模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

作为本发明的进一步改进，所述滑动轴（1）的内轴（5）上等距布满一定数量的圆形坑洞，坑洞深2mm以上，钢珠（6）布在圆形坑洞上。

作为本发明的进一步改进，固定套环（7）是由具有3mm以上厚度的钢管对半切割制作而成，其内径和内轴（5）外径相等，可套紧在内轴上；固定套环（7）布满和内轴（5）间距和数量相一致的圆锥形洞，圆锥形洞的外侧直径小于钢珠（6）直径；固定套环（7）套住钢珠并将其扣在内轴（5）上，

作为本发明的进一步改进，钢珠直径大于固定套环（7）厚度加上内轴（5）上圆形坑洞的深度，且固定套环（7）扣上后钢珠（6）冒出固定套环以外的高度大于2mm以上。

作为本发明的进一步改进，钢管片（4）环绕布置在滑动轴（1）外圈上，钢管片（4）内侧和钢珠（6）接触；刚管片（4）厚度在3mm以上，且钢管片（4）根据隧道分段开挖的长度；纵向分段设置；同时，钢管片（4）在环向上，至少具有4块；各钢管片环向布置间距1~2mm，纵向布置间距为零。

作为本发明的进一步改进，定位盘焊接在滑动轴尾端，定位盘为具有2mm以上钢盘。

有益效果：

1、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”的实际开挖方式，可较真实的模拟隧道分段开挖过程。

2、本卸载开挖器刚度大且不易变形，能承受较高围岩应力，可替代岩石隧道开挖体部分；

3、卸载开挖器由常见零件组成，其构造简单，灵活性高，操作方便，造价低廉；

4、卸载开挖器可重复使用，经济环保；

5、设计了滑动轴省力结构来进行人工控制开挖卸荷，并且实现了分段开挖过程模拟。

附图说明

图1为本发明用于物理模型试验的一种模拟岩石隧道分段开挖的分段卸载开挖器。

图2为滑动轴及手柄的结构示意图；

图3为固定套环的结构示意图；

图中：1-滑动轴；2-手柄；3-定位盘；4-钢管片；5-内轴；6-钢珠；7-固定套环。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1-3所示，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、手柄、定位盘、钢管片，其中滑动轴由内轴、钢珠、固定套环组成。定位盘焊接在滑动轴尾端，定位盘用于定位滑动轴外圈的钢管片，同时防止滑动轴在推进过程中尾部超限进入模拟的隧道内，将滑动轴及钢管片定位于模拟的隧道内；手柄与定位盘固定连接，手柄和定位盘通过焊接连接为一传力结构，手柄用于人工操作推进及抽出滑动轴；多块钢管片环绕布置在滑动轴外，和滑动轴的钢珠接触，并由滑动轴支撑紧贴在所要模拟的隧道内壁上。

定位盘为具有2mm以上钢盘，其直径大于要模拟隧道直径，固定焊接在滑动轴尾端，手柄和定位盘固定连接，形成可推拉的受力结构。

滑动轴的内轴上等距布满一定数量的圆形坑洞，坑洞深2mm以上，以便钢珠布置在内轴上。固定套环是由厚度3mm以上的钢管对半切割而成，其内径和内轴外径相等，可套紧在内轴上。固定套环布满和内轴间距和数量相一致的圆锥形洞，锥形洞的外侧直径小于钢珠直径，可套住钢珠又不会让其掉出。将钢珠布满固定套环圆锥形孔洞，再扣在内轴上，调整使得钢珠陷入内轴圆形坑洞中，再将合并后的固定套环和内轴焊接形成整体，如此可形成钢珠自由滚动的滑动轴。

钢珠直径至少大于固定套环厚度加上内轴上圆形坑洞的深度，保证固定套环扣上后钢珠至少陷入内轴2mm以上，冒出固定套环以外2mm以上。

数块钢管片环绕布置在滑动轴外圈上，形成管状结构，钢管片管状结构内侧和钢珠接触。根据强度和刚度要求，刚管片厚度在3mm以上；根据所模拟隧道分段开挖的分段长度（如50mm每段），将钢管片纵向切成数段。为方便隧道开挖模拟时钢管片自由塌落，环向上，钢管片至少分为4块。钢管片环向布置间距1~2mm，纵向布置间距可为零。

滑动轴撑起的环绕在其外侧的刚管片形成的开挖器外径刚好等于要模拟的隧道直径。试验中，将开挖器放入预留的圆形隧道孔洞中，然后开始试验加载，加载过程及结束后钢管片外壁受隧道围岩均匀的较大压力，此时利用钢珠自由滑动原理，滑动轴可在钢管片内部自由滑动。进行隧道分段开挖模拟时，通过手柄及其连接的定位盘，可省力的将滑动轴抽出或推进，将滑动轴抽出距离等于一段管片纵向长度，让一段管片塌落并将其拿出，则模拟一段隧道开挖。间隔相应设计时间间隔后进行下一段开挖，如此反复知道模拟开挖完毕。

通过上述方法，本发明利用刚度大，不容易变形，易于人工操作的开挖器代替开挖体部分，实现了在高应力状态下岩石隧道分段开挖过程的模拟，同时真实模拟隧道“先加载，后开挖”的开挖卸荷过程。