[发明专利]用于模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统及方法

权利要求书

1.用于模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统，包括：

仿形掘进机构，位于旋转前进机构前端，自前往后分别为定位刀头、前刀盘、后刀盘和仿形框，其中定位刀头、前刀盘和后刀盘同轴旋转，仿形框固定，可实现任意形状隧洞一次性全断面掘进；

旋转前进机构，位于仿形掘进机构后部，包括与仿形掘进机构连接的旋转轴，旋转轴另一端与旋转电机连接，旋转轴外部布置中空杆，前进电机带动旋转轴、旋转电机实现前进或后退，为仿形掘进机构的旋转及前进过程提供动力；

支撑架及排渣装置，为系统主体框架，支撑旋转前进机构和仿形掘进机构，可调高支腿可用于调整支撑架的高度，吸尘器及排渣管安装于支撑架上，可用于掘进排渣；

其特征在于：所述定位刀头、前刀盘及后刀盘均以所述旋转前进机构的旋转轴为轴进行旋转切割；所述旋转轴外部包裹所述中空杆，所述中空杆上设置旋转前进机构，与所述前进电机配合，实现前进及后退过程；所述中空杆与所述旋转轴之间设置旋转轴承，起到减摩作用；所述旋转轴后端与所述旋转电机连接，所述旋转电机为旋转过程提供动力；所述中空杆一侧布置所述前进电机，所述前进电机为开挖前进及后退过程提供动力；所述中空杆外围设置多根支撑杆，所述支撑杆两端分别与所述旋转电机和所述仿形框连接，对所述仿形框起到固定作用。

2.根据权利要求1所述的模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统，其特征在于，所述定位刀头位于所述仿形掘进机构最前端，其上安装有圆形刀片，掘进过程中定位刀头先行钻入模型起到良好的定位作用；所述定位刀头后部与所述前刀盘连接，所述前刀盘为三叉型，刀刃朝向隧洞掌子面，根据所需开挖隧洞的形状及尺寸设置所述前刀盘各叉臂长度，以便通过所述前刀盘旋转切割形成拟开挖隧洞最大内接圆形状的初期隧洞；所述前刀盘后部与所述后刀盘连接，所述后刀盘通过设置弹簧实现了刀头可伸缩性，刀刃朝向隧洞掌子面，所述后刀盘上设置有旋转滑块，旋转滑块另一端与位于所述后刀盘后部的所述仿形框活动连接，仿形框与拟开挖隧洞轮廓一致；所述后刀盘旋转时，旋转滑块沿着所述仿形框的仿形槽运动，带动所述后刀盘伸缩，所述后刀盘切割轮廓与拟开挖轮廓一致；掘进过程中所述定位刀头、前刀盘及后刀盘同轴旋转，所述仿形框固定不动，共同实现了任意形状隧洞一次性全断面掘进。

3.根据权利要求1所述的模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统，其特征在于，所述支撑架作为整套掘进系统的框架，对各种装置起到支撑作用；所述可调高支腿通过螺纹结构实现了掘进系统的高度调节功能；所述排渣管一端与所述中空杆连接，另一端与所述吸尘器连接，通过所述吸尘器的负压使掘进产生的矸石沿着所述中空杆及所述排渣管进入所述吸尘器，所述排渣管为软管，可适应整个开挖前进过程。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统的试验方法，其特征在于，包括如下内容：

将模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统设于即将开挖的模型前；

通过所述可调高支腿将所述仿形掘进机构调整至相应高度；

更换与拟开挖隧洞轮廓一致的所述仿形框；

通过所述旋转电机带动所述定位刀头、前刀盘及后刀盘旋转，通过所述前进电机带动所述仿形掘进机构及所述旋转电机，从而实现在旋转掘进的同时，推进掘进过程，直至掘进到指定位置，直至完成隧洞的施工，实现任意形状隧洞一次性全断面掘进；

掘进过程中，通过所述吸尘器及所述排渣管排出产生的矸石，保证掘进顺畅。