CN206057317U - 一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，包括自增压液氮罐、控制台和两组爆破管模组，所述控制台内具有两组SMC高压压力开关和控制模块，所述控制模块通过线路分别连接两组所述SMC高压压力开关，用于分别控制SMC高压压力开关的开闭，所述自增压液氮罐出气口通过高压软管分别连接两组SMC高压压力开关，两组所述SMC高压压力开关分别通过高压软管连通两组所述爆破管模组，每组所述爆破管模组上均具有气爆孔。优点：结构简单，使用方便，能够较准确的模拟钻爆法开挖的施工工序，操作简单，保证了隧洞模拟试验过程中的安全可靠，可广泛应用于各种隧洞小当量爆破开挖的相似模拟试验。

Description

一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置

技术领域

本实用新型属于岩体力学模型试验装备技术领域，特别涉及一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置。

背景技术

到目前为止，我国已建成或正在修建的10km以上的隧道共七座。由于距离长、地质条件复杂，而钻爆法施工具有投资省、设备小巧、适应各种地质条件、快速、机动、灵活等优点，因此这些隧道大部分采用传统钻爆法施工。从我国的实际情况出发，在今后很长的一段时间内，钻爆法施工仍是我国修建隧道的主流。因此，不断完善钻爆法施工技术，不断提高隧道的掘进效率具有重要的科学价值和实际意义。

隧道开挖的物理模拟试验在相似材料研制配比的基础上，通过研制室内物理模拟试验系统实现对概化的地质模型从加载、开挖、支护等的相似模拟。室内物理模拟试验可以通过相似理论将钻爆法主要施工工艺反映到模拟试验中，可以方便的设定不同的影响条件，合理反映爆破冲击对隧道开挖的影响，可预先布设相关检测仪器，准确获取隧洞围岩的应力应变数据，从而揭示爆破开挖对隧洞围岩的破坏机制，建立爆破作用的动力相似理论，同时对隧洞围岩的支护和控制隧洞围岩的稳定性具有一定的借鉴意义。

在隧道钻爆法开挖的过程中，主要的施工工艺有钻孔、装药、爆破、除渣等。隧道的物理模型试验也需要模拟这些施工工序，其中爆破压力和时间间隔的精确控制、炮孔的可行封堵措施、爆破冲击的反力抵消等是钻爆法开挖模拟的技术难点。

目前，在物理模拟试验中，主要有相似材料的配制、模型试件加载、隧洞开挖、支护、监测等相似模拟过程。模型的材料性质、模型的尺寸、开挖隧洞的直径、加载方法、开挖方法、支护方法等与原型越相似，模拟试验的结果越可靠，可供借鉴性就越大。国内外开展钻爆法开挖的相似模拟研究相对较少，主要的方法还是采用小当量爆破，然而小当量炸药配制难以实现，相似指标没有依据，而且爆破实验具有很大的危险性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，有效的克服了现有技术的缺陷。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，包括自增压液氮罐、控制台和两组爆破管模组，上述控制台内具有两组SMC高压压力开关和控制模块，上述控制模块通过线路分别连接两组上述SMC高压压力开关，用于分别控制SMC高压压力开关的开闭，上述自增压液氮罐出气口通过高压软管分别连接两组SMC高压压力开关，两组上述SMC高压压力开关分别通过高压软管连通两组上述爆破管模组，每组上述爆破管模组上均具有气爆孔。

本实用新型的有益效果是：结构简单，使用方便，能够较准确的模拟钻爆法开挖的施工工序，操作简单，保证了隧洞模拟试验过程中的安全可靠，可广泛应用于各种隧洞小当量爆破开挖的相似模拟试验。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，上述自增压液氮罐出气口处设有开关阀。

采用上述进一步方案的有益效果是便于控制氮气的输出量。

进一步，与上述自增压液氮罐出气口连通的高压软管上设有压力调节阀。

采用上述进一步方案的有益效果是便于调节氮气输出的压力。

进一步，上述控制台上具有显示屏，两个上述SMC高压压力开关内均具有用于监测气体压力的压力传感器，上述压力传感器分别通过线路连接上述控制模块，并将监测到的压力信息显示到显示屏上，当监测到SMC高压压力开关处气体压力高于设定值时，上述控制模块控制对应的SMC高压压力开关开启，反之，控制模块控制对应的SMC高压压力开关关闭。

采用上述进一步方案的有益效果是便于实时检测SMC高压压力开关出的压力，以便做出正确的操作，利于爆破实验的顺利进行，降低实验的误差，保持实验的准确度。

进一步，每组上述爆破管模组均包括转换接头和多个气爆管组件，上述转换接头内部中空，上述转换接头分别通过高压软管连通对应的上述SMC高压压力开关，同一组的多个上述气爆管组件分别通过高压软管连通对应的上述转换接头，上述气爆孔均设置在每个气爆管组件上。

采用上述进一步方案的有益效果是爆破管模组结构简单，安装方便。

进一步，每个上述气爆管组件均包括气流芯管、法兰固定盘、固定环盘和爆孔密封件，上述气流芯管一端通过高压软管连通对应的上述转换接头，上述气流芯管另一端封闭，上述法兰固定盘固定在气流芯管上并与上述固定环盘间隔设置，上述爆孔密封件套设在气流芯管外并位于法兰固定盘和固定环盘之间可沿上述气流芯管移动，且其一端与固定环盘密封连接，另一端穿过上述法兰固定盘并固定连接有固定件，上述爆孔密封件上并列且间隔设置有第一发泡硅胶套和第二发泡硅胶套，上述爆孔密封件上设置上述气爆孔，且上述气爆孔位于第一发泡硅胶套和第二发泡硅胶套之间，上述气流芯管上对应气爆孔的位置设有出气孔，上述出气孔与气爆孔气流连通，当对爆孔密封件施加朝向固定环盘的外力时，上述第一发泡硅胶套和第二发泡硅胶套受外力挤压膨胀变形，上述爆孔密封件收缩，同时，可通过将固定件固定在法兰固定盘上，使得第一发泡硅胶套和第二发泡硅胶套保持膨胀状态；反之，解除固定件与法兰固定盘的固定，第一发泡硅胶套和第二发泡硅胶套恢复形变，上述爆孔密封件伸长回位。

采用上述进一步方案的有益效果是通过对爆孔密封件施加外力，实现爆破前对气爆孔两端的封堵，使得爆破气流不会泄露，整个结构设计比较合理，且操作比较简单。

进一步，上述爆孔密封件还包括撑杆机构和套管，上述撑杆机构和套管并列且间隔设置，上述第一发泡硅胶套设置在撑杆机构和套管之间，且其两端与撑杆机构和套管密封连接，上述第二发泡硅胶套密封固定在上述套管远离第一发泡硅胶套的一端端部，且其远离套管的一端与固定环盘密封连接，上述套管上设置有贯穿其侧壁的多个气爆孔，上述撑杆机构远离第一发泡硅胶套的一端穿过上述法兰固定盘并与上述固定件相连。

采用上述进一步方案的有益效果是爆孔密封件整个结构简单，设计合理，操作比较方便，制作工艺也比较简单。

进一步，上述固定件包括固定管壳和套圈，上述固定管壳套设在上述气流芯管外，上述撑杆机构远离第一发泡硅胶套的一端与固定管壳固定连接，上述套圈转动安装在上述固定管壳靠近法兰固定盘的一端端部，且其内具有内螺纹，上述法兰固定盘外周上设有内螺纹，上述套圈可螺纹连接在法兰固定盘上。

采用上述进一步方案的有益效果是固定件结构简单，操作方便，便于与法兰固定盘固定以及拆卸。

进一步，上述撑杆机构包括移动盘和至少两根撑杆，上述移动盘套设在上述气流芯管上，且其一端端部与上述第一发泡硅胶套密封连接，上述撑杆围设在上述气流芯管上外并呈圆周分布，上述撑杆均与气流芯管平行设置，且其一端均与上述移动盘背离第一发泡硅胶套的一端端部固定连接，另一端均穿过上述法兰固定盘与固定管壳固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是撑杆机构结构简单，制作成本低。

附图说明

图1为本实用新型的模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置的结构示意图；

图2为本实用新型的模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置中SMC高压压力开关的分布图；

图3为本实用新型的模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置中气爆管组件的结构示意图；

图4为试样与炮孔位置的分布图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、自增压液氮罐，2、控制台，3、爆破管模组，4、SMC高压压力开关，11、开关阀，12、压力调节阀，31、转换接头，32、气爆管组件，321、气流芯管，322、法兰固定盘，323、固定环盘，324、爆孔密封件，325、固定件，3241、第一发泡硅胶套，3242、第二发泡硅胶套，3243、撑杆机构，3244、套管，3251、固定管壳，3252、套圈，32431、移动盘，32432、撑杆。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例：如图1至3所示，本实施例的模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置包括自增压液氮罐1、控制台2和两组爆破管模组3，上述控制台2内具有两组SMC高压压力开关4和控制模块，上述控制模块通过线路分别连接两组上述SMC高压压力开关4，用于分别控制SMC高压压力开关4的开闭，上述自增压液氮罐1出气口通过高压软管分别连接两组SMC高压压力开关4，两组上述SMC高压压力开关4分别通过高压软管连通两组上述爆破管模组3，每组上述爆破管模组3上均具有气爆孔。

考虑到便于调节自增压液氮罐1高压气体输出量的问题，在上述自增压液氮罐1出气口处设有开关阀11，通过该开关阀11可根据实际灵活调节实验所需高压气体输出量以及输出状态。

考虑到便于调节自增压液氮罐1输出高压气体压力的问题，与上述自增压液氮罐1出气口连通的高压软管上设有压力调节阀12，通过该压力调节阀12比较方便根据实际实验需求调节输出高压气体压力。

优选的，上述控制台2上具有显示屏，两个上述SMC高压压力开关4内均具有用于监测气体压力的压力传感器，上述压力传感器分别通过线路连接上述控制模块，并将监测到的压力信息显示到显示屏上，当监测到SMC高压压力开关4处气体压力高于设定值时，上述控制模块控制对应的SMC高压压力开关4开启，反之，控制模块控制对应的SMC高压压力开关4关闭，可通过将两个SMC高压压力开关4处的压力值实时反馈给控制模块，并显示到显示屏上，便于实验人员观测实验时的压力数据，提升实验的准确性及安全性。

每组上述爆破管模组3均包括转换接头31和多个气爆管组件32，上述转换接头31内部中空，上述转换接头31分别通过高压软管连通对应的上述SMC高压压力开关4，同一组的多个上述气爆管组件32分别通过高压软管连通对应的上述转换接头31，上述气爆孔均设置在每个气爆管组件32上，由SMC高压压力开关4出来的高压气体经转换接头31导入到各个对应的气爆管组件32内进行气压爆破实验，操作比较方便。

每个上述气爆管组件32均包括气流芯管321、法兰固定盘322、固定环盘323和爆孔密封件324，上述气流芯管321一端通过高压软管连通对应的上述转换接头31，上述气流芯管321另一端封闭，上述法兰固定盘322固定在气流芯管321上并与上述固定环盘328间隔设置，上述爆孔密封件324套设在气流芯管321外并位于法兰固定盘322和固定环盘323之间可沿上述气流芯管321移动，且其一端与固定环盘323密封连接，另一端穿过上述法兰固定盘322并固定连接有固定件325，上述爆孔密封件324上并列且间隔设置有第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242，上述爆孔密封件324上设置上述气爆孔，且上述气爆孔位于第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242之间，上述气流芯管321上对应气爆孔的位置设有出气孔，上述出气孔与气爆孔气流连通，当对爆孔密封件324施加朝向固定环盘323的外力时，上述第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242受外力挤压膨胀变形，上述爆孔密封件324收缩，同时，可通过将固定件325固定在法兰固定盘322上，使得第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242保持膨胀状态；反之，解除固定件325与法兰固定盘322的固定，第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242恢复形变，上述爆孔密封件324伸长回位。

上述爆孔密封件324还包括撑杆机构3243和套管3244，上述撑杆机构3243和套管3244并列且间隔设置，上述第一发泡硅胶套3241设置在撑杆机构3243和套管3244之间，且其两端与撑杆机构3243和套管3244密封连接，上述第二发泡硅胶套3242密封固定在上述套管3244远离第一发泡硅胶套3241的一端端部，且其远离套管3244的一端与固定环盘323密封连接，上述套管3244上设置有贯穿其侧壁的多个气爆孔，上述撑杆机构3243远离第一发泡硅胶套3241的一端穿过上述法兰固定盘322并与上述固定件325相连。

上述固定件325包括固定管壳3251和套圈3252，上述固定管壳3251套设在上述气流芯管321外，上述撑杆机构3243远离第一发泡硅胶套3241的一端与固定管壳3251固定连接，上述套圈3252转动安装在上述固定管壳3251靠近法兰固定盘322的一端端部，且其内具有内螺纹，上述法兰固定盘322外周上设有内螺纹，上述套圈3252可螺纹连接在法兰固定盘322上。

上述撑杆机构3243包括移动盘32431和至少两根撑杆32432，上述移动盘32431套设在上述气流芯管321上，且其一端端部与上述第一发泡硅胶套3241密封连接，上述撑杆32432围设在上述气流芯管321上外并呈圆周分布，上述撑杆32432均与气流芯管321平行设置，且其一端均与上述移动盘32431背离第一发泡硅胶套3241的一端端部固定连接，另一端均穿过上述法兰固定盘322与固定管壳3251固定连接。

实验过程如下：

步骤一：如图4所示，利用不同配比且与实际隧道相似的材料浇筑试样，试样浇筑过程中在试样上预留出多个内圈炮孔和多个外圈炮孔。

上述多个内圈炮孔和多个外圈炮孔分别呈圆周分布，且多个外圈炮孔与多个内圈炮孔之间呈同心圆设置，多个上述外圈炮孔构成的圆直径大于多个内圈炮孔构成的圆直径；

步骤二：将其中一组爆破管模组3内的多个气爆管组件32分别插入多个内圈炮孔内，将另一组爆破管模组3内的多个气爆管组件32分别插入多个外圈炮孔内。

步骤三：对爆孔密封件324施加朝向固定环盘323的外力，通过力的传递，使得爆孔密封件324内的第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242分别受压膨胀，与对应的爆孔壁紧密抵接。

步骤四：调节压力调节阀12达到设定压力，打开自增压液氮罐1上的开关阀11，高压气体释放，首先通过压力调节阀12并达到预定压力。

步骤五：调节控制台2，通过控制模块控制与内圈爆孔内的气爆管组件32对应的SMC高压压力开关4首先打开，高压气体进入气爆管组件32，由对应的气爆孔导出对内圈爆孔进行冲击，将内圈“岩石”爆碎，间隔一定时间(时间间隔可根据需要设定)后，关闭该SMC高压压力开关4，控制另一个SMC高压压力开关4打开，高压气体进入外圈爆孔内的气爆管组件32内，由对应的气爆孔导出对外圈爆孔进行冲击，将内圈“岩石”爆碎。

步骤六：解除固定件325与法兰固定盘322的连接状态，并同时向外拉动爆孔密封件324，第一发泡硅胶套3241和第二发泡硅胶套3242恢复形变不再与爆孔壁抵接，将整个气爆管组件32拉出即可。

步骤七：人工掏出废渣，并清理试样。

重复以上步骤，直至完成全部的爆破工作。

本实用新型设计的模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置及方法，具有以下优点：

1)利用发泡硅胶可以实现对高压气流两端封堵的效果，防止漏气，保证了高压气流的冲击效果，具有一定的安全可靠性。

2)可以控制爆破压力的大小，能够准确模拟现场隧洞开挖的爆破压力，为建立爆破动力相似理论提供依据。

3)可以实现间隔起爆，准确模拟现场隧洞钻爆法开挖的施工工艺，完成爆破作业。

本实用新型能够较准确的模拟钻爆法开挖的施工工序，操作简单，保证了隧洞模拟试验过程中的安全可靠，可广泛应用于各种隧洞小当量爆破开挖的相似模拟试验。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：包括自增压液氮罐(1)、控制台(2)和两组爆破管模组(3)，所述控制台(2)内具有两组SMC高压压力开关(4)和控制模块，所述控制模块通过线路分别连接两组所述SMC高压压力开关(4)，用于分别控制SMC高压压力开关(4)的开闭，所述自增压液氮罐(1)出气口通过高压软管分别连接两组SMC高压压力开关(4)，两组所述SMC高压压力开关(4)分别通过高压软管连通两组所述爆破管模组(3)，每组所述爆破管模组(3)上均具有气爆孔。

2.根据权利要求1所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：所述自增压液氮罐(1)出气口处设有开关阀(11)。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：与所述自增压液氮罐(1)出气口连通的高压软管上设有压力调节阀(12)。

4.根据权利要求1或2所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：所述控制台(2)上具有显示屏，两个所述SMC高压压力开关(4)内均具有用于监测气体压力的压力传感器，所述压力传感器分别通过线路连接所述控制模块，并将监测到的压力信息显示到显示屏上，当监测到SMC高压压力开关(4)处气体压力高于设定值时，所述控制模块控制对应的SMC高压压力开关(4)开启，反之，控制模块控制对应的SMC高压压力开关(4)关闭。

5.根据权利要求1或2所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：每组所述爆破管模组(3)均包括转换接头(31)和多个气爆管组件(32)，所述转换接头(31)内部中空，所述转换接头(31)分别通过高压软管连通对应的所述SMC高压压力开关(4)，同一组的多个所述气爆管组件(32)分别通过高压软管连通对应的所述转换接头(31)，所述气爆孔均设置在每个气爆管组件(32)上。

6.根据权利要求5所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：每个所述气爆管组件(32)均包括气流芯管(321)、法兰固定盘(322)、固定环盘(323)和爆孔密封件(324)，所述气流芯管(321)一端通过高压软管连通对应的所述转换接头(31)，所述气流芯管(321)另一端封闭，所述法兰固定盘(322)固定在气流芯管(321)上并与所述固定环盘(328)间隔设置，所述爆孔密封件(324)套设在气流芯管(321)外并位于法兰固定盘(322)和固定环盘(323)之间可沿所述气流芯管(321)移动，且其一端与固定环盘(323)密封连接，另一端穿过所述法兰固定盘(322)并固定连接有固定件(325)，所述爆孔密封件(324)上并列且间隔设置有第一发泡硅胶套(3241)和第二发泡硅胶套(3242)，所述爆孔密封件(324)上设置所述气爆孔，且所述气爆孔位于第一发泡硅胶套(3241)和第二发泡硅胶套(3242)之间，所述气流芯管(321)上对应气爆孔的位置设有出气孔，所述出气孔与气爆孔气流连通，当对爆孔密封件(324)施加朝向固定环盘(323)的外力时，所述第一发泡硅胶套(3241)和第二发泡硅胶套(3242)受外力挤压膨胀变形，所述爆孔密封件(324)收缩，同时，可通过将固定件(325)固定在法兰固定盘(322)上，使得第一发泡硅胶套(3241)和第二发泡硅胶套(3242)保持膨胀状态；反之，解除固定件(325)与法兰固定盘(322)的固定，第一发泡硅胶套(3241)和第二发泡硅胶套(3242)恢复形变，所述爆孔密封件(324)伸长回位。

7.根据权利要求6所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：所述爆孔密封件(324)还包括撑杆机构(3243)和套管(3244)，所述撑杆机构(3243)和套管(3244)并列且间隔设置，所述第一发泡硅胶套(3241)设置在撑杆机构(3243)和套管(3244)之间，且其两端与撑杆机构(3243)和套管(3244)密封连接，所述第二发泡硅胶套(3242)密封固定在所述套管(3244)远离第一发泡硅胶套(3241)的一端端部，且其远离套管(3244)的一端与固定环盘(323)密封连接，所述套管(3244)上设置有贯穿其侧壁的多个气爆孔，所述撑杆机构(3243)远离第一发泡硅胶套(3241)的一端穿过所述法兰固定盘(322)并与所述固定件(325)相连。

8.根据权利要求7所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：所述固定件(325)包括固定管壳(3251)和套圈(3252)，所述固定管壳(3251)套设在所述气流芯管(321)外，所述撑杆机构(3243)远离第一发泡硅胶套(3241)的一端与固定管壳(3251)固定连接，所述套圈(3252)转动安装在所述固定管壳(3251)靠近法兰固定盘(322)的一端端部，且其内具有内螺纹，所述法兰固定盘(322)外周上设有内螺纹，所述套圈(3252)可螺纹连接在法兰固定盘(322)上。

9.根据权利要求8所述的一种模拟隧洞钻爆法开挖的气压爆破装置，其特征在于：所述撑杆机构(3243)包括移动盘(32431)和至少两根撑杆(32432)，所述移动盘(32431)套设在所述气流芯管(321)上，且其一端端部与所述第一发泡硅胶套(3241)密封连接，所述撑杆(32432)围设在所述气流芯管(321)上外并呈圆周分布，所述撑杆(32432)均与气流芯管(321)平行设置，且其一端均与所述移动盘(32431)背离第一发泡硅胶套(3241)的一端端部固定连接，另一端均穿过所述法兰固定盘(322)与固定管壳(3251)固定连接。