CN113063890B - 用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法，模型包括用以隧道开挖试验的主箱体，主箱体为井字钢板组合式结构，板间通过高强螺栓链接；主箱体内设有预埋监测单元，通过引线孔与计算机连接；注射装置略小于洞孔尺寸位于洞口内测，在外壳壁外侧设有气囊带与气压泵相连，充气后填充整个洞口空隙；蓄液盒内嵌于盒卡槽中，推动器位于蓄液盒下端，内推动装置与外推动装置单独设置，由转动滑轮控制。利用本发明可有效模拟隧道爆破开挖过程，操作简单能够充分考虑到注射过程中对材料的劣化影响；将围岩损伤变量利用相似比等效到模型中，能够有效的模拟爆破开挖过程中围岩的松动劣化效应，全面地反映工程实践特征。

Description

用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法

技术领域

本发明涉及施工模型技术领域，具体涉及一种用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法。

背景技术

近年来，随着“新基建”的加速，城际高速铁路和城市轨道交通作为“新基建”七大.领域之一，极大的促进了隧洞工程的建设。爆破开挖具有瞬时性、突发性和强破坏性的特点，不可避免的会对仪器产生损坏，现有监测手段难以有效的获取相应数据，隧道扰动机理依旧是亟待解决的问题。

模型试验可更直观的反映隧道的物理现象，揭示隧道破坏机理。因此，模型试验结果与现场监测数据形成对比映证共同指导现场施工，对预防控制重大灾害发生、保障施工人员生命财产安全具有重要的科学意义和现实意义。

以往的模型试验系统中，很少将对围岩爆破损伤因素考虑到模型开挖过程中；或通过在洞口处采用强度低的材料，无法有效的模拟爆破开挖过程中硬岩的松动劣化效应，故造成模型试验与实际工程存在较大偏差，模型试验中难以真正实现爆破开挖过程对松动圈的定量表征。由此可见，模式试验系统及方法有待进一步的改进和提高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法，装置结构简单、设计合理，能够有效模拟隧道爆破开挖后对围岩的劣化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

用于隧道爆破开挖试验等效模型，包括主箱体和溶液注射装置，所述主箱体为上端敞口的空心长方体，且各面均由多块完全相同的方形钢板组成，钢板外侧面固定有用于加强整体强度的带肋钢筋，钢板连接处设有高强螺栓和供高强螺栓穿过的链接孔，各面的连接处设有L字钢，主箱体内部设有四氟板，四氟板的形状与主箱体相同，相似材料固定于四氟板内侧；溶液注射装置包括嵌入在相似材料内部的注射器和与注射器连接的充气泵。

所述相似材料内部固定有监测元件，且主箱体处开有引线孔，引线孔为圆形通孔且设置在主箱体的左侧面或右侧面，供监测元件利用穿过引线孔的数据线与设置在主箱体旁的计算机连接。

所述主箱体内部还固定有透明板，透明板由透明亚克力制成，且透明板固定在主箱体处注射器插入的一侧、主箱体和四氟板之间，便于直观地观察内部相似材料的破坏状态；同时主箱体固定透明板的一侧开有通孔，孔洞形状与开挖洞口相同且略大于洞口尺寸，通孔用于模拟爆破时向相似材料内开挖并向相似材料内嵌入注射器。

所述注射器包括自外至内的外壁壳、注射针和内壁壳，所述外壁壳和内壁壳均为空心壳体，外壁壳和内壁壳的竖向截面形状为开挖洞口缩小而成，注射针的尾端固定在内壁壳的外侧、首端固定在外壁壳的内侧，且注射针在内壁壳的外侧均匀分布；内壁壳处设有推进杆，推进杆固定在内壁壳插入方向的相反一侧且穿过外壁壳向外伸出，推进杆为空心圆筒，推进杆外壁壳向外依次设有第一转动滑轮和第二转动滑轮。

所述注射针自内壁壳起为顺次连接的外推动器、蓄液盒和盒卡槽，外推动器的尾端连与圆柱形轨道壳螺纹连接，蓄液盒为横截面为正方形的空心长方体、且外推动器的横向截面面积大于蓄液盒的横向截面面积，内推动器固定在外推动器中心并穿过外推动器与蓄液盒的连接面伸入蓄液盒内，内推动器的首端固定有与蓄液盒内壁横截面相同的橡胶板，盒卡槽包括两个完全相同且互相对称的挡板，挡板固定在蓄液盒的侧面远离外推动器的一端，两个挡板相对的面内固定有气囊带，且各注射针的气囊带为一体设置；蓄液盒处还固定有针头，针头位于两个挡板之间且位于蓄液盒顶面的中心位置，蓄液盒在针头处设有与针头底端尺寸相同的圆形通孔，针头处设有与圆形通孔匹配的贯通腔，针头的侧面设有均匀分布的针孔。

所述第一转动滑轮内部连接有第一转动杆，第一转动杆的外壁固定有第一齿轮，第一齿轮与轨道壳底面外侧均匀分布的齿啮合；第二转动滑轮内部连接有数量与注射针数量相同的第二转动杆，第二转动杆的外壁固定有第二齿轮，第二齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与固定在内推动器底端的第四齿轮啮合，第四齿轮固定在内推动器底端侧壁开设的凹槽处，利用固定定在第一、第二转动滑轮内部的转动杆和齿轮，实现了通过转动滑轮控制内、外推动器分步向外顶出的动作。

所述蓄液盒的相对上侧面设有注液孔，注液孔为圆形通孔，实现液体的注入与封堵。

所述外壁壳的侧面底端还设有与气囊带连接的气管，气囊带通过气管与设置在外部的充气泵连接，便于对气囊带进行充气。

用于隧道爆破开挖试验等效模型的使用方法，包括如下步骤：

S1.将钢板通过高强螺栓链接成主箱体，并铺张四氟板，向主箱体填充相似材料；

S2.确定注射针个数及位置，根据爆破开挖对围岩产生损伤满足公式

式中：E₀为初始状态围岩弹性模量，E₀为开挖爆破后围岩弹性模量；保障模型的有效性，根据相似条件C_σ＝C_γC_L，式中：C_L为几何相似比、C_γ为容重相似比、C_σ为强度相似比，根据相似理论C_γ＝1、/>

式中：S_M模型洞口跨度，S_G实际工程断面洞口跨度，故总针孔线长度满足公式/>

式中：L为隧洞横截面长度、σ_M模型材料强度、σ_G实际围岩强度，故注射器个数满足公式/>

式中：R为针孔直径；布置位置结合现场综合确定；

S3.在透明板处开设开挖洞口，并向相似材料内延伸，将注射器放入开挖洞口内；

S4.转动第一转动滑轮，使外推动器推动蓄液盒移动并将针头完全插入材料内部；

S5.通过气管对气囊带入气体，使气囊带维持在一定气压下外壁壳和开挖洞口之间的空隙；

S6.转动第二转动滑轮，使内推动器推动橡胶板将溶液注入导区域材料中；

S7.拆下充气泵、打开气管、回转第一转动滑轮和第二转动滑轮，将注射器取出后，进行相应支护及监测；

S8.整个开挖过程重复步骤4～步骤7，为贴合工程实际中通常采用的分段开挖方式，重复次数N＝L_n/l_n，式中：L_n为模型厚度、l_n为工程掘进长度与几何相似比的比值。

本发明中使用到的监测元件根据不同项目采用不同监测装置，监测装置包括压力盒、光栅、应变片等业内常用的监测装置。

本发明的有益效果是：

本发明中的一种用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法，操作方便。利用本发明可有效模拟隧道爆破开挖过程，操作简单能够充分考虑到注射过程中对材料的劣化影响，将围岩损伤利用相似比等效到模型中，能够全面准确地反映工程实践特征。气囊带充气口段至于模型外侧与充气泵连接，实现对指定气压的控制要求。气囊内测固定于外壳壁边角处，便于充气后填充于整个空隙，解决注射液体外漏问题，提高溶液渗透效率。同时，通过转动滑轮分别控制内、外推动器的推进，实现插入过程与注射过程的分段操作。

本发明实现了爆破开挖扰动条件下对隧道稳定性的研究，更加符合工程实际，同时，本发明避免以往试验过程中对技术及试验场地条件过高的要求，提高了试验效率，综合性强，大大方便了试验操作。

附图说明

图1是模型的结构示意图；

图2是钢板边角处连接方式示意图；

图3是注射针结构示意图；

图4是注射器结构示意图；

图5是内、外推动器连接示意图；

其中，1.计算机；2.主箱体；3.钢板；4.引线孔；5.相似材料；6.透明板；7.注射器；8.充气泵；9.L字钢；10.带肋钢筋；11.链接孔；12.高强螺栓；13.外壁壳；14.内壁壳；15.外推动器；16.注射针；17.第一转动滑轮；18.第二转动滑轮；19.内推动器；20.橡胶板；21.蓄液盒；22.注液孔；23.气囊带；24.盒卡槽；25.针头；26.四氟板；27.轨道壳；28.第二齿轮；29.第一转动杆；30.第一齿轮；31.第二转动杆；32.凹槽；33.第三齿轮；34.第四齿轮；35.气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图5所示，用于隧道爆破开挖试验等效模型，包括主箱体2和溶液注射装置，主箱体2为上端敞口的空心长方体，且各面均由多块完全相同的方形钢板3组成，钢板3外侧面固定有用于加强整体强度的带肋钢筋10，钢板3连接处设有高强螺栓12和供高强螺栓12穿过的链接孔11，各面的连接处设有L字钢9，主箱体2内部设有四氟板26，四氟板26的形状与主箱体2相同，相似材料5固定于四氟板26内侧；相似材料5内部固定有监测元件，且主箱体2处开有引线孔4，引线孔4为圆形通孔且设置在主箱体2的左侧面或右侧面，供监测元件利用穿过引线孔4的数据线与设置在主箱体2旁的计算机1连接。主箱体2内部还固定有透明板6，透明板6由透明亚克力制成，且透明板6固定在主箱体2处注射器7插入的一侧、主箱体2和四氟板26之间，透明板6的面积大于相似材料5的面积，便于直观地观察内部相似材料5的破坏状态；同时主箱体2固定透明板6的一侧开有方形通孔，方形通孔用于模拟爆破时向相似材料5内开挖并向相似材料5内嵌入注射器7。

溶液注射装置包括嵌入在相似材料5内部的注射器7和与注射器7连接的充气泵8。注射器7包括自外至内的外壁壳13、注射针16和内壁壳14，外壁壳13和内壁壳14均为空心壳体，外壁壳13和内壁壳14的竖向截面形状为开挖洞口缩小而成，注射针16的尾端固定在内壁壳14的外侧、首端固定在外壁壳13的内侧，且注射针16在内壁壳14的外侧均匀分布；内壁壳14处设有推进杆，推进杆固定在内壁壳14插入方向的相反一侧且穿过外壁壳13向外伸出，推进杆为空心圆筒，推进杆外壁壳13向外依次设有第一转动滑轮17和第二转动滑轮18。注射针16自内壁壳14起为顺次连接的外推动器15、蓄液盒21和盒卡槽24，外推动器15的尾端连与圆柱形轨道壳27螺纹连接，蓄液盒21为横截面为正方形的空心长方体、且外推动器15的横向截面面积大于蓄液盒21的横向截面面积，内推动器19固定在外推动器15中心并穿过外推动器15与蓄液盒21的连接面伸入蓄液盒21内，内推动器19的首端固定有与蓄液盒21内壁横截面相同的橡胶板20，盒卡槽24包括两个完全相同且互相对称的挡板，挡板固定在蓄液盒21的侧面远离外推动器15的一端，两个挡板相对的面内固定有气囊带23，且各注射针16的气囊带23为一体设置；蓄液盒21处还固定有针头25，针头25位于两个挡板之间且位于蓄液盒21顶面的中心位置，蓄液盒21在针头25处设有与针头25底端尺寸相同的圆形通孔，针头25处设有与圆形通孔匹配的贯通腔，针头25的侧面设有均匀分布的针孔。第一转动滑轮17内部连接有第一转动杆29，第一转动杆29的外壁固定有第一齿轮30，第一齿轮30与轨道壳27底面外侧均匀分布的齿啮合；第二转动滑轮18内部连接有数量与注射针16数量相同的第二转动杆31，第二转动杆31的外壁固定有第二齿轮28，第二齿轮28与第三齿轮33啮合，第三齿轮33与固定在内推动器19底端的第四齿轮34啮合，第四齿轮34固定在内推动器19底端侧壁开设的凹槽32处，利用固定定在第一、第二转动滑轮18内部的转动杆和齿轮，实现了通过转动滑轮控制内、外推动器15向外顶出的动作。蓄液盒21的相对上侧面设有注液孔22，注液孔22为圆形通孔，实现液体的注入与封堵。外壁壳13的侧面底端还设有与气囊带23连接的气管35，气囊带23通过气管35与设置在外部的充气泵8连接，便于对气囊带23进行充气。

用于隧道爆破开挖试验等效模型的使用方法，包括如下步骤：

S1.将钢板3通过高强螺栓12链接成主箱体2，向主箱体2填充相似材料5；

S2.确定注射针16个数及位置，根据爆破开挖对围岩产生损伤满足公式

式中：E₀为初始状态围岩弹性模量，E₀为开挖爆破后围岩弹性模量；保障模型的有效性，根据相似条件C_σ＝C_γC_L，式中：C_L为几何相似比、C_γ为容重相似比、C_σ为强度相似比，根据相似理论C_γ＝1、/>

式中：S_M模型洞口跨度，S_G实际工程断面洞口跨度，故总针孔线长度满足公式/>

式中：L为隧洞横截面长度、σ_M模型材料强度、σ_G实际围岩强度，故注射器7个数满足公式/>

式中：R为针孔直径；布置位置结合现场综合确定；

S3.在透明板6处开设开挖洞口，并向相似材料5内延伸，将注射器7放入开挖洞口内；

S4.转动第一转动滑轮17，使外推动器15推动蓄液盒21移动并将针头25完全插入材料内部；

S5.通过气管35对气囊带23入气体，使气囊带23维持在一定气压下外壁壳13和开挖洞口之间的空隙；

S6.转动第二转动滑轮18，使内推动器19推动橡胶板20将溶液注入导区域材料中；

S7.拆下充气泵8、打开气管35、回转第一转动滑轮17和第二转动滑轮18，将注射器7取出后，进行相应支护及监测；

S8.整个开挖过程重复步骤4～步骤7，为贴合工程实际中通常采用的分段开挖方式，重复次数N＝L_n/l_n，式中：L_n为模型厚度、l_n为工程掘进长度与几何相似比的比值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种用于隧道爆破开挖试验等效模型，包括主箱体和溶液注射装置，其特征是，所述主箱体为上端敞口的空心长方体，且各面均由多块完全相同的方形钢板组成，钢板外侧面固定有用于加强整体强度的带肋钢筋，钢板连接处设有高强螺栓和供高强螺栓穿过的连接孔，各面的连接处设有L字钢，主箱体内部设有四氟板，四氟板的形状与主箱体相同，相似材料固定于四氟板内侧；溶液注射装置包括嵌入在相似材料内部的注射器和与注射器连接的充气泵；

所述注射器包括自外至内的外壁壳、注射针和内壁壳，所述外壁壳和内壁壳均为空心壳体，外壁壳和内壁壳的竖向截面形状为开挖洞口缩小而成，注射针的尾端固定在内壁壳的外侧、首端固定在外壁壳的内侧，且注射针在内壁壳的外侧均匀分布；内壁壳处设有推进杆，推进杆固定在内壁壳插入方向的相反一侧且穿过外壁壳向外伸出，推进杆为空心圆筒，推进杆外壁壳向外依次设有第一转动滑轮和第二转动滑轮；

所述注射针自内壁壳起为顺次连接的外推动器、蓄液盒和盒卡槽，外推动器的尾端与圆柱形轨道壳螺纹连接，蓄液盒为横截面为正方形的空心长方体、且外推动器的横向截面面积小于蓄液盒的横向截面面积，内推动器固定在外推动器中心，并穿过外推动器与蓄液盒的连接面，再伸入蓄液盒内，内推动器的首端固定有与蓄液盒内壁横截面相同的橡胶板，盒卡槽包括两个完全相同且互相对称的挡板，挡板固定在蓄液盒的侧面远离外推动器的一端，两个挡板相对的面内固定有气囊带，且各注射针的气囊带为一体设置；蓄液盒处还固定有针头，针头位于两个挡板之间且位于蓄液盒顶面的中心位置，蓄液盒在针头处设有与针头底端尺寸相同的圆形通孔，针头处设有与圆形通孔匹配的贯通腔，针头的侧面设有均匀分布的针孔；

所述第一转动滑轮内部连接有第一转动杆，第一转动杆的外壁固定有第一齿轮，第一齿轮与轨道壳底面外侧均匀分布的齿啮合；第二转动滑轮内部连接有数量与注射针数量相同的第二转动杆，第二转动杆的外壁固定有第二齿轮，第二齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与固定在内推动器底端的第四齿轮啮合，第四齿轮固定在内推动器底端侧壁开设的凹槽处。

2.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述主箱体内部设有监测元件，且主箱体处开有引线孔，引线孔为圆形通孔且设置在主箱体的左侧面或右侧面，供监测元件利用穿过引线孔的数据线与设置在主箱体旁的计算机连接。

3.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述主箱体内部还固定有透明板，透明板由透明亚克力制成，且透明板固定在主箱体处注射器插入的一侧、主箱体和四氟板之间，便于直观地观察内部相似材料的破坏状态；同时主箱体固定透明板的一侧开有通孔，孔洞形状与开挖洞口相同且略大于洞口尺寸，通孔用于模拟爆破时向相似材料内开挖并向相似材料内嵌入注射器。

4.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述蓄液盒的上侧面设有注液孔，注液孔为圆形通孔，实现液体的注入与封堵。

5.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述外壁壳的侧面底端还设有与气囊带连接的气管，气囊带通过气管与设置在外部的充气泵连接。

6.如权利要求1-5任一项所述用于隧道爆破开挖试验等效模型的使用方法，其特征是，包括如下步骤：

S1.将钢板通过高强螺栓连接成主箱体并铺设四氟板，向主箱体填充相似材料；

S2.确定注射针个数及位置，

确定注射针个数方式如下：

根据爆破开挖对围岩产生损伤情况，需满足公式

式中：E为初始状态围岩弹性模量，E₀为开挖爆破后围岩弹性模量，以保障模型的有效性；

根据相似条件C_σ＝C_γC_L，式中：C_L为几何相似比、C_γ为容重相似比、C_σ为强度相似比；

再根据相似理论C_γ＝1、

式中：S_M为模型洞口跨度，S_G为实际工程断面洞口跨度；

确定总针孔线长度需满足公式

式中：L为隧洞横截面长度、σ_M为模型材料强度、σ_G为实际围岩强度；

最后确定注射针个数需满足公式

式中：R为针孔直径；

注射针的布置位置需结合现场综合确定；

S3.在透明板处开设开挖洞口，并向相似材料内延伸，将注射器放入开挖洞口内；

S4.转动第一转动滑轮，使外推动器推动蓄液盒移动并将针头完全插入材料内部；

S5.通过气管对气囊带充入气体，使气囊带维持在一定气压下,且处于外壁壳和开挖洞口之间的空隙内；

S6.转动第二转动滑轮，使内推动器推动橡胶板将溶液注入到区域材料中；

S7.拆下充气泵、打开气管、回转第一转动滑轮和第二转动滑轮，将注射器取出后，进行相应支护及监测；

S8.整个开挖过程重复步骤4～步骤7，以贴合工程实际中通常采用的分段开挖方式，重复次数N＝L_n/l_n，式中：L_n为模型厚度、l_n为工程掘进长度与几何相似比的比值。

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