CN104198304B - 一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，其装置包括动力发射装置⑸、冲头⑴、受冲薄板⑵、初始应力施加组件⑶、监测观察组件⑷，所述冲头⑴由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置⑸的发射轴线、冲头⑴、受冲薄板⑵的中心位于同一水平线上，监测观察组件⑷的光轴线与动力发射装置⑸的发射轴线交叉于受冲薄板⑵的中心。其优点是：利用特定形状的冲头高速冲击薄板来模拟深埋圆形隧洞钻爆开挖过程中的重复瞬态卸荷扰动效应，提出模拟爆破施工实际的控制手段；填补爆破卸荷效应研究在室内模拟实验方面的缺失，试验实施安全、方便、快捷、可重复性强；试验装置的各项子系统可靠度高，可行性强。

Description

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法

技术领域

本发明涉及深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，适用于对水利水电工程、交通工程中深埋隧洞钻爆开挖所引起的短时间内重复瞬态卸荷效应的室内模拟研究。

背景技术

钻孔爆破是当前国内水利水电以及交通等工程地下洞室和各类隧洞开挖的主要方式。在炸药爆炸作用下，原本完整的掌子面岩体中的一部分在瞬间被爆除，新生成的自由面上初始应力场的卸除在极短的时间内完成，引起围岩内部强烈的应力调整，造成自由面附近岩体产生松动和破坏，既造成围岩损伤，还有可能诱发岩爆、应力性坍塌或者突发大变形等动力地质灾害。对地下工程钻爆开挖中地应力的瞬态卸荷或岩体应变能的瞬态释放效应的研究与试验具有显著的工程意义。

隧洞爆破开挖的炮孔布置分为掏槽孔、崩落孔和周边孔。在分析卸荷效应造成的隧洞围岩损伤时，研究人员大多充分考虑了最外一层周边孔爆除岩块后引起的卸荷效应造成的围岩损伤。然而，周边孔以内的崩落孔和掏槽孔在起爆时都会引起瞬态卸荷效应，且周边孔多采用光面爆破，其装药量较崩落与掏槽孔减弱许多。当内层起爆孔爆除引起的卸荷动态波的影响范围达到一定程度，超过周边孔时，也会对围岩构成损伤。因此，可能对围岩质量造成影响的起爆孔圈极有可能同时包括周边孔，内层崩落孔甚至掏槽孔，内外层爆孔分别爆除造成的动态卸荷波相互耦合，故而必须将内外层炮孔作为一个整体进行试验分析。

国内对于瞬态卸荷效应的研究集中在计算机数值模拟计算分析、理论分析计算与实地钻爆数据相结合等方式，而在室内试验方面明显薄弱。这很大程度上是由于室内试验难于实现应力场的高卸载速率，不能正确模拟爆破开挖过程中新生成轮廓面上的瞬态卸荷效应。唐春安等学者在模拟岩爆的物理模型试验中，采用了为88*71*130的洞室模型，在模型上钻出50mm的空孔以模拟洞室，由试验机加载并测量位移，以模拟研报的动力过程，是隧洞爆破开挖室内模拟的一次成功尝试。但是，唐春安的模拟试验未考虑到多圈层爆破产生卸荷波的耦合效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术状况，研发一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，运用特制的冲头高速冲击处于受压状态薄板，以模拟爆破的瞬间除岩过程，达到在室内试验中模拟钻爆开挖自由面上的瞬态卸荷效应的目的。同时提出用分级变口径冲击弹头，能够有效模拟钻孔爆破中多层爆孔圈以一定起爆延时差依次起爆的实际起爆情况，从而能够为对隧洞钻爆开挖造成围岩损伤的研究提供室内试验支持。

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，包括动力发射装置5、冲头1、受冲薄板2、初始应力施加组件3、监测观察组件4，所述冲头1由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置5、冲头1、受冲薄板2的中心位于同一水平线上，初始应力施加组件3在受冲薄板2互相垂直的两个方向上分别施加压应力P1和P2，监测观察组件4的光轴线与动力发射装置5的发射轴线交叉于受冲薄板2的中心，监测观察组件4的发射光束在受冲薄板2上所形成的光斑范围覆盖冲头1冲击出的圆孔及周边区域。

所述冲头1的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；所述变径断面位置H满足

H＝v×t

式中，v为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。

所述受冲薄板2的材质为Homalite-100型塑料或聚碳酸酯中的一种；

受冲薄板尺寸设计时，需考虑到薄板边缘在冲击时对于卸荷应力波的反射效应。冲头开始接触板材的一瞬间，薄板内开始产生由受冲区域向外发散的应力波，传递至薄板边界后发生反射。为了防止反射波与卸荷应力原波叠加影响试验观测，故而所述受冲薄板2的尺寸需满足

$\frac{d}{v}<K\frac{2L}{v_t}$

式中：K为放大系数，K≥1；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；v_t为冲击引起应力波在板中的传播速度。

所述监测观察组件4，包括光源9、偏振片7、聚焦透镜8、高速摄影机10或红外热像仪；在受冲薄板2一侧设置激光光源9，另一侧设置高速摄影机10或红外热像仪，激光光源9依次通过偏振片7、受冲薄板2、偏振片7、聚焦透镜8继而被高速摄影机10或红外热像仪接收。

所述动力发射装置5为霍普金森杆，包括发射组件6、杆系与子弹11和中心支撑部件12。

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，包括如下步骤：

步骤1、依次设置动力发射装置、冲头、受冲薄板，使三者的中心位于同一水平线上，采用初始应力施加组件在受冲薄板互相垂直的两个方向上分别施加压应力P1和P2；

步骤2、在受冲薄板一侧设置激光光源，另一侧设置高速摄影机，激光光源依次通过偏振片、受冲薄板、偏振片、聚焦透镜继而被高速摄影机接收，用于记录薄板上的干涉条纹图样；激光光线与冲头运动直线交叉于受冲薄板中心；

步骤3、启动动力发射装置，以设计速度发射冲头冲击受冲薄板，高速摄影机进行跟踪采集，获得冲击过程中的干涉条纹图样，更换受冲薄板的材质、冲头的形状后重复试验并记载试验结果；

步骤4、对采集到的图样进行整理分析。

所述冲头由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；不同的连接方式用于模拟两种不同的卸荷过程：冲头尖端和变径处采用圆锥形渐变过渡时，如图1a、c所示，此时冲头冲击薄板时，其卸荷过程可认为是很短时间内的直线递减过程，如图2a所示。冲头尖端和变径处也可采用突变形式，如图1b、d所示，此时其卸荷过程为在冲击时刻的突变跳跃过程，如图2b所示。

所述冲头的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；所述变径断面位置H满足

H＝v×t

式中，v为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。

所述受冲薄板的材质为Homalite-100型塑料或聚碳酸酯中的一种；所述受冲薄板2的尺寸需满足

$\frac{d}{v}<K\frac{2L}{v_t}$

式中：K为放大系数，K≥1；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；v_t为冲击引起应力波在板中的传播速度。

本发明一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法的优点是：

1、关注了未受充分考虑的隧洞钻爆不同圈层炮孔的重复卸荷效应，设计了新型的独特形式的冲头，提出了能够模拟爆破施工实际的控制手段；

2、填补了对于爆破卸荷效应研究在室内模拟实验方面的缺失，试验实施安全、方便、快捷、可重复性强；

3、试验装置的各项子系统可靠度高，可行性强。

附图说明

图1a、b、c、d为本发明的四种冲头的剖视图。

图2a为冲头为图1a时的冲击过程中薄板瞬态卸荷过程示意图；

图2b为冲头为图1b时的冲击过程中薄板瞬态卸荷过程示意图。

图3为水利水电工程中小断面圆形隧洞的典型钻孔爆破设计图。

图4为受冲薄板及初始荷载施加示意图。

图5为动力发射装置的结构示意图。

图6为本发明整体布置示意图。

图7是隧洞开挖炮孔细部图。

图中，1 为冲头，2 为受冲薄板，3 为初始应力施加组件，4 为监测观察组件，5 为动力发射装置，6 为发射组件，7 为偏振片，8 为聚焦透镜，9 为光源，10 为高速摄影机，11 为杆系与子弹，12 为中心支撑部件。

具体实施方式

下面结合图1-7，对本发明进行进一步说明。

以水电站小型圆形水工隧洞爆破开挖为例，运用本发明的装置及方法，模拟最内层掏槽孔(起爆延时25ms)和第二层崩落孔(起爆延时50ms)顺序起爆对围岩产生的重复卸荷效应，以说明本发明的试验实现方式。

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，包括如下组件：

1.冲头尺寸设计

在图3所示开挖设计中，炮孔布置分为掏槽孔(编号1-5，起爆延时25ms)、崩落孔(编号6-15，起爆延时50ms)和周边孔(编号16至33)。以此为基础进行冲头尺寸设计：冲头口径的控制，须使得前段弹体直径d对应相似与最内层掏槽孔掏槽直径；后段弹体直径D对应相似与外层炮孔爆破产生的圆形自由面直径。弹体变口径断面位置H和飞弹飞行速度v，需满足：

H＝v*Δt

式中：Δt为内外圈爆破延时差，本例中为25ms。使得飞弹两次冲击板材的间隔时间与内外圈炮孔起爆延时差一致。

2、受冲薄板

为达到要求的冲击效果，薄板需要选择具有足够刚度同时又具有一定脆性的材料，我们提出两种材料：Homalite-100型塑料和聚碳酸酯，两种材料力学性质如下表：

材料	剪切模量	泊松比	密度
				Homalite-100	1.4GPa	0.35	1200kg/m3
PC(聚碳酸酯)	0.83GPa	0.39	1180-1220kg/m3

受冲薄板尺寸设计时，需考虑到薄板边缘在冲击时对于卸荷应力波的反射效应。冲头开始接触板材的一瞬间，薄板内开始产生由受冲区域向外发散的应力波，传递至薄板边界后发生反射。为了防止反射波与卸荷应力原波叠加影响试验观测，故而薄板的尺寸需满足：

$\frac{d}{v}<K\frac{2L}{v_t}$

式中：K为放大系数，K≥1；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；v_t为冲击引起应力波在板中的传播速度。

3、初始应力施加组件

利用加载机，对薄板施加两个方向的压应力P1、P2，参见图5。实验中，设定多组荷载组合实验进行对照。

4、动力发射装置

选用霍普金森杆试验设备对冲头进行加速，使其具有足够高的动能以冲击薄板。

霍布金森杆布置在受冲板材一边，其冲击轴线垂直正对板材形心。

5、监测观察组件

本发明中利用特殊材料(Homalite-100或聚碳酸酯)的光弹特性(暂时双折射效应)，在特定的偏振光场中可观察到与薄板应力具有高相关性的干涉条纹。

利用两个偏振光片放置于薄板两侧，利用激光源照射，激光依次通过偏振片、薄板、偏振片和聚焦透镜，最后由高速摄影机接收，获得板上的干涉条纹图样。为了保护偏振片及高速摄影机，防止其被高速冲头冲击破坏，观测系统光轴线适当倾斜，避开冲头的冲击运动轨迹。由于观测光轴线的倾斜而造成的视角误差，可通过采用多套观测设备同时从不同方向进行检测进行纠正。

一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，包括如下步骤：

1、准备：依据模拟爆破设计，设计冲头形状尺寸，冲头形状为圆柱形，口径分为两级，前段第一级柱体口径对应相似与掏槽孔圈直径D1，第二级柱体口径对应相似与崩落孔圈直径D2，并制作如图1a、c所示的两种形式弹头。选择受冲板材材料(Homalite-100、聚碳酸酯或两种材料均进行试验作为对照)，设计受冲板尺寸参数(厚度d，受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离L)。布置并固定好图6中所示的各项装置。

2、加载：利用加载机对板材实施初始荷载加载，可采用多种荷载组合(P1＝P2，P1＝2P2，P1＝3P2等)分别进行试验，获得不同初始应力场下的实验结果。

3、冲击：调整霍布金森杆以设计速度发射飞弹冲击受冲板，高速摄影机进行跟踪采集，获得冲击过程中的干涉条纹图，并作重复试验。

4、图样分析：对采集到的图样进行整理分析。

Claims (7)

1.一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于：包括动力发射装置⑸、冲头⑴、受冲薄板⑵、初始应力施加组件⑶、监测观察组件⑷，所述冲头⑴由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置⑸的发射轴线、冲头⑴、受冲薄板⑵的中心位于同一水平线上，初始应力施加组件⑶在受冲薄板⑵互相垂直的两个方向上分别施加压应力P1和P2，监测观察组件⑷的光轴线与动力发射装置⑸的发射轴线交叉于受冲薄板⑵的中心，监测观察组件⑷的发射光束在受冲薄板⑵上所形成的光斑范围覆盖冲头⑴冲击出的圆孔及周边区域；

所述受冲薄板⑵的材质为Homalite-100型塑料或聚碳酸酯中的一种；所述受冲薄板⑵的尺寸需满足下式

式中，K为放大系数，K≥1；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；v_t为冲击引起应力波在板中的传播速度。

2.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于：所述冲头⑴的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；冲头⑴的各级圆柱体长度H满足

H＝v×t

式中，v为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。

3.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于：所述监测观察组件⑷，包括光源⑼、偏振片⑺、聚焦透镜⑻、高速摄影机⑽或红外热像仪；在受冲薄板⑵一侧设置激光光源⑼，另一侧设置高速摄影机⑽或红外热像仪，激光光源⑼依次通过偏振片⑺、受冲薄板⑵、偏振片⑺、聚焦透镜⑻继而被高速摄影机⑽或红外热像仪接收。

4.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于：所述动力发射装置⑸为霍普金森杆，包括发射组件⑹、杆系与子弹⑾和中心支撑部件⑿。

5.一种利用权利要求1-4任一项装置的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于包括如下步骤：

⑴依次设置动力发射装置、冲头、受冲薄板，使三者的中心位于同一水平线上，采用初始应力施加组件在受冲薄板互相垂直的两个方向上分别施加压应力P1和P2；

⑵在受冲薄板一侧设置激光光源，另一侧设置高速摄影机，激光光源依次通过偏振片、受冲薄板、偏振片、聚焦透镜继而被高速摄影机接收，用于记录薄板上的干涉条纹图样；激光光线与冲头运动直线交叉于受冲薄板中心；

⑶启动动力发射装置，以设计速度发射冲头冲击受冲薄板，高速摄影机进行跟踪采集，获得冲击过程中的干涉条纹图样，更换受冲薄板的材质、冲头的形状后重复试验并记载试验结果；

⑷对采集到的图样进行整理分析。

6.如权利要求5所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于：所述冲头为二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述冲头的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；冲头⑴的各级圆柱体长度H满足

H＝v×t

式中，v为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。

7.如权利要求5所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于：所述受冲薄板的材质为Homalite-100型塑料或聚碳酸酯中的一种；所述受冲薄板的尺寸需满足

式中，K为放大系数，K≥1；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；v_t为冲击引起应力波在板中的传播速度。