[發明專利]模擬巖石隧道分段開挖的分段卸載開挖器

有效

• 申請號: 201810589021.X
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108982207B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 潘皇宋;杜廣印;王坤;李興峰;謝任飛;杜俊黎;夏涵;覃達
• 申請（專利權）人: 東南大學;中國人民解放軍63926部隊
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

本發明公開了一種模擬巖石隧道分段開挖的分段卸載開挖器，包括：滑動軸（1）、手柄（2）、定位盤（3）以及若干鋼管片（4），其中：定位盤（3）的一個盤面與滑動軸（1）的尾端固定，另一個盤面則與手柄（2）連接為一體；各鋼管片（4）環繞布置在滑動軸（1）外，并與滑動軸（1）外壁的凸起接觸，并由滑動軸（1）支撐緊貼在所要模擬的隧道內壁上；定位盤（3）的外徑大于所要模擬的隧道的內徑。由此可知，本發明采用滑動軸及其支撐的鋼管片來代替傳統的液體囊和蠟，來實現“先加載后開挖”，因此，本發明能承受較高應力，剛度大且不易變形，可替代巖石隧道開挖體部分，卸載開挖器由常見易加固的零部件組成。

技術領域

本發明涉及對高地應力巖石隧道試驗模擬試驗領域，具體涉及一種模擬巖石隧道分段開挖的分段卸載開挖器。

背景技術

我國西部大開發戰略實施過程中，長大隧道已經成為交通建設和能源開發中的控制性工程，而隨著地下隧道工程逐漸向大埋深方向發展，高地應力成為地下隧道工程面臨的重大問題，與高地應力相關的巖爆、大變形、地震震害等地質災害，一直是隧道與地下工程界的世界性難題。因此，對巖石隧道開挖引起的圍巖巖爆等脆性破壞特征進行物理模型研究十分必要，這就要求研制可模擬巖石隧道開挖卸荷的設備。

物理模型試驗在國際上發展應用較早，由于物理模擬存在試驗周期長、工作量大、成本高等缺點，使得物理模型試驗的發展和應用受到一定的限制。但是，大埋深的大型地下工程遇到的工程問題越來越復雜，因而對地下工程的研究水平、試驗方法、試驗手段、試驗監控量測精度的要求越來越高。對于一些復雜地下工程的非線性變形與強度破壞問題而言，采用物理模型試驗是最佳的研究手段，其根本原因是，物理模型試驗具有形象、直觀、真實的特性。物理模型是真實物理實體的再現，在遵循相似原理的條件下，可定性和定量地反映巖體、地質構造和工程結構的空間關系和相互作用；物理模型試驗能較好地模擬復雜地下工程的施工過程、荷載的作用方式、圍巖和結構間相互作用、多場耦合以及時間效應等，因此其試驗過程能夠比較真實地反映工程的卸荷-受力-破壞全過程。因此，物理模型試驗可以比較全面真實地模擬復雜的地下工程，探索許多目前傳統理論方法尚不易解決的問題，為建立新的理論和數學模型提供依據。現代科技為物理模型試驗技術的參數量測、數據采集及試驗結果分析等提供了先進、方便可靠的手段，而且物理模擬結果可以和理論計算結果、數值計算結果相互驗證。因此，物理模型試驗被國內外巖體工程界廣泛重視和應用。

對深埋高地應力巖石隧道開挖進行室內物理模擬，需要解決的困難之一是如何實現初始應力狀態下隧道分段開挖卸荷過程的真實模擬，這就需要研制發明一套能夠解決該困難的儀器設備。

發明內容

技術問題：本發明的目的在于提供一種能較真實的模擬較高應力狀態下巖石隧道分段開挖卸荷過程的卸載開挖器，解決模擬卸載模擬開挖時，僅能模擬全斷面瞬時開挖，忽略了分段開挖導致圍巖變形的時空效應，尤其對于開挖器剛度不夠、受力不均勻會導致圍巖應力的差異性分布及圍巖開挖前發生較大變形等不足的問題。

技術方案：為實現以上目的及克服上述的技術不足，本發明采用以下技術方案：

一種模擬巖石隧道分段開挖的分段卸載開挖器，包括：滑動軸（1）、手柄（2）、定位盤（3）以及若干鋼管片（4），其中：定位盤（3）的一個盤面與滑動軸（1）的尾端固定，另一個盤面則與手柄（2）連接為一體；各鋼管片（4）環繞布置在滑動軸（1）外，并與滑動軸（1）外壁的凸起接觸，并由滑動軸（1）支撐緊貼在所要模擬的隧道內壁上；定位盤（3）的外徑大于所要模擬的隧道的內徑；當鋼管片（4）外壁受隧道圍巖均勻的壓力時，滑動軸（1）可在鋼管片（4）內部自由滑動，通過手柄（2）及其連接的定位盤（3），可將滑動軸（1）抽出或推進。

作為本發明的進一步改進，所述滑動軸（1）包括內軸（5）、若干鋼珠（6）、固定套環（7）；各鋼珠（6）均布在內軸（5）與固定套環（7）之間，且固定套環（7）在與各鋼珠（6）對應的位置處均開設有孔洞，各鋼珠均穿過固定套環（7）上相應位置處的孔洞設置。