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CN109187237A - 一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法 - Google Patents

一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法，特别是一种用于研究钻爆法隧道掘进中周围岩体、支护结构和地下建构筑物动力响应的试验系统和试验方法，试验系统包括模型试验箱、液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统组成，所述模型试验箱与所述液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统分别相连接。本发明实现了真三轴动静加载，可以模拟不同地应力条件下的钻爆法隧道及地下工程爆破，所述模型试验箱设有隧道开挖窗口，可以通过爆破模拟系统在模型试验箱内的隧道掌子面上进行爆破，再通过动态数据采集系统采集的数据来分析周围岩体、支护结构和地下建构筑物的动力响应。

Description

一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法
技术领域
本发明涉及一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法，尤其是一种用于研究钻爆法隧道掘进中周围岩体、支护结构和地下建构筑物动力响应的试验系统和试验方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，我国隧道与地下工程得到了前所未有的发展。我国已经成为世界上隧道及地下工程开发规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、施工技术发展最快的国家。在隧道与地下工程的建设中，大多采用矿山钻眼爆破法修建的，它不仅经济、施工机械简单、工艺方便、可靠性高，而且爆破所需炸药来源经济广泛，但爆破开挖振动会对隧道周围岩体、支护结构和地下建构筑物造成破坏，产生严重的安全和经济后果。故研究钻爆法隧道掘进引起的周围岩体、支护结构和周围地下建构筑物的动力响应是必要的。
由于现场爆破试验的环境非常复杂，且不易布置传感器采集数据系统，同时还会影响工程的施工，故在实验室进行钻爆法隧道爆破模型试验是必要的。但国家对爆破器材的购买、运输、储存、管理的进行了非常严格的规定与专控限制，一般的单位不能随意使用爆破器材，这就为地下工程问题的科学研究造成了极大困扰。因此目前大多数地下工程模型箱主要是针对静力学问题，还没有用于研究钻爆法隧道掘进过程中周围岩体、支护结构和建构筑物等的动力响应的隧道及地下工程模型箱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法，采用非炸药实现实验室内爆破模拟，实现钻爆法隧道掘进中周围岩体、支护结构和地下建构筑物的动力响应的研究。
本发明采用非炸药实现实验室内爆破模拟，为研究钻爆法隧道掘进中周围岩体、支护结构和地下建构筑物的动力响应提供一种隧道及地下工程试验系统和试验方法，能够实现在不同地应力条件下隧道爆破开挖，同时可以通过动态数据采集系统测量出在隧道爆破作用下隧道周围岩体、支护结构和周围地下建构筑物等的动力响应数据，分析揭示围岩和支护结构等的动态劣化和失稳机理及控制理论，从而优化地下工程爆破设计和支护结构设计，保证地下工程爆破周边环境和地下结构安全。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一方面，本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，包括：模型试验箱、液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统；所述模型试验箱与所述液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统分别相连接；所述模型试验箱内浇筑有与岩土体相似的材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件；所述液压加载系统与所述模型试验箱相连以对模型进行加载，使得所述模型试验箱中模型处于不同的地应力状态；所述爆破模拟系统与所述模型试验箱相连以提供非炸药形式的爆破；所述数据采集系统与所述模型试验箱相连以接收测试元件发送的爆破时的相关数据。
优选的，所述爆破模拟系统采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
优选的，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
优选的，所述模型试验箱包括千斤顶；所述模型试验箱通过所述千斤顶与所述液压加载系统相连。
优选的，所述模型试验箱设有隧道开挖窗口。
另一方面，本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，包括：
在模型试验箱内浇筑岩土体的相似材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件以采集爆破时的相关数据；
将所述测试元件连接至数据采集系统；
对所述模型试验箱中的模型通过液压加载系统进行液压加载，同时进行隧道开挖，再通过爆破模拟系统进行掌子面爆破；
所述测试元件采集爆破时的相关数据并发送给所述数据采集系统。
优选的，所述爆破模拟系统采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
优选的，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
优选的，所述模型试验箱包括千斤顶；所述模型试验箱通过所述千斤顶与所述液压加载系统相连。
优选的，所述模型试验箱设有隧道开挖窗口。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
(1)本发明实现了真三轴动静加载，能够模拟不同地应力条件下的钻爆法隧道及地下工程爆破；模型试验箱设有隧道开挖窗口，可以通过爆破模拟系统在模型试验箱内的隧道掌子面上进行爆破，再通过动态数据采集系统采集的数据来分析周围岩体、支护结构和地下建构筑物的动力响应；
(2)本发明使用了非炸药方式模拟炸药爆破，增加了地下工程实验的安全性和便利性；
(3)本发明的非炸药爆破和试验箱箱可重复利用，能够模拟隧道的连续爆破施工和研讨围岩与支护结构等的累计损伤效应。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统与试验方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统的结构框图；
图2为本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法的流程图；
附图标记：1、模型试验箱，2、液压加载系统，3、爆破模拟系统，4、数据采集系统。
具体实施方式
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，包括：模型试验箱1、液压加载系统2、爆破模拟系统3和数据采集系统4；所述模型试验箱1与所述液压加载系统2、爆破模拟系统3和数据采集系统4分别相连接；所述模型试验箱1内浇筑有与岩土体相似的材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件；所述液压加载系统2与所述模型试验箱1相连以对模型进行加载，使得所述模型试验箱1中模型处于不同的地应力状态；所述爆破模拟系统3与所述模型试验箱1相连以提供非炸药形式的爆破；所述数据采集系统4与所述模型试验箱1相连以接收测试元件发送的爆破时的相关数据，所述相关数据用来分析周围岩体、支护结构和地下建构筑物的动力响应。
本实施例中，所述爆破模拟系统3采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
本实施例中，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
本实施例中，所述模型试验箱1包括千斤顶；所述模型试验箱1通过所述千斤顶与所述液压加载系统2相连。
本实施例中，所述模型试验箱1设有隧道开挖窗口。
另一方面，本发明一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，包括：
在模型试验箱1内浇筑岩土体的相似材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件以采集爆破时的相关数据；
将所述测试元件连接至数据采集系统4；
对所述模型试验箱1中的模型通过液压加载系统2进行液压加载，同时进行隧道开挖，再通过爆破模拟系统3进行掌子面爆破；
所述测试元件采集爆破时的相关数据并发送给所述数据采集系统4。
本实施例中，所述爆破模拟系统3采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
本实施例中，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
本实施例中，所述模型试验箱1包括千斤顶；所述模型试验箱1通过所述千斤顶与所述液压加载系统2相连。
本实施例中，所述模型试验箱1设有隧道开挖窗口。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，其特征在于，包括：模型试验箱、液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统；所述模型试验箱与所述液压加载系统、爆破模拟系统和数据采集系统分别相连接；所述模型试验箱内浇筑有与岩土体相似的材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件；所述液压加载系统与所述模型试验箱相连以对模型进行加载，使得所述模型试验箱中模型处于不同的地应力状态；所述爆破模拟系统与所述模型试验箱相连以提供非炸药形式的爆破；所述数据采集系统与所述模型试验箱相连以接收测试元件发送的爆破时的相关数据。
2.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，其特征在于，所述爆破模拟系统采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
3.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，其特征在于，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
4.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，其特征在于，所述模型试验箱包括千斤顶；所述模型试验箱通过所述千斤顶与所述液压加载系统相连。
5.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验系统，其特征在于，所述模型试验箱设有隧道开挖窗口。
6.一种隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，其特征在于，包括：
在模型试验箱内浇筑岩土体的相似材料，同时在岩体、支护结构和周围地下建构筑物中布设测试元件以采集爆破时的相关数据；
将所述测试元件连接至数据采集系统；
对所述模型试验箱中的模型通过液压加载系统进行液压加载，同时进行隧道开挖，再通过爆破模拟系统进行掌子面爆破；
所述测试元件采集爆破时的相关数据并发送给所述数据采集系统。
7.根据权利要求6所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，其特征在于，
所述爆破模拟系统采用直流电对高能电容器充电，当充电电压达到额定值时，进行高压放电产生电火花，利用电火花强压力脉冲的爆炸冲击特性模拟隧道及地下工程钻爆法掘进的炸药爆炸。
8.根据权利要求6所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，其特征在于，所述测试元件包括应变砖、加速度传感器和应变片。
9.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，其特征在于，所述模型试验箱包括千斤顶；所述模型试验箱通过所述千斤顶与所述液压加载系统相连。
10.根据权利要求1所述的隧道及地下工程爆破开挖模型试验方法，其特征在于，
所述模型试验箱设有隧道开挖窗口。
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