CN115290474A - 一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法 - Google Patents

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徐颖
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Abstract

本发明公开了一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法，采取双轴加压机的X轴向压头和Y轴向压头对试样进行挤压，所述试样包括：弹性承载板，所述弹性承载板的中央设有通孔；破坏实验体，所述破坏实验体包括从外至内依次设置的围岩模型、待开挖隧洞模型以及金属爆炸丝；所述围岩模型的外侧壁与所述通孔的内腔壁固定连接；所述金属爆炸丝的两端分别与电爆炸设备的正负两极电连接。本发明可实现二维空间内隧洞群钻爆法开挖模拟测试的技术效果。

Description

一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法
技术领域
本发明涉及地下工程开挖实验技术领域，更具体地说是涉及一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法。
背景技术
钻爆法开挖对于隧洞(尤其是深埋隧洞)围岩造成的扰动以及损伤是不可忽视的。在钻爆法开挖过程中围岩易发生围岩大变形、流变，进而诱发隧洞围岩结构失稳、坍塌、层裂和岩爆等工程地质灾害，严重制约了深埋隧洞工程的安全建设和运行。近年来国内外开展了诸多实验、理论以及数值研究以探究钻爆法开挖条件下隧洞围岩的破坏机制，这其中理论和数值模拟方法存在诸多理想化的假设，如计算边界的设置等。因此主流的研究仍以实验为主。
目前钻爆法开挖相关实验方法的专利多是基于三轴试验机，如：专利CN108535126A、CN109187237A以及CN109490107A等，或者双轴试验机，如专利CN111380760A。借助电爆炸设备是模拟隧洞爆破开挖的主流选择，如：专利CN109187237A，CN111380760A，CN114280102A，CN111380760A，CN209764622U，CN109490107A等。研究表明将长大隧洞工程的开挖等效为平面应力问题是较为合理的，故借助双轴实验机开展物理模型实验是十分可行的。然而，实验时的边界效应往往也十分复杂，且对于目前开展物理模型试实验时需要建立较大尺寸的物理模型。
因此，如何提供一种可对孔洞窄空间进行测试、二维空间内隧洞群钻爆法开挖模拟的平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法是本领域亟需解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与实验方法。目的就是为了解决上述之不足而提供。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置，采取双轴加压机的X轴向压头和Y轴向压头对试样进行挤压，所述试样包括：弹性承载板，所述弹性承载板的中央设有通孔；破坏实验体，所述破坏实验体包括从外至内依次设置的围岩模型、待开挖隧洞模型以及金属爆炸丝；所述围岩模型的外侧壁与所述通孔的内腔壁固定连接；所述金属爆炸丝的两端分别与电爆炸设备的正负两极电连接。
优选地，所述试样为具有嵌套结构的方形板，包括弹性承载板以及破坏实验体两部分；所述围岩模型与所述待开挖隧洞模型之间设有柔性薄膜，且所述柔性薄膜上设有压力传感器并与PC端电连接。
一种隧洞群钻爆法开挖实验方法，所述的平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置实现，包括以下步骤：
S1、在围岩模型的表面喷一层哑光白漆，之后在白漆处布置散斑图案；
S2、将实验装置放置在双轴加压机内，通过双轴加压机的X轴向压头和Y轴向压头对弹性承载板挤压；并使其达到目标地应力水平并在该应力水平下维持30-40min；
S3、在挤压过程中压力传感器将柔性薄膜的压力信息绘制数字传递至PC端，进行柔性薄膜平面监测；通过数字图像相关方法(DIC)分析所述高速摄像机拍摄围岩模型表面的变化情况。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
通过在所述弹性承载板的中央设有通孔，且再将所述围岩模型的外侧壁与所述通孔的内腔壁固定连接，所述围岩模型内部设置所述金属爆炸丝，且所述金属爆炸丝的两端分别与电爆炸设备的正负两极电连接，可实现对孔洞窄空间进行测试、二维空间内隧洞群钻爆法开挖模拟；所述弹性承载板嵌套结构的方形板，且采取亚克力玻璃材料，有利于降低所述压机施加高荷载时的加载边界的端部效应；多个所述压力传感器分别与所述PC端电连接，可实现压力监测；所述高速摄像机的摄像头朝向所述破坏实验体，且所述高速摄像机与所述PC端电连接，用于记录形变。
附图说明
图1为本发明一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置的实施例1示意图；
图2为本发明图1的A-A示意图；
图3为本发明一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置的实施例2示意图；
图4为本发明一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置的柔性薄膜示意图；
图中：
1-试样；11-弹性承载板；12-破坏实验体；121-围岩模型；122-待开挖隧洞模型；123-金属爆炸丝；124-柔性薄膜；2-X轴向压头；3-Y轴向压头。
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。
实施例1
参照图1、2、4所示一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置，该实验装置包括：试样1、PC端以及高速摄像机，其中，试样1被挤压于双轴加压机的两个X轴向压头2和两个Y轴向压头3之间，双轴加压机对试样1挤压测试。
试样1包括：弹性承载板11和破坏实验体12，其弹性承载板11的中央设有通孔。破坏实验体12包括从外至内依次设置的围岩模型121、柔性薄膜124、待开挖隧洞模型122以及金属爆炸丝123。围岩模型121的外侧壁与通孔的内腔壁固定连接，金属爆炸丝123的两端分别与电爆炸设备的正负两极电连接，用于检测待开挖隧洞模型122断裂情况、触发爆炸。
实验过程中压机压头施加的压力传至弹性承压板11后，再由弹性承压板11过渡至破坏实验区12。
本实施例中，围岩模型121与待开挖隧洞模型122分别采取浇筑成型。
本实施例中，弹性承载板11为嵌套结构的方形板，且采取亚克力玻璃材料，有利于降低压机施加高荷载时的加载边界的端部效应。
本实施例中，柔性薄膜124上设有多个压力传感器，且多个压力传感器分别与PC端电连接，本发明通过在试样表面绘制数字散斑结合数字图像相关方法进行平面监测。
柔性薄膜124也可降低实验中爆炸扰动对围岩的影响。
柔性薄膜124优选聚四氟乙烯材料。
本实施例中，高速摄像机的摄像头朝向破坏实验体12，且高速摄像机与PC端电连接，用于记录形变。
一种隧洞群钻爆法开挖实验方法，包括以下步骤：
S1、在围岩模型121的前后表面分别喷一层哑光白漆，之后在白漆处布置散斑图案，有利于后期观测表面变化；
S2、将实验装置放置在双轴加压机内，通过双轴加压机的两个X轴向压头2和两个Y轴向压头3对弹性承载板11挤压；并使其达到目标地应力水平并在该应力水平下维持30-40min；将金属爆炸丝123与电爆炸设备正、负极相连，同时将压力传感器等与信号采集仪相连，架设高速相机并将其调整为待触发状态；
S3、在挤压过程中压力传感器将柔性薄膜124的压力信息绘制数字传递至PC端，其在试样表面绘制数字散斑结合数字图像相关方法(DIC)进行平面监测；通过高速摄像机拍摄围岩模型121表面的变化情况。
本实施例中，两个X轴向压头2和两个Y轴向压头3分别进行润滑处理。
本实施例中，实验过程中爆破的电压以及爆破点的数量均可以调整以模拟不同装药量、不同爆孔设计下的隧洞钻爆法开挖模拟。
实施例2
参照图3、4所示一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置，在实施例1的基础上，围岩模型121内部设置两个互相平行的待开挖隧洞模型122，其每个待开挖隧洞模型122的轴心设有金属爆炸丝123，每个待开挖隧洞模型122与围岩模型121之间设有柔性薄膜124。
本发明所提出平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置与方法，能够实现单隧洞爆炸开挖、隧洞群爆破开挖过程模拟，而且可以有效避免双轴实验机压头端面摩擦等对模型应力状态的影响。本发明具有装置简单、试样易于加工和调节，便于实验观察以及重复实验等特点，能够很好的完成单隧洞爆炸开挖、隧洞群爆破开挖过程模拟的测试任务。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置，采取双轴加压机的X轴向压头(2)和Y轴向压头(3)对试样(1)进行挤压，其特征在于，所述试样(1)包括：
弹性承载板(11)，所述弹性承载板(11)的中央设有通孔；
破坏实验体(12)，所述破坏实验体(12)包括从外至内依次设置的围岩模型(121)、待开挖隧洞模型(122)以及金属爆炸丝(123)；所述围岩模型(121)的外侧壁与所述通孔的内腔壁固定连接；所述金属爆炸丝(123)的两端分别与电爆炸设备的正负两极电连接。
2.根据权利要求1所述的一种平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置，其特征在于，所述试样(1)为具有嵌套结构的方形板，包括弹性承载板(11)以及破坏实验体(12)两部分；所述围岩模型(121)与所述待开挖隧洞模型(122)之间设有柔性薄膜(124)，且所述柔性薄膜(124)上设有压力传感器并与PC端电连接。
3.一种隧洞群钻爆法开挖实验方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的平面应力下隧洞群钻爆法开挖实验装置实现，包括以下步骤：
S1、在围岩模型(121)的表面喷一层哑光白漆，之后在白漆处布置散斑图案；
S2、将实验装置放置在双轴加压机内，通过双轴加压机的X轴向压头(2)和Y轴向压头(3)对弹性承载板(11)挤压；并使其达到目标地应力水平并在该应力水平下维持30-40min；
S3、在挤压过程中压力传感器将柔性薄膜(124)的压力信息绘制数字传递至PC端，进行柔性薄膜(124)平面监测；通过数字图像相关方法(DIC)分析所述高速摄像机拍摄围岩模型(121)表面的变化情况。
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