多个孔洞，活动扶手用于控制转盘旋转活动扶手并安装在卡口上，孔洞用于将隧道模型内的岩土体材料排出。
作为本发明的优选方案，在底架上标有刻度尺，在竖向移动架上标有刻度尺。
作为本发明的优选方案，所述刀盘机构包括圆形刀盘和勒洛三角形刀盘，刀盘机构通过螺丝与丝杆末端固定连接在一起。
作为本发明的优选方案，所述圆形刀盘包括圆形外架、第一刀片和第一刀盘底盘，在第一刀盘底盘中部设置有螺丝孔，第一刀片的数量为四个，四个第一刀片呈环形分散设置在第一刀盘底盘上，圆形外架设置在四个第一刀片的外侧。
作为本发明的优选方案，所述勒洛三角形刀盘包括行星齿轮结构和勒洛三角形刀盘主体结构，行星齿轮结构位于勒洛三角形刀盘主体结构内部；所述行星齿轮结构包括中心齿轮、行星齿轮、外围大齿轮、细杆、第二螺丝和第三螺丝，中心齿轮、行星齿轮和外围大齿轮的齿数比和轮径比为1:1:3；行星齿轮、细杆和第二螺丝的数量为四个，四个行星齿轮通过四根细杆相互连接，在外围大齿轮上设置有第二螺丝安装孔，外围大齿轮通过四个第二螺丝固定在丝杆上；所述勒洛三角形刀盘主体结构包括勒洛三角形外围框架、第二刀片和第二刀盘底盘，第二刀盘底盘设置在勒洛三角形外围框架内部，通过一个第三螺丝固定在一个行星齿轮上，第二刀片的数量为三个，第二刀片设置在第二刀盘底盘和勒洛三角形外围框架之间，且三个第二刀片分别位于勒洛三角形外围框架的勒洛三角形中心至其三个顶点处。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，采用圆形刀盘开挖出扇形隧道的操作步骤为：
首先在圆形刀盘上只布置一个第一刀片，并通过螺丝将第一刀片的一头紧固在丝杆末端的中心位置；
然后将转盘上的活动扶手卡在转盘的卡口上，并摇动手轮，手轮带动丝杆旋转使位于丝杆末端的圆形刀盘向前旋转一个弧度；
之后松开转盘上活动扶手，转动转盘使圆形刀盘回转一个相同弧度；
最后，再卡死活动扶手，摇动手轮，依此类推在隧道模型中开挖掘进出一条扇形隧道。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，采用勒洛三角形刀盘开挖出方形隧道的操作步骤为：
摇动手轮运用行星齿轮结构，当使手轮摇动一周时宽度为R的勒洛三角形刀盘就绕丝杆中心公转一周且自转三周，丝杆中心与勒洛三角形刀盘中心的距离为0.077R，这样随着手轮的摇动，勒洛三角形刀盘就会切削出一个边长为R的正方形隧道。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，替换不同刀盘类型和刀盘直径开挖出不同截面形状隧道的方法是：
当需要不同直径的圆形隧道时替换不同直径的圆形刀盘；
当需要不同边长的方形隧道时替换不同宽度的勒洛三角形刀盘；
当需要矩形隧道时则通过调整移动架，并采用宽度等于矩形短边的勒洛三角形刀盘分两次进行掘进开挖；
当需要拱形隧道时则是先采用圆形刀盘来开挖隧道顶拱，然后再采用勒洛三角形刀盘来开挖隧道底端的矩形部分，进而分次开挖形成规整的拱形隧道。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的优点是，简单灵活、使用经济、操作方便、易于推广，同时，还能开挖出长而规整的圆形、矩形、拱形等不同截面形状的模型隧道。
附图说明
图1是本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的主视图。
图2是本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置移动底盘机构的结构示意图。
图3是本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的圆形刀盘的结构示意图。
图4是本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的勒洛三角形刀盘的结构示意图。
图5是本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的勒洛三角形刀盘的运动轨迹图。
图6为本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置的不同截面形状模型隧道的分步开挖示意图。
具体实施方式
如附图所示，本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，包括手轮1、丝杆2、刀盘机构和用于固定在隧道模型上的移动底盘机构，所述手轮1设置在丝杆2前端，刀盘机构设置在丝杆2末端，移动底盘机构套置于丝杆2中部。手轮1摇动时带动和手轮相连接的丝杆2同步转动，丝杆2带动与丝杆2末端相连接的刀盘机构不断旋转向前推进，以对隧道模型进行旋转开挖。
移动底盘机构可调节刀盘机构的掘进开挖位置，所述移动底盘机构包含底架3、移动架、支撑滚轮4和转盘5，底架3通过螺丝与隧道模型的框架紧固连接，所述移动架包括竖向移动架6和横向移动架7，竖向移动架6设置在底架3前部并可相对于底架3上下移动，横向移动架7设置在竖向移动架6前部并可相对于竖向移动架6左右移动，支撑滚轮4设置在转盘5外圆周上，转盘5设置在横向移动架7中心位置；在竖向移动架6的左右两侧各设置有两个紧固螺丝，在横向移动架7的上下两侧各设置有两个紧固螺丝8，竖向移动架6和横向移动架7用于调整转盘5的中心位置以控制刀盘机构的掘进位置，八个紧固螺丝8对竖向移动架6和横向移动架7的位置进行紧固以对调整好的转盘5位置进行锁紧固定；丝杆2穿于转盘5中心，支撑滚轮4用于控制丝杆2和位于丝杆末端的刀盘只进行旋转而不前进；在转盘5上装有两个活动扶手9、用于安装活动扶手的卡口22和多个孔洞10，活动扶手9用于控制转盘旋转活动扶手并安装在卡口22上，孔洞10用于将隧道模型内的岩土体材料排出。
在底架3上标有刻度尺，在竖向移动架6上标有刻度尺。通过在底架和竖向移动架上标有刻度尺可以精确调整竖向移动架6和横向移动架7的位置，从而提高了开挖位置的精确度。
刀盘机构通过旋转来切削位于刀盘机构面前的岩土体材料并形成隧道的截面形状，所述刀盘机构包括圆形刀盘和勒洛三角形刀盘，刀盘机构通过螺丝与丝杆末端固定连接在一起。
所述圆形刀盘包括圆形外架11、第一刀片12和第一刀盘底盘13，在第一刀盘底盘13中部设置有螺丝孔14，第一刀片12的数量为四个，四个第一刀片12呈环形分散设置在第一刀盘底盘13上，圆形外架11设置在四个第一刀片12的外侧。
所述勒洛三角形刀盘包括行星齿轮结构和勒洛三角形刀盘主体结构，行星齿轮结构位于勒洛三角形刀盘主体结构内部。所述行星齿轮结构包括中心齿轮15、行星齿轮16、外围大齿轮17、细杆、第二螺丝18和第三螺丝19，中心齿轮、行星齿轮和外围大齿轮的齿数比和轮径比为1:1:3；行星齿轮16、细杆和第二螺丝的数量为四个，四个行星齿轮16通过四根细杆相互连接，在外围大齿轮17上设置有第二螺丝安装孔18，外围大齿轮17通过四个第二螺丝固定在丝杆2上；所述勒洛三角形刀盘主体结构包括勒洛三角形外围框架20、第二刀片21和第二刀盘底盘22，第二刀盘底盘22设置在勒洛三角形外围框架20内部，通过一个第三螺丝19固定在一个行星齿轮上，第二刀片21的数量为三个，第二刀片21设置在第二刀盘底盘22和勒洛三角形外围框架20之间，且三个第二刀片21分别位于勒洛三角形外围框架20的勒洛三角形中心至其三个顶点处。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，采用圆形刀盘开挖出扇形隧道的操作步骤为：
首先在圆形刀盘11上只布置一个第一刀片12，并通过螺丝将第一刀片12的一头紧固在丝杆2末端的中心位置；
然后将转盘5上的活动扶手9卡在转盘的卡口23上，并摇动手轮1，手轮1带动丝杆2旋转使位于丝杆2末端的圆形刀盘向前旋转一个弧度；
之后松开转盘上活动扶手9，转动转盘使圆形刀盘回转一个相同弧度；
最后，再卡死活动扶手9，摇动手轮1，依此类推在隧道模型中开挖掘进出一条扇形隧道。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，采用勒洛三角形刀盘开挖出方形隧道的操作步骤为：
摇动手轮1运用行星齿轮结构，当使手轮1摇动一周时宽度为R的勒洛三角形刀盘就绕丝杆2中心公转一周且自转三周，丝杆2中心与勒洛三角形刀盘中心的距离为0.077R，这样随着手轮1的摇动，勒洛三角形刀盘就会切削出一个边长为R的正方形隧道。
本发明能够开挖多种截面形状隧道的实验装置，替换不同刀盘类型和刀盘直径开挖出不同截面形状隧道的方法是：
当需要不同直径的圆形隧道时替换不同直径的圆形刀盘；
当需要不同边长的方形隧道时替换不同宽度的勒洛三角形刀盘；
当需要矩形隧道时则通过调整移动架，并采用宽度等于矩形短边的勒洛三角形刀盘分两次进行掘进开挖；
当需要拱形隧道时则是先采用圆形刀盘来开挖隧道顶拱，然后再采用勒洛三角形刀盘来开挖隧道底端的矩形部分，进而分次开挖形成规整的拱形隧道。