[发明专利]模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器

说明书

本发明公开了一种模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器，包括：滑动轴（1）、手柄（2）、定位盘（3）以及若干钢管片（4），其中：定位盘（3）的一个盘面与滑动轴（1）的尾端固定，另一个盘面则与手柄（2）连接为一体；各钢管片（4）环绕布置在滑动轴（1）外，并与滑动轴（1）外壁的凸起接触，并由滑动轴（1）支撑紧贴在所要模拟的隧道内壁上；定位盘（3）的外径大于所要模拟的隧道的内径。由此可知，本发明采用滑动轴及其支撑的钢管片来代替传统的液体囊和蜡，来实现“先加载后开挖”，因此，本发明能承受较高应力，刚度大且不易变形，可替代岩石隧道开挖体部分，卸载开挖器由常见易加固的零部件组成。

技术领域

本发明涉及对高地应力岩石隧道试验模拟试验领域，具体涉及一种模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器。

背景技术

我国西部大开发战略实施过程中，长大隧道已经成为交通建设和能源开发中的控制性工程，而随着地下隧道工程逐渐向大埋深方向发展，高地应力成为地下隧道工程面临的重大问题，与高地应力相关的岩爆、大变形、地震震害等地质灾害，一直是隧道与地下工程界的世界性难题。因此，对岩石隧道开挖引起的围岩岩爆等脆性破坏特征进行物理模型研究十分必要，这就要求研制可模拟岩石隧道开挖卸荷的设备。

物理模型试验在国际上发展应用较早，由于物理模拟存在试验周期长、工作量大、成本高等缺点，使得物理模型试验的发展和应用受到一定的限制。但是，大埋深的大型地下工程遇到的工程问题越来越复杂，因而对地下工程的研究水平、试验方法、试验手段、试验监控量测精度的要求越来越高。对于一些复杂地下工程的非线性变形与强度破坏问题而言，采用物理模型试验是最佳的研究手段，其根本原因是，物理模型试验具有形象、直观、真实的特性。物理模型是真实物理实体的再现，在遵循相似原理的条件下，可定性和定量地反映岩体、地质构造和工程结构的空间关系和相互作用；物理模型试验能较好地模拟复杂地下工程的施工过程、荷载的作用方式、围岩和结构间相互作用、多场耦合以及时间效应等，因此其试验过程能够比较真实地反映工程的卸荷-受力-破坏全过程。因此，物理模型试验可以比较全面真实地模拟复杂的地下工程，探索许多目前传统理论方法尚不易解决的问题，为建立新的理论和数学模型提供依据。现代科技为物理模型试验技术的参数量测、数据采集及试验结果分析等提供了先进、方便可靠的手段，而且物理模拟结果可以和理论计算结果、数值计算结果相互验证。因此，物理模型试验被国内外岩体工程界广泛重视和应用。

对深埋高地应力岩石隧道开挖进行室内物理模拟，需要解决的困难之一是如何实现初始应力状态下隧道分段开挖卸荷过程的真实模拟，这就需要研制发明一套能够解决该困难的仪器设备。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种能较真实的模拟较高应力状态下岩石隧道分段开挖卸荷过程的卸载开挖器，解决模拟卸载模拟开挖时，仅能模拟全断面瞬时开挖，忽略了分段开挖导致围岩变形的时空效应，尤其对于开挖器刚度不够、受力不均匀会导致围岩应力的差异性分布及围岩开挖前发生较大变形等不足的问题。

技术方案：为实现以上目的及克服上述的技术不足，本发明采用以下技术方案：

一种模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器，包括：滑动轴（1）、手柄（2）、定位盘（3）以及若干钢管片（4），其中：定位盘（3）的一个盘面与滑动轴（1）的尾端固定，另一个盘面则与手柄（2）连接为一体；各钢管片（4）环绕布置在滑动轴（1）外，并与滑动轴（1）外壁的凸起接触，并由滑动轴（1）支撑紧贴在所要模拟的隧道内壁上；定位盘（3）的外径大于所要模拟的隧道的内径；当钢管片（4）外壁受隧道围岩均匀的压力时，滑动轴（1）可在钢管片（4）内部自由滑动，通过手柄（2）及其连接的定位盘（3），可将滑动轴（1）抽出或推进。

作为本发明的进一步改进，所述滑动轴（1）包括内轴（5）、若干钢珠（6）、固定套环（7）；各钢珠（6）均布在内轴（5）与固定套环（7）之间，且固定套环（7）在与各钢珠（6）对应的位置处均开设有孔洞，各钢珠均穿过固定套环（7）上相应位置处的孔洞设置。