本發(fā)明屬于巖體力學(xué)模型試驗(yàn)裝備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置。

背景技術(shù)：

到目前為止，我國已建成或正在修建的10km以上的隧道共七座。由于距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜，而鉆爆法施工具有投資省、設(shè)備小巧、適應(yīng)各種地質(zhì)條件、快速、機(jī)動、靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此這些隧道大部分采用傳統(tǒng)鉆爆法施工。從我國的實(shí)際情況出發(fā)，在今后很長的一段時(shí)間內(nèi)，鉆爆法施工仍是我國修建隧道的主流。因此，不斷完善鉆爆法施工技術(shù)，不斷提高隧道的掘進(jìn)效率具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

隧道開挖的物理模擬試驗(yàn)在相似材料研制配比的基礎(chǔ)上，通過研制室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對概化的地質(zhì)模型從加載、開挖、支護(hù)等的相似模擬。室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)可以通過相似理論將鉆爆法主要施工工藝反映到模擬試驗(yàn)中，可以方便的設(shè)定不同的影響條件，合理反映爆破沖擊對隧道開挖的影響，可預(yù)先布設(shè)相關(guān)檢測儀器，準(zhǔn)確獲取隧洞圍巖的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而揭示爆破開挖對隧洞圍巖的破壞機(jī)制，建立爆破作用的動力相似理論，同時(shí)對隧洞圍巖的支護(hù)和控制隧洞圍巖的穩(wěn)定性具有一定的借鑒意義。

在隧道鉆爆法開挖的過程中，主要的施工工藝有鉆孔、裝藥、爆破、除渣等。隧道的物理模型試驗(yàn)也需要模擬這些施工工序，其中爆破壓力和時(shí)間間隔的精確控制、炮孔的可行封堵措施、爆破沖擊的反力抵消等是鉆爆法開挖模擬的技術(shù)難點(diǎn)。

目前，在物理模擬試驗(yàn)中，主要有相似材料的配制、模型試件加載、隧洞開挖、支護(hù)、監(jiān)測等相似模擬過程。模型的材料性質(zhì)、模型的尺寸、開挖隧洞的直徑、加載方法、開挖方法、支護(hù)方法等與原型越相似，模擬試驗(yàn)的結(jié)果越可靠，可供借鑒性就越大。國內(nèi)外開展鉆爆法開挖的相似模擬研究相對較少，主要的方法還是采用小當(dāng)量爆破，然而小當(dāng)量炸藥配制難以實(shí)現(xiàn)，相似指標(biāo)沒有依據(jù)，而且爆破實(shí)驗(yàn)具有很大的危險(xiǎn)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置，有效的克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置，包括自增壓液氮罐、控制臺和兩組爆破管模組，上述控制臺內(nèi)具有兩組SMC高壓壓力開關(guān)和控制模塊，上述控制模塊通過線路分別連接兩組上述SMC高壓壓力開關(guān)，用于分別控制SMC高壓壓力開關(guān)的開閉，上述自增壓液氮罐出氣口通過高壓軟管分別連接兩組SMC高壓壓力開關(guān)，兩組上述SMC高壓壓力開關(guān)分別通過高壓軟管連通兩組上述爆破管模組，每組上述爆破管模組上均具有氣爆孔。

本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠較準(zhǔn)確的模擬鉆爆法開挖的施工工序，操作簡單，保證了隧洞模擬試驗(yàn)過程中的安全可靠，可廣泛應(yīng)用于各種隧洞小當(dāng)量爆破開挖的相似模擬試驗(yàn)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，上述自增壓液氮罐出氣口處設(shè)有開關(guān)閥。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是便于控制氮?dú)獾妮敵隽俊?/p>

進(jìn)一步，與上述自增壓液氮罐出氣口連通的高壓軟管上設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是便于調(diào)節(jié)氮?dú)廨敵龅膲毫Α?/p>

進(jìn)一步，上述控制臺上具有顯示屏，兩個(gè)上述SMC高壓壓力開關(guān)內(nèi)均具有用于監(jiān)測氣體壓力的壓力傳感器，上述壓力傳感器分別通過線路連接上述控制模塊，并將監(jiān)測到的壓力信息顯示到顯示屏上，當(dāng)監(jiān)測到SMC高壓壓力開關(guān)處氣體壓力高于設(shè)定值時(shí)，上述控制模塊控制對應(yīng)的SMC高壓壓力開關(guān)開啟，反之，控制模塊控制對應(yīng)的SMC高壓壓力開關(guān)關(guān)閉。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是便于實(shí)時(shí)檢測SMC高壓壓力開關(guān)出的壓力，以便做出正確的操作，利于爆破實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，降低實(shí)驗(yàn)的誤差，保持實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步，每組上述爆破管模組均包括轉(zhuǎn)換接頭和多個(gè)氣爆管組件，上述轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)部中空，上述轉(zhuǎn)換接頭分別通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述SMC高壓壓力開關(guān)，同一組的多個(gè)上述氣爆管組件分別通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述轉(zhuǎn)換接頭，上述氣爆孔均設(shè)置在每個(gè)氣爆管組件上。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是爆破管模組結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

進(jìn)一步，每個(gè)上述氣爆管組件均包括氣流芯管、法蘭固定盤、固定環(huán)盤和爆孔密封件，上述氣流芯管一端通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述轉(zhuǎn)換接頭，上述氣流芯管另一端封閉，上述法蘭固定盤固定在氣流芯管上并與上述固定環(huán)盤間隔設(shè)置，上述爆孔密封件套設(shè)在氣流芯管外并位于法蘭固定盤和固定環(huán)盤之間可沿上述氣流芯管移動，且其一端與固定環(huán)盤密封連接，另一端穿過上述法蘭固定盤并固定連接有固定件，上述爆孔密封件上并列且間隔設(shè)置有第一發(fā)泡硅膠套和第二發(fā)泡硅膠套，上述爆孔密封件上設(shè)置上述氣爆孔，且上述氣爆孔位于第一發(fā)泡硅膠套和第二發(fā)泡硅膠套之間，上述氣流芯管上對應(yīng)氣爆孔的位置設(shè)有出氣孔，上述出氣孔與氣爆孔氣流連通，當(dāng)對爆孔密封件施加朝向固定環(huán)盤的外力時(shí)，上述第一發(fā)泡硅膠套和第二發(fā)泡硅膠套受外力擠壓膨脹變形，上述爆孔密封件收縮，同時(shí)，可通過將固定件固定在法蘭固定盤上，使得第一發(fā)泡硅膠套和第二發(fā)泡硅膠套保持膨脹狀態(tài)；反之，解除固定件與法蘭固定盤的固定，第一發(fā)泡硅膠套和第二發(fā)泡硅膠套恢復(fù)形變，上述爆孔密封件伸長回位。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是通過對爆孔密封件施加外力，實(shí)現(xiàn)爆破前對氣爆孔兩端的封堵，使得爆破氣流不會泄露，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，且操作比較簡單。

進(jìn)一步，上述爆孔密封件還包括撐桿機(jī)構(gòu)和套管，上述撐桿機(jī)構(gòu)和套管并列且間隔設(shè)置，上述第一發(fā)泡硅膠套設(shè)置在撐桿機(jī)構(gòu)和套管之間，且其兩端與撐桿機(jī)構(gòu)和套管密封連接，上述第二發(fā)泡硅膠套密封固定在上述套管遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套的一端端部，且其遠(yuǎn)離套管的一端與固定環(huán)盤密封連接，上述套管上設(shè)置有貫穿其側(cè)壁的多個(gè)氣爆孔，上述撐桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套的一端穿過上述法蘭固定盤并與上述固定件相連。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是爆孔密封件整個(gè)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，操作比較方便，制作工藝也比較簡單。

進(jìn)一步，上述固定件包括固定管殼和套圈，上述固定管殼套設(shè)在上述氣流芯管外，上述撐桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套的一端與固定管殼固定連接，上述套圈轉(zhuǎn)動安裝在上述固定管殼靠近法蘭固定盤的一端端部，且其內(nèi)具有內(nèi)螺紋，上述法蘭固定盤外周上設(shè)有內(nèi)螺紋，上述套圈可螺紋連接在法蘭固定盤上。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是固定件結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于與法蘭固定盤固定以及拆卸。

進(jìn)一步，上述撐桿機(jī)構(gòu)包括移動盤和至少兩根撐桿，上述移動盤套設(shè)在上述氣流芯管上，且其一端端部與上述第一發(fā)泡硅膠套密封連接，上述撐桿圍設(shè)在上述氣流芯管上外并呈圓周分布，上述撐桿均與氣流芯管平行設(shè)置，且其一端均與上述移動盤背離第一發(fā)泡硅膠套的一端端部固定連接，另一端均穿過上述法蘭固定盤與固定管殼固定連接。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是撐桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置中SMC高壓壓力開關(guān)的分布圖；

圖3為本發(fā)明的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置中氣爆管組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為試樣與炮孔位置的分布圖。

附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：

1、自增壓液氮罐，2、控制臺，3、爆破管模組，4、SMC高壓壓力開關(guān)，11、開關(guān)閥，12、壓力調(diào)節(jié)閥，31、轉(zhuǎn)換接頭，32、氣爆管組件，321、氣流芯管，322、法蘭固定盤，323、固定環(huán)盤，324、爆孔密封件，325、固定件，3241、第一發(fā)泡硅膠套，3242、第二發(fā)泡硅膠套，3243、撐桿機(jī)構(gòu)，3244、套管，3251、固定管殼，3252、套圈，32431、移動盤，32432、撐桿。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例：如圖1至3所示，本實(shí)施例的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置包括自增壓液氮罐1、控制臺2和兩組爆破管模組3，上述控制臺2內(nèi)具有兩組SMC高壓壓力開關(guān)4和控制模塊，上述控制模塊通過線路分別連接兩組上述SMC高壓壓力開關(guān)4，用于分別控制SMC高壓壓力開關(guān)4的開閉，上述自增壓液氮罐1出氣口通過高壓軟管分別連接兩組SMC高壓壓力開關(guān)4，兩組上述SMC高壓壓力開關(guān)4分別通過高壓軟管連通兩組上述爆破管模組3，每組上述爆破管模組3上均具有氣爆孔。

考慮到便于調(diào)節(jié)自增壓液氮罐1高壓氣體輸出量的問題，在上述自增壓液氮罐1出氣口處設(shè)有開關(guān)閥11，通過該開關(guān)閥11可根據(jù)實(shí)際靈活調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需高壓氣體輸出量以及輸出狀態(tài)。

考慮到便于調(diào)節(jié)自增壓液氮罐1輸出高壓氣體壓力的問題，與上述自增壓液氮罐1出氣口連通的高壓軟管上設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥12，通過該壓力調(diào)節(jié)閥12比較方便根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)輸出高壓氣體壓力。

優(yōu)選的，上述控制臺2上具有顯示屏，兩個(gè)上述SMC高壓壓力開關(guān)4內(nèi)均具有用于監(jiān)測氣體壓力的壓力傳感器，上述壓力傳感器分別通過線路連接上述控制模塊，并將監(jiān)測到的壓力信息顯示到顯示屏上，當(dāng)監(jiān)測到SMC高壓壓力開關(guān)4處氣體壓力高于設(shè)定值時(shí)，上述控制模塊控制對應(yīng)的SMC高壓壓力開關(guān)4開啟，反之，控制模塊控制對應(yīng)的SMC高壓壓力開關(guān)4關(guān)閉，可通過將兩個(gè)SMC高壓壓力開關(guān)4處的壓力值實(shí)時(shí)反饋給控制模塊，并顯示到顯示屏上，便于實(shí)驗(yàn)人員觀測實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及安全性。

每組上述爆破管模組3均包括轉(zhuǎn)換接頭31和多個(gè)氣爆管組件32，上述轉(zhuǎn)換接頭31內(nèi)部中空，上述轉(zhuǎn)換接頭31分別通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述SMC高壓壓力開關(guān)4，同一組的多個(gè)上述氣爆管組件32分別通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述轉(zhuǎn)換接頭31，上述氣爆孔均設(shè)置在每個(gè)氣爆管組件32上，由SMC高壓壓力開關(guān)4出來的高壓氣體經(jīng)轉(zhuǎn)換接頭31導(dǎo)入到各個(gè)對應(yīng)的氣爆管組件32內(nèi)進(jìn)行氣壓爆破實(shí)驗(yàn)，操作比較方便。

每個(gè)上述氣爆管組件32均包括氣流芯管321、法蘭固定盤322、固定環(huán)盤323和爆孔密封件324，上述氣流芯管321一端通過高壓軟管連通對應(yīng)的上述轉(zhuǎn)換接頭31，上述氣流芯管321另一端封閉，上述法蘭固定盤322固定在氣流芯管321上并與上述固定環(huán)盤328間隔設(shè)置，上述爆孔密封件324套設(shè)在氣流芯管321外并位于法蘭固定盤322和固定環(huán)盤323之間可沿上述氣流芯管321移動，且其一端與固定環(huán)盤323密封連接，另一端穿過上述法蘭固定盤322并固定連接有固定件325，上述爆孔密封件324上并列且間隔設(shè)置有第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242，上述爆孔密封件324上設(shè)置上述氣爆孔，且上述氣爆孔位于第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242之間，上述氣流芯管321上對應(yīng)氣爆孔的位置設(shè)有出氣孔，上述出氣孔與氣爆孔氣流連通，當(dāng)對爆孔密封件324施加朝向固定環(huán)盤323的外力時(shí)，上述第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242受外力擠壓膨脹變形，上述爆孔密封件324收縮，同時(shí)，可通過將固定件325固定在法蘭固定盤322上，使得第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242保持膨脹狀態(tài)；反之，解除固定件325與法蘭固定盤322的固定，第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242恢復(fù)形變，上述爆孔密封件324伸長回位。

上述爆孔密封件324還包括撐桿機(jī)構(gòu)3243和套管3244，上述撐桿機(jī)構(gòu)3243和套管3244并列且間隔設(shè)置，上述第一發(fā)泡硅膠套3241設(shè)置在撐桿機(jī)構(gòu)3243和套管3244之間，且其兩端與撐桿機(jī)構(gòu)3243和套管3244密封連接，上述第二發(fā)泡硅膠套3242密封固定在上述套管3244遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套3241的一端端部，且其遠(yuǎn)離套管3244的一端與固定環(huán)盤323密封連接，上述套管3244上設(shè)置有貫穿其側(cè)壁的多個(gè)氣爆孔，上述撐桿機(jī)構(gòu)3243遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套3241的一端穿過上述法蘭固定盤322并與上述固定件325相連。

上述固定件325包括固定管殼3251和套圈3252，上述固定管殼3251套設(shè)在上述氣流芯管321外，上述撐桿機(jī)構(gòu)3243遠(yuǎn)離第一發(fā)泡硅膠套3241的一端與固定管殼3251固定連接，上述套圈3252轉(zhuǎn)動安裝在上述固定管殼3251靠近法蘭固定盤322的一端端部，且其內(nèi)具有內(nèi)螺紋，上述法蘭固定盤322外周上設(shè)有內(nèi)螺紋，上述套圈3252可螺紋連接在法蘭固定盤322上。

上述撐桿機(jī)構(gòu)3243包括移動盤32431和至少兩根撐桿32432，上述移動盤32431套設(shè)在上述氣流芯管321上，且其一端端部與上述第一發(fā)泡硅膠套3241密封連接，上述撐桿32432圍設(shè)在上述氣流芯管321上外并呈圓周分布，上述撐桿32432均與氣流芯管321平行設(shè)置，且其一端均與上述移動盤32431背離第一發(fā)泡硅膠套3241的一端端部固定連接，另一端均穿過上述法蘭固定盤322與固定管殼3251固定連接。

實(shí)驗(yàn)過程如下：

步驟一：如圖4所示，利用不同配比且與實(shí)際隧道相似的材料澆筑試樣，試樣澆筑過程中在試樣上預(yù)留出多個(gè)內(nèi)圈炮孔和多個(gè)外圈炮孔。

上述多個(gè)內(nèi)圈炮孔和多個(gè)外圈炮孔分別呈圓周分布，且多個(gè)外圈炮孔與多個(gè)內(nèi)圈炮孔之間呈同心圓設(shè)置，多個(gè)上述外圈炮孔構(gòu)成的圓直徑大于多個(gè)內(nèi)圈炮孔構(gòu)成的圓直徑；

步驟二：將其中一組爆破管模組3內(nèi)的多個(gè)氣爆管組件32分別插入多個(gè)內(nèi)圈炮孔內(nèi)，將另一組爆破管模組3內(nèi)的多個(gè)氣爆管組件32分別插入多個(gè)外圈炮孔內(nèi)。

步驟三：對爆孔密封件324施加朝向固定環(huán)盤323的外力，通過力的傳遞，使得爆孔密封件324內(nèi)的第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242分別受壓膨脹，與對應(yīng)的爆孔壁緊密抵接。

步驟四：調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥12達(dá)到設(shè)定壓力，打開自增壓液氮罐1上的開關(guān)閥11，高壓氣體釋放，首先通過壓力調(diào)節(jié)閥12并達(dá)到預(yù)定壓力。

步驟五：調(diào)節(jié)控制臺2，通過控制模塊控制與內(nèi)圈爆孔內(nèi)的氣爆管組件32對應(yīng)的SMC高壓壓力開關(guān)4首先打開，高壓氣體進(jìn)入氣爆管組件32，由對應(yīng)的氣爆孔導(dǎo)出對內(nèi)圈爆孔進(jìn)行沖擊，將內(nèi)圈“巖石”爆碎，間隔一定時(shí)間(時(shí)間間隔可根據(jù)需要設(shè)定)后，關(guān)閉該SMC高壓壓力開關(guān)4，控制另一個(gè)SMC高壓壓力開關(guān)4打開，高壓氣體進(jìn)入外圈爆孔內(nèi)的氣爆管組件32內(nèi)，由對應(yīng)的氣爆孔導(dǎo)出對外圈爆孔進(jìn)行沖擊，將內(nèi)圈“巖石”爆碎。

步驟六：解除固定件325與法蘭固定盤322的連接狀態(tài)，并同時(shí)向外拉動爆孔密封件324，第一發(fā)泡硅膠套3241和第二發(fā)泡硅膠套3242恢復(fù)形變不再與爆孔壁抵接，將整個(gè)氣爆管組件32拉出即可。

步驟七：人工掏出廢渣，并清理試樣。

重復(fù)以上步驟，直至完成全部的爆破工作。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置及方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)利用發(fā)泡硅膠可以實(shí)現(xiàn)對高壓氣流兩端封堵的效果，防止漏氣，保證了高壓氣流的沖擊效果，具有一定的安全可靠性。

2)可以控制爆破壓力的大小，能夠準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場隧洞開挖的爆破壓力，為建立爆破動力相似理論提供依據(jù)。

3)可以實(shí)現(xiàn)間隔起爆，準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場隧洞鉆爆法開挖的施工工藝，完成爆破作業(yè)。

本發(fā)明能夠較準(zhǔn)確的模擬鉆爆法開挖的施工工序，操作簡單，保證了隧洞模擬試驗(yàn)過程中的安全可靠，可廣泛應(yīng)用于各種隧洞小當(dāng)量爆破開挖的相似模擬試驗(yàn)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。