CN217654868U - 一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，包括层状围岩模型系统、地应力加载系统、注浆系统和爆破监测系统，层状围岩模型系统包含相似岩层、转动挡板、可拆卸钢板、炮孔、试验箱、石英砂、铰接点、支座、顶升机构、玻璃挡板、钢板，用于模拟实际围岩，顶升机构设于反力架上，可旋转试验台包括可容纳相似岩层的试验箱，试验箱底部一端通过铰接点铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构上，通过顶升机构作升降运动以驱动试验箱绕铰接点上下摆动。本实用新型可以模拟不同倾角层状围岩的爆破破岩特征，并有效地监测围岩爆破破岩时的稳定性变化情况。

Description

一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置

技术领域

本发明涉及隧道围岩爆破破岩领域，具体涉及一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置。

背景技术

爆破技术作为隧道建设的主要开挖方式，从过去到现在以及到未来都在不断地提高改进，以此来达到隧道建设中对爆破技术的要求。在隧道开挖爆破过程中，爆破对隧道掌子面稳定有着不利的影响，在爆炸冲击和爆轰气体对岩体裂隙的楔入作用下，对临近爆区的掌子面岩体造成松裂或损伤的现象十分常见，尤其是在隧道穿越软弱夹层层理面较发育的岩体时，造成一定区域范围内的岩体层裂是难以控制的，也就是岩体沿层理面破裂效应。这种破裂效应会导致岩体层理面之间在一定区域范围内的粘聚力降低和内摩擦角减小，因而在隧道未支护区域很容易引起不同程度的掉块或是坍塌不利因素影响施工进度，有可能会对施工作业人员造成严重的伤亡，同时，也会造成了巨大的经济损失。

随着基础设施建设的发展，运用爆破对隧道进行开挖的情况十分常见。隧道开挖爆破后的稳定性主要取决于岩体内不同地质结构的性质、空间变化以及开挖爆破过程中爆破作用对该地质结构的影响程度。研究分析爆破冲击动力作用对层状围岩隧道稳定的影响，有助于提高层状软弱围岩地质条件下隧道爆破施工技术与安全性。

现有的主要研究手段包含理论计算、物理试验及数值模拟，存在的问题主要包含以下几个方面：第一、理论计算对工程实际模型简化程度较大；第二、能够实现三维主动加载的爆破物理模型实验系统较少，针对掏槽爆破围压效应影响分析的模型试验尚未有效开展；第三、较难实现不同围压环境爆后槽腔效果对比，对掏槽区周边围岩体的损伤特性仍有待深入探究。因此，围绕菱形直眼掏槽方式，分析影响成腔机制的主要因素，探究高地应力层状围岩掏槽爆破围压效应影响特性，揭示不同围压条件典型掏槽孔布设形式岩体动力学响应特性，对工程实际掏槽方式选取具有较为重要的指导意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，可以有效解决现有技术中的不足。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，包括层状围岩模型系统、地应力加载系统、注浆系统和爆破监测系统；

其中，层状围岩模型系统包含相似岩层、转动挡板、可拆卸钢板、炮孔、试验箱、缓冲橡胶、石英砂、铰接点、支座、顶升机构、玻璃挡板、钢板，用于模拟实际围岩。所述顶升机构设于反力架上，所述可旋转试验台包括可容纳相似岩层的试验箱，所述试验箱底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构上。

地应力加载系统包含千斤顶、反力架。所述试验箱的左、上和右三个侧壁的内外侧各设两个千斤顶，所述千斤顶固定在反力架上。

注浆系统包含注浆器、注浆控制阀、注浆压力表、注浆泵、浆液池、注浆管，所述注浆管上设有注浆泵、注浆压力表和两个注浆控制阀，两个注浆控制阀分设于注浆泵的两侧。

爆破监测系统包含应变片、转换器、电脑、线缆、微型加速度计、高速摄影机。所述应变片和微型加速度计预埋在相似岩层中，通过线缆和转换器与电脑相连。高速摄影机放置在试验箱正前方。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述相似岩层由现场岩样经过相似配比制作，且根据现场岩样，配制多层所述相似岩层浇筑至所述模型箱中。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述顶升机构包括千斤顶和支座，所述试验箱通过支座与千斤顶连接。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述相似岩层完成一层浇筑后，通过所述顶升机构与所述转动挡板，使已完成浇筑的岩层转过相应角度，之后再进行浇筑，使得到后续浇筑的相似岩层与已完成浇筑岩层之间具有不同的倾角，同时可以进行不同岩层产状的层状围岩的浇筑。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述可拆卸钢板在相似岩层浇筑完成后进行拆卸，并在试验箱其余位置填充石英砂。所述石英砂是为相似岩层外部设置无反射边界条件，在所述相似岩层成模后，填充石英砂，固定所述相似岩层，并吸收所述炮孔炸药爆炸产生的冲击波。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述开挖断面上相似岩层的位置根据现场情况进行相应设计，将炮孔按现场情况布置于掌子面中心，模拟隧道爆破破岩特征。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述注浆管上设有注浆泵、注浆压力表和两个注浆控制阀，两个注浆控制阀分设于注浆泵的两侧。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述千斤顶设置于所述试验箱外壁周边，所述千斤顶依靠反力架为试验箱模拟周边应力情况。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述试验箱上部设置一定厚度的缓冲橡胶，为千斤顶作用于试验箱时提供缓冲，避免试验箱受力过大产生破坏。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述应变片和所述微型加速度计通过线缆与转换器连接，用于测定爆破过程中层状围岩的位移及应变情况。

进一步地，在本实用新型一种研究层状围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置中，所述试验箱由五个钢板与一个玻璃挡板组成，所述高速摄影机放置在玻璃挡板前方进行拍照监测。。

本发明的有益效果是：本实用新型似岩层由现场岩样经过相似配比制作，且根据现场岩样，配制多层所述相似岩层浇筑至所述模型箱中；相似岩层完成一层浇筑后，通过所述顶升机构与所述转动挡板，使已完成浇筑的岩层转过相应角度，之后再进行浇筑，使得到后续浇筑的相似岩层与已完成浇筑岩层之间具有不同的倾角，同时可以进行不同岩层产状的层状围岩的浇筑。

本实用新型包含千斤顶与反力架，，且不同方向的压力可自由设置，并且压力的设置根据地应力资料确定，更能反映实际情况。

本实用新型包含高速摄影机，可以更有效监测炮孔爆破对周围层状围岩产生的裂缝；采用多种监测方法，监测层状围岩的应变与位移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本实用新型试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型本发明中试验箱的侧视图；

图中各标号表示：

图中：1-相似岩层、2-转动挡板、3-可拆卸钢板、4-炮孔、6-试验箱、7-缓冲橡胶、9-石英砂、11-铰接点、12-支座、22-顶升机构、24-玻璃挡板、26-钢板、8-千斤顶、13-反力架、14-注浆器、15-注浆控制阀、16-注浆压力表、17-注浆泵、18-浆液池、19-注浆管、5-应变片、10-转换器、20-电脑、21-线缆、23-微型加速度计、25-高速摄影机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图2所示，本发明的一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，包括层状围岩模型系统、地应力加载系统、注浆系统和爆破监测系统。

层状围岩模型系统包含相似岩层1、转动挡板2、可拆卸钢板3、炮孔4、试验箱6、缓冲橡胶7、石英砂9、铰接点11、支座12、顶升机构22、玻璃挡板24、钢板26，用于模拟实际围岩。顶升机构22设于地面上，试验箱6底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构22上。顶升机构22作升降运动以驱动试验箱6绕铰接点11上下摆动，根据抬升高度的不同模拟层状围岩的岩层产状；转动挡板2可以转动与依靠顶升机构22形成的不同岩层产状的层状围岩。所述注浆口14位于所述试验箱6顶部，用于注入所述相似岩层1材料；所述玻璃挡板24设置于所述试验箱6前端，用于防止注浆泄露并便于监测。参考图1，所述相似岩层1由现场岩样经过相似配比制作，具有相近的物理力学特性，可根据现场岩样，配制多层所述相似岩层1浇筑至所述试验箱6中。

地应力加载系统包含千斤顶8、反力架13。所述试验箱6的左、上和右三个侧壁的内外侧各设两个千斤顶8，所述千斤顶8固定在反力架13上，依靠反力架13给所述试验箱6提供不同的地应力。

注浆系统包含注浆器14、注浆控制阀15、注浆压力表16、注浆泵17、浆液池18、注浆管19。所述注浆管19上设有注浆泵17、注浆压力表16和两个注浆控制阀15，两个注浆控制阀15分设于注浆泵17的两侧，，注浆器14埋设于层状围岩1内，注浆器14通过注浆管19与浆液池18连接，并依靠注浆泵17提供浆液，浇筑相似岩层1。

爆破监测系统包含应变片5、转换器10、电脑20、线缆21、微型加速度计23、高速摄影机25。所述应变片5和微型加速度计23预埋在相似岩层1中，用于测定开挖过程中岩层压力及加速度的变化，所述应变片5一部分布设于试验箱6外侧，用以监测试验箱6的振动情况，通过线缆21和转换器10与电脑20相连。高速摄影机25放置在试验箱6所属的玻璃挡板24的正前方，可以更有效监测炮孔爆破对周围层状围岩产生的裂缝。

操作方法包括以下步骤：

(一)制作试验模型，主要包括以下步骤：1)首先确定相似比，根据现场开挖隧洞与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，以二维模型模拟实际隧隧道断面，取一定的断面厚度，实际制作三维立体模型；2)布置模型箱，首先使顶升机构降低，使整体试验箱水平；在试验箱中心部位布置可拆卸钢板，将注浆器置于可拆卸钢板内合适的位置，按照相似比预先计算微型加速度计、应变片在试验箱的相应位置；3)浇筑岩土体材料，考虑到室内实验的简单省时要求，通常将现场层状围岩中单层岩体中的多种岩性简化为一种。根据大量室内实验经验，以C20水泥砂浆和土石混合物材料作为现场层状围岩的相似材料。浇筑过程中，依靠顶升机构与可转动挡板，调整合适的位置，组装注浆管路并将浆液注入注浆池，启动注浆泵，开始注浆，浇筑第一层围岩，再根据现场第二层围岩的层状倾角，调整顶升机构的高度与可转动挡板的角度，使得岩体倾角与现场一致，考虑现场厚度，再次启动注浆泵，开始注浆，进行第二层浇筑，以此类推，完成整体相似岩层的浇筑，并进行相应养护。在浇筑过程中，埋设合适管径的pvc管，预留炮孔。

(二)固定相似岩层：相似岩层养护完成后，拆除可拆卸钢板，并在相似岩层的外部填充石英砂；调整顶升机构的高度，使试验箱达到水平状态。同时顶部钢板封闭时添加一定厚度的缓冲橡胶，避免试验箱受加载时应力过大产生变形破坏。

(三)设置地应力：依靠千斤顶提供地应力，千斤顶提供的压力根据现场地应力情况根据相似原理确定。

(四)布置监测系统：应变片和微型加速度计预埋在相似岩层中，用于测定开挖过程中岩层压力及加速度的变化；应变片一部分布设于试验箱外侧，用以监测试验箱的振动情况，通过线缆和转换器与电脑相连；高速摄影机放置在试验箱所属的玻璃挡板的正前方，依靠高速摄影机拍摄的连续照片，对炮孔爆破对周围层状围岩产生的裂缝进行观测。

(五)模型试验与数据记录：在相似岩层的监测系统布置完成后，将pvc管取出，根据相似比，填充鞭炮或炸药，设置安全距离后起爆，模拟爆破引起的围岩振动情况。应记录监测系统中微型加速度计、应变片在起爆时数值的变化情况，并根据高速摄影机记录裂缝的的形成。

在完成第一循环进尺的开挖后，暂停操作，通过监测系统检查相似岩层中的各监测仪器是否正常工作：加速度计、应变片连接系统处于稳定状态；高速摄影机重新设置参数。检查完成后，按照设计的开挖方案进行下一循环进尺的开挖，重复上述开挖、监测过程，直至开挖完成，并记录数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：包括层状围岩模型系统、地应力加载系统、注浆系统和爆破监测系统；

其中，层状围岩模型系统包含相似岩层(1)、转动挡板(2)、可拆卸钢板(3)、炮孔(4)、试验箱(6)、石英砂(9)、铰接点(11)、支座(12)、顶升机构(22)、玻璃挡板(24)、钢板(26)，用于模拟实际围岩，顶升机构(22)设于反力架上，可旋转试验台包括可容纳相似岩层(1)的试验箱(6)，试验箱(6)底部一端通过铰接点(11)铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构(22)上，通过顶升机构作升降运动以驱动试验箱(6)绕铰接点(11)上下摆动；

地应力加载系统包含千斤顶(8)以及反力架(13)，试验箱(6)的左、上和右三个侧壁的内外侧各设两个千斤顶(8)，千斤顶(8)固定在反力架(13)上；

注浆系统包含注浆器(14)、注浆控制阀(15)、注浆压力表(16)、注浆泵(17)、浆液池(18)以及注浆管(19)，注浆管(19)上设有注浆泵(17)、注浆压力表(16)和两个注浆控制阀(15)，两个注浆控制阀(15)分设于注浆泵(17)的两侧；

爆破监测系统包含应变片(5)、转换器(10)、电脑(20)、线缆(21)、微型加速度计(23)以及高速摄影机(25)，应变片(5)和微型加速度计(23)预埋在相似岩层(1)中，通过线缆(21)和转换器(10)与电脑(20)相连，高速摄影机(25)放置在试验箱(6)正前方。

2.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：所述相似岩层(1)由现场岩样经过相似配比制作，且根据现场岩样，配制多层相似岩层(1)浇筑至所述试验箱(6)中。

3.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：顶升机构(22)包括千斤顶(8)和支座(12)，试验箱(6)通过支座(12)与千斤顶(8)连接。

4.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：千斤顶(8)设置于试验箱(6)外壁周边。

5.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：所述试验箱(6)上部设置一定厚度的缓冲橡胶(7)，为千斤顶(8)作用于试验箱(6)时提供缓冲，避免试验箱(6)受力过大产生破坏。

6.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：应变片(5)和微型加速度计(23)通过线缆(21)与转换器(10)连接。

7.根据权利要求1所述的围岩隧洞菱形直眼掏槽爆破破岩特征的模型试验装置，其特征在于：试验箱(6)由五个钢板(26)与一个玻璃挡板(24)拼接组成，所述高速摄影机(25)放置在玻璃挡板(24)前方进行拍照监测。

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