CN105971618A - 一种模拟隧道开挖的卸载开挖器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，包括中轴、导向盘、钢管片和轴承，中轴穿过导向盘中心通孔与导向盘连接，轴承与导向盘连接，轴承置于导向盘盘身U形槽中，钢管片环绕设置在所要模拟的隧道内壁和轴承外圈之间并由所述轴承支撑紧贴在所要模拟的隧道内壁上；本发明的有益效果是采用钢管片来代替传统的水囊和蜡，来实现“先加载后开挖”，本卸载开挖器承受较高应力，刚度大且不易变形，可替代隧道开挖体部分,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,卸载开挖器可重复使用，经济环保,设计了滑动轴承结构来卸荷并且控制了开挖卸荷速度。
Description
技术领域
本发明涉及对深埋高地应力隧道试验模拟试验领域，具体涉及一种模拟隧道开挖的卸载开挖器。
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，对隧道开引起的围岩岩爆等脆性破坏特征进行研究十分必要。
地下工程岩石隧道岩爆等脆性破坏的研究方法有理论分析、数值模拟、物理模拟、现场试验等多种研究手段。通常情况下，理论的假设条件与岩体实际情况之间存在一定的差距，力学方法只能为形状和受力简单的工程提供理论解，许多地下洞室复杂的非线性变形破坏问题，靠现有理论、知识仍然不能得到完善的解答；但是，数值分析方法仍然受理论、数值计算参数取值、计算机软件和硬件发展等方面的限制，这就必然造成在构建复杂地下工程数值模型时不得不对其进行大量的简化。因此，目前岩土工程数值分析大多只能用于辅助其他研究手段进行验证或者定性分析。
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。
目前，物理模拟的隧道开挖模拟方法采用的技术方案实现过程有两种，一种是“先开挖，后加载”。这种方法不能实现对实际工程在初始应力状态下隧道开挖卸荷过程的真实模拟；另一种是“先加载，后开挖”。“先加载，后开挖”模式的隧道开挖主要分为两类，第一类是机械手等钻掘设备在模型中直接开挖，其缺点非常突出，洞室形状极不规整，对周围岩土体扰动程度很大，其结果表现为围岩二次应力分布受到扰动，塑性区扩大，且实际操纵中掘进方向常常有偏差；另一类为填充卸载型，其典型代表有水囊法和加热融化法。其原理为预先制好洞型，用水囊或松香、蜡等填充材料顶住洞壁，再使水囊卸掉水压或者加热使松香融化，从而实现开挖过程。其主要缺点有：1.水囊和蜡等物质与围岩相比性质较软，在加载过程中会出现差异性承载，围岩压力偏大；2.当模拟卸载模拟开挖时，仅能模拟全断面瞬时开挖，忽略了开挖导致围岩变形的时空效应；3.特别对于加热融化型而言，其融化程度、时间的不均匀会导致围岩应力的差异性分布；总结现有模拟开挖技术的缺陷主要有：性质软刚度低，不能承受较高应力，带来围岩应力差异性分布，全断面瞬时开挖方式过于简化。
发明内容
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隧道开挖卸荷过程的卸载开挖机，解决模拟卸载模拟开挖时，仅能模拟全断面瞬时开挖，忽略了开挖导致围岩变形的时空效应，特别对于加热融化型而言，其融化程度、时间的不均匀会导致围岩应力的差异性分布的不足的问题。
为克服上述的技术不足，本发明采用以下技术方案：
一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，包括中轴、导向盘、钢管片和轴承，导向盘中心具有通孔，中轴为柱状钢管，中轴穿过导向盘中心通孔与导向盘连接，导向盘盘身上有U形槽，U形槽的槽口在导向盘外壁，U型槽呈放射状分布在导向盘上，轴承置于导向盘盘身U形槽中，轴承与导向盘盘身垂直，轴承的内圈和U形槽的槽壁相互固定，轴承的外圈凸出导向盘外沿，钢管片为弧形片且有两片以上，弧形片的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的所述钢管片依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，并由所述轴承支撑在所要模拟的隧道内壁上。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于，导向盘有两个以上，且相互平行的设置在中轴上，导向盘为不易变形的钢盘，其作用是固定各个方向的轴承。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于，轴承的内圈固定有条形的钢轴，钢轴的两端通过螺栓连接在导向盘上U型槽内,轴承通过螺栓更稳定的固定在导向盘上，使整个内部支撑装置更稳定。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于，钢管片和轴承的配置为一块钢管片至少有一个轴承支撑，提高承受应力，提高模拟试验的效果。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于，相邻钢管片之间有间隙，在拆卸过程中方便的将钢管片取出。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于，中轴设有把手，中轴为实心管，将把手焊接在中轴的一端，通过对把手上施加力，可将整个卸载开挖器拉出，达到卸荷的过程，且可通过力的大小控制卸荷的快慢，达到可调速的效果。
上述一种模拟隧道开挖的卸载开挖器进一步在于， U型槽有两个以上。
本发明的原理：
为了实现“先加载，后开挖”的试验方式，加载前先将隧道开挖***安装好待用，本次自主研制的隧道开挖***设计的尺寸精度高、具有较大的刚度，其代替“隧道被开挖体”部分，能正好均匀接触隧道内壁并且可承受洞壁传给开挖***的压力，在应力和温度加载过程中避免模拟隧道开挖前隧道洞壁及围岩发生向隧道内部的变形，此过程模型内部的应力分布和实际深埋地层的应力分布相近；因此，开挖***和物理模型结合一起完好的模拟了未进行隧道开挖的均质各项同性原始地质环境，直到模拟开挖将隧道开挖***抽出后，隧道洞壁才会因开挖卸荷而发生应力从分布、变形、破坏。
将隧道开挖***具有一定刚度的钢管片拼合于隧道洞壁，每两块钢管片存在间距，这样方便安装和开挖后取出，撑起钢管片使其紧贴于洞壁，然后将内部支撑滑动结构对准洞口使轴承刚好钢管片中部，慢慢用力将其推进，然后调整使其在隧道模型洞轴方向上居中速递开挖过程的模拟，只需抽出隧道开挖系的内部支撑结构，让钢片塌落，即完成开挖卸荷过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、 采用钢管片来代替传统的水囊和蜡，来实现“先加载后开挖”；
2、 本卸载开挖器承受较高应力，刚度大且不易变形，可替代隧道开挖体部分；
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、 设计了滑动轴承结构来卸荷并且控制了开挖卸荷速度。
附图说明
图1为卸载开挖器的内部支撑***。
图2为钢管片。
图3为导向盘与滑动轴承组结构。
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。
图1-3示出了：一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，包括中轴1、导向盘2、钢管片3和轴承4，导向盘2中心具有圆形通孔，中轴1为圆柱状钢管，中轴1穿过导向盘2中心圆形通孔与导向盘2焊接，导向盘2盘身上有U形槽，U形槽的槽口在导向盘2外壁，U型槽有两个以上且U型槽呈放射状分布在导向盘2上，在本实施例中U型槽一共有四个，分别在导向盘2盘身的四个方向上，钢轴5穿过轴承4内圈与导向盘2通过螺栓6螺母8连接，轴承4置于导向盘2盘身U形槽中，轴承4与导向盘2盘身垂直，轴承4的内圈和U形槽的槽壁相互固定，轴承4的外圈凸出导向盘2外沿，轴承内圈固定在U型槽上外圈可转动，由于导向盘2与主轴1的刚度都很大且不易变形，轴承4使得内部支撑结构在受力情况下可延轴向滑动，所以导向盘2、主轴1和轴承4作为整个卸载开挖机的内部支撑部分；钢管片3为弧形片，其弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，钢管片3环绕设置在所要模拟的隧道内壁和轴承4外圈之间并由所述轴承4支撑紧贴在所要模拟的隧道内壁上，在本实施例中钢管片3是刚度大、不易变形的4块1/4管片组成，其紧贴安装于圆形的隧道洞壁，作用是使洞壁受力均匀，并将隧道洞壁上的力传递给隧道开挖卸载开挖器的内部支撑结构，当轴承转动时，导向盘2和主轴1可以随着轴承4的转动方向负载或卸荷。
上述结构的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，导向盘2有两个以上，且相互平行设置在中轴1上，最佳的数量是主轴1上焊接了4组或以上相互平行的导向盘2。
上述结构的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，轴承4的内圈固定有条形的钢轴5，U型槽两侧有螺纹通孔，钢轴5的两端通过螺栓6螺母8连接在导向盘2上的U型槽内。
上述结构的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，钢轴5穿过轴承4内圈与轴承连接，钢轴5的底面与顶面通过焊接长条形钢块连接，轴承4和钢轴5构成滑动轴承组，当滑动轴承组受到作用力时，滑动轴承组可使得内部支撑结构在受力情况下可延轴向滑动，在本实施例中，滑动轴承组受到力带动内部支撑结构沿着隧道内部运动。
上述结构的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，钢管片3和滑动轴承组的配置为一块钢管片3至少有一个轴承4支撑，在本实施例中导向盘2上的滑动轴承组按四个方向排列，在试验室中，我们所模拟的隧道为圆形状，采用四个方向的滑动轴承组可更好的模拟开挖过程中所受应力的情况，将具有一定刚度的4块钢管片3拼合于隧道洞壁，并在每片钢管片3之间留2mm的距离，将导向盘2上的滑动轴承组对准洞口，是四个方向上的轴承4刚好分别处于四块钢管片3中部。
上述结构的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，中轴1为实心管，将把手7焊接在中轴1的一端，通过把手7对主轴1施加力，通过力的作用将卸载开挖器的内部支撑结构推进，然后调整使其在隧道模型洞轴上居中，卸载开挖器安装好后，给模型加载施加应力，当加载至要模拟的地应力值，保持应力条件不变，稳定一定时间后进行隧道开挖模拟，模拟的隧道开挖为瞬间开挖，迅速将卸载开挖器内部的支撑滑动结构抽出，支撑于洞壁围岩的钢管片3瞬间塌落，再快速地将钢管片3抽出，完成隧道卸荷开挖模拟。
通过上述方法，本发明实现了在高应力状态下不容易变形，易于人工操作并真实的模拟隧道“先加载，后开挖”的开挖卸荷过程。
Claims (7)
1.一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，包括中轴（1）、导向盘（2）、钢管片（3）和轴承（4），其特征在于：所述导向盘（2）中心具有通孔，中轴（1）为柱状钢管，中轴（1）穿过导向盘（2）中心通孔与导向盘（2）连接，所述导向盘（2）盘身上有U形槽，U形槽的槽口在导向盘（2）外壁，U型槽呈放射状分布在导向盘（2）上，所述轴承（4）置于导向盘（2）盘身U形槽中，轴承（4）与导向盘（2）盘身垂直，轴承（4）的内圈和U形槽的槽壁相互固定，轴承（4）的外圈凸出导向盘（2）外沿，所述钢管片（3）为弧形片且有两片以上，弧形片的弧度与所要模拟的隧道内壁相适配，两片以上的所述钢管片（3）依次环绕贴设在所要模拟的隧道内壁上，并由所述轴承（3）支撑在所要模拟的隧道内壁上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：所述导向盘（2）有两个以上，且相互平行的设置在中轴（1）上。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：所述轴承（4）的内圈固定有条形的钢轴（5），所述钢轴（5）的两端通过螺栓（6）螺母（8）连接在导向盘（2）上的U型槽内。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：所述钢管片（3）和轴承（4）的配置为一块钢管片（3）至少有一个轴承（4）支撑。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：相邻的钢管片（3）之间有间隙。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：所述中轴（1）设有把手（7）。
7.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖的卸载开挖器，其特征在于：所述U型槽有两个以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |