一種模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置的制作方法

本發明屬于巖體力學模型試驗裝備技術領域，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：

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、地質條件復雜，而鉆爆法施工具有投資省、設備小巧、適應各種地質條件、快速、機動、靈活等優點，因此這些隧道大部分采用傳統鉆爆法施工。從我國的實際情況出發，在今后很長的一段時間內，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，不斷提高隧道的掘進效率具有重要的科學價值和實際意義。

隧道開挖的物理模擬試驗在相似材料研制配比的基礎上，通過研制室內物理模擬試驗系統實現對概化的地質模型從加載、開挖、支護等的相似模擬。室內物理模擬試驗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中，可以方便的設定不同的影響條件，合理反映爆破沖擊對隧道開挖的影響，可預先布設相關檢測儀器，準確獲取隧洞圍巖的應力應變數據，從而揭示爆破開挖對隧洞圍巖的破壞機制，建立爆破作用的動力相似理論，同時對隧洞圍巖的支護和控制隧洞圍巖的穩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也需要模擬這些施工工序，其中爆破壓力和時間間隔的精確控制、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難點。

目前，在物理模擬試驗中，主要有相似材料的配制、模型試件加載、隧洞開挖、支護、監測等相似模擬過程。模型的材料性質、模型的尺寸、開挖隧洞的直徑、加載方法、開挖方法、支護方法等與原型越相似，模擬試驗的結果越可靠，可供借鑒性就越大。國內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量爆破，然而小當量炸藥配制難以實現，相似指標沒有依據，而且爆破實驗具有很大的危險性。

技術實現要素：

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

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：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，上述控制臺內具有兩組SMC高壓壓力開關和控制模塊，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，用于分別控制SMC高壓壓力開關的開閉，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，兩組上述SMC高壓壓力開關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。

本發明的有益效果是：結構簡單，使用方便，能夠較準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過程中的安全可靠，可廣泛應用于各種隧洞小當量爆破開挖的相似模擬試驗。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，上述自增壓液氮罐出氣口處設有開關閥。

采用上述進一步方案的有益效果是便于控制氮氣的輸出量。

進一步，與上述自增壓液氮罐出氣口連通的高壓軟管上設有壓力調節閥。

采用上述進一步方案的有益效果是便于調節氮氣輸出的壓力。

進一步，上述控制臺上具有顯示屏，兩個上述SMC高壓壓力開關內均具有用于監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，并將監測到的壓力信息顯示到顯示屏上，當監測到SMC高壓壓力開關處氣體壓力高于設定值時，上述控制模塊控制對應的SMC高壓壓力開關開啟，反之，控制模塊控制對應的SMC高壓壓力開關關閉。

采用上述進一步方案的有益效果是便于實時檢測SMC高壓壓力開關出的壓力，以便做出正確的操作，利于爆破實驗的順利進行，降低實驗的誤差，保持實驗的準確度。

進一步，每組上述爆破管模組均包括轉換接頭和多個氣爆管組件，上述轉換接頭內部中空，上述轉換接頭分別通過高壓軟管連通對應的上述SMC高壓壓力開關，同一組的多個上述氣爆管組件分別通過高壓軟管連通對應的上述轉換接頭，上述氣爆孔均設置在每個氣爆管組件上。

采用上述進一步方案的有益效果是爆破管模組結構簡單，安裝方便。

進一步，每個上述氣爆管組件均包括氣流芯管、法蘭固定盤、固定環盤和爆孔密封件，上述氣流芯管一端通過高壓軟管連通對應的上述轉換接頭，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盤間隔設置，上述爆孔密封件套設在氣流芯管外并位于法蘭固定盤和固定環盤之間可沿上述氣流芯管移動，且其一端與固定環盤密封連接，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置有第一發泡硅膠套和第二發泡硅膠套，上述爆孔密封件上設置上述氣爆孔，且上述氣爆孔位于第一發泡硅膠套和第二發泡硅膠套之間，上述氣流芯管上對應氣爆孔的位置設有出氣孔，上述出氣孔與氣爆孔氣流連通，當對爆孔密封件施加朝向固定環盤的外力時，上述第一發泡硅膠套和第二發泡硅膠套受外力擠壓膨脹變形，上述爆孔密封件收縮，同時，可通過將固定件固定在法蘭固定盤上，使得第一發泡硅膠套和第二發泡硅膠套保持膨脹狀態；反之，解除固定件與法蘭固定盤的固定，第一發泡硅膠套和第二發泡硅膠套恢復形變，上述爆孔密封件伸長回位。

采用上述進一步方案的有益效果是通過對爆孔密封件施加外力，實現爆破前對氣爆孔兩端的封堵，使得爆破氣流不會泄露，整個結構設計比較合理，且操作比較簡單。

進一步，上述爆孔密封件還包括撐桿機構和套管，上述撐桿機構和套管并列且間隔設置，上述第一發泡硅膠套設置在撐桿機構和套管之間，且其兩端與撐桿機構和套管密封連接，上述第二發泡硅膠套密封固定在上述套管遠離第一發泡硅膠套的一端端部，且其遠離套管的一端與固定環盤密封連接，上述套管上設置有貫穿其側壁的多個氣爆孔，上述撐桿機構遠離第一發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。

采用上述進一步方案的有益效果是爆孔密封件整個結構簡單，設計合理，操作比較方便，制作工藝也比較簡單。

進一步，上述固定件包括固定管殼和套圈，上述固定管殼套設在上述氣流芯管外，上述撐桿機構遠離第一發泡硅膠套的一端與固定管殼固定連接，上述套圈轉動安裝在上述固定管殼靠近法蘭固定盤的一端端部，且其內具有內螺紋，上述法蘭固定盤外周上設有內螺紋，上述套圈可螺紋連接在法蘭固定盤上。

采用上述進一步方案的有益效果是固定件結構簡單，操作方便，便于與法蘭固定盤固定以及拆卸。

進一步，上述撐桿機構包括移動盤和至少兩根撐桿，上述移動盤套設在上述氣流芯管上，且其一端端部與上述第一發泡硅膠套密封連接，上述撐桿圍設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置，且其一端均與上述移動盤背離第一發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。

采用上述進一步方案的有益效果是撐桿機構結構簡單，制作成本低。

附圖說明

圖1為本發明的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置的結構示意圖；

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

圖3為本發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構示意圖；

圖4為試樣與炮孔位置的分布圖。

附圖中，各標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，11、開關閥，12、壓力調節閥，31、轉換接頭，32、氣爆管組件，321、氣流芯管，322、法蘭固定盤，323、固定環盤，324、爆孔密封件，325、固定件，3241、第一發泡硅膠套，3242、第二發泡硅膠套，3243、撐桿機構，3244、套管，3251、固定管殼，3252、套圈，32431、移動盤，32432、撐桿。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

實施例：如圖1至3所示，本實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內具有兩組SMC高壓壓力開關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4，用于分別控制SMC高壓壓力開關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4，兩組上述SMC高壓壓力開關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。

考慮到便于調節自增壓液氮罐1高壓氣體輸出量的問題，在上述自增壓液氮罐1出氣口處設有開關閥11，通過該開關閥11可根據實際靈活調節實驗所需高壓氣體輸出量以及輸出狀態。

考慮到便于調節自增壓液氮罐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有壓力調節閥12，通過該壓力調節閥12比較方便根據實際實驗需求調節輸出高壓氣體壓力。

優選的，上述控制臺2上具有顯示屏，兩個上述SMC高壓壓力開關4內均具有用于監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，并將監測到的壓力信息顯示到顯示屏上，當監測到SMC高壓壓力開關4處氣體壓力高于設定值時，上述控制模塊控制對應的SMC高壓壓力開關4開啟，反之，控制模塊控制對應的SMC高壓壓力開關4關閉，可通過將兩個SMC高壓壓力開關4處的壓力值實時反饋給控制模塊，并顯示到顯示屏上，便于實驗人員觀測實驗時的壓力數據，提升實驗的準確性及安全性。

每組上述爆破管模組3均包括轉換接頭31和多個氣爆管組件32，上述轉換接頭31內部中空，上述轉換接頭31分別通過高壓軟管連通對應的上述SMC高壓壓力開關4，同一組的多個上述氣爆管組件32分別通過高壓軟管連通對應的上述轉換接頭31，上述氣爆孔均設置在每個氣爆管組件32上，由SMC高壓壓力開關4出來的高壓氣體經轉換接頭31導入到各個對應的氣爆管組件32內進行氣壓爆破實驗，操作比較方便。

每個上述氣爆管組件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的上述轉換接頭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上并與上述固定環盤328間隔設置，上述爆孔密封件324套設在氣流芯管321外并位于法蘭固定盤322和固定環盤323之間可沿上述氣流芯管321移動，且其一端與固定環盤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上并列且間隔設置有第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242，上述爆孔密封件324上設置上述氣爆孔，且上述氣爆孔位于第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242之間，上述氣流芯管321上對應氣爆孔的位置設有出氣孔，上述出氣孔與氣爆孔氣流連通，當對爆孔密封件324施加朝向固定環盤323的外力時，上述第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242受外力擠壓膨脹變形，上述爆孔密封件324收縮，同時，可通過將固定件325固定在法蘭固定盤322上，使得第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242保持膨脹狀態；反之，解除固定件325與法蘭固定盤322的固定，第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242恢復形變，上述爆孔密封件324伸長回位。

上述爆孔密封件324還包括撐桿機構3243和套管3244，上述撐桿機構3243和套管3244并列且間隔設置，上述第一發泡硅膠套3241設置在撐桿機構3243和套管3244之間，且其兩端與撐桿機構3243和套管3244密封連接，上述第二發泡硅膠套3242密封固定在上述套管3244遠離第一發泡硅膠套3241的一端端部，且其遠離套管3244的一端與固定環盤323密封連接，上述套管3244上設置有貫穿其側壁的多個氣爆孔，上述撐桿機構3243遠離第一發泡硅膠套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套設在上述氣流芯管321外，上述撐桿機構3243遠離第一發泡硅膠套3241的一端與固定管殼3251固定連接，上述套圈3252轉動安裝在上述固定管殼3251靠近法蘭固定盤322的一端端部，且其內具有內螺紋，上述法蘭固定盤322外周上設有內螺紋，上述套圈3252可螺紋連接在法蘭固定盤322上。

上述撐桿機構3243包括移動盤32431和至少兩根撐桿32432，上述移動盤32431套設在上述氣流芯管321上，且其一端端部與上述第一發泡硅膠套3241密封連接，上述撐桿32432圍設在上述氣流芯管321上外并呈圓周分布，上述撐桿32432均與氣流芯管321平行設置，且其一端均與上述移動盤32431背離第一發泡硅膠套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。

實驗過程如下：

步驟一：如圖4所示，利用不同配比且與實際隧道相似的材料澆筑試樣，試樣澆筑過程中在試樣上預留出多個內圈炮孔和多個外圈炮孔。

上述多個內圈炮孔和多個外圈炮孔分別呈圓周分布，且多個外圈炮孔與多個內圈炮孔之間呈同心圓設置，多個上述外圈炮孔構成的圓直徑大于多個內圈炮孔構成的圓直徑；

步驟二：將其中一組爆破管模組3內的多個氣爆管組件32分別插入多個內圈炮孔內，將另一組爆破管模組3內的多個氣爆管組件32分別插入多個外圈炮孔內。

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

步驟四：調節壓力調節閥12達到設定壓力，打開自增壓液氮罐1上的開關閥11，高壓氣體釋放，首先通過壓力調節閥12并達到預定壓力。

步驟五：調節控制臺2，通過控制模塊控制與內圈爆孔內的氣爆管組件32對應的SMC高壓壓力開關4首先打開，高壓氣體進入氣爆管組件32，由對應的氣爆孔導出對內圈爆孔進行沖擊，將內圈“巖石”爆碎，間隔一定時間(時間間隔可根據需要設定)后，關閉該SMC高壓壓力開關4，控制另一個SMC高壓壓力開關4打開，高壓氣體進入外圈爆孔內的氣爆管組件32內，由對應的氣爆孔導出對外圈爆孔進行沖擊，將內圈“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，并同時向外拉動爆孔密封件324，第一發泡硅膠套3241和第二發泡硅膠套3242恢復形變不再與爆孔壁抵接，將整個氣爆管組件32拉出即可。

步驟七：人工掏出廢渣，并清理試樣。

重復以上步驟，直至完成全部的爆破工作。

本發明設計的模擬隧洞鉆爆法開挖的氣壓爆破裝置及方法，具有以下優點：

1)利用發泡硅膠可以實現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，能夠準確模擬現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。

3)可以實現間隔起爆，準確模擬現場隧洞鉆爆法開挖的施工工藝，完成爆破作業。

本發明能夠較準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過程中的安全可靠，可廣泛應用于各種隧洞小當量爆破開挖的相似模擬試驗。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。