CN110568159A - 一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，包括包括围岩、隧道、土层，其特征在于：还包括数据线、监测器、左拱脚支撑杆、左拱腰支撑杆、拱顶支撑杆、第一挤压块、第一液压缸等；通过设置的第一液压缸和第二液压缸对围岩进行挤压，顶部破坏装置对围岩进行震动破坏，晃动装置进行晃动，使围岩内部结构松动，当左拱脚支撑杆、左拱腰支撑杆、拱顶支撑杆、右拱腰支撑杆和右拱脚支撑杆断裂时，说明隧道已经到受力极限，隧道内部通过监测器进行监测记录数值，通过数据线传输到数据盒中。

Description

一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置

技术领域

本发明涉及隧道破坏模拟技术领域，具体为一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置。

背景技术

伴随我国交通基础设施建设的快速进行，公路隧道修剪越来越多，立案拱隧道因线型流畅、占地少、桥隧衔接方便等特点越来越受到人们的青睐。但由于连拱隧道跨度大，施工工序繁琐，围岩应力变化情况和支护关系复杂，在设计、施工中仍然存在一定的问题支护结构施作后，围岩变形得到抑制，同时产生了作用于支护结构的荷载，即围岩压力。如隧道工程支护方案在某些条件下过于保守，则会造成浪费；而在某些条件下因围岩压力考虑不充分，支护结构设计参数偏弱，则会造成安全事故的发生，围岩压力直接影响到隧道的结构设计与施工方法的选择，因此，在隧道工程实践中，准确预测隧道开挖引起的围岩压力对于隧道施工的顺利推进有着重要意义，通过进行极浅埋连拱隧道上覆围岩破坏模拟试验，通过人工模拟坍塌条件，弱化支护、施加扰动破坏，实现坍塌过程的全程仿真模拟，现有的模拟装置结构简单，功能单一，无法检测隧道承受极限，无法对隧道进行模拟破坏实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，以解决上述背景技术中提出的通过进行极浅埋连拱隧道上覆围岩破坏模拟试验，通过人工模拟坍塌条件，弱化支护、施加扰动破坏，实现坍塌过程的全程仿真模拟，现有的模拟装置结构简单，功能单一，无法检测隧道承受极限，无法对隧道进行模拟破坏实验的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，包括围岩、隧道、土层，其特征在于：还包括数据线、监测器、左拱脚支撑杆、左拱腰支撑杆、拱顶支撑杆、第一挤压块、第一液压缸、破坏装置、晃动装置、第二液压缸、第二挤压块、右拱腰支撑杆、右拱脚支撑杆、数据和支撑底座；所述围岩上表面覆盖有土层；所述围岩中间设有隧道；所述隧道内部中间设有支撑底座，所述支撑底座内部设有数据盒；所述支撑底座上端固定连接有拱顶支撑杆；所述支撑底座左端固定连接有左拱脚支撑杆；所述支撑底座右端固定连接有右拱脚支撑杆；所述支撑底座右侧上端固定连接有右拱腰支撑杆；所述支撑底座左侧上端固定连接有左拱腰支撑杆；所述拱顶支撑杆、左拱脚支撑杆、右拱脚支撑杆、右拱腰支撑杆和左拱腰支撑杆上端均设有监测器，所述监测器另一端均与隧道内壁相连接；所述数据盒输入端上连接有数根数据线，所述数据线均与监测器输出端相连接；所述土层左端固定连接有第一液压缸，所述第一液压缸输出端上固定连接有第一挤压块，所述第一挤压块对准围岩；所述土层右端固定连接有第二液压缸，所述第第二液压缸输出端上固定连接有第二挤压块，所述第二挤压块对准围岩；所述土层左侧设有破坏装置；所述土层右侧设有晃动装置。

优选的，所述破坏装置的具体结构为：包括钻头、第一电机、装置底座、第一气缸、外壳、液压缸、下落块、第二气缸、连接块和第三气缸；所述装置底座左右两端均固定连接有第一气缸，所述第一气缸输出端上固定连接有外壳；所述装置底座底部左右两端设有第一电机，所述第一电机输出端与钻头上端转轴相连接；所述外壳中间固定连接有液压缸，所述液压缸输出端上固定连接有连接块，所述连接块下端设有下落块；所述连接块内部左侧设有第三气缸，所述第三气缸输出端沿伸至下落块左侧卡槽内；所述连接块内部右侧设有第二气缸，所述第二气缸输出端沿伸至下落块右侧卡槽内；所述钻头固定连接在围岩内部。

优选的，所述晃动装置的具体结构为：包括装置主体、固定铆钉、连接板、摆动臂、摆动锤、第二电机和连杆；所述装置主体左右两侧固定连接有数个固定铆钉；所述装置主体中间铰接有摆动臂，所述摆动臂上端铰接有摆动锤；所述装置主体上表面固定连接有连接板，所述连接板上端设有第二电机，所述第二电机输出端与连杆内部转轴相连接；所述连杆下端与摆动臂中间滑动连接；所述装置主体固定连接在土层上。

优选的，所述第一电机为步进电机。

优选的，所述下落块为材质为实心铸铁。

优选的，所述钻头下端设有排屑槽。

优选的，所述摆动锤材质为实心不锈钢。

优选的，所述第二电机为变频电机。

与现有技术相比，本发明提供了一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，具备以下有益效果:

1、本发明通过设置的第一液压缸和第二液压缸对围岩进行挤压，顶部破坏装置对围岩进行震动破坏，晃动装置进行晃动，使围岩内部结构松动，当左拱脚支撑杆、左拱腰支撑杆、拱顶支撑杆、右拱腰支撑杆和右拱脚支撑杆断裂时，说明隧道已经到受力极限，隧道内部通过监测器进行监测记录数值，通过数据线传输到数据盒中，解决了通过进行极浅埋连拱隧道上覆围岩破坏模拟试验，通过人工模拟坍塌条件，弱化支护、施加扰动破坏，实现坍塌过程的全程仿真模拟，以准确预测隧道开挖引起的围岩压力的问题，防止安全事故发生。

2、本发明通过设置的破坏装置中第一电机带动钻头钻入围岩中进行固定，通过第一气缸带动液压缸进行上升，通过液压缸带动下落块上升到一定高度后，使卡在下落块卡槽中的第二气缸和第三气缸输出端缩回，进行释放，下落块根据自身重量砸入围岩引发震动和形变，在通过液压缸带动连接块内第二气缸和第三气缸输出端顶入下落块内部卡槽中提起，以此往复自由下落砸入围岩，进行模拟破坏，方便记录数值。

3、本发明通过设置的晃动装置内第二电机带动连杆旋转连杆带动摆动臂和摆动锤进行摆动，模拟晃动，使围岩内部发生松动，导致坍塌，方便记录数值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的破坏装置示意图；

图3为本发明的晃动装置示意图；

图中：1、围岩；2、隧道；3、数据线；4、监测器；5、左拱脚支撑杆；6、左拱腰支撑杆；7、拱顶支撑杆；8、第一挤压块；9、第一液压缸；10、土层；11、破坏装置；12、晃动装置；13、第二液压缸；14、第二挤压块；15、右拱腰支撑杆；16、右拱脚支撑杆；数据盒；22、支撑底座；23、钻头；24、第一电机；25、装置底座；26、第一气缸；27、外壳；28、液压缸；29、下落块；30、第二气缸；31、连接块；32、第三气缸；34、装置主体；35、固定铆钉；36、连接板；37、摆动臂；38、摆动锤；39、第二电机；40、连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，包括围岩1、隧道2、土层10，其特征在于：还包括数据线3、监测器4、左拱脚支撑杆5、左拱腰支撑杆6、拱顶支撑杆7、第一挤压块8、第一液压缸9、破坏装置11、晃动装置12、第二液压缸13、第二挤压块14、右拱腰支撑杆15、右拱脚支撑杆16、数据21和支撑底座22；所述围岩1上表面覆盖有土层10；所述围岩1中间设有隧道2；所述隧道2内部中间设有支撑底座22，所述支撑底座22内部设有数据盒21；所述支撑底座22上端固定连接有拱顶支撑杆7；所述支撑底座22左端固定连接有左拱脚支撑杆5；所述支撑底座22右端固定连接有右拱脚支撑杆16；所述支撑底座22右侧上端固定连接有右拱腰支撑杆15；所述支撑底座22左侧上端固定连接有左拱腰支撑杆6；所述拱顶支撑杆7、左拱脚支撑杆5、右拱脚支撑杆16、右拱腰支撑杆15和左拱腰支撑杆6上端均设有监测器4，所述通过监测器4进行监测记录数值；所述监测器4另一端均与隧道2内壁相连接；所述数据盒21输入端上连接有数根数据线3，所述数据线3均与监测器4输出端相连接；所述通过数据线3传输到数据盒21中；所述土层10左端固定连接有第一液压缸9，所述第一液压缸9输出端上固定连接有第一挤压块8，所述第一挤压块8对准围岩1；所述土层10右端固定连接有第二液压缸13，所述第第二液压缸13输出端上固定连接有第二挤压块14，所述第二挤压块14对准围岩1；所述过设置的第一液压缸9和第二液压缸13对围岩1进行挤压；所述土层10左侧设有破坏装置11；所述土层10右侧设有晃动装置12。

如图1-3所示，所述破坏装置11的具体结构为：包括钻头23、第一电机24、装置底座25、第一气缸26、外壳27、液压缸28、下落块29、第二气缸30、连接块31和第三气缸32；所述装置底座25左右两端均固定连接有第一气缸26，所述第一气缸26输出端上固定连接有外壳27；所述装置底座25底部左右两端设有第一电机24，所述第一电机24输出端与钻头23上端转轴相连接；所述第一电机24带动钻头23钻入围岩1中进行固定；所述外壳27中间固定连接有液压缸28，所述液压缸28输出端上固定连接有连接块31，所述连接块31下端设有下落块29；所述连接块31内部左侧设有第三气缸32，所述第三气缸32输出端沿伸至下落块29左侧卡槽内；所述连接块31内部右侧设有第二气缸30，所述第二气缸30输出端沿伸至下落块29右侧卡槽内；所述液压缸28带动下落块29上升到一定高度后，使卡在下落块29卡槽中的第二气缸30和第三气缸32输出端缩回，进行释放，对围岩1进行震动破坏；所述钻头23固定连接在围岩1内部。

如图1-3所示，所述晃动装置12的具体结构为：包括装置主体34、固定铆钉35、连接板36、摆动臂37、摆动锤38、第二电机39和连杆40；所述装置主体34左右两侧固定连接有数个固定铆钉35；所述装置主体34中间铰接有摆动臂37，所述摆动臂37上端铰接有摆动锤38；所述装置主体34上表面固定连接有连接板36，所述连接板36上端设有第二电机39，所述第二电机39输出端与连杆40内部转轴相连接；所述第二电机39带动连杆40旋转；所述连杆40下端与摆动臂37中间滑动连接；所述连杆40带动摆动臂37和摆动锤38进行摆动，模拟晃动，使围岩1内部发生松动，导致坍塌；所述装置主体34固定连接在土层10上。

其中，所述第一电机24为步进电机；所述下落块29为材质为实心铸铁；所述钻头23下端设有排屑槽；所述摆动锤38材质为实心不锈钢；所述第二电机39为变频电机。

本发明具体实施步骤如下：

通过设置的第一液压缸9和第二液压缸13对围岩1进行挤压，顶部破坏装置11内第一电机24带动钻头23钻入围岩1中进行固定，通过第一气缸26带动液压缸28进行上升，通过液压缸28带动下落块29上升到一定高度后，使卡在下落块29卡槽中的第二气缸30和第三气缸32输出端缩回，进行释放，下落块29根据自身重量砸入围岩1引发震动和形变，在通过液压缸28带动连接块31内第二气缸30和第三气缸32输出端顶入下落块29内部卡槽中提起，以此往复自由下落砸入围岩1，对围岩1进行震动破坏，晃动装置12内第二电机39带动连杆40旋转连杆40带动摆动臂37和摆动锤38进行摆动，模拟晃动，使围岩1内部发生松动，导致坍塌，方便记录数值，当左拱脚支撑杆5、左拱腰支撑杆6、拱顶支撑杆7、右拱腰支撑杆15和右拱脚支撑杆16断裂时，说明隧道2已经到受力极限，隧道2内部通过监测器4进行监测记录数值，通过数据线3传输到数据盒21中，实现坍塌过程的全程仿真模拟，以准确预测隧道2开挖引起的围岩1压力的问题，防止安全事故发生。

表1为本发明的测试结果

形变管理	实测位移值	最大允许位移值	施工状态
				拱顶相对下沉	0.05	0.03～0.06	应加强支护
拱脚水平相对位移	0.08	0.03～0.1	应加强支护
				拱腰相对下沉	0.14	0.03～0.18	应采取特殊措施
地表下沉	0.08	0.03～0.14	可正常施工
				周边位移	0.8	0.08～1.4	可正常施工

表1

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，包括围岩（1）、隧道（2）和土层（10），其特征在于：还包括数据线（3）、监测器（4）、左拱脚支撑杆（5）、左拱腰支撑杆（6）、拱顶支撑杆（7）、第一挤压块（8）、第一液压缸（9）、破坏装置（11）、晃动装置（12）、第二液压缸（13）、第二挤压块（14）、右拱腰支撑杆（15）、右拱脚支撑杆（16）、数据（21）和支撑底座（22）；

所述围岩（1）上表面覆盖有土层（10）；

所述围岩（1）中间设有隧道（2）；

所述隧道（2）内部中间设有支撑底座（22），所述支撑底座（22）内部设有数据（21）盒；

所述支撑底座（22）上端固定连接有拱顶支撑杆（7）；

所述支撑底座（22）左端固定连接有左拱脚支撑杆（5）；

所述支撑底座（22）右端固定连接有右拱脚支撑杆（16）；

所述支撑底座（22）右侧上端固定连接有右拱腰支撑杆（15）；

所述支撑底座（22）左侧上端固定连接有左拱腰支撑杆（6）；

所述拱顶支撑杆（7）、左拱脚支撑杆（5）、右拱脚支撑杆（16）、右拱腰支撑杆（15）和左拱腰支撑杆（6）上端均设有监测器（4），所述监测器（4）另一端均与隧道（2）内壁相连接；

所述数据盒（21）输入端上连接有数根数据线（3），所述数据线（3）均与监测器（4）输出端相连接；

所述土层（10）左端固定连接有第一液压缸（9），所述第一液压缸（9）输出端上固定连接有第一挤压块（8），所述第一挤压块（8）对准围岩（1）；

所述土层（10）右端固定连接有第二液压缸（13），所述第第二液压缸（13）输出端上固定连接有第二挤压块（14），所述第二挤压块（14）对准围岩（1）；

所述土层（10）左侧设有破坏装置（11）；

所述土层（10）右侧设有晃动装置（12）。

2.根据权利要求1所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述破坏装置（11）的具体结构为：包括钻头（23）、第一电机（24）、装置底座（25）、第一气缸（26）、外壳（27）、液压缸（28）、下落块（29）、第二气缸（30）、连接块（31）和第三气缸（32）；

所述装置底座（25）左右两端均固定连接有第一气缸（26），所述第一气缸（26）输出端上固定连接有外壳（27）；

所述装置底座（25）底部左右两端设有第一电机（24），所述第一电机（24）输出端与钻头（23）上端转轴相连接；

所述外壳（27）中间固定连接有液压缸（28），所述液压缸（28）输出端上固定连接有连接块（31），所述连接块（31）下端设有下落块（29）；

所述连接块（31）内部左侧设有第三气缸（32），所述第三气缸（32）输出端沿伸至下落块（29）左侧卡槽内；

所述连接块（31）内部右侧设有第二气缸（30），所述第二气缸（30）输出端沿伸至下落块（29）右侧卡槽内；

所述钻头（23）固定连接在围岩（1）内部。

3.根据权利要求1所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述晃动装置（12）的具体结构为：包括装置主体（34）、固定铆钉（35）、连接板（36）、摆动臂（37）、摆动锤（38）、第二电机（39）和连杆（40）；

所述装置主体（34）左右两侧固定连接有数个固定铆钉（35）；

所述装置主体（34）中间铰接有摆动臂（37），所述摆动臂（37）上端铰接有摆动锤（38）；

所述装置主体（34）上表面固定连接有连接板（36），所述连接板（36）上端设有第二电机（39），所述第二电机（39）输出端与连杆（40）内部转轴相连接；

所述连杆（40）下端与摆动臂（37）中间滑动连接；

所述装置主体（34）固定连接在土层（10）上。

4.根据权利要求2所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述第一电机（24）为步进电机。

5.根据权利要求2所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述下落块（29）为材质为实心铸铁。

6.根据权利要求2所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述钻头（23）下端设有排屑槽。

7.根据权利要求3所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述摆动锤（38）材质为实心不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，其特征在于：所述第二电机（39）为变频电机。