專利名稱：一種地質力學模型硐室開挖裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種大型三維地質力學模型硐室開挖裝置，具體是分段舍棄式開挖裝置。
背景技術：
隨著交通基礎建設的快速發(fā)展和地下資源開發(fā)的大力發(fā)展，地下洞室作為ー種主要的地下結構型式在水電、交通、資源、能源領域得到廣泛應用，同時地下洞室工程的施工安全也受到越來越多關注和重視。隨著地下工程埋深的加大和工程規(guī)模的提高，擬建地下工程區(qū)域巖體的工程地質條件和水文地質條件也日益復雜，為有效評價大型地下工程施工開挖圍巖穩(wěn)定性，需要更多地依靠模型實驗進行地下洞室開挖圍巖穩(wěn)定性的分析與評價。 由于硐室開挖使圍巖卸荷導致圍巖應カ重分布、應カ釋放，該現(xiàn)象是造成圍巖非線性力學行為的主要因素。硐室開挖過程模擬不準，模型試驗就無法反映實際工程的非線性行為。目前國內外模型硐室開挖多采用預制硐室性質塊體然后取出或采用人エ鑿、掘的方式。上述方式無法有效反映硐室開挖卸荷的動態(tài)過程，更無法實現(xiàn)開挖步數(shù)及圍巖卸荷過程與工程原型的一致性，導致模型試驗產生較大誤差。目前國內相關大型三維模型制作方法的研究現(xiàn)狀如下
(I)武漢水利電カ大學學報1994年第2期介紹了ー種預制塊按硐室形狀和尺寸雕成芯塊砌入預定部位，試驗時取出以形成硐室方法。該方法一次性取出硐室材料，不能反映圍巖動カ卸荷過程，造成圍巖應カ場失真。(2)巖土工程學報2007年第9期介紹了ー種采用人工鉆鑿進行隧洞開挖的方法。該方法采用人エ挖鏟方式，無法有效反映圍巖動力卸荷過程，無法實現(xiàn)開挖步的準確定位。(3)申請?zhí)枮?2129366. x的中國專利介紹了ー種實體模型試驗中隱蔽硐室開挖的方法及設備。該方法實現(xiàn)了對隱蔽硐室的開挖。但該設備較繁瑣，無法實現(xiàn)開挖步的準確定位。綜上所述，目前對模型硐室開挖過程的模擬還不精確，多數(shù)定性化范疇。硐室開挖過程模擬不準，就無法反映因硐室開挖導致的圍巖地應カ狀態(tài)重分布。造成諸多模型試驗模擬不準的情況。因此，亟需發(fā)明一種能有效模擬圍巖因硐室開挖地應力真實卸荷過程及圍巖地應カ狀態(tài)的模型硐室開挖裝置及相應開挖方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種可模擬實際隧洞開挖圍巖卸荷過程、反映硐室開挖圍巖真實應カ場的ー種地質力學模型開挖裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種地質力學模型硐室開挖裝置，包括模型體，其特征在于還包括多腔氣囊及氣壓控制設備，所述的多腔氣囊預置于模型體內部，多腔氣囊的形狀與擬開挖硐室形狀大小相一致，所述多腔氣囊被分割成數(shù)個氣腔，氣腔個數(shù)與硐室擬開挖步數(shù)相同，各個氣腔互相封閉，內部充滿高壓氣體，氣體壓強與模型的應カ保持一致，在每個腔室內均設置有導氣管，所述的氣壓控制設備連接在導氣管上
所述多腔氣囊為乳膠氣囊，其形狀與擬開挖硐室的形狀、大小相一致。所述后端氣腔的導氣管置于前面氣腔的內部，所述導氣管端部設有與所述氣壓控制裝置連接的微型閥門與接頭。所述的氣壓控制設備包括氣流表、閥門和空壓機。地質力學模型通過預制標準模塊粘結堆積成型的方式制作，硐室形狀由模塊雕 出。模型砌筑過程中，將氣囊充氣置入硐室位置，以與模型完全吻合。所述多腔氣囊中間分隔多個氣腔，氣腔數(shù)與硐室擬開挖步數(shù)相同。氣腔內氣體壓力與模型地應カ相一致，有效模擬了硐室開挖前圍巖應カ變形狀態(tài)。模型開挖時，通過氣壓控制設備依次將各個氣腔內氣壓降為零，實現(xiàn)對硐室開挖過程的模擬。所述多腔氣囊各個氣腔端部均連接有導氣管，導氣管置于前ー個氣腔內。導氣管與氣壓控制裝置相連接，由氣壓控制設備施加預壓力，并且提供了氣囊內氣體的排出通道。所述氣壓控制設備包括氣流表、調節(jié)閥門和空壓機。氣壓控制設備與氣腔內導氣管連接，用于向氣腔內注入氣體形成預留硐室，并將氣腔內氣體排出以模擬硐室開挖過程。閥門用于調節(jié)氣體流速，以模擬不同開挖方式下的圍巖卸荷速度。所述氣流表用于量測氣體排出速度，與硐室開挖卸荷過程相一致。本發(fā)明具有如下技術優(yōu)勢
(1)氣腔內氣體可在瞬間釋放，實現(xiàn)了模型硐室的動カ開挖卸荷，有效反映了隧洞的動力開挖卸荷效應；
(2)分段舍棄的設計方式，模擬了隧洞實際開挖歩數(shù)，與工程原型的實際エ況保持一
致；
(3)通過氣壓控制裝置，使得卸荷過程精確可控，可模擬不同速度的開挖工法，如鉆爆法與盾構法等；
(4)功能多，除可用于開放式硐室開挖外，還可用于模擬內置封閉腔體的開挖，如鹽巖地下儲氣庫、水電站的隱蔽地下廠房等；
(5)操作簡單、方便；
(6)該發(fā)明方法可廣泛應用于水電、交通、能源、礦山等領域地下工程地質力學模型隧洞開挖過程，應用范圍廣泛。


圖I是模型與多腔氣囊結構 圖2是多腔氣囊結構示意圖
圖3是分段舍棄式開挖裝置結構 圖中，I.模型體，2.多腔氣囊，3.氣腔，4.調節(jié)閥門，5.導氣管，6.氣流表，7.空壓機。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進ー步說明。
如圖I或2所示 ，ー種大型三維地質力學模型硐室分段舍棄式開挖裝置。所述分段舍棄式開挖工具包括多腔氣囊2及氣壓控制設備。多腔氣囊2預置于模型體內部，通過導氣管5與位于模型體I之外的氣壓控制設備連接。所述多腔氣囊2為乳膠制成，其形狀與擬開挖硐室的形狀、大小相一致。地質力學模型通過預制標準模塊粘結堆積成型的方式制作，硐室形狀由模塊雕出。模型砌筑過程中，將多腔氣囊2充氣置入硐室位置，與模型完全吻合。所述多腔氣囊2中間分隔多個氣腔3，氣腔3個數(shù)與硐室擬開挖步數(shù)相同。氣腔3內氣體壓力與模型體I地應カ相一致，有效模擬了硐室開挖前圍巖應カ變形狀態(tài)。模型開挖時，通過氣壓控制設備依次將各個氣腔3內氣壓降為零，實現(xiàn)對硐室開挖過程的模擬。所述多腔氣囊2各個氣腔端部均連接有導氣管，導氣管5置于前ー個氣腔內。導氣管5與氣壓控制裝置相連接，由空壓機7向氣腔3施加預壓力，并且提供了多腔氣囊2內氣體的排出通道。所述氣壓控制設備包括調節(jié)閥門4、氣流表6和空壓機7。氣流表6與調節(jié)閥門與氣腔3內導氣管5連接，用于將氣腔3內氣體抽出。調節(jié)閥門4用于調節(jié)氣體流速，以模擬不同開挖方式下的圍巖卸荷速度?？諌簷C7用于向多腔氣囊體內充氣。所述氣流表6用于量測氣體壓力下降速度，保證氣體流出速度與硐室開挖卸荷過
程相一致。t- = P/u (式中，f為某氣腔氣壓釋放時間，即某開挖步開挖時間；P為氣腔內氣壓，
即模型地應カ-為氣壓下降速度，即圍巖開挖卸荷速度)
步驟為
O預制標準相似材料模塊，制作過程中采用模具制出硐室的圓弧面；
2)按設計圖紙堆積模型，堆積至硐室位置時，將多腔氣囊2置于設計位置；
3)將將各個氣腔3的導氣管分別與氣壓控制裝置連接，松開調節(jié)閥門4，打開空壓機7，依次向各個氣腔3內部充氣，直至施加氣壓值至與模型體擬施加的地應カ值相一致，以形成預留硐室；
4)將整個模型砌筑完畢；
5)將第一氣腔的導氣管5接入氣壓控制裝置，關閉空壓機7，按設計卸荷速率調節(jié)設置氣流表6 ；
6)打開調節(jié)閥門4，按照設計速率釋放一號氣腔的氣體，開挖模型硐室的第一開挖步；
7)進行該段模型開挖的測試；
8)重復步驟5，直至整個模型開挖完畢，將氣囊取出硐室。
權利要求
1.一種地質力學模型硐室開挖裝置，包括模型體，其特征在于還包括多腔氣囊及氣壓控制設備，所述的多腔氣囊預置于模型體內部，多腔氣囊的形狀與擬開挖硐室形狀大小相一致，所述多腔氣囊被分割成數(shù)個氣腔，氣腔個數(shù)與硐室擬開挖步數(shù)相同，各個氣腔互相封閉，內部充滿高壓氣體，氣體壓強與模型的應カ保持一致，在每個腔室內均設置有導氣管，所述的氣壓控制設備連接在導氣管上。
2.根據(jù)權利要求I所述的地質力學模型硐室開挖裝置，其特征在于所述多腔氣囊為乳膠氣囊。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的地質力學模型硐室開挖裝置，其特征在于所述后端氣腔的導氣管置于前面氣腔的內部，所述導氣管端部設有與所述氣壓控制裝置連接的微型閥11與接頭。
4.根據(jù)權利要求3所述的地質力學模型硐室開挖裝置，其特征在于所述的氣壓控制設備包括氣流表、閥門和空壓機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地質力學模型硐室開挖裝置，包括模型體，還包括多腔氣囊及氣壓控制設備，所述的多腔氣囊預置于模型體內部，多腔氣囊的形狀與擬開挖硐室形狀大小相一致，所述多腔氣囊被分割成數(shù)個氣腔，氣腔個數(shù)與硐室擬開挖步數(shù)相同，各個氣腔互相封閉，內部充滿氣體，氣壓與模型應力一致。在每個腔室內均設置有導氣管，所述的氣壓控制設備連接在導氣管上。通過抽氣設備將多腔氣囊依次釋放，實現(xiàn)可控的、能有效反映圍巖開挖卸荷作用的硐室開挖。該開挖裝置具有高效快捷、設備操作簡單、開挖方式可控、與實際工程相一致、可實現(xiàn)封閉硐室開挖等優(yōu)點，保證了模型實驗的高質量進行。
文檔編號E02D33/00GK102660966SQ20121009781
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權日2012年4月6日
發(fā)明者王媛, 陳旭光 申請人:河海大學