富水岩溶区爆破模拟系统的制作方法

1.本实用新型涉及建筑工程模拟的技术领域，具体涉及一种富水岩溶区爆破模拟系统。


背景技术：

2.在地质环境的分布上，我国岩溶区面积宽广，主要分布于西南地区，随着基础建设的飞速发展，越来越多的隧道工程建设受制于富水岩溶区的不良地质条件，该区域的地质特征以富水高压、节理裂隙发育、岩溶通道发育、地层松散破碎为主，在受到隧道开挖扰动后会引起应力状态和地下水路径的变化，极易发生突水突泥、顶板塌方等地质灾害，产生巨大的人员伤亡和经济效益损失。
3.富水岩溶区中存在的溶洞是由地下水侵蚀岩层而产生的，溶洞的内部空腔通常含有淤泥、砂石等填充物，当溶洞内的地下水与岩层内的岩溶水系相连通时，一般存在高水压和渗透应力，溶腔附近岩体强度在充填介质的化学侵蚀和机械流蚀作用的影响下通常结构松散强度较低，在一定外力作用下平衡条件被打破时，充填介质会冲破阻隔岩层沿着优势通道运移至临空面，造成隧道结构的破坏。
4.目前，对于岩溶隧道施工过程中围岩体的变形破坏特征和溶腔结构突水突泥灾变演化规律的研究方向主要集中于数值模拟和模型试验。其中数值模拟是对实际工程对象处于理想条件的若干种假设，计算结果普遍存在较大的误差。模型试验集中于隧道开挖时充填介质在静荷载状态下的失稳过程，且现有的模型试验结构过于复杂繁琐，成本高；同时，无法对隧道爆破时充填介质在高速率动荷载作业下突水突泥的状况进行模拟研究。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本技术的目的在于提供富水岩溶区爆破模拟系统，具有模拟出富水岩溶区域在高速率动荷载作业下突水突泥的状况，以及结构简单，经济实用。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
7.一种富水岩溶区爆破模拟系统，包括模拟试样、模拟溶洞、注泥通道和输水通道，所述模拟试样开设有至少一个炮眼，所述模拟溶洞设置于所述模拟试样的内部，所述模拟溶洞分别与所述注泥通道、所述输水通道两者的一端相连接，所述注泥通道和所述输水通道两者的另一端分别延伸至所述模拟试样的表面；当所述溶洞内腔填充有泥水混合物时，所述注泥通道填充有封闭砼，用于将所述溶洞内腔与外界相隔离。
8.本实用新型进一步设置为：所述模拟溶洞包括有溶洞外壳以及由所述溶洞外壳所限定的溶洞内腔。
9.本实用新型进一步设置为：所述注泥通道和所述输水通道两者分别与所述溶洞内腔相连通。
10.本实用新型进一步设置为：所述溶洞内腔的上方形状设为棱台状，所述溶洞内腔的下方形状设为圆柱状；或所述溶洞内腔形状可设为不规则设置。
11.本实用新型进一步设置为：所述模拟溶洞的材料选用混凝土，和所述输水通道选用pvc材料制成,所述注泥通道为开设于所述模拟试样的通道。
12.本实用新型进一步设置为：所述输水通道远离所述溶洞内腔的一端连接有泵体。
13.本实用新型进一步设置为：包括有爆破装置，所述爆破装置包括有炸药和起爆器，所述炸药置于所述炮眼之中，所述起爆器置于所述模拟试样的外部，所述炸药和所述起爆器之间相连接。
14.本实用新型进一步设置为：所述炮眼的眼口设置有起到封闭作用的封孔炮泥。
15.本实用新型进一步设置为：所述炮眼的深度至少为所述模拟试样的高度或宽度的三分之一。
16.本实用新型进一步设置为：包括有设于所述模拟试样和所述模拟溶洞之中的数据采集装置。
17.本实用新型进一步设置为：所述模拟溶洞的抗压强度至少为20mpa，所述模拟试样的抗压强度至少为50mpa。
18.综上所述，本实用新型具有以下有益效果：
19.1.通过混凝土预制模拟溶洞，并固定于模拟试样当中，使得模拟溶洞与模拟试样之间结合的更为紧密，真实模拟出富水岩溶区域的岩层结构，通过注泥通道和输水通道在溶洞内腔中形成加载有一定水压的泥水混合物，更为真实的模拟富水岩溶区域的溶腔中充填介质，充分考虑了充填介质在外力作用下所起的作用，避免数据结果失真，通过在炮眼进行爆破，可模拟出溶洞结构对围岩爆破破坏的影响程度，包括破坏方向和碎裂程度，也可模拟不同爆破次数和爆破药量下的突水突泥过程；
20.2.通过在模拟试样成型过程中同步制造炮眼，无需采用钻机打孔的方式，避免装置模型材料的初始损伤，保持其原始应力状态，消除了机械钻取炮孔造成的结果误差；
21.3.通过对模拟溶洞进行预先制造，在模拟试样成型过程中，将模拟溶洞固定于模拟试样的指定地点，使得模拟溶洞与模拟试样结合为一体，同时通过第一管道和第二管道的同步插接，使得输水通道和注泥通道两者可与模拟试样同时成型，无需后期对模拟试样进行钻取施工，减少了装置制造的工作量；
22.4.该试验装置结构简单，易于实现和施工操作，通过调整加载水压、泥水混合物、炮眼和模拟溶洞之间的位置、炮眼的数量以及炸药的药量的参数，进而匹配不同工况并在适宜于多种环境条件下进行试验。
附图说明
23.图1为本实施例的模拟溶洞的结构示意图；
24.图2为本实施例的模拟试样的结构示意图；
25.图3为本实施例的模拟试样的应用示意图。
26.附图标记：1、模拟试样；2、模拟溶洞；21、溶洞外壳；22、溶洞内腔；3、注泥通道；31、封闭砼；4、输水通道；5、炮眼；61、炸药；62、起爆器；71、高压软管；72、泵体。
具体实施方式
27.下面结合附图和示例性实施例对本实用新型作进一步地描述，其中附图中相同的
标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本实用新型的特征是不必要的，则将其省略。
28.对实施例的描述应当详细，使本领域的技术人员在不需创造性就可实现本技术方案。实施例可以是一个或多个，应视具体情况而定，以支持所要保护的范围。
29.对于产品对的实用新型，具体实施方式应结合附图详细描述产品的机械构成，说明各部件之间的相互关系，例如它们之间的连接关系、配合关系等，必要时还应说明其动作过程或操作步骤。涉及方法实用新型时，除写明步骤外，还应写出其工艺条件。
30.如图1和图2所示，本实用新型公开的一种富水岩溶区爆破模拟系统，适用于富水岩溶区域的地质结构，包括模拟试样1、模拟溶洞2、注泥通道3、输水通道4、爆破装置和数据采集装置，模拟试样1开设有至少一个炮眼5，爆破装置安装于炮眼5中，模拟溶洞2设置于模拟试样1的内部，模拟溶洞2分别与注泥通道3、输水通道4两者的一端相连接，注泥通道3和输水通道4两者的另一端分别延伸至模拟试样1的表面，数据采集装置布置于模拟试样1和模拟溶洞2之中。其中模拟试样1起到模拟富水岩溶区域的作用，模拟溶洞2起到模拟富水岩溶区域中溶洞结构作用，通过在模拟溶洞2中形成泥水混合物，并在模拟试样1中爆破，通过数据采集装置获得高速率动荷载作用下的模拟试样1中各个点的数据，分析试验过程中各采集点应力、应变、位移、渗压等物理场的动态变化规律，揭示富水岩溶区域在高速率动荷载作用下模拟溶洞2突水突泥过程中各物理场的前兆信息。
31.模拟溶洞2包括有溶洞外壳21以及由溶洞外壳21所限定的溶洞内腔22，溶洞外壳21和溶洞内腔22两者的高度相同设置，溶洞内腔22的顶部与溶洞外壳21的顶部之间对齐设置，便于将泥浆注入至溶洞内腔22当中，模拟溶洞2的材料选用混凝土和速凝剂，使得混凝土可快速成型，其完全凝固后具有至少20mpa的抗压强度。
32.溶洞外壳21的形状为圆柱状，溶洞外壳21的直径为110mm、高度为200mm，溶洞内腔22的上方形状设为棱台状，溶洞内腔22的下方形状设为圆柱状；或溶洞内腔形状可设为不规则设置，以更真实的模拟溶洞的自然形态，使得模拟试验所采集的数据更为真实可靠。
33.模拟溶洞2分别设有第一开口和第二开口，第一开口贯穿溶洞外壳21和溶洞内腔22，第二开口贯穿溶洞内腔22，第一开口和第二开口两者所在位置可依据模拟溶洞2在模拟试样1中位置作出相应的调整，在本实施例中第一开口开设于模拟溶洞2的侧面，第二开口开设于溶洞内腔22的顶部。通过预制成模拟溶洞2，在模拟试样1的成型过程中可较好的保持其结构完整性并与模拟试样1结合紧密，使得成型后的模拟试样1更为趋向于真实的富水岩溶地质结构。
34.图2和图3所示，模拟试样1的形状可根据试验要求作出相对应的调整，本实施例中模拟试样1的形状选用为长方体，模拟试样1的尺寸为1000mm
×
1000mm
×
800mm，采用混凝土浇筑而成，成分为混凝土、水、碎石、砂子和减水剂，其凝固成型后具有至少50mpa的抗压强度，模拟试样1和模拟溶洞2两者配合模拟富水岩溶区域的环境，可用于模拟并观察溶洞对围岩爆破破坏的影响程度。
35.输水通道4穿过第一开口与溶洞内腔22相连通，注泥通道3与第二开口之间相对接并与溶洞内腔22相连通，注泥通道3和输水通道4两者均贯穿模拟试样1与外界相连通，其中输水通道4远离溶洞内腔22的一端延伸出模拟试样1，便于输水通道4与高压软管71相连接，而注泥通道3远离溶洞内腔22的一端与模拟试样1的外壁相平齐。
36.输水通道4选用pvc材料制成，输水通道4的直径选为20mm，其长度可依据模拟溶洞2在模拟试样1中位置而作出相应调整,注泥通道3为开设于模拟试样1的通道，其直径为32mm。
37.输水通道4远离溶洞内腔22的一端连接有泵体72，泵体72选用为手压泵，泵体72与输水通道4之间连接有高压软管71，通过泵体72可对溶洞内腔22加载不同的水压；同时，使得水体更易于输入至溶洞内腔22当中。
38.当溶洞内腔22填充有对其内壁产生压力的泥水混合物时，注泥通道3填充有起到封闭作用的封闭砼31，封闭砼31中加入速凝剂，使得封闭砼31可迅速封堵注泥通道3，将溶洞内腔22与外界环境相隔离，保持溶洞内腔22内的压力值稳定。
39.爆破装置包括有炸药61和起爆器62，炸药61置于炮眼5之中，起爆器62置于模拟试样1的外部，炸药61和起爆器62之间通过导爆索相连接，炮眼5的眼口填塞有起到封闭作用的封孔炮泥，抑制炸药61爆炸后的膨胀气体冲出炮眼5，有利于围岩破碎，提升了炸药61的能量利用率。
40.依据模拟试验所需设置多组所述炮眼5和所述模拟溶洞2之间位置不同的模拟试样1；炮眼5的深度至少为模拟试样1的高度或宽度的三分之一，在本实施例中模拟试样1的高度为800mm，当炮眼5设置为竖直状态时，则炮眼5的深度设置为400mm，该装置的炮孔与模拟试样1同时成型，无需采用钻机打孔的方式，避免装置模拟试样1的初始损伤，保持其原始应力状态，消除了机械钻取炮孔造成的结果误差。在本实施例中，炮眼5的深度为400mm、直径为32mm，炮眼5的轴向方向与模拟溶洞2的轴向方向两者均为竖直设置，其中炮眼5开设于模拟试样1的上端面中心位置，模拟溶洞2的底端与炮眼5的底端之间对齐设置。该装置结构简单，易于实现和施工操作，可以设置不同水压大小、充填介质、孔网参数、炸药61种类以及药量等物理参数，也可调整炮眼5和模拟溶洞2之间的位置，可匹配不同工况并在适宜于多种环境条件下进行试验。
41.数据采集装置包括有隔爆式的传感器、多点位移计以及压力感应元件，数据采集装置分布在模拟试样1、溶洞外壳21和溶洞内腔22中，以采集模拟溶洞2在爆破作用下的演化数据，分析突水突泥的状况，以及突水突泥对岩层爆破所产生的影响，以形成成熟的机理，为以后的隧道光面爆破施工提供丰富实践基础，对富水岩溶区域的爆破参数做出相对应调整，保障对围岩的爆破效果。
42.另一方面，提供一种富水岩溶区爆破模拟系统的制造方法，制造方法包括以下步骤：
43.s1、预制模拟溶洞2、第一管道、通道模板以及炮眼模板；
44.s2、制作模拟试样1，在模拟试样1未凝固之前，将模拟溶洞2埋设于模拟试样1中的设定位置，第一管道、通道模板和炮眼模板分别插设于模拟试样1当中的设定位置，第一管道在模拟试样1中形成输水通道4；
45.s3、在模拟试样1凝固后，对通道模板和炮眼模板两者分别与模拟试样1进行脱模处理，通道模板和炮眼模板分别在模拟试样1拆模后形成注泥通道3和炮眼5；
46.s4、在炮眼5中配置爆破装置，通过注泥通道3和输水通道4在模拟溶洞2中形成泥水混合物；
47.s5、对注泥通道3进行封闭处理。
48.可选地，在s1中，其具体包括以下步骤：
49.通过混凝土和速凝剂作为材料制造模拟溶洞2，使得模拟溶洞2在2h成型并达到试验要求所需的硬度，使得模拟溶洞2制造方便快捷，且其完全凝固后具有至少20mpa的抗压强度，模拟溶洞2分别形成有第一开口和第二开口。
50.第一管道、通道模板和炮眼模板三者均选用pvc材料制成，其中第一管道的内径为20mm，通道模板和炮眼模板两者的内径均为32mm，在通道模板和炮眼模板两者的插入段外表面涂抹上脱模剂，可使通道模板和炮眼模板两者的外表面易于脱离、光滑及洁净，提升通道模板和炮眼模板两者与模拟试样1之间的润滑性，便于工作人员进行拆模，提高拆模的工作效率。
51.可选地，在s2中，制作模拟试样1，其具体包括以下步骤：
52.预制试样成型模具，试样成型模具包括有4块钢板焊接围合而成，试样成型模具的形状为矩形设置，试样成型模具的一侧面开设有与第一管道配合的管孔；
53.在试样成型模具中浇筑预先配制的混凝土，成分包括有混凝土、水、碎石、砂子和减水剂，其凝固成型后具有至少50mpa的抗压强度，配置完成后的混凝土通过罐车运输至待定地点，混凝土的高度浇筑至与试样成型模具的高度相等设置为止，并将模拟试样1的上端面扫平。
54.可选地，在s2中，在模拟试样1凝固过程中，其具体包括以下步骤：
55.当试样成型模具中浇筑有一定高度的混凝土时，将预制的模拟溶洞2固定于模拟材料当中，在混凝土未覆盖第一开口和第二开口时，第一管道穿过管孔和第一开口两者与溶洞内腔22相连通，通道模板则穿过第二开口与溶洞内腔22相连通，防止模拟材料从试样成型模具中泄漏，以及避免模拟材料通过第一开口和第二开口直接进入至溶洞内腔22之中。
56.可选地，在s3中，其具体包括以下步骤：
57.依据炮眼5所需的深度确定炮眼模板的插入段长度，当确定炮眼5的深度为400mm时，炮眼模板选用长度为600mm，在炮眼模板的400mm高度处作出标记，标记可为，在模拟试样1成型过程中预设炮眼模板，使得炮眼5与模拟试样1同时成型，而无需采用钻机打孔的方式，避免装置模型材料的初始损伤，保持其原始应力状态，消除了机械钻取炮孔造成的结果误差。炮眼5与模拟溶洞2两者之间在模拟试样1中的位置和距离依据不同试验所需进行拟定。
58.可选地，在s3中，其具体步骤包括：
59.对凝固后的模拟试样1静置24h后，第一管道无需从模拟试样1中拔出，可作为输水通道4，将通道模板和炮眼模板两者分别从模拟试样1中拔出，完成拆模，在模拟试样1当中分别形成注泥通道3和炮眼5。然后将试样成型模具从成型后的模拟试样1中拆下，实现对模拟试样1的脱模处理。
60.可选地，在s3中，在模拟试样1凝固后，其具体包括以下步骤：
61.对模拟试样1进行为期28d的湿水养护，直至模拟试样1凝固硬度达到试验要求。
62.可选地，在s4中，在炮眼5中配置爆破装置，其具体包括以下步骤：
63.在炮眼5中依次填塞炸药61和封孔炮泥，炸药61的导爆索延伸出炮眼5并连接有起爆器62。
64.可选地，在s4中，通过注泥通道3和输水通道4在模拟溶洞2中形成泥水混合物，其具体包括以下步骤：
65.通过注泥通道3向溶洞内腔22注入泥浆，输水通道4通过泵体72加载水压为溶洞内腔22输入水体，在溶洞内腔22中形成泥水混合物，以模拟富水岩溶区域的溶洞结构，当工作人员通过起爆器62点爆在炮眼5中的炸药61时，炸药61在模拟试样1中爆炸产生应力，同时在高温高压作用下对模拟试样1进行开挖，通过在模拟试样1和模拟溶洞2中的数据采集装置采集爆破过程中各点的数据，对数据进行分析，进而获得各监测点应力、应变、位移、渗压物理场的动态变化规律，捕获高速率爆炸过程中围岩位移场与应力场的动力响应特性，揭示充填承压溶洞突泥过程中各物理场的前兆信息，通过多物理场信息响应特征的对比，更为接近工程实际，反映出不良地质条件下隧道施工过程灾变的演化，为其破坏机理的研究奠定理论基础。
66.综上，本技术提供的富水岩溶区爆破模拟系统及制造方法具有如下有益效果：
67.其中模拟试样1起到模拟富水岩溶区域的作用，模拟溶洞2起到模拟富水岩溶区域中溶洞结构作用，通过在模拟溶洞2中形成泥水混合物，并在模拟试样1中爆破，通过数据采集装置获得高速率动荷载作用下的模拟试样1中各个点的数据，分析试验过程中各采集点应力、应变、位移、渗压等物理场的动态变化规律，揭示富水岩溶区域在高速率动荷载作用下模拟溶洞2突水突泥过程中各物理场的前兆信息。
68.通过调整加载水压、泥水混合物、炮眼5和模拟溶洞2之间的位置、炮眼5的数量以及炸药61的药量等的参数，进而匹配不同工况并在适宜于多种环境条件下进行试验，通过数据采集装置获得不同工况下的数据情况，工作人员可对采集的数据进行分析，获得富水岩溶区域在爆破作用下的围岩演化状况，可获得隧道突水过程的应力场、渗流场及位移场等多场耦合，揭示了理论与试验为富水岩溶结构在瞬时破坏过程中的力学特征及演化规律，为隧道突水灾害机理研究提供有效依据。
69.本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。