[发明专利]地下洞室开挖面表面应力解除装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种岩石工程领域岩体表面应力测量的装置，具体是一种地下洞室开挖面表面应力解除装置。

背景技术

在水利水电、矿业开采等涉及地下洞室开挖施工的岩土工程领域，往往需要了解和确定洞室表面围岩的应力状态，以评估开挖围岩本身的稳定性，或者判别和预报顶板压力，以便及时采取必要的工程措施预防事故发生。特别是在深埋地下洞室工程施工时，由于地应力水平较高，施工期间洞室开挖面由于高地应力环境引起的岩爆等事故时有发生，给工程施工带来困难，严重时甚至造成重大的人身安全和生命财产损失。这种情况下，如能采用简单、快速的地下洞室开挖面表面应力测量技术，准确地测定开挖面上表层岩体多个局部壁面的平面应力状态，及时把握洞室施工期间开挖面表层岩面的局部应力状态，从而为研究洞室表层岩体的稳定状况、支护结构设计和计算提供基础性数据资料就显得特别重要。

目前在洞室表面开展平面应力测量的技术还局限于通过在平整岩面向岩体凿环形槽来实施对岩体表面的应力解除来进行，这类方法在实施起来需要大型的施工机械，设备笨重，操作起来占地面积也大，对工程施工也会带来诸多不便，甚至由于现场试验占用工时而影响工程进度。另一类测量岩体表面应力方法是表面应力恢复测量法，它是先在岩面凿槽，并记录凿槽过程中其法向的局部变形值，然后再在槽中埋设压力枕加压，当压力达到恢复凿槽时所记录的局部变形值时，就认为施加在压力枕上的压力就是所测岩壁表层的一个主应力。由于主应力的方向一般事先是无法知道的，这样采用这类方法来测点岩体表层的表面应力的话，至少需要进行三次测量，效率较低。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101240697，公开日2008813，记载了一种用于在垂直深孔中钻切高质量岩芯的微型井下侧壁环形槽切割工具，所提出的微型井下侧壁环形槽切割工具主要由提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、冷却泵仓、上封隔器、环形槽切割主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中：提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套上设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。该装置主要是用于在垂直深孔孔壁上钻切相对完整的岩样，同时也可以完成对孔壁局部壁面的应力解除，但无法获得孔壁上被解除局部壁面的实时变形数据；该装置结构复杂，无法适用于快速测定地下洞室开挖面平面应力的实际需要。另外，在岩石表面应力测量技术中多采用传统的多通道应变仪来测量岩石应变，往往就需要有专门配置应变测量仪器，这对于相对复杂的地下洞室施工现场而言不可避免地会给测试工作带来不利影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，能够快速获得岩体表面的局部变形数据，进而计算确定岩体表面的局部平面应力状态。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变仪测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变仪由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连。

所述的测量控制单元包括：测量控制电源输入和总线输入接线端子、与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中：外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后,使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号，并将该信号送回控制处理器。

测量控制单元是一个基于485总线的集成电路板，电源输入电压为直流24V。测量控制电源输入和总线输入接线端子位于集成电路板的右侧，通过连接导线与外部电缆相连接作为集成电路板的电源和信号接口，控制处理器位于集成电路板的中部，驱动机构输出模块和外部信号输入模块位于集成电路板的中上部。