CN207487990U - 模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，该装置包括模型架外框，模型架内框，前侧板，后侧板，模型试样，承压板，液压千斤顶，高压油泵，耐压管，动态测试分析仪，动态应变仪，静态应变仪，爆破振动监测仪，电脑，速度传感器，微型压力盒，电阻应变片，导线，起爆器，炮眼，药卷。本实用新型通过相似材料模拟试验可根据实际地质资料将隧洞地质环境按一定相似比较好的还原，具有成本低、操作方便的优势，且能反应出围岩变形破坏的一般规律。

Description

模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置

技术领域

本实用新型属于地下工程开挖技术领域，涉及一种模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置。

背景技术

为满足国民经济持续高速发展的需要，出现了大量的地下岩石工程，如交通、矿山、水电、地下实验室等。隧洞作为地下岩石工程一种最主要的结构形式，其围岩破坏机制、支护设计及稳定性分析等一直是研究的重点和难点。目前隧洞的开挖主要有TBM开挖和爆破开挖两种方式，TBM开挖具有机械化程度高，对围岩扰动小的特点，是一种比较理想的开挖方式，但由于其成本高，且对岩体地质条件有限制，对于硬度较大的岩体，TBM开挖速度慢，刀盘磨损严重，且难以适应复杂地质环境；而爆破开挖具有成本低，操作灵活，对各种复杂地质条件具较好的适应性，因此在大量岩石隧洞工程中仍主要采用爆破的开挖方式。而现有的研究表明开挖卸荷对隧洞围岩的变形和破坏具有重要影响，尤其是深部高应力硬岩隧洞，在爆破扰动和开挖卸荷的影响下，围岩内部发育大量的张拉裂隙，并在高应力的作用下最终发生破坏，如渐近性的板裂化破坏和剧烈岩爆等，严重影响隧洞工程的安全建设和长期稳定性。因此，在隧洞进行爆破开挖前，通过物理相似模拟材料构建物理模型，对高应力深埋隧洞围岩破坏和变形进行模拟试验，研究爆破参数、爆破开挖卸荷和扰动及高应力对隧洞围岩破坏变形的力学规律和机制，对隧洞工程结构的支护设计、安全评价及岩体动力灾害防治方面具有重要的意义。

深埋隧洞爆破开挖后围岩的变形破坏机制复杂，采用常规的支护方式难以保障隧洞的稳定。现场原型试验成本高，试验条件受限制，操作复杂，而相似材料模拟试验可根据实际地质资料将隧洞地质环境按一定相似比较好的还原，具有成本低，操作方便，且能反应出围岩变形破坏的一般规律，是一种有效可行的试验方法。

实用新型内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，解决了现有技术中现场原型试验成本高，试验条件受限制，操作复杂的问题。通过相似材料模拟试验可根据实际地质资料将隧洞地质环境按一定相似比较好的还原，具有成本低、操作方便的优势，且能反应出围岩变形破坏的一般规律。

本实用新型所采用的技术方案是，试验装置的模型架由模型架外框和模型架内框组成，模型架内框置于模型架外框底座平台上，模型架内框上左右三个面设有贯穿的方形槽，液压千斤顶伸缩端通过方形槽与承压板相连，液压千斤顶底座与模型架外框连接，模型架内框上左右三面均设有液压千斤顶，液压千斤顶通过耐压管与高压油泵相连，模型架内框内部设有模型试样，模型试样上下左右四个面均设有承压板，承压板上设有圆孔，模型试样前后两面设有前侧板和后侧板，前侧板和后侧板分别与模型架内框相连，模型试样内部设有电阻应变片和微型压力盒，导线通过承压板上的圆孔，微型压力盒通过导线与静态应变仪相连，电阻应变片通过导线与静态应变仪连接，电阻应变片通过导线与动态应变仪相连，动态应变仪与动态测试分析仪连接，动态测试分析仪和静态应变仪分别与电脑相连，前侧板表面设有速度传感器，速度传感器与爆破振动监测仪相连，模型试样上设有炮眼，药卷置于炮眼内部，药卷通过导线与起爆器相连接。

进一步的，所述前侧板和后侧板由方形模块通过螺栓连接而成。

进一步的，所述前侧板和后侧板中间的方形模块上各设有一个与需模拟开挖的隧洞断面大小和形态一致的孔洞。

进一步的，所述模型架内框上左右三面均等间距设置三排液压千斤顶，每排等间距设置三个液压千斤顶。

进一步的，所述速度传感器设于前侧板中间的方形模块的四角。

本实用新型的有益效果是：能对不同地质条件、不同断面形态的隧洞爆破开挖过程进行模拟，通过预先在模型试样中埋入传感器，能自动及实时采集模型试样爆破开挖时和开挖后隧洞围岩应力、应变、爆破振动信号等相关数据，可用于研究爆破参数、爆破扰动和卸荷作用及地应力等因素对隧洞围岩变形和破坏的影响，进而在一定程度上揭示爆破参数、爆破扰动和卸荷作用及地应力等因素对隧洞爆破开挖后围岩变形和破坏的影响机制，为地下实际隧洞工程爆破开挖的施工、爆破参数优化，隧洞布置设计以及稳定性分析等提供有益参考和指导。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3为电阻应变片和微型压力盒布置示意图。

图中，1.模型架外框，2.模型架内框，3.前侧板，4.后侧板，5.模型试样，6.承压板，7.液压千斤顶，8.高压油泵，9.耐压管，10.动态测试分析仪，11.动态应变仪，12.静态应变仪，13.爆破振动监测仪，14.电脑，15.速度传感器，16.微型压力盒，17.电阻应变片，18.导线，19.起爆器，20.炮眼，21.药卷。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型试验装置的结构如图1-3所示，模型架由模型架外框1和模型架内框2组成，模型架内框2置于模型架外框1底座平台上，模型架内框2上左右三个面设有贯穿的方形槽，液压千斤顶7伸缩端通过方形槽与承压板6相连，液压千斤顶7底座与模型架外框1连接，模型架内框2上左右三面均设有液压千斤顶7，液压千斤顶7通过耐压管9与高压油泵8相连，模型架内框2内部设有模型试样5，模型试样5上下左右四个面均设有承压板6，承压板6上设有圆孔，模型试样5前后两面设有前侧板3和后侧板4，前侧板3和后侧板4分别与模型架内框2相连，模型试样5内部设有电阻应变片17和微型压力盒16，导线18通过承压板6上的圆孔，微型压力盒16通过导线18与静态应变仪12相连，电阻应变片17通过导线18与静态应变仪12连接，电阻应变片17通过导线18与动态应变仪11相连，动态应变仪11与动态测试分析仪10连接，动态测试分析仪10和静态应变仪12分别与电脑14相连，前侧板3表面设有速度传感器15，速度传感器15与爆破振动监测仪13相连，模型试样5上设有炮眼20，药卷21置于炮眼20内部，药卷21通过导线18与起爆器19相连接。

前侧板3和后侧板4由方形模块通过螺栓连接而成，并与模型架内框2通过螺栓连接，用于限制模型试样5前后面两侧变形和爆破开挖时防止模型试样5前后侧面发生崩落。前侧板3中间的方形模块的四角均设有速度传感器15，前侧板3和后侧板4中间的方形模块上各设有一个与需模拟开挖的隧洞断面大小和形态一致的孔洞，用于隧洞爆破开挖的钻炮眼20、装药卷21及出渣，能够根据试验设计的隧洞断面尺寸和形状选取具有相同尺寸和形状孔洞的方形模块，以实现不同断面尺寸和形状的隧洞爆破开挖模拟。

高压油泵8、耐压管9、液压千斤顶7、承压板6组成本装置的液压加载系统，液压千斤顶7的优选型号为QF1000T-20b，具有行程大，吨位大的特点；液压千斤顶7的作用是对模型试样5进行加载，模拟地下隧洞所处的地应力环境。高压油泵8通过耐压管9与液压千斤顶7连接，高压油泵8内的高压油经由耐压管9注入到液压千斤顶7内部，推动液压千斤顶7的活塞运动。液压千斤顶7底座与模型架外框1通过法兰盘连接，液压千斤顶7活塞穿过模型架内框2与紧贴模型试样5的承压板6接触，模型架内框2上左右三面均等间距设置三排液压千斤顶7，每排等间距设置三个液压千斤顶7，液压千斤顶7设置的距离与模型试样5有关，液压千斤顶7通过承压板6对模型试样5上左右三个面施加压力。通过上侧、左侧和右侧的液压千斤顶7对模型试样5上下(Z方向)和左右(Y方向)两个方向进行加载，而另一个方向则通过前侧板3和后侧板4限制模型试样5前后方向上的变形，使其转变为平面应变问题，而平面问题求解比较方便；本实用新型是先加载后进行爆破开挖，采用真三轴加载虽能更真实的模拟地下三维应力环境，但会使得模拟爆破坏开挖过程中钻炮眼20、装药卷21、出渣以及速度传感器15安装等操作难度增大，也会对试验结果的准确性产生影响；真三轴三维加载的目的是使模拟试验的应力环境更接近地下隧洞三维受力环境，本实用新型采用液压千斤顶7进行加载，使得开挖过程的工序操作和监测设备安装更方便和简单，提高了模拟试验结果精度。

微型压力盒16，电阻应变片17，静态应变仪12，动态应变仪11，动态测试分析仪10，爆破振动监测仪13，速度传感器15，导线18，电脑14组成本装置的数据采集系统。动态应变仪11与动态测试分析仪10连接组成动态应变测试系统，微型压力盒16、电阻应变片17在构筑模型时埋入模型试样5中，通过导线18将微型压力盒16、电阻应变片17分别与静态应变仪12、动态应变仪连接11，实时采集静态应变、动态应变及压力值，速度传感器15设于前侧板3中间的方形模块的四角，测定隧洞爆破开挖时的爆破振动效应，并通过爆破振动监测仪13对爆破振动信号进行实时采样，并采用电脑14进行实时监测和数据的处理。

动态应变仪11优选型号为AFT-0957A，能自动平衡电路，稳定性好，灵敏度高；静态应变仪12优选型号为AFT-CM-32，应变片阻值适应范围大，具有非线性自动修正功能和快速自动平衡的优点，便于进行单臂、半桥、全桥测量；爆破振动监测仪13优选型号为BOX-8016，可实时观察被测数据信号，电池续航时间长，并且操作简单；速度传感器15优选型号TP3V-4.5，可以同时测量水平X向、水平Y向和垂直Z向三个方向的速度，具有体积小、测量精度高、抗干扰强特点；微型压力盒16优选型号为HZY-60，有超薄、体积小、稳定性好、密封性好的优点。

起爆器19，药卷21组成本装置的爆破系统，起爆器19与炮眼20中药卷21连接，通过起爆器19控制药卷21的引爆，模拟隧洞的爆破过程。起爆器19的优选型号为MFd-50，采用单片机控制，高亮度数码管显示，具有数显醒目直观，整机体积小，重量轻，操作简便的优点。

实施例

一种模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验方法应用一种模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，按照以下试验步骤：

步骤一、模型试样5的制作：根据试验方案爆破的隧洞确定相似材料的配比，将各种材料按照配比放入搅拌机里搅拌均匀，再将搅拌均匀后的混合材料倒入事先准备好的试样模具中，并按试验方案中模型试样5相应的位置埋设微型压力盒16和电阻应变片17；

步骤二、模型试样5的安装：将固结好的模型试样5从模具中取出，装入模型架内框2中，并在模型试样5上下左右四个面上安装好承压板6，并使微型压力盒16、电阻应变片17的导线18从承压板6上预留的圆孔中穿出；选取由合适断面形态和尺寸大小的方形模块组装成前侧板3和后侧板4，并与模型架内框2通过螺栓固定连接，约束模型试样5前后两侧面，再利用起重设备将组装好的整体安装至模型架外框1上，使模型架外框1上的液压千斤顶7活塞穿过模型架内框2与承压板6接触；在前侧板3中间的方形模块的四角位置上分别安装好速度传感器15，速度传感器15与爆破振动监测仪13连接，采用爆破振动监测仪13用于监测爆破振动信号，将微型压力盒16通过导线18与静态应变仪12相连接，测定开挖过程中隧洞围岩压为变化情况；电阻应变片17通过导线18与动态应变仪11连接，动态应变仪11与动态测试分析仪10连接，静态应变仪12和动态测试分析仪10分别与电脑14连接；

步骤三、模型试样5的加载：通过控制高压油泵8的开关，使高压油经过耐压管9分别注入液压千斤顶7内部，高压油推动液压千斤顶7的活塞向外伸出接触到承压板6，并通过承压板6对模型试样5的上左右三个面进行加压，使模型试样5最终加载至模拟试验所需的压力值，进而完成地下隧洞地应力的模拟；

步骤四、模拟爆破开挖和数据采集：根据试验设计方案，采用小型钻机穿过前侧板3上预留的孔洞在模型试样5上对应位置开凿炮眼20(掏槽眼、辅助眼和周边眼)，将药卷21装入到各个炮眼20内，并对不同类型炮眼20选取合适装药量的药卷21，按照各类型炮眼进行设计装药结构，并用炮泥封孔，再通过导线18将各药卷21按设计的电爆网络形式与起爆器19连接，完成爆破开挖前的装药工序，随后打开爆破振动监测仪13电源开关并开启电脑14，将两台静态应变仪12、动态应变仪11以及动态测试分析仪10接通电源和打开开关，保证在爆破过程中能实时采集数据。待一切监测设备准备就绪之后，按照试验方案中各炮眼20起爆顺序和起爆时间差，利用起爆器19依次引爆各炮眼20中药卷21，模拟隧洞爆破开挖过程。然后重复打炮眼21、装药、封炮孔、接线和爆破等工序，模拟隧洞不断向前推进的过程；

步骤五、数据处理分析：静态应变仪12与预先埋设在模型试样5中微型压力盒16连接，完成爆破过程中模拟隧洞周边围岩应力数据的采集，动态应变仪11和动态测试分析仪10通过与预先埋入模型试样5中的电阻应变片17完成爆破过程中围岩动态应变数据的采集，静态应变仪12与埋入模型试样5中的电阻应变片17完成爆破过程中围岩静态应变数据的采集，爆破振动监测仪13与前侧板3上安装的速度传感器15连接，用以完成爆破过程中应力爆破震动信号的采集；将以上爆破开挖过程中采集的应力、动态应变、静态应变以及爆破振动信号导入电脑14进行后期处理，并结合爆破后模拟隧洞围岩的破坏特征进行分析，研究爆破参数(如炮眼参数、装药参数、爆炸参数)、爆破开挖卸荷和扰动及地应力对隧洞围岩变形和破坏的影响。

本实用新型首先根据要开采的地质条件和隧洞所需的断面形态，制作性质相似的模型试样5，随后将模型试样5安装在本装置上，随后对模型试样5进行加载，模拟地下隧洞地应力环境，下一步按照试验方法对模型试样5进行模拟爆破开挖，最后，对爆破开挖过程的采集的数据进行处理，本文能够针对不同地质条件和不同断面形态的隧洞爆破开挖过程进行模拟，通过在模型试样5中埋设的速度传感器15自动采集模型试样5爆破时应力、应变、爆破震动信号等相关数据，本实用新型为研究爆破参数、爆破扰动和卸荷作用及地应力等因素对隧洞围岩变形和破坏的影响提供了一种试验装置和试验方法。

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。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。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，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，其特征在于，试验装置的模型架由模型架外框(1)和模型架内框(2)组成，模型架内框(2)置于模型架外框(1)底座平台上，模型架内框(2)上左右三个面设有贯穿的方形槽，液压千斤顶(7)伸缩端通过方形槽与承压板(6)相连，液压千斤顶(7)底座与模型架外框(1)连接，模型架内框(2)上左右三面均设有液压千斤顶(7)，液压千斤顶(7)通过耐压管(9)与高压油泵(8)相连，模型架内框(2)内部设有模型试样(5)，模型试样(5)上下左右四个面均设有承压板(6)，承压板(6)上设有圆孔，模型试样(5)前后两面设有前侧板(3)和后侧板(4)，前侧板(3)和后侧板(4)分别与模型架内框(2)相连，模型试样(5)内部设有电阻应变片(17)和微型压力盒(16)，导线(18)通过承压板(6)上的圆孔，微型压力盒(16)通过导线(18)与静态应变仪(12)相连，电阻应变片(17)通过导线(18)与静态应变仪(12)连接，电阻应变片(17)通过导线(18)与动态应变仪(11)相连，动态应变仪(11)与动态测试分析仪(10)连接，动态测试分析仪(10)和静态应变仪(12)分别与电脑(14)相连，前侧板(3)表面设有速度传感器(15)，速度传感器(15)与爆破振动监测仪(13)相连，模型试样(5)上设有炮眼(20)，药卷(21)置于炮眼(20)内部，药卷(21)通过导线(18)与起爆器(19)相连接。

2.根据权利要求1所述的模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述前侧板(3)和后侧板(4)由方形模块通过螺栓连接而成。

3.根据权利要求2所述的模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述前侧板(3)和后侧板(4)中间的方形模块上各设有一个与需模拟开挖的隧洞断面大小和形态一致的孔洞。

4.根据权利要求1所述的模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述模型架内框(2)上左右三面均等间距设置三排液压千斤顶(7)，每排等间距设置三个液压千斤顶(7)。

5.根据权利要求1所述的模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述速度传感器(15)设于前侧板(3)中间的方形模块的四角。