一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法
【专利摘要】一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，其装置包括动力发射装置⑸、冲头⑴、受冲薄板⑵、初始应力施加组件⑶、监测观察组件⑷，所述冲头⑴由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置⑸的发射轴线、冲头⑴、受冲薄板⑵的中心位于同一水平线上，监测观察组件⑷的光轴线与动力发射装置⑸的发射轴线交叉于受冲薄板⑵的中心。其优点是：利用特定形状的冲头高速冲击薄板来模拟深埋圆形隧洞钻爆开挖过程中的重复瞬态卸荷扰动效应，提出模拟爆破施工实际的控制手段；填补爆破卸荷效应研究在室内模拟实验方面的缺失，试验实施安全、方便、快捷、可重复性强；试验装置的各项子系统可靠度高，可行性强。
【专利说明】—种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，适用于对水利水电工程、交通工程中深埋隧洞钻爆开挖所引起的短时间内重复瞬态卸荷效应的室内模拟研究。
【背景技术】
[0002]钻孔爆破是当前国内水利水电以及交通等工程地下洞室和各类隧洞开挖的主要方式。在炸药爆炸作用下，原本完整的掌子面岩体中的一部分在瞬间被爆除，新生成的自由面上初始应力场的卸除在极短的时间内完成，引起围岩内部强烈的应力调整，造成自由面附近岩体产生松动和破坏，既造成围岩损伤，还有可能诱发岩爆、应力性坍塌或者突发大变形等动力地质灾害。对地下工程钻爆开挖中地应力的瞬态卸荷或岩体应变能的瞬态释放效应的研究与试验具有显著的工程意义。
[0003]隧洞爆破开挖的炮孔布置分为掏槽孔、崩落孔和周边孔。在分析卸荷效应造成的隧洞围岩损伤时，研究人员大多充分考虑了最外一层周边孔爆除岩块后引起的卸荷效应造成的围岩损伤。然而，周边孔以内的崩落孔和掏槽孔在起爆时都会引起瞬态卸荷效应，且周边孔多采用光面爆破，其装药量较崩落与掏槽孔减弱许多。当内层起爆孔爆除引起的卸荷动态波的影响范围达到一定程度，超过周边孔时，也会对围岩构成损伤。因此，可能对围岩质量造成影响的起爆孔圈极有可能同时包括周边孔，内层崩落孔甚至掏槽孔，内外层爆孔分别爆除造成的动态卸荷波相互耦合，故而必须将内外层炮孔作为一个整体进行试验分析。
[0004]国内对于瞬态卸荷效应的研究集中在计算机数值模拟计算分析、理论分析计算与实地钻爆数据相结合等方式，而在室内试验方面明显薄弱。这很大程度上是由于室内试验难于实现应力场的高卸载速率，不能正确模拟爆破开挖过程中新生成轮廓面上的瞬态卸荷效应。唐春安等学者在模拟岩爆的物理模型试验中，采用了为88*71*130的洞室模型，在模型上钻出50mm的空孔以模拟洞室，由试验机加载并测量位移，以模拟研报的动力过程，是隧洞爆破开挖室内模拟的一次成功尝试。但是，唐春安的模拟试验未考虑到多圈层爆破产生卸荷波的耦合效应。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有的技术状况，研发一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置及方法，运用特制的冲头高速冲击处于受压状态薄板，以模拟爆破的瞬间除岩过程，达到在室内试验中模拟钻爆开挖自由面上的瞬态卸荷效应的目的。同时提出用分级变口径冲击弹头，能够有效模拟钻孔爆破中多层爆孔圈以一定起爆延时差依次起爆的实际起爆情况，从而能够为对隧洞钻爆开挖造成围岩损伤的研究提供室内试验支持。
[0006]一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，包括动力发射装置5、冲头1、受冲薄板2、初始应力施加组件3、监测观察组件4,所述冲头I由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置5、冲头1、受冲薄板2的中心位于同一水平线上，初始应力施加组件3在受冲薄板2互相垂直的两个方向上分别施加压应力Pl和P2，监测观察组件4的光轴线与动力发射装置5的发射轴线交叉于受冲薄板2的中心，监测观察组件4的发射光束在受冲薄板2上所形成的光斑范围覆盖冲头I冲击出的圆孔及周边区域。
[0007]所述冲头I的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；所述变径断面位置H满足
[0008]H = V X t
[0009]式中，V为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。
[0010]所述受冲薄板2的材质为Homalite-1OO型塑料或聚碳酸酯中的一种；
[0011]受冲薄板尺寸设计时,需考虑到薄板边缘在冲击时对于卸荷应力波的反射效应。冲头开始接触板材的一瞬间，薄板内开始产生由受冲区域向外发散的应力波,传递至薄板边界后发生反射。为了防止反射波与卸荷应力原波叠加影响试验观测，故而所述受冲薄板2的尺寸需满足
【权利要求】
1.一种深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于:包括动力发射装置(5)、冲头⑴、受冲薄板⑵、初始应力施加组件⑶、监测观察组件⑷，所述冲头⑴由二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述动力发射装置(5)的发射轴线、冲头⑴、受冲薄板⑵的中心位于同一水平线上，初始应力施加组件⑶在受冲薄板⑵互相垂直的两个方向上分别施加压应力Pl和P2，监测观察组件⑷的光轴线与动力发射装置(5)的发射轴线交叉于受冲薄板⑵的中心，监测观察组件⑷的发射光束在受冲薄板⑵上所形成的光斑范围覆盖冲头⑴冲击出的圆孔及周边区域。
2.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于:所述冲头⑴的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；所述变径断面位置H满足 H = vXt 式中，V为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。
3.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于:所述受冲薄板⑵的材质为Homalite-1OO型塑料或聚碳酸酯中的一种；所述受冲薄板⑵的尺寸需满足下式 i '21 —< A'^ W Ww 式中，K为放大系数，I ；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；vt为冲击引起应力波在板中的传播速度。
4.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于:所述监测观察组件⑷，包括光源⑶、偏振片⑴、聚焦透镜(8)、高速摄影机(10)或红外热像仪；在受冲薄板⑵一侧设置激光光源⑶，另一侧设置高速摄影机(1Φ或红外热像仪，激光光源⑶依次通过偏振片(7)、受冲薄板⑵、偏振片(7)、聚焦透镜(8)继而被高速摄影机(10)或红外热像仪接收。
5.如权利要求1所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验装置，其特征在于:所述动力发射装置(5)为霍普金森杆，包括发射组件(6)、杆系与子弹(11)和中心支撑部件(12)。
6.一种利用权利要求1-5任一项装置的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于包括如下步骤: ⑴依次设置动力发射装置、冲头、受冲薄板，使三者的中心位于同一水平线上，采用初始应力施加组件在受冲薄板互相垂直的两个方向上分别施加压应力Pl和P2 ； ⑵在受冲薄板一侧设置激光光源，另一侧设置高速摄影机，激光光源依次通过偏振片、受冲薄板、偏振片、聚焦透镜继而被高速摄影机接收，用于记录薄板上的干涉条纹图样；激光光线与冲头运动直线交叉于受冲薄板中心； ⑶启动动力发射装置，以设计速度发射冲头冲击受冲薄板，高速摄影机进行跟踪采集，获得冲击过程中的干涉条纹图样，更换受冲薄板的材质、冲头的形状后重复试验并记载试验结果； ⑷对采集到的图样进行整理分析。
7.如权利要求6所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于:所述冲头为二级或三级圆柱体组成，相邻圆柱体之间为突变或渐变连接；所述冲头的第一级圆柱体直径对应于掏槽孔圈爆破后圆形自由面直径，第二级圆柱体直径对应于崩落孔圈爆破后圆形自由面直径，第三级圆柱体直径对应于周边孔圈爆破后圆形自由面直径；所述变径断面位置H满足 H = vXt 式中，V为冲头飞行速度，t为内外层爆破延时差。
8.如权利要求6所述的深埋圆形隧洞重复开挖卸载扰动效应室内试验方法，其特征在于:所述受冲薄板的材质为Homalite-1OO型塑料或聚碳酸酯中的一种；所述受冲薄板2的尺寸需满足
式中，K为放大系数，I ；d为受冲薄板的厚度；v为冲头飞行速度；L为受冲区域边缘到薄板边缘的最短距离；vt为冲击引起应力波在板中的传播速度。
【文档编号】G01N3/30GK104198304SQ201410484591
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】严鹏, 彭峥, 卢文波, 陈拓, 陈明 申请人:武汉大学