[发明专利]用于隧道爆破开挖试验等效模型及其使用方法

权利要求书

1.一种用于隧道爆破开挖试验等效模型，包括主箱体和溶液注射装置，其特征是，所述主箱体为上端敞口的空心长方体，且各面均由多块完全相同的方形钢板组成，钢板外侧面固定有用于加强整体强度的带肋钢筋，钢板连接处设有高强螺栓和供高强螺栓穿过的连接孔，各面的连接处设有L字钢，主箱体内部设有四氟板，四氟板的形状与主箱体相同，相似材料固定于四氟板内侧；溶液注射装置包括嵌入在相似材料内部的注射器和与注射器连接的充气泵；

所述注射器包括自外至内的外壁壳、注射针和内壁壳，所述外壁壳和内壁壳均为空心壳体，外壁壳和内壁壳的竖向截面形状为开挖洞口缩小而成，注射针的尾端固定在内壁壳的外侧、首端固定在外壁壳的内侧，且注射针在内壁壳的外侧均匀分布；内壁壳处设有推进杆，推进杆固定在内壁壳插入方向的相反一侧且穿过外壁壳向外伸出，推进杆为空心圆筒，推进杆外壁壳向外依次设有第一转动滑轮和第二转动滑轮；

所述注射针自内壁壳起为顺次连接的外推动器、蓄液盒和盒卡槽，外推动器的尾端与圆柱形轨道壳螺纹连接，蓄液盒为横截面为正方形的空心长方体、且外推动器的横向截面面积小于蓄液盒的横向截面面积，内推动器固定在外推动器中心，并穿过外推动器与蓄液盒的连接面，再伸入蓄液盒内，内推动器的首端固定有与蓄液盒内壁横截面相同的橡胶板，盒卡槽包括两个完全相同且互相对称的挡板，挡板固定在蓄液盒的侧面远离外推动器的一端，两个挡板相对的面内固定有气囊带，且各注射针的气囊带为一体设置；蓄液盒处还固定有针头，针头位于两个挡板之间且位于蓄液盒顶面的中心位置，蓄液盒在针头处设有与针头底端尺寸相同的圆形通孔，针头处设有与圆形通孔匹配的贯通腔，针头的侧面设有均匀分布的针孔；

所述第一转动滑轮内部连接有第一转动杆，第一转动杆的外壁固定有第一齿轮，第一齿轮与轨道壳底面外侧均匀分布的齿啮合；第二转动滑轮内部连接有数量与注射针数量相同的第二转动杆，第二转动杆的外壁固定有第二齿轮，第二齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与固定在内推动器底端的第四齿轮啮合，第四齿轮固定在内推动器底端侧壁开设的凹槽处。

2.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述主箱体内部设有监测元件，且主箱体处开有引线孔，引线孔为圆形通孔且设置在主箱体的左侧面或右侧面，供监测元件利用穿过引线孔的数据线与设置在主箱体旁的计算机连接。

3.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述主箱体内部还固定有透明板，透明板由透明亚克力制成，且透明板固定在主箱体处注射器插入的一侧、主箱体和四氟板之间，便于直观地观察内部相似材料的破坏状态；同时主箱体固定透明板的一侧开有通孔，孔洞形状与开挖洞口相同且略大于洞口尺寸，通孔用于模拟爆破时向相似材料内开挖并向相似材料内嵌入注射器。

4.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述蓄液盒的上侧面设有注液孔，注液孔为圆形通孔，实现液体的注入与封堵。

5.如权利要求1所述的用于隧道爆破开挖试验等效模型，其特征是，所述外壁壳的侧面底端还设有与气囊带连接的气管，气囊带通过气管与设置在外部的充气泵连接。

6.如权利要求1-5任一项所述用于隧道爆破开挖试验等效模型的使用方法，其特征是，包括如下步骤：

S1.将钢板通过高强螺栓连接成主箱体并铺设四氟板，向主箱体填充相似材料；

S2.确定注射针个数及位置，

确定注射针个数方式如下：

根据爆破开挖对围岩产生损伤情况，需满足公式式中：E为初始状态围岩弹性模量，E₀为开挖爆破后围岩弹性模量，以保障模型的有效性；

根据相似条件C_σ＝C_γC_L，式中：C_L为几何相似比、C_γ为容重相似比、C_σ为强度相似比；

再根据相似理论C_γ＝1、式中：S_M为模型洞口跨度，S_G为实际工程断面洞口跨度；

确定总针孔线长度需满足公式式中：L为隧洞横截面长度、σ_M为模型材料强度、σ_G为实际围岩强度；

最后确定注射针个数需满足公式式中：R为针孔直径；

注射针的布置位置需结合现场综合确定；

S3.在透明板处开设开挖洞口，并向相似材料内延伸，将注射器放入开挖洞口内；

S4.转动第一转动滑轮，使外推动器推动蓄液盒移动并将针头完全插入材料内部；

S5.通过气管对气囊带充入气体，使气囊带维持在一定气压下,且处于外壁壳和开挖洞口之间的空隙内；

S6.转动第二转动滑轮，使内推动器推动橡胶板将溶液注入到区域材料中；

S7.拆下充气泵、打开气管、回转第一转动滑轮和第二转动滑轮，将注射器取出后，进行相应支护及监测；

S8.整个开挖过程重复步骤4～步骤7，以贴合工程实际中通常采用的分段开挖方式，重复次数N＝L_n/l_n，式中：L_n为模型厚度、l_n为工程掘进长度与几何相似比的比值。