[发明专利]模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置及试验方法

权利要求书

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）由方形模块通过螺栓连接而成，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，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）。

3.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。

4.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的模拟深埋隧洞爆破开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

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），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（20）、装药、封炮孔、接线和爆破工序，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、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。