CN109785730A - 一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法，属于模型试验技术领域，解决模拟台阶法开挖效率和精度低的问题。本发明由八个子开挖模块、数据采集装置、监测传感器和紧固装置组成；数据采集装置由数据采集面板、数据线和数据插头组成。八个子开挖模块有紧固凹槽，可由紧固装置连接为一榀开挖进尺断面；开挖模块侧壁设有监测传感器，前侧中心位置设有数据插头，后侧相应位置设有数据接口，二者首尾连接，传输监测数据至数据采集装置；数据插头两侧有拆卸孔。本发明开挖模块与现场开挖的位置、尺寸按相似比尺缩小，还原度高，准确反映围岩台阶法开挖时的受力特性，提高试验效率，组装拆卸方便。

Description

一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法

技术领域

本发明公布了一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法，特别适用于地质力学模型试验中模拟隧道、巷道、硐室的台阶法开挖工序，组装拆卸便捷、测试数据精确稳定，可提高模型试验开挖测试效率，属于模型试验技术领域。

背景技术

近年来，越来越多的岩土工程研究者利用地质力学模型试验技术进行研究，相对于理论分析和数值模拟等研究方法，模型试验具有直观、简便、周期短等优点。利用模型试验，通过控制参数和变量，可直观研究隧道、巷道、地下硐室等在开挖过程中的围岩压力变化特征。

为了满足经济发展和人民生产生活的需要，在岩土工程中开挖的隧道、巷道、地下硐室的断面尺寸不断扩大，施工难度也越来越大。目前已有多种可行的超大断面隧道开挖方法，其中应用最多的是台阶法，在不同地质条件下，需根据围岩压力变化情况，确定台阶法开挖的进尺和台阶顺序。由于现场地质条件复杂，断面尺寸较大，施工过程中又难以安装足够数目的传感器进行监测，导致采集数据中断和丢失，而围岩压力变化对施工安全影响非常关键，台阶法开挖过程中围岩压力的获取和预警对安全施工至关重要。

利用地质力学模型试验进行隧道、巷道、地下硐室的开挖研究较为方便可行，根据模型试验相似比，利用相似材料和加载设备，模拟隧道原型所赋存的地质和力学条件，在模型试验台内进行模型填筑和传感器的埋设，待材料风干后进行预加载至地应力平衡，使用人工开挖的方式模拟现场开挖步骤，从而获取围岩压力变化特征和规律，根据试验结果指导现场施工。

目前，常用的做法是在模型填筑过程中，将传感器预埋至模型巷道周围，以监测围岩在开挖过程中的压力变化。但是，预埋的部分传感器在模型填筑过程中易损坏失效，且在加载过程中传感器会随填料压缩移动，进入开挖面内，严重影响后续的开挖和数据的采集。地质力学模型试验常用的台阶法开挖方式为人工台阶法开挖，即使用异型铲按照台阶法开挖步骤，对模型巷道掌子面进行凿、铲、切等工作，工作效率低下。由于人工操作存在误差较大，时常导致巷道出现超挖或者欠挖的情况，难以准确反映真实巷道掘进状态，从而无法采集和记录隧道使用台阶法掘进时的围岩压力变化，导致模型试验失去意义。

在本发明之前，申请号为2017104277233的发明提供了模拟台阶法隧道施工引发地表变形的试验装置及试验方法，由箱体、三组推进模型和检测装置组成，箱体上设置有通孔，可在实验室模拟台阶法隧道施工引发地表变形的施工过程，以便了解台阶法隧道施工对地表变形的影响规律。此专利将隧道台阶法开挖步骤简化为3步，在数量和形式上无法还原真实隧道开挖过程，其隧道模块较大，在推进过程中所遇到的摩擦阻力较大，且模型巷道顶部没有施加荷载，模拟地质条件单一，其监测使用机械式千分表，需人工读数，工作量较大，过程繁琐。

专利号为2013105372256的发明提供了一种隧道微台阶法工艺教学仿真体，仿真本体隧道内设置有展示铁路隧道微台阶法工艺流程的4个工艺展示段、正式隧道断面展示段和隧道洞门展示段，工艺展示段使用混凝土浇筑而成，可用于室内开展铁路教学，但是此专利体积较大，仅可作为教学展示用，无法模拟和监测隧道在开挖过程中围岩压力变化。

鉴于此，需要发明一种能够在模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法，以提高模型试验巷道开挖效率和监测精度。

发明内容

本发明针对现有模型试验模拟巷道台阶法开挖的不足，提供了一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具及其使用方法，解决了模型试验模拟巷道台阶法开挖时的监测和记录问题，提高开挖效率、监测精度和数据准确性。

本发明一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具的构造是：由开挖模块、数据采集装置、监测传感器和紧固装置组成，所述的开挖模块由拱顶开挖模块、拱台阶开挖模块、左边墙开挖模块、中心开挖模块、右边墙开挖模块、左脚开挖模块、底板开挖模块和右脚开挖模块组成，所述的数据采集装置由数据采集面板、数据线和数据插头组成。所述的紧固装置由紧固凹槽和紧固件组成。

所述的开挖模块是由聚四氟乙烯制成的，根据巷道使用台阶法开挖位置不同，制成八个不同的子开挖模块，即拱顶开挖模块、拱台阶开挖模块、左边墙开挖模块、中心开挖模块、右边墙开挖模块、左脚开挖模块、底板开挖模块和右脚开挖模块。

所述的开挖模块由八个子开挖模块组成一榀开挖进尺断面，根据模型试验相似比尺需要，开挖模块的厚度为5~15cm，开挖模块的进尺断面宽度为20~40cm，高度为30~40cm。

所述的开挖模块前侧中心位置设有数据插头，数据插头可与前一个相同开挖模块的数据接口进行连接；开挖模块后侧对应位置处设有数据接口，可与后一个相同开挖模块的数据插头或者数据采集装置的数据插头进行连接，同一种模块首尾相接将监测数据传输至数据采集装置。

所述的开挖模块与巷道壁接触的模块侧壁设有监测传感器，可监测巷道压力和开挖时间。

所述的开挖模块的数据插头两侧各有一个拆卸孔，可配合拆卸工具将其从开挖进尺断面上拆下，完成开挖工作。

所述的开挖模块的边缘与其他模块进行连接处设置有紧固凹槽，可通过紧固件将各个开挖模块连接为一个整体，组成一榀开挖进尺断面。

所述的拱顶开挖模块为开挖模块的拱顶部分，外形为半圆状，中间有梯形缺口，在半圆形外表面均匀分布有七个监测传感器，可监测巷道拱顶及拱腰处开挖时的压力变化；拱顶开挖模块有三个紧固凹槽，分布在拱顶开挖模块的梯形缺口上侧及两脚位置处；拱顶开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的拱台阶开挖模块为拱顶开挖模块的下部连接部分，相当于台阶法中第一台阶预留的核心土部分，外形为梯形；拱台阶开挖模块有两个紧固凹槽，分布在拱台阶开挖模块上侧和下侧；拱台阶开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的左边墙开挖模块为开挖模块的左边墙部分，外形为长方体，在左侧表面分布有两个监测传感器，可监测巷道左边墙开挖时的压力变化；左边墙开挖模块有三个紧固凹槽，分布在左边墙开挖模块上侧、下侧和右侧；左边墙开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的中心开挖模块为开挖模块的中心部分，相当于台阶法中第二台阶预留的核心土部分，外形为长方体，起到连接作用；中心开挖模块四个侧边的中部各有一个紧固凹槽；中心开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，可记录此模块开挖的时间，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的右边墙开挖模块为开挖模块的右边墙部分，与左边墙开挖模块关于巷道轴线对称，外形为长方体，在右侧表面分布有两个监测传感器，可监测巷道右边墙开挖时的压力变化；右边墙开挖模块有三个紧固凹槽，分布在右边墙开挖模块上侧、下侧和左侧；右边墙开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的左脚开挖模块为开挖模块的左脚部分，外形为长方体，在左侧和下侧表面各分布有两个监测传感器，可监测巷道左边墙和底板开挖时的压力变化；左脚开挖模块有两个紧固凹槽，分布在左脚开挖模块上侧和右侧；左脚开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的底板开挖模块为开挖模块的底板部分，相当于台阶法中第三台阶预留的核心土部分，外形为长方体，在下侧表面分布有五个监测传感器，可监测巷道底板开挖时的压力变化；底板开挖模块有三个紧固凹槽，分布在底板开挖模块左侧、上侧和右侧；底板开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的右脚开挖模块为开挖模块的右脚部分，与左脚开挖模块关于巷道轴线对称，外形为长方体，在右侧和下侧表面各分布有两个监测传感器，可监测巷道右边墙和底板开挖时的压力变化；右脚开挖模块有两个紧固凹槽，分布在右脚开挖模块上侧和左侧；右脚开挖模块前侧中心位置设有数据插头，后侧中心对应位置处设置有数据接口，数据插头两侧各有一个拆卸孔。

所述的数据采集装置是由聚四氟乙烯制成，厚度为5~8cm，外形与开挖进尺断面相同，其面板上设置有八个数据插头，面板内部有传输电路，可采集各个开挖模块监测记录的数据，数据采集装置下部有数据线，可将监测记录的数据传输至电脑；数据插头为方形扁平插头，与数据接口进行连接，两者内部有热插拔功能的电缆和电路，可进行数据的传输，在通电过程中拔下开挖模块不会导致电路短路和监测数据丢失。

所述的监测传感器为压力传感器，分布在各个开挖模块的表面与巷道围岩接触的位置，在开挖过程中监测记录各个开挖模块的开挖时间和压力变化。

所述的紧固装置由紧固凹槽和紧固件组成，紧固凹槽为各个开挖模块上不同位置处设置的半工字型开口，开口宽度8~12mm，两个紧固凹槽对接后可由紧固件连接为一个整体。

所述的紧固件是由不锈钢制成的工字型连接件，其尺寸与紧固凹槽相契合，紧固件由上扣件、下扣件和旋钮组成；上扣件和下扣件同为半工字型，中部连接在一起，旋钮为紧固件中部可转动的装置，使用十字型螺丝刀顺时针转动可将上扣件和下扣件向中部拉紧，使用十字型螺丝刀逆时针转动可将上扣件和下扣件向中部松开；当紧固件中部拉紧时将各个开挖模块连接为一个整体，当紧固件中部松开时可根据开挖位置需要，拆下某一个或者几个开挖模块。

所述的拆卸孔为各个开挖模块表面的开孔，拆卸孔的直径为6~10mm，孔深10~15mm，拆卸孔内部有榫眼结构，可使拆卸工具可从拆卸孔内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块从开挖进尺断面上拆下，完成开挖工作。

本发明一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）当模型台填料至巷道底板高度时，将各个开挖模块通过紧固件连接为一榀开挖进尺断面，根据模型试验开挖进尺需要，组装若干榀开挖进尺断面，将组装好的开挖进尺断面通过数据插头和数据接口连接，最后连接至数据采集装置上，组成巷道开挖轮廓预制模型；

（2）将连接好巷道开挖轮廓预制模型放置在巷道开挖位置，继续进行模型填料和压实风干工作，待模型制作完毕后，将数据线连接至笔记本电脑，监测模型加载至地应力平衡时巷道压力变化；

（3）待监测数据稳定后，进行模型巷道的开挖工作，利用十字型螺丝刀，反向旋转需要开挖模块与其他模块连接处的旋钮，使上扣件和下扣件松开，并取出紧固件；

（4）利用拆卸工具从拆卸孔内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块从开挖进尺断面上拆下，完成此模块的开挖工作；

（5）根据模拟开挖工序的需要，重复第（3）和（4）的操作，直至隧道分台阶开挖完毕，待所有开挖工作完成后，将监测数据保存并分析每个台阶开挖对巷道围岩压力影响。

本发明一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，将巷道台阶法开挖的各个步骤分别制成相应的开挖模块，每个开挖模块上有监测传感器监测记录开挖时的围岩压力和开挖时间，每个开挖模块通过紧固件连接，组装和拆卸方便，可快速、高效、准确的模拟和监测巷道在台阶法开挖过程中的围岩压力变化，其优点为：

（1）本发明的开挖模块根据巷道台阶法开挖位置不同，分解成八个开挖模块，各个开挖模块与现场开挖的位置和尺寸按照模型试验相似比尺进行缩小，现场还原度高；

（2）本发明的八个开挖模块由紧固件进行连接，组装拆卸灵活，适应性强，进行开挖时可进行单个模块开挖也可以多个模块组合进行开挖，可模拟两台阶、三台阶等不同开挖步序下围岩压力变化特征；

（3）本发明的监测传感器安装在各个开挖模块的表面，不是埋设在围岩内部通过排线进行传输，由于力的作用是相互的，模表面所受的压力就是围岩压力，数据监测采集和传输稳定，可准确反映围岩台阶法开挖时的受力特性，保证实验结果的准确性；

（4）本发明的各个开挖模块使用聚四氟乙烯制作，具有轻质、高强、绝缘的特性，各个开挖模块之间的摩阻力较小，组装和拆卸方便；

（5）本发明的各个开挖模块强度高，高围压条件下不变形，拆卸开挖时不存在超挖或者欠挖情况，保证巷道表面平直；

（6）本发明设计制作的模块和紧固件可重复利用，能进行多次模型试验，以验证试验结论，更好地指导现场施工。

附图说明

图1为本发明开挖时组装拆卸示意图。

图2为本发明八个开挖模块组成一榀开挖进尺断面正视图。

图3为本发明八个开挖模块拆解后正视图。

图4为本发明数据采集装置图。

图5为本发明各个开挖模块组装后侧三维视图。

图6为本发明紧固件结构图。

图7为本发明左边墙开挖模块剖面图及拆卸孔内部结构图。

图8为本发明若干榀开挖进尺断面组合三维图。

图9为本发明模拟台阶法开挖过程第一榀第一台阶拱顶开挖模块开挖图。

图10为本发明模拟台阶法开挖过程第二榀第一台阶拱顶模块开挖和第一榀第二台阶左、右边墙模块开挖图。

图11为本发明模拟台阶法开挖过程第三榀第一台阶拱顶模块开挖图。

图12为本发明模拟台阶法开挖过程前三榀三个台阶同时开挖图。

图中：1—开挖模块；11—拱顶开挖模块；12—拱台阶开挖模块；13—左边墙开挖模块；14—中心开挖模块；15—右边墙开挖模块；16—左脚开挖模块；17—底板开挖模块；18—右脚开挖模块；2—数据采集装置；21—数据采集面板；22—数据线；23—数据插头；24—数据接口；3—监测传感器；4—紧固装置；41紧固凹槽；42—紧固件；421—上扣件；422—下扣件；423—旋钮423；5—拆卸孔。

具体实施方式

本发明提供了一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1~7所示，本发明一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，由开挖模块1、数据采集装置2、监测传感器3和紧固装置4组成，所述的开挖模块1由拱顶开挖模块11、拱台阶开挖模块12、左边墙开挖模块13、中心开挖模块14、右边墙开挖模块15、左脚开挖模块16、底板开挖模块17和右脚开挖模块18组成。所述的数据采集装置2由数据采集面板21、数据线22和数据插头23组成。所述的紧固装置4由紧固凹槽41和紧固件42组成。

如图2、3所示，所述的开挖模块1是由聚四氟乙烯制成的，根据巷道使用台阶法开挖位置不同，制成八个不同的子开挖模块，即拱顶开挖模块11、拱台阶开挖模块12、左边墙开挖模块13、中心开挖模块14、右边墙开挖模块15、左脚开挖模块16、底板开挖模块17和右脚开挖模块18。

如图2所示，所述的开挖模块1由八个子开挖模块组成一榀开挖进尺断面，根据模型试验相似比尺需要，开挖模块1的厚度为5~15cm，开挖模块1的进尺断面宽度为20~40cm，高度为30~40cm。

所述的开挖模块1前侧中心位置设有数据插头23，数据插头23可与前一个相同开挖模块1的数据接口24进行连接；开挖模块1后侧对应位置处设有数据接口24，可与后一个相同开挖模块1的数据插头23或者数据采集装置2的数据插头23进行连接，同一种模块首尾相接将监测数据传输至数据采集装置2。

所述的开挖模块1与巷道壁接触的模块侧壁设有监测传感器3，可监测巷道压力和开挖时间。

所述的开挖模块1的数据插头23两侧各有一个拆卸孔5，可配合拆卸工具将其从开挖进尺断面上拆下，完成开挖工作。

所述的开挖模块1的边缘与其他模块进行连接处设置有紧固凹槽41，可通过紧固件42将各个开挖模块1连接为一个整体，组成一榀开挖进尺断面。

所述的拱顶开挖模块11为开挖模块1的拱顶部分，外形为半圆状，中间有梯形缺口，在半圆形外表面均匀分布有七个监测传感器3，可监测巷道拱顶及拱腰处开挖时的压力变化；拱顶开挖模块11有三个紧固凹槽41，分布在拱顶开挖模块11的梯形缺口上侧及两脚位置处；拱顶开挖模块11前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的拱台阶开挖模块12为拱顶开挖模块11的下部连接部分，相当于台阶法中第一台阶预留的核心土部分，外形为梯形；拱台阶开挖模块12有两个紧固凹槽41，分布在拱台阶开挖模块12上侧和下侧；拱台阶开挖模块12前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的左边墙开挖模块13为开挖模块1的左边墙部分，外形为长方体，在左侧表面分布有两个监测传感器3，可监测巷道左边墙开挖时的压力变化；左边墙开挖模块13有三个紧固凹槽41，分布在左边墙开挖模块13上侧、下侧和右侧；左边墙开挖模块13前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的中心开挖模块14为开挖模块1的中心部分，相当于台阶法中第二台阶预留的核心土部分，外形为长方体，起到连接作用；中心开挖模块14四个侧边的中部各有一个紧固凹槽41；中心开挖模块14前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，可记录此模块开挖的时间，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的右边墙开挖模块15为开挖模块1的右边墙部分，与左边墙开挖模块13关于巷道轴线对称，外形为长方体，在右侧表面分布有两个监测传感器3，可监测巷道右边墙开挖时的压力变化；右边墙开挖模块15有三个紧固凹槽41，分布在右边墙开挖模块15上侧、下侧和左侧；右边墙开挖模块15前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的左脚开挖模块16为开挖模块1的左脚部分，外形为长方体，在左侧和下侧表面各分布有两个监测传感器3，可监测巷道左边墙和底板开挖时的压力变化；左脚开挖模块16有两个紧固凹槽41，分布在左脚开挖模块16上侧和右侧；左脚开挖模块16前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的底板开挖模块17为开挖模块1的底板部分，相当于台阶法中第三台阶预留的核心土部分，外形为长方体，在下侧表面分布有五个监测传感器3，可监测巷道底板开挖时的压力变化；底板开挖模块17有三个紧固凹槽41，分布在底板开挖模块17左侧、上侧和右侧；底板开挖模块17前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

所述的右脚开挖模块18为开挖模块1的右脚部分，与左脚开挖模块16关于巷道轴线对称，外形为长方体，在右侧和下侧表面各分布有两个监测传感器3，可监测巷道右边墙和底板开挖时的压力变化；右脚开挖模块18有两个紧固凹槽41，分布在右脚开挖模块18上侧和左侧；右脚开挖模块18前侧中心位置设有数据插头23，后侧中心对应位置处设置有数据接口24，数据插头23两侧各有一个拆卸孔5。

如图4所示，所述的数据采集装置2是由聚四氟乙烯制成，厚度为5~8cm，外形与开挖进尺断面相同，其面板上设置有八个数据插头23，面板内部有传输电路，可采集各个开挖模块1监测记录的数据，数据采集装置2下部有数据线22，可将监测记录的数据传输至电脑；数据插头23为方形扁平插头，与数据接口24进行连接，两者内部有热插拔功能的电缆和电路，可进行数据的传输，在通电过程中拔下开挖模块1不会导致电路短路和监测数据丢失。

如图5所示，所述的监测传感器3为压力传感器，分布在各个开挖模块1的表面与巷道围岩接触的位置，在开挖过程中监测记录各个开挖模块1的开挖时间和压力变化。

如图6所示，所述的紧固装置4由紧固凹槽41和紧固件42组成，紧固凹槽41为各个开挖模块1上不同位置处设置的半工字型开口，开口宽度8~12mm，两个紧固凹槽41对接后可由紧固件42连接为一个整体。

所述的紧固件42是由不锈钢制成的工字型连接件，其尺寸与紧固凹槽41相契合，紧固件42由上扣件421、下扣件422和旋钮423组成；上扣件421和下扣件422同为半工字型，中部连接在一起，旋钮423为紧固件42中部可转动的装置，使用十字型螺丝刀顺时针转动可将上扣件421和下扣件422向中部拉紧，使用十字型螺丝刀逆时针转动可将上扣件421和下扣件422向中部松开；当紧固件42中部拉紧时将各个开挖模块1连接为一个整体，当紧固件42中部松开时可根据开挖位置需要，拆下某一个或者几个开挖模块1。

如图7所示，所述的拆卸孔5为各个开挖模块1表面的开孔，拆卸孔5的直径为6~10mm，孔深10~15mm，拆卸孔5内部有榫眼结构，可使拆卸工具可从拆卸孔5内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块1从开挖进尺断面上拆下，完成开挖工作。

如图8~12所示，本发明一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）当模型台填料至巷道底板高度时，将各个开挖模块1通过紧固件42连接为一榀开挖进尺断面，根据模型试验开挖进尺需要，组装若干榀开挖进尺断面，将组装好的开挖进尺断面通过数据插头23和数据接口24连接，最后连接至数据采集装置2上，组成巷道开挖轮廓预制模型；

（2）将连接好巷道开挖轮廓预制模型放置在巷道开挖位置，继续进行模型填料和压实风干工作，待模型制作完毕后，将数据线22连接至笔记本电脑，监测模型加载至地应力平衡时巷道压力变化；

（3）待监测数据稳定后，进行模型巷道的开挖工作，利用十字型螺丝刀，反向旋转需要开挖模块与其他模块连接处的旋钮423，使上扣件421和下扣件422松开，并取出紧固件42；

（4）利用拆卸工具从拆卸孔5内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块1从开挖进尺断面上拆下，完成此模块的开挖工作；

（5）根据模拟开挖工序的需要，重复第（3）和（4）的操作，直至隧道分台阶开挖完毕，待所有开挖工作完成后，将监测数据保存并分析每个台阶开挖对巷道围岩压力影响。

Claims (11)

1.一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：它由开挖模块、数据采集装置、监测传感和紧固装置组成；所述的数据采集装置由数据采集面板、数据线和数据插头组成；所述的紧固装置由紧固凹槽和紧固件组成。

2.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的开挖模块是由聚四氟乙烯制成的，根据巷道使用台阶法开挖位置不同，分成八个不同的子开挖模块，即拱顶开挖模块、拱台阶开挖模块、左边墙开挖模块、中心开挖模块、右边墙开挖模块、左脚开挖模块、底板开挖模块和右脚开挖模块。

3.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的开挖模块前侧中心位置设有数据插头，数据插头与前一个相同开挖模块的数据接口进行连接；所述的开挖模块后侧对应位置处设有数据接口，可与后一个相同开挖模块的数据插头或者数据采集装置的数据插头进行连接。

4.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的开挖模块的边缘与其他模块进行连接处设置有紧固凹槽，通过紧固件将各个开挖模块连接为一个整体，组成一榀开挖进尺断面。

5.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的数据采集装置是由聚四氟乙烯制成，厚度为5~8cm，外形与开挖进尺断面相同，其面板上设置有八个数据插头，面板内部有传输电路，可采集各个开挖模块监测记录的数据，数据采集装置下部有数据线。

6.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的数据插头为方形扁平插头，与数据接口进行连接，两者内部有热插拔功能的电缆和电路。

7.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的监测传感器为压力传感器，分布在各个开挖模块的表面与巷道围岩接触的位置。

8.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的紧固凹槽为各个开挖模块上不同位置处设置的半工字型开口，开口宽度8~12mm。

9.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的紧固件是由不锈钢制成的工字型连接件，其尺寸与紧固凹槽相契合，紧固件由上扣件、下扣件和旋钮组成；所述的上扣件和下扣件同为半工字型，中部连接在一起，旋钮位于两者的连接处，旋钮转动方向决定扣件的工作状态。

10.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具，其特征在于：所述的拆卸孔为各个开挖模块表面的开孔，位于数据插头两侧，拆卸孔的直径为6~10mm，孔深10~15mm，拆卸孔内部有榫眼结构，可使拆卸工具可从拆卸孔内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块从开挖进尺断面上拆下。

11.如权利要求1所述的一种模型试验模拟巷道台阶法开挖模具的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）当模型台填料至巷道底板高度时，将各个开挖模块通过紧固件连接为一榀开挖进尺断面，根据模型试验开挖进尺需要，组装若干榀开挖进尺断面，将组装好的开挖进尺断面通过数据插头和数据接口连接，最后连接至数据采集装置上，组成巷道开挖轮廓预制模型；

（2）将连接好巷道开挖轮廓预制模型放置在巷道开挖位置，继续进行模型填料和压实风干工作，待模型制作完毕后，将数据线连接至笔记本电脑，监测模型加载至地应力平衡时巷道压力变化；

（3）待监测数据稳定后，进行模型巷道的开挖工作，利用十字型螺丝刀，反向旋转需要开挖模块与其他模块连接处的旋钮，使上扣件和下扣件松开，并取出紧固件；

（4）利用拆卸工具从拆卸孔内***，卡住榫眼结构，将此开挖模块从开挖进尺断面上拆下，完成此模块的开挖工作；

（5）根据模拟开挖工序的需要，重复第（3）和（4）的操作，直至隧道分台阶开挖完毕，待所有开挖工作完成后，将监测数据保存并分析每个台阶开挖对巷道围岩压力影响。