一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置及试验方法

摘要

本发明涉及一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置，该装置包括由底板、侧板、肋板和挡板连接而成的玻璃钢箱体以及空气炮、膨胀囊、测量元件和数据采集系统。玻璃钢箱体内设有模型衬砌，该模型衬砌的一端与挡板相接触；模型衬砌与底板之间设有土体，该土体内分别设有数个膨胀囊、数个测量元件；空气炮由集气罐的排气口和进气口以及输气管、快排阀和电磁阀构成；集气罐的排气口连有快排阀，其进气口连有电磁阀；快排阀与输气管相连，该输气管与数个膨胀囊相连；数个测量元件通过数据采集线与数据采集系统相连。同时，本发明还提供了该装置的试验方法。本发明制作简单、实用性强、试验费用较低、消耗人力物力资源较少。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置及试验方法。

背景技术

近年来，随着国家加强对基础设施建设的投入，我国交通建设取得了迅猛发展，特别是高速公路、高速铁路进入山区后，交通建设所带来的环境灾害问题日益突出，为了控制山区交通建设造成的环境灾害，保护沿线生态环境，大量的深挖路堑改为隧道施工。这些隧道大部分采用钻爆法进行施工，同人工开挖相比，爆法有施工速度快、施工安全和人力资源消耗少等优点；同隧道掘进机相比，钻爆法又有适应能力强，施工成本低廉等优点。因此，钻爆法在隧道工程的施工中有着举足轻重的作用。同时，钻爆法开挖隧道也有一定的负面影响，由于爆炸荷载的冲击作用，隧道爆破开挖必将对围岩、衬砌以及周边建筑物造成不同程度的影响，如：爆破震动引起的隧道塌方、地表不均匀沉降、临近建筑物破坏等。因此，开展隧道爆破开挖技术的研究具有现实意义。

目前，隧道爆破开挖的试验研究主要以现场试验为主，然而现场试验设计复杂、污染环境、费用高、人力和物质资源消耗大，这严重地制约了隧道爆破开挖技术的研究。因此，有必要提出一种模拟隧道爆破开挖试验的室内试验装置，能够较准确模拟隧道爆破开挖对隧道周边环境的影响，以期为隧道爆破开挖的合理设计提供依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制作简单、实用性强、成本低、无污染的模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置及试验方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该模拟土质隧道爆破开挖的模型试验方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置，其特征在于：该装置包括由底板、侧板、肋板和挡板连接而成的玻璃钢箱体以及空气炮、膨胀囊、测量元件和数据采集系统；所述玻璃钢箱体内设有模型衬砌，该模型衬砌的一端与所述挡板相接触；所述模型衬砌与所述底板之间设有土体，该土体内分别设有数个所述膨胀囊、数个所述测量元件；所述空气炮由所述集气罐的排气口和进气口以及输气管、快排阀和电磁阀构成；所述集气罐的排气口连有快排阀，其进气口连有电磁阀；所述快排阀与所述输气管相连，该输气管与数个所述膨胀囊相连；数个所述测量元件通过数据采集线与所述数据采集系统相连。

所述底板上沿长度方向对称设有一组预留槽Ⅰ，该预留槽Ⅰ内嵌入一对所述侧板；一对所述侧板上沿宽度方向均对称设有一组预留槽Ⅱ，该预留槽Ⅱ内嵌入所述挡板；每块所述侧板与所述底板之间均连有一对所述肋板。

所述侧板的长度与所述底板的长度相同。

所述肋板呈直角三角形，且长直角边长与所述侧板的宽度一致；所述肋板的短直角边和长直角边分别与所述底板和所述侧板的外侧粘结而成。

所述挡板的一边尺寸与所述侧板的宽度一致，另一边尺寸等于两块所述侧板预留槽Ⅱ之间的距离。

所述输气管为一橡胶总管分叉为多个支管的圆管，支管数量等于钻孔数量；总管直径为3~5cm，支管直径与钻孔直径一致。

所述膨胀囊为一端开口的橡胶球形气囊。

如上所述的一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置的制作方法，包括以下步骤：

⑴制作玻璃钢箱体：

在工厂按要求分别裁切玻璃钢作为底板、侧板、肋板和挡板；其中：所述底板的长度为2.5~3m、宽度为2~2.5m；所述侧板的宽度为1.5~2m，其长度与所述底板的长度相同；所述肋板呈直角三角形，且短直角边长为0.2~0.3m，长直角边长与所述侧板的宽度一致；所述挡板的一边尺寸与所述侧板的宽度一致，另一边尺寸等于两块所述侧板之间的距离；将裁切好的所述侧板嵌入所述底板的预留槽Ⅰ内、所述挡板插入所述侧板的预留槽Ⅱ、所述肋板的短直角边和长直角边分别与所述底板和所述侧板的外侧粘结形成玻璃钢箱体；

⑵制作模型衬砌：

根据玻璃钢箱体的尺寸，制作待研究隧道衬砌的模具，采用混凝土浇筑长度为0.5~1m的模型衬砌，待混凝土强度达到80%以上，拆除模具，即制成模型衬砌；

⑶在所述玻璃钢箱体内装入厚度为0.6~0.8m的土，整平并压密，夯实后土的厚度为0.5~0.7m，相对密度为0.3~0.7；

⑷将所述模型衬砌放入箱体内的土层上，使得所述模型衬砌的中轴线和所述底板中轴线位于同一垂直面内，所述模型衬砌一端紧靠着所述挡板；

⑸在箱体内逐层装土压密，同时将连接数据采集线的测量元件埋设在待测数据位置，直至土体与所述玻璃钢箱体的上边缘相平；根据拟研究隧道爆破设计要求，在掌子面位置钻设直径为1~2cm、深度为15~20cm的小孔，并塞入膨胀囊；

⑹将所述数据采集线和所述数据采集系统连接；然后，将输气管的一端与所述膨胀囊连接，并排出所述膨胀囊内的空气；最后，将所述膨胀囊塞入掌子面的钻孔10~15cm，且使所述输气管的另一端连接所述空气炮的快排阀，形成土质隧道爆破开挖的模型试验装置。

如上所述的一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置的试验方法，其特征在于：打开所述空气炮的电磁阀收集空气，待所述集气罐内气压满足试验要求后，关闭所述空气炮的电磁阀，触发快排阀释放压缩空气，被释放的高压气体通过输气管进入所述膨胀囊，即完成一次爆破模拟试验。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用空气炮瞬间释放高压气体代替了现场试验采用的炸药，不会产生环境污染；且试验装置可重复使用，节约资源。

2、相比于现场试验，本发明室内模型试验装置制作简单、实用性强、试验费用较低、消耗人力物力资源较少，解决了目前隧道爆破开挖现场试验设计复杂、污染环境、费用高、人力资源消耗大的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明中玻璃钢箱体示意图。

图4为本发明中膨胀囊示意图。

图中：1-土体、2-模型衬砌、3-玻璃钢箱体、4-空气炮、5-膨胀囊、6-测量元件、7-数据采集系统、8-底板、9-侧板、10-肋板、11-挡板、12-集气罐、13-输气管、14-数据采集线、15-快排阀、16-电磁阀。

具体实施方式

如图1~4所示，一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置，该装置包括由底板8、侧板9、肋板10和挡板11连接而成的玻璃钢箱体3以及空气炮4、膨胀囊5、测量元件6和数据采集系统7。

玻璃钢箱体3内设有模型衬砌2，该模型衬砌2的一端与挡板11相接触；模型衬砌2与底板8之间设有土体1，该土体1内分别设有数个膨胀囊5、数个测量元件6；空气炮4由集气罐12的排气口和进气口以及输气管13、快排阀15和电磁阀16构成；集气罐12的排气口连有快排阀15，其进气口连有电磁阀16；快排阀15与输气管13相连，该输气管13与数个膨胀囊5相连。数个测量元件6通过数据采集线14与数据采集系统7相连。

其中：底板8上沿长度方向对称设有一组预留槽Ⅰ，该预留槽Ⅰ内嵌入一对侧板9；一对侧板9上沿宽度方向均对称设有一组预留槽Ⅱ，该预留槽Ⅱ内嵌入挡板11；每块侧板9与底板8之间均连有一对肋板10。

侧板9的长度与底板8的长度相同。

肋板10呈直角三角形，且长直角边长与侧板9的宽度一致；肋板10的短直角边和长直角边分别与底板8和侧板9的外侧粘结而成。

挡板11的一边尺寸与侧板9的宽度一致，另一边尺寸等于两块侧板9预留槽Ⅱ之间的距离。

输气管13为一橡胶总管分叉为多个支管的圆管，支管数量等于钻孔数量；总管直径为3~5cm，支管直径与钻孔直径一致。

膨胀囊5为一端开口的橡胶球形气囊。

一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置的制作方法，包括以下步骤：

⑴制作玻璃钢箱体3：

在工厂按要求分别裁切玻璃钢作为底板8、侧板9、肋板10和挡板11；其中：底板8为矩形，长度为2.5~3m、宽度为2~2.5m，长度方向预留供侧板9插入的两个预留槽Ⅰ，两个预留槽Ⅰ沿底板8的长轴对称，两个预留槽Ⅰ之间的距离为1.1~1.4m；侧板9的宽度为1.5~2m，其长度与底板8的长度相同；侧板9距离短边3~5cm处垂直于长边开设宽度与挡板11厚度相等的预留槽Ⅱ，槽深度为0.5~1cm；肋板10呈直角三角形，且短直角边长为0.2~0.3m，长直角边长与侧板9的宽度一致；挡板11的一边尺寸与侧板9的宽度一致，另一边尺寸等于两块侧板9之间的距离；将裁切好的侧板9嵌入底板8的预留槽Ⅰ内、挡板11插入侧板9的预留槽Ⅱ、肋板10的短直角边和长直角边分别与底板8和侧板9的外侧粘结形成玻璃钢箱体3；

⑵制作模型衬砌2：

根据玻璃钢箱体3的尺寸，制作待研究隧道衬砌的模具，采用混凝土浇筑长度为0.5~1m的模型衬砌2，待混凝土强度达到80%以上，拆除模具，即制成模型衬砌2；

⑶在玻璃钢箱体3内装入厚度为0.6~0.8m的土，整平并压密，夯实后土的厚度为0.5~0.7m，相对密度为0.3~0.7；

⑷将模型衬砌2放入箱体内的土层上，使得模型衬砌2的中轴线和底板8中轴线位于同一垂直面内，模型衬砌2一端紧靠着挡板11；

⑸在箱体内逐层装土压密，同时将连接数据采集线14的测量元件6埋设在待测数据位置，直至土体1与玻璃钢箱体3的上边缘相平；根据拟研究隧道爆破设计要求，在掌子面位置钻设直径为1~2cm、深度为15~20cm的小孔，并塞入膨胀囊5；

⑹将数据采集线14和数据采集系统7连接；然后，将输气管13的一端与膨胀囊5连接，并确保接头处密封良好，排出膨胀囊5内的空气；最后，将膨胀囊5塞入掌子面的钻孔10~15cm，且使输气管13的另一端连接空气炮4的快排阀15，形成土质隧道爆破开挖的模型试验装置。

本发明的工作原理是：利用空气动力原理，空气作为介质，在集气罐12内收集高压空气，通过控制快排阀15，瞬间将高压空气释放，高压气流通过输气管13进入膨胀囊5，高压空气压力能转化为空气射流动能，产生的强大冲击力；利用此原理在室内模型试验中模拟现场隧道开挖爆破。

一种模拟土质隧道爆破开挖的模型试验装置的试验方法：

打开空气炮4的电磁阀16收集空气，待集气罐12内气压满足试验要求后，关闭空气炮4的电磁阀16，触发快排阀15释放压缩空气，被释放的高压气体通过输气管13进入膨胀囊5，即完成一次爆破模拟试验。