一种隧道挖掘用岩层采样装置及采样方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其是一种隧道挖掘用岩层采样装置及采样方法。

背景技术

在进行隧道挖掘工作时，为了保证其挖掘工作的安全性和准确性，需要对隧道挖掘点的岩层进行采样，以便于得知岩层的构成及硬度。

申请号CN115929240A公开了一种隧洞钻岩取样装置，其包括转动座，转动座沿其周向开设有弧形旋转口且转动座内设有一转动腔，转动腔内设有可转动的转动件，转动件与设于转动座上的驱动部件传动连接；所述转动件具有穿过弧形旋转口的安装部，安装部通过弹簧减震件连接有液压伸缩杆，上述方案可在轴向驱动组件的驱动下使得转动盘靠近转动件实现制动配合，在制动状态下，能够使得液压伸缩杆更为稳定，利于实现更为精确的钻岩，但上述实施例仍然具有以下缺陷：

1、取样结束后，需要采用人力手动或是借助外部设备才能从钻杆中取出岩层样本，导致了劳动强度的增加以及取样便利性的下降；

2、无法根据岩层采样深度自由选择钻杆长度，并且钻杆为一体化设备，难以进行携带和安装保存，导致装置的兼容性下降。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种隧道挖掘用岩层采样装置及采样方法，将岩层样品自动推出，既无需外部设备辅助，也无需人力手动操作，提升了取样的便利性，也降低了劳动强度。钻杆模组若干组依次活动卡接的钻杆分体组成，可以根据岩层采样深度自由选择钻杆分体的数量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，一种隧道挖掘用岩层采样装置，包括：

角度调节机构，安装于履带式底盘上；

驱动机构，安装于角度调节机构上以进行角度调节，包括驱动箱，驱动箱外侧连接第一电动推杆，内侧设置输出端带有推料板的第二电动推杆；转动杆设于驱动箱侧壁且首端与第二电动推杆输出端套接，末端连接取样机构，转动杆外侧连接第一驱动件以带动取样机构转动；

取样机构，包括由若干组依次活动卡接的钻杆分体组成的钻杆模组，钻杆模组前端用于与转动杆固定连接，末端边缘处呈环形阵列卡接有若干组钻头分体；第二电动推杆可带动推料板在转动杆以及钻杆模组内腔中做直线运动。

作为进一步的实现方式，所述角度调节机构包括转盘，转盘两侧设有调节箱，调节箱安装于履带式底盘上，调节箱内通过第二驱动件带动转盘转动，所述驱动机构安装于转盘顶部。

作为进一步的实现方式，所述调节箱侧壁设有侧通槽，并安装有扇环形结构的月牙滑道，转盘两侧对称安装有传动杆，传动杆延伸至调节箱中，第二驱动件与传动杆配合以带动转盘转动，传动杆上设有套环延伸杆，套环延伸杆端部与月牙滑道滑动配合。

作为进一步的实现方式，所述驱动机构包括安装于转盘上的底座，底座上设有与驱动箱配合的限位滑槽并且两端设置第一安装板和第二安装板，第一电动推杆设于第一安装板和驱动箱第一侧之间，钻杆模组设于驱动箱第二侧并且穿过第二安装板上的钻头贯穿孔，第二安装板上还设有喷水头和稳定机构。

作为进一步的实现方式，所述第一驱动件设于驱动箱内壁，第一驱动件输出端设有皮带轮，并通过皮带与转动杆配合，所述第一电动推杆和第二电动推杆位于同一轴线。

作为进一步的实现方式，所述取样机构还包括钻杆底座，钻杆底座一端与转动杆固定连接，内侧为第一中心通槽，钻杆底座第二端边缘呈环形设置若干第一卡槽，钻杆分体一端对应设置第一卡块，另一端对应设置第二卡槽，钻杆分体依次活动卡接，远离转动杆的，钻杆分体末端与钻头分体活动卡接。

作为进一步的实现方式，所述稳定机构设于钻杆模组两侧，包括第三电动推杆，第三电动推杆输出端设有第三驱动件，第三驱动件输出端连接卡位底座，卡位底座活动安装有卡位钻杆，卡位钻杆与第三驱动件输出端连接。

作为进一步的实现方式，所述履带式底盘上设有储水箱，储水箱与喷水头连接。

作为进一步的实现方式，所述履带式底盘底部设置液压升降台。

第二方面，一种隧道挖掘用岩层采样方法，采用如上任一所述的岩层采样装置，包括如下步骤：

根据岩层采样深度确定所需钻杆分体的数量，并将各组钻杆分体依次拼接，得到钻杆模组，将钻杆模组一端卡接在钻杆底座上，并将各组钻头分体按环形阵列方式卡接在钻杆模组末端端口处；

启动液压升降台，将取样机构调整到与采样点相同的高度；

启动角度调节机构使得钻杆模组靠近钻头分体的一端朝向采样点；

启动第一驱动件，钻杆模组旋转，并以钻孔的方式将岩层样本收入钻杆模组的腔体中，达到所需的岩层深度后，停止采样，钻杆模组复位；

启动第二电动推杆，通过第二电动推杆带动推料板水平延伸至钻杆模组腔体内，将岩层样本从钻杆模组远离钻杆底座的一端推出。

上述本发明的有益效果如下：

1.本发明的第二电动推杆可带动推料板在转动杆以及钻杆模组内腔中做直线运动，将岩层样品自动推出，既无需外部设备辅助，也无需人力手动操作，提升了取样的便利性，也降低了劳动强度。钻杆模组由若干组依次活动卡接的钻杆分体组成，可以根据岩层采样深度自由选择钻杆分体的数量；并且末端边缘处呈环形阵列卡接有若干组钻头分体，每组钻头分体均可进行独立的拆卸安装，从而提高了钻头部分后期维护保养的便利性，并降低了维护保养成本。

2.本发明根据岩层采样深度自由选择钻杆分体的数量，使得取样机构可以同时采集多个岩层的样本，满足了批量采样的需求。

3.本发明通过液压升降台可将履带式底盘的高度调整至与采样点平行，使得装置可以适用于不同高度。并且取样机构的朝向角度可以根据采样需要进行调整，装置在无需人力扶持或外部设备限位的情况，不仅可以对地面进行采样，还可以对带有坡度的斜面以及隧道顶部进行采样。降低了劳动强度，还丰富了装置的功能性。

4.本发明底座两侧壁边缘处分别活动卡接在两组底座卡块上，增加了取样机构在垂直向下或垂直向上取样时的承载力，进一步提高了取样机构的稳定性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中隧道挖掘用岩层采样装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中履带式底盘的结构示意图；

图3是本发明实施例中角度调节机构的结构示意图；

图4是本发明实施例中角度调节机构的俯视剖视示意图；

图5是本发明实施例中调节箱的侧面剖视示意图；

图6是本发明实施例中驱动机构的结构示意图；

图7是本发明实施例中驱动箱俯视剖视示意图；

图8是本发明实施例中取样机构的分解示意图；

图9是本发明实施例中稳定机构的结构示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：100、履带式底盘；200、角度调节机构；300、驱动机构；400、取样机构；500、稳定机构；110、液压升降台；120、储水箱；210、调节箱；211、侧通槽；220、转盘；221、安装台；230、传动杆；240、第二驱动件；250、稳定套环；251、套环延伸杆；252、第一滑块；260、月牙滑道；270、底座卡块；310、底座；311、第一安装板；312、第二安装板；313、钻头贯穿孔；314、限位滑槽；315、喷水头；320、第一电动推杆；330、驱动箱；340、第二电动推杆；350、推料板；360、转动杆；370、第一驱动件；380、皮带轮；381、皮带；410、钻杆底座；411、第一卡槽；412、第一中心通槽；420、钻杆分体；421、第一卡块；422、第二卡槽；423、第二中心通槽；430、钻头分体；431、第二卡块；510、第三电动推杆；520、第三驱动件；530、卡位底座；540、卡位钻杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图9所示，一种隧道挖掘用岩层采样装置，包括履带式底盘100，示例性的，如图1和图2所示，履带式底盘100底部安装有液压升降台110。履带式底盘100顶部靠近一端边缘处安装有储水箱120。液压升降台110用于调整履带式底盘100的高度，储水箱120用于为喷水头315供水。在取样时通过喷水头315喷水。

履带式底盘100远离储水箱120的一端边缘处设有角度调节机构200。角度调节机构200用于调整取样角度。角度调节机构200顶部安装有驱动机构300，驱动机构300的输出端上安装有取样机构400。通过驱动机构300带动取样机构400钻孔取样。驱动机构300远离储水箱120的一侧安装有稳定机构500。稳定机构500用于提高取样机构400在取样时的稳定性。

如图3-图5所示，角度调节机构200包括两个调节箱210。两个调节箱210均安装在履带式底盘100上，且两个调节箱210以履带式底盘100宽度方向上的中轴心为中心对称设置。

如图3所示，两个调节箱210靠近储水箱120的一侧壁上开设有侧通槽211，侧通槽211上下两端均为开放式结构，侧通槽211开口处固定设置有侧视截面为扇环形结构的月牙滑道260。

两组调节箱210之间设有转盘220，转盘220顶部设有安装台221。转盘220两侧对称安装有两组传动杆230，两组传动杆230另一端分别延伸至两组调节箱210内，其中一组传动杆230上传动连接有第二驱动件240。第二驱动件固定在其中一个调节箱内部，第二驱动件240输出端与传动杆端部连接，以带动传动杆230进行转动，进而实现转盘220转动，转盘220带动取样机构400转动，实现取样角度的调节。

传动杆230位于调节箱210内的一段杆体上套接有稳定套环250，稳定套环250上安装有套环延伸杆251，套环延伸杆251另一端通过相应一组侧通槽211延伸至调节箱210外部，且安装有第一滑块252，第一滑块252另一端滑动连接在月牙滑道260上。

可以理解的是，转盘220与调节箱210方位垂直的两侧对称设置有两组底座卡块270，驱动机构300的主体两端分别活动卡接在两组底座卡块270内。

取样工作时，首先启动液压升降台110，将履带式底盘100的高度调整至与采样点平行，使得装置可以适用于不同高度。然后启动第二驱动件240，通过第二驱动件240带动转盘220转动，再由转盘220带动驱动机构300和取样机构400转动，使得取样机构400的朝向角度可以根据采样需要进行调整。让装置在无需人力扶持或外部设备限位的情况，不仅可以对地面进行采样，还可以对带有坡度的斜面以及隧道顶部进行采样。不仅降低了劳动强度，还丰富了装置的功能性。

如图6-图7所示，驱动机构300包括底座310，底座310固定安装在安装台221上。底座310与调节箱210方位垂直的两侧壁边缘处分别活动卡接在两组底座卡块270上。

底座310靠近储水箱120的一侧顶部边缘处安装有第一安装板311，底座310远离储水箱120的一侧顶部边缘处安装有第二安装板312，第二安装板312中间位置开设有钻头贯穿孔313，用于钻杆模组穿过；第二安装板312远离第一安装板311的一侧壁上设有喷水头315，喷水头315输入端与储水箱120输出端连通。

底座310顶部开设有限位滑槽314，限位滑槽314由第一安装板311向第二安装板312一侧延伸。第一安装板311靠近第二安装板312一侧壁上安装有第一电动推杆320，第一电动推杆320输出端上安装有驱动箱330，驱动箱330底部滑动连接在限位滑槽314上。

驱动箱330靠近第一安装板311的一侧内壁上安装有第二电动推杆340，第二电动推杆340输出端上安装有推料板350。驱动箱330靠近第二安装板312一侧内壁上转动连接有转动杆360，转动杆360远离第二电动推杆340一端延伸至驱动箱330外部与取样机构400活动连接。

如图7所示，转动杆360中轴线与推料板350中轴线重合。推料板350通过转动杆360活动延伸至取样机构400腔体内。第二电动推杆340一侧设有传动机构，传动机构包括第一驱动件370，第一驱动件370输出端上以及转动杆360外壁上分别设有一组皮带轮380，两组皮带轮380之间传动连接有皮带381。在另一示例中，推料板350也可以与转动杆360活动套接。

在调整好取样机构400的高度和角度以后，启动稳定机构500，将稳定机构500固定在采样点的一侧，然后启动第一驱动件370，通过第一驱动件370带动转动杆360转动，再由转动杆360带动取样机构400整体转动。然后启动第一电动推杆320，在取样机构400转动的同时将其向采样点一侧推送，使得取样机构400可以以钻孔的方式采集岩层样本。取样完成后，岩石样本残留在取样机构400腔体内，控制第一电动推杆320，使得取样机构400复位，然后启动第二电动推杆340，使其控制推料板350水平延伸至取样机构400内，并将取样机构400内的岩层样本推送出来。

在第二驱动件240带动传动杆230转动的同时，通过第一滑块252在月牙滑道260上的滑动连接，增加了取样机构400在取样时的稳定性，使其不会因为外部震动而发生水平方向上的偏移。并且底座310两侧壁边缘处分别活动卡接在两组底座卡块270上，增加了取样机构400在垂直向下或垂直向上取样时的承载力，进一步提高了取样机构400的稳定性。

如图8所示，取样机构400包括钻杆底座410和钻杆模组。钻杆底座410用于与转动杆可固定连接，钻杆底座410中心处开设有第一中心通槽412。钻杆底座410远离转动杆360的一端端口边缘处呈环形阵列分布有若干组第一卡槽411。

钻杆模组包括若干组长度相同的钻杆分体420，若干组钻杆分体420沿一条直线依次卡合连接。钻杆分体420中心处开设有第二中心通槽423，推料板350在第二电动推杆340的作用下可活动延伸至远离钻杆底座410的一组第二中心通槽423内。

钻杆分体420靠近钻杆底座410的一端端口边缘处呈环形阵列分布有若干组第一卡块421，钻杆分体420远离钻杆底座410的一端端口边缘处呈环形阵列分布有若干组第二卡槽422，第一卡槽411、第一卡块421和第二卡槽422数量均相同。每组第一卡块421均活动卡接在相邻一组钻杆分体420上与其相对应的一组第二卡槽422内。

靠近钻杆底座410的一组钻杆分体420上的各组第一卡块421分别卡接在各自相应的一组第一卡槽411内。远离钻杆底座410的一组钻杆分体420上各组第二卡槽422内均卡接有一组第二卡块431，第二卡块431一端延伸至第二卡槽422外部，且安装有钻头分体430。

首先根据岩层深度选择钻杆分体420的数量，然后利用第一卡块421和第一卡槽411的卡接关系，将其中一组钻杆分体420安装在钻杆底座410上，然后利用第一卡块421和第二卡槽422的卡接关系，将其余组钻杆分体420依次拼接在该组钻杆分体420上。再利用第二卡块431和第二卡槽422的卡接关系，将各组钻头分体430卡接在远离钻杆底座410的一组钻杆分体420上。然后启动驱动机构300，通过驱动机构300带动取样机构400在转动的同时，钻入采样点的岩层中，以此实现钻孔采样的功能。

本实施例的钻杆模组是由若干组依次拼接的钻杆分体420构成，可以根据岩层采样深度自由选择钻杆分体420的数量，使得取样机构400可以同时采集多个岩层的样本，满足了批量采样的需求。采样完成后，通过第二电动推杆340带动推料板350水平延伸至各组第二中心通槽423内，并将第二中心通槽423内的岩层样本推送至取样机构400外部，既无需外部设备辅助，也无需人力手动操作，在提高装置兼容性的同时还降低了劳动强度，以及提升了取样的便利性。

本实施例将传统钻头分为若干组独立的钻头分体430，然后以环形阵列的方式排列，并且钻头分体430与钻杆分体420之间通过第二卡槽422和第二卡块431的活动卡接关系，进行活动安装。因此每组钻头分体430均可进行独立的拆卸安装，从而提高了钻头部分后期维护保养的便利性，并降低了维护保养成本。

如图9所示，稳定机构500包括第三电动推杆510，第三电动推杆510水平安装在第二安装板312远离第一安装板311的一侧壁上，第三电动推杆510输出端上安装有第三驱动件520，第三驱动件520输出端上连接有卡位底座530，卡位底座530上活动安装有卡位钻杆540，卡位钻杆540与第三驱动件520输出端连接。

在采样之前，通过启动第三驱动件520，通过第三驱动件520带动卡位钻杆540旋转，并利用第三电动推杆510的推送，使得卡位钻杆540可以嵌入采样点一侧岩层中，提高了驱动机构300和岩层之间的固定性，避免采样时，取样机构400因震动而发生位移偏转，不仅保证了取样精度，同时也降低了安全隐患。。

实施例二

本发明实施例还提出了一种隧道挖掘用岩层采样方法，采用上述实施例一的隧道挖掘用岩层采样装置，包括如下步骤：

根据岩层采样深度确定所需钻杆分体420的数量，并将各组钻杆分体420依次拼接，得到钻杆模组，将钻杆模组一端卡接在钻杆底座410上，并将各组钻头分体430按环形阵列方式卡接在钻杆模组末端端口处；

启动液压升降台110，将取样机构调整到与采样点相同的高度；

启动角度调节机构200使得钻杆模组靠近钻头分体的一端朝向采样点；

第一电动推杆320推动驱动箱带动取样机构向岩层移动，稳定机构钻入岩层中以加固岩层进行稳定。启动第一驱动件370，钻杆模组旋转，并以钻孔的方式将岩层样本收入钻杆模组的腔体中，达到所需的岩层深度后，停止采样，通过第一电动推杆320使得钻杆模组复位。

启动第二电动推杆340，通过第二电动推杆340带动推料板350水平延伸至钻杆模组腔体内，将岩层样本从钻杆模组远离钻杆底座的一端推出。

通过第二电动推杆340带动推料板350水平延伸至各组第二中心通槽内，并将第二中心通槽内的岩层样本推送至取样机构外部，既无需外部设备辅助，也无需人力手动操作，提升了取样的便利性，也降低了劳动强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。